DE102021114887A1 - Battery cell with cover element - Google Patents
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Abstract
Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein Gehäuse (2) und darin angeordnet mindestens einen Block (3) Aktivmaterial, wobei der Block (3) Aktivmaterial eine Mehrzahl von Elektroden (4) umfassend mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und zwischen den unterschiedlichen Elektroden (4) einen Separator aufweist; wobei das Gehäuse (2) ein Mantelteil (5) mit mindestens einer offenen Stirnseite (6, 7) aufweist; wobei die Stirnseite (6, 7) zumindest teilweise durch ein Deckelelement (8) verschlossen ist; wobei das Deckelelement (8) mehrlagig ausgeführt ist; wobei eine hin zum Block (3) Aktivmaterial gerichtete erste Lage (9) und eine hin zur Umgebung (10) der Batteriezelle (1) gerichtete zweite Lage (11) aus jeweils einem elektrisch leitenden Material ausgeführt sind, wobei zwischen der ersten Lage (9) und der zweiten Lage (11) eine dritte Lage (12) angeordnet ist, über die das Deckelement (8) mit dem Mantelteil (5) verbunden ist.Battery cell (1), at least comprising a housing (2) and at least one block (3) of active material arranged therein, the block (3) of active material having a plurality of electrodes (4) comprising at least one anode, at least one cathode and between the different electrodes (4) has a separator; wherein the housing (2) has a casing part (5) with at least one open end face (6, 7); wherein the end face (6, 7) is at least partially closed by a cover element (8); wherein the cover element (8) is designed in multiple layers; wherein a first layer (9) facing the block (3) of active material and a second layer (11) facing the environment (10) of the battery cell (1) are each made of an electrically conductive material, with the first layer (9 ) and the second layer (11), a third layer (12) is arranged, via which the cover element (8) is connected to the casing part (5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Block Aktivmaterial, wobei der Block Aktivmaterial eine Mehrzahl von Elektroden umfassend mindestens eine Anode, mindestens eine Kathode und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator aufweist. Der Block Aktivmaterial umfasst insbesondere einen Stapel oder einen Wickel (z.B. Flachwickel, Rundwickel, Z-Falt) aus mindestens zwei Elektroden sowie dem Separator.The invention relates to a battery cell, at least comprising a housing and at least one block of active material arranged therein, the block of active material having a plurality of electrodes comprising at least one anode, at least one cathode and a separator between the different electrodes. The block of active material comprises in particular a stack or a coil (e.g. flat coil, round coil, Z-fold) made up of at least two electrodes and the separator.
Insbesondere weist jeder Block Aktivmaterial mehrere Anoden und Kathoden auf und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Die gestapelten Kathoden, Anoden und Elektroden bilden einen flachen, aber flächig großen Block Aktivmaterial. Jede Elektrode umfasst insbesondere eine, auf einer Ableiterfolie angeordnete Schicht Aktivmaterial, wobei sich die Ableiterfolien mit einem unbeschichteten Abschnitt aus dem Block Aktivmaterial nach außen erstrecken. Der unbeschichtete Abschnitt einer Ableiterfolie bildet den Ableiter so dass ein elektrischer Strom aus dem Block Aktivmaterial ab- oder dem Block Aktivmaterial zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen gleichartigen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten.In particular, each block of active material has several anodes and cathodes and a separator between the different electrodes. The stacked cathodes, anodes and electrodes form a flat but large block of active material. In particular, each electrode comprises a layer of active material arranged on a conductor foil, with the conductor foils extending outwards with an uncoated section from the block of active material. The uncoated section of an arrester foil forms the arrester so that an electric current can be discharged from the block of active material or fed to the block of active material. The conductors of the anodes and the conductors of the cathodes are each connected to one another in order to electrically connect the respective electrodes of the same type in parallel.
Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen und/ oder aus mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen zusammengesetzt.Batteries, in particular lithium-ion batteries, are increasingly being used to drive motor vehicles. Batteries are usually composed of battery cells and/or battery modules comprising several battery cells.
Die Blöcke Aktivmaterial werden einzeln oder in Gruppen in einem Gehäuse angeordnet und bildet so eine Batteriezelle. Dabei soll insbesondere eine möglichst effektive Nutzung des Bauraums erreicht werden. Dabei ist der Wert Wh/I [Watt-Stunde pro Liter] eine wichtige Kenngröße einer Batteriezelle. In der aktuellen Bauweise von prismatischen Zellen kann ein bestimmter Anteil eines Gehäusevolumens für einen Zellwickel/Zellstapel verwendet werden.The blocks of active material are arranged individually or in groups in a housing, thus forming a battery cell. In particular, the most effective possible use of the installation space should be achieved. The value Wh/I [watt hour per liter] is an important parameter of a battery cell. In the current construction of prismatic cells, a certain proportion of a housing volume can be used for a cell coil/cell stack.
In einer aktuellen Bauform einer Batteriezelle ist ein Zellstapel/Zellwickel bzw. ein Block Aktivmaterial innerhalb eines tiefgezogenen Gehäuseteils angeordnet. Das tiefgezogene Gehäuseteil ist mit einer Deckelgruppe verbunden, die üblicherweise einen Stromsammler zur Kontaktierung der Ableiter einer Elektrodenart, ein Aufnahmegitter zur Aufnahme und elektrischen Isolierung des Stromsammlers gegenüber dem Gehäuseteil, ein Anschluss zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts des Stromsammlers mit einer Umgebung der Batteriezelle sowie einen Isolator zur Isolierung des Anschlusses gegenüber dem Gehäuse aufweist.In a current design of a battery cell, a cell stack/cell coil or a block of active material is arranged within a deep-drawn housing part. The deep-drawn housing part is connected to a cover group, which usually has a current collector for contacting the conductors of one type of electrode, a receiving grid for receiving and electrically insulating the current collector from the housing part, a connection for providing electrical contact between the current collector and the environment of the battery cell, and an insulator for isolating the connection from the housing.
Die Anordnung des Deckels als Bestandteil des Gehäuses, die Verbindung der Ableiter mit dem Stromsammler und die Durchführung der elektrischen Kontaktierung durch den Deckel nach außen erfordert Bauraum.The arrangement of the cover as part of the housing, the connection of the arrester to the current collector and the implementation of the electrical contact through the cover to the outside requires space.
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 eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die mit einem Deckelelement eine effektive Raumnutzung des Gehäuses ermöglicht. Dabei soll insbesondere eine Komplexität des Deckelelements reduziert werden und gleichzeitig eine Dichtigkeit der Batteriezelle gewährleistet werden, insbesondere bei Durchführung der elektrischen Kontakte durch das Deckelelement.The object of the present invention is to at least partially solve the problems cited with reference to the prior art. In particular, a battery cell is to be proposed which, with a cover element, enables effective use of space in the housing. In particular, the complexity of the cover element is to be reduced and at the same time the tightness of the battery cell is to be ensured, in particular when the electrical contacts are passed through the cover element.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle 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 battery cell with the features according to
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Block Aktivmaterial. Der Block Aktivmaterial weist eine Mehrzahl von Elektroden, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode, und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator auf. Das Gehäuse weist ein Mantelteil mit mindestens einer offenen Stirnseite auf. Die Stirnseite ist zumindest teilweise durch ein Deckelelement verschlossen. Das Deckelelement ist mehrlagig ausgeführt. Eine hin zum Block gerichtete erste Lage und eine hin zur Umgebung der Batteriezelle gerichtete zweite Lage des Deckelelements sind aus jeweils einem elektrisch leitenden Material ausgeführt. Zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage ist eine dritte Lage angeordnet, über die das Deckelement mit dem Mantelteil verbunden ist. Zwischen der ersten Lage und der dritten Lage ist eine erste Zwischenlage und zwischen der zweiten Lage und der dritten Lage eine zweite Zwischenlage aus jeweils einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet. Mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungselement erstreckt sich entlang einer radialen Richtung durch das Deckelelement ausgehend von der ersten Lage bis hin zur zweiten Lage zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Lage mit der zweiten Lage.A battery cell is proposed, at least comprising a housing and at least one block of active material arranged therein. The block of active material has a plurality of electrodes, comprising at least one anode and at least one cathode, and a separator between the different electrodes. The housing has a casing part with at least one open end face. The end face is at least partially closed by a cover element. The cover element is multi-layered. One The first layer of the cover element, which is directed toward the block, and a second layer of the cover element, which is directed toward the area surrounding the battery cell, are each made of an electrically conductive material. A third layer is arranged between the first layer and the second layer, via which the cover element is connected to the casing part. A first intermediate layer is arranged between the first layer and the third layer and a second intermediate layer, each made of an electrically non-conductive material, is arranged between the second layer and the third layer. At least one electrically conductive connecting element extends along a radial direction through the cover element, starting from the first layer to the second layer, for the electrically conductive connection of the first layer to the second layer.
Ein Block Aktivmaterial umfasst in bekannter Weise insbesondere mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden. Zwischen Anode und Kathode ist jeweils ein Separator angeordnet. Die Aktivmaterialien sind insbesondere als Beschichtungen auf elektrisch leitenden Trägermaterialien angeordnet, die insbesondere als Ableiter dienen. Die Anode, die Kathode und der Separator werden insbesondere jeweils als Lage bezeichnet, die aufeinandergestapelt angeordnet werden.In a known manner, a block of active material comprises in particular at least one anode and at least one cathode as electrodes. A separator is arranged between the anode and the cathode. The active materials are arranged in particular as coatings on electrically conductive carrier materials, which serve in particular as conductors. Specifically, the anode, the cathode and the separator are each referred to as a sheet, which is stacked one on top of the other.
Ein Block Aktivmaterial kann auch als eine Pouchzelle ausgeführt sein, die also mit eigenem Gehäuse in dem vorliegend beschriebenen Gehäuse, umfassend das Mantelteil und das Kernteil, angeordnet ist. Eine Pouchzelle umfasst ein verformbares Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie und ist damit gerade nicht eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). 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.A block of active material can also be designed as a pouch cell, which is therefore arranged with its own housing in the housing described here, comprising the casing part and the core part. A pouch cell comprises a deformable housing consisting of a pouch film and is therefore not a prismatic cell (with a dimensionally stable housing). A pouch film is a well-known deformable housing part that is used as a housing for so-called pouch cells. It is a composite material, e.g. B. comprising a plastic and aluminum.
Die Elektroden sind insbesondere in bekannter Weise zur Bildung des Blocks Aktivmaterial angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt.In particular, the electrodes are arranged in a known manner to form the block of active material and are acted upon by an electrolyte or an electrolyte liquid.
Insbesondere weist ein Block Aktivmaterial eine Vielzahl von Elektroden und Separatoren auf, die aufeinandergestapelt oder gestapelt und dann gemeinsam gewickelt angeordnet sind. Die Lagen können als Einzelblattstapel, Laminierung, Z-Faltung, Jelly Roll angeordnet sein, jeweils in beliebiger Anzahl.In particular, a block of active material has a multiplicity of electrodes and separators which are stacked on top of one another or stacked and then wound together. The layers can be arranged as a single sheet stack, lamination, Z-fold, jelly roll, each in any number.
Die Elektroden sind insbesondere folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode ist insbesondere eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet. Die Separatoren sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden angeordnet. Insbesondere erstrecken sich unbeschichtete Teile der Elektroden als Ableiter aus dem Block Aktivmaterial heraus.The electrodes are designed in particular in the form of foils, ie they have a large side surface and a small thickness. In particular, a coating with active material is arranged on the side surface or on each side surface of the electrode. The separators are each arranged between the side surfaces of the adjacently arranged different electrodes. In particular, uncoated parts of the electrodes extend out of the block of active material as conductors.
Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Blocks Aktivmaterial oder innerhalb des Gehäuses miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind.In particular, the anodes and the cathodes are connected in parallel within the block of active material or within the housing, so that the conductors of a plurality of anodes are electrically conductively connected to one another and the conductors of a plurality of cathodes are electrically conductively connected to one another.
Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere nur plastisch verformbar. Das Gehäuse wird auch als Hardcase bezeichnet und die Batteriezelle z. B. als eine prismatische Zelle.The housing of the battery cell is in particular only plastically deformable. The housing is also referred to as a hard case and the battery cell z. B. as a prismatic cell.
Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle.The battery cell is in particular a lithium-containing battery cell, in particular a secondary cell, ie a rechargeable battery cell.
Das Gehäuse ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle insbesondere einteilig ausgeführt. Das Gehäuse setzt sich zumindest aus dem Mantelteil und dem mindestens einem Deckelelement zusammen, die erst im Rahmen der Herstellung des Gehäuses miteinander verbunden werden, vorher aber als Einzelteile vorliegen.In the case of the ready-to-use battery cell, the housing is in particular made in one piece. The housing is composed of at least the casing part and the at least one cover element, which are only connected to one another during the manufacture of the housing, but are previously present as individual parts.
Das Mantelteil ist insbesondere zylindrisch ausgeführt, weist also nur parallel zu einer axialen Richtung verlaufende Flächen auf.The casing part is in particular of cylindrical design, ie it only has surfaces running parallel to an axial direction.
Als Material für das Gehäuse bzw. das Mantelteil kann insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung oder aber auch andere Werkstoffe eingesetzt werden. Dabei sollte das eingesetzte Material insbesondere eine gute Wärmeleitfähigkeit, bevorzugt vergleichbar oder höher als die Wärmleitfähigkeit von Aluminium, aufweisen.In particular, aluminum or an aluminum alloy or other materials can be used as the material for the housing or the casing part. The material used should in particular have good thermal conductivity, preferably comparable to or higher than the thermal conductivity of aluminum.
Das Mantelteil kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Es weist insbesondere mindestens eine offene Stirnseite auf. Die Stirnseite ist zumindest teilweise durch ein Deckelelement verschlossen. Das Deckelelement ist mehrlagig ausgeführt. Die einzelnen Lagen erstrecken sich insbesondere parallel zueinander und bevorzugt parallel zur offenen Stirnseite. Auf der hin zum Block orientierten Seite des Deckelelements ist eine erste Lage angeordnet. Auf der hin zur Umgebung der Batteriezelle orientierten gegenüberliegenden Seite des Deckelelements ist eine zweite Lage des Deckelelements angeordnet. Die erste Lage und die zweite Lage sind insbesondere jeweils aus einem elektrisch leitenden Material ausgeführt.The jacket part can be made in one piece or in several pieces. In particular, it has at least one open end face. The end face is at least partially closed by a cover element. The cover element is designed in multiple layers. The individual layers extend in particular parallel to one another and preferably parallel to the open end face. A first layer is arranged on the side of the cover element oriented towards the block. A second layer of the cover element is arranged on the opposite side of the cover element, which is oriented towards the environment of the battery cell. The first layer and the second layer are in particular each made of an electrically conductive material.
Zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage ist insbesondere eine dritte Lage angeordnet, über die das Deckelement mit dem Mantelteil verbunden ist. Insbesondere wird das Deckelement ausschließlich über die dritte Lage mit dem Mantelteil verbunden. Insbesondere bildet ausschließlich die dritte Lage eine stoffschlüssige erste Verbindung mit dem Mantelteil aus.In particular, a third layer is arranged between the first layer and the second layer, via which the cover element is connected to the casing part. In particular, the cover element is connected to the casing part exclusively via the third layer. In particular, only the third layer forms a materially bonded first connection with the casing part.
Zwischen der ersten Lage und der dritten Lage ist insbesondere eine erste Zwischenlage und zwischen der zweiten Lage und der dritten Lage eine zweite Zwischenlage aus jeweils einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet. Über die Zwischenlagen wird die dritte Lage von den anderen, elektrisch leitenden Komponenten des Deckelelements elektrisch isoliert.In particular, a first intermediate layer is arranged between the first layer and the third layer, and a second intermediate layer, each made of an electrically non-conductive material, is arranged between the second layer and the third layer. The third layer is electrically insulated from the other, electrically conductive components of the cover element via the intermediate layers.
Mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungselement erstreckt sich entlang einer radialen Richtung durch das Deckelelement ausgehend von der ersten Lage bis hin zur zweiten Lage zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Lage mit der zweiten Lage.At least one electrically conductive connecting element extends along a radial direction through the cover element, starting from the first layer to the second layer, for the electrically conductive connection of the first layer to the second layer.
Das Gehäuse ist insbesondere im Wesentlichen quaderförmig. Die größten Seitenflächen des Gehäuses erstrecken sich insbesondere parallel zu den größten Seitenflächen der Elektroden des Blocks. Die größten Seitenflächen sind durch vier Umfangsflächen voneinander beabstandet. Jeweils zwei, einander gegenüberliegende Umfangsflächen sind insbesondere gleich groß ausgeführt. Die so gebildeten Paare von Umfangsflächen sind insbesondere unterschiedlich groß. Das mindestens eine Deckelelement ist insbesondere an einer der kleinsten Umfangsflächen angeordnet. Alternativ ist das mindestens eine Deckelelement insbesondere an der größten Umfangsfläche angeordnet. Insbesondere werden die größten Seitenflächen des Gehäuses durch das Mantelteil gebildet. Insbesondere werden zusätzlich mindestens zwei oder sogar drei der Umfangsflächen durch das Mantelteil gebildet.In particular, the housing is essentially cuboid. In particular, the largest side surfaces of the housing extend parallel to the largest side surfaces of the electrodes of the block. The largest side faces are spaced from each other by four peripheral faces. In each case, two mutually opposite circumferential surfaces are in particular of the same size. The pairs of peripheral surfaces formed in this way are in particular of different sizes. The at least one cover element is arranged in particular on one of the smallest peripheral surfaces. Alternatively, the at least one cover element is arranged in particular on the largest peripheral surface. In particular, the largest side surfaces of the housing are formed by the casing part. In particular, at least two or even three of the peripheral surfaces are additionally formed by the casing part.
Insbesondere ist zumindest die mindestens eine Anode oder die mindestens eine Kathode mit der ersten Lage elektrisch leitend verbunden. Insbesondere sind alle Anoden oder alle Kathoden des mindestens einen Blocks mit der ersten Lage elektrisch leitend verbunden. Die Elektroden sind insbesondere über ihre Ableiter mit der ersten Lage verbunden. Die Verbindung ist insbesondere als stoffschlüssige Verbindung ausgeführt. Die stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere durch Löten oder Schweißen, insbesondere Laserschweißen, ausgeführt sein.In particular, at least the at least one anode or the at least one cathode is electrically conductively connected to the first layer. In particular, all anodes or all cathodes of the at least one block are electrically conductively connected to the first layer. The electrodes are connected to the first layer in particular via their conductors. The connection is designed in particular as an integral connection. The integral connection can be implemented in particular by soldering or welding, in particular laser welding.
Insbesondere erstrecken sich die Ableiter der gleichartigen Elektroden des mindestens einen Blocks aus einer Seitenfläche des Blocks heraus. Insbesondere werden die Ableiter zusammengeführt und übereinander angeordnet. Die so zusammengelegten Ableiter können gemeinsam oder aber einzeln mit der ersten Lage stoffschlüssig verbunden werden. Dabei kann das Deckelelement noch als Einzelteil und vom Mantelteil getrennt bereitgestellt sein.In particular, the conductors of the electrodes of the same type of the at least one block extend out of a side surface of the block. In particular, the conductors are brought together and arranged one above the other. The arresters assembled in this way can be bonded together or individually to the first layer. The cover element can still be provided as an individual part and separately from the casing part.
Insbesondere wird das Deckelelement erst nach Verbindung der Ableiter mit der ersten Lage an dem Mantelteil angeordnet und damit verbunden.In particular, the cover element is only arranged on the casing part and connected thereto after the conductors have been connected to the first layer.
Insbesondere ist zumindest die mindestens eine Anode oder die mindestens eine Kathode über das Deckelelement mit einem außerhalb der Batteriezelle angeordneten Stromkreis elektrisch leitend verbindbar. Insbesondere erfolgt die elektrisch leitende Kontaktierung des Stromkreises über die zweite Lage.In particular, at least the at least one anode or the at least one cathode can be electrically conductively connected via the cover element to a circuit arranged outside of the battery cell. In particular, the electrically conductive contacting of the circuit takes place via the second layer.
Insbesondere ist die dritte Lage gegenüber dem Verbindungselement und gegenüber der ersten Lage und der zweite Lage elektrisch isoliert in dem Deckelelement angeordnet. Insbesondere ist das Deckelelement ausschließlich über die dritte Lage, also weder über die erste Lage noch über die zweite Lage, mit dem Mantelteil verbunden.In particular, the third layer is arranged in the cover element in an electrically insulated manner relative to the connecting element and relative to the first layer and the second layer. In particular, the cover element is connected to the casing part exclusively via the third layer, that is to say neither via the first layer nor via the second layer.
Als Material für die erste und zweite Lage und für das Verbindungselement kann insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, Kupfer bzw. eine Kupferlegierung oder aber auch andere Werkstoffe eingesetzt werden. Dabei sollte das eingesetzte Material insbesondere eine gute elektrische Leitfähigkeit, bevorzugt vergleichbar oder höher als die Leitfähigkeit von Aluminium, aufweisen.In particular, aluminum or an aluminum alloy, copper or a copper alloy or other materials can be used as the material for the first and second layer and for the connecting element. The material used should in particular have good electrical conductivity, preferably comparable to or higher than the conductivity of aluminum.
Als Material für die dritte Lage sollte insbesondere ein zum Mantelteil passendes Material, zumindest ein für eine stoffschlüssige erste Verbindung mit dem Mantelteil geeignetes Material ausgewählt werden. Insbesondere entspricht das Material der dritten Lage dem Material des Mantelteils.In particular, a material suitable for the casing part, at least a material suitable for a materially bonded first connection with the casing part, should be selected as the material for the third layer. In particular, the material of the third layer corresponds to the material of the jacket part.
Insbesondere ist das Mantelteil gegenüber dem Verbindungselement und gegenüber der ersten Lage sowie der zweiten Lage elektrisch isoliert angeordnet.In particular, the casing part is arranged in an electrically insulated manner with respect to the connecting element and with respect to the first layer and the second layer.
Insbesondere ist das mindestens eine Verbindungselement mit der ersten Lage und mit der zweiten Lage stoffschlüssig oder gegenüber der radialen Richtung formschlüssig verbunden.In particular, the at least one connecting element is connected to the first layer and to the second layer with a material fit or with a form fit in relation to the radial direction.
Das Verbindungselement kann z. B. als ein Bolzen ausgeführt sein. Der Bolzen kann entlang der radialen Richtung im Wesentlichen symmetrisch ausgeführt sein. Er kann zusätzlich rotationssymmetrisch, zum Beispiel um eine sich entlang der radialen Richtung erstreckende Achse des Verbindungselements, ausgeführt sein.The connecting element can, for. B. be designed as a bolt. The bolt can be designed essentially symmetrically along the radial direction. It can also be designed to be rotationally symmetrical, for example around an axis of the connecting element that extends along the radial direction.
Das Verbindungselement kann z. B. in eine zur Aufnahme des Verbindungselements vorgesehene Öffnung im Deckelelement eingeführt werden. Die Öffnung ist insbesondere als Durchgangsöffnung im Deckelelement ausgeführt, ist also in jeder Lage des mehrlagigen Deckelelements als Öffnung vorgesehen. Das Verbindungselement kann in der Öffnung über eine Presspassung angeordnet sein. Insbesondere soll eine elektrisch leitende Kontaktierung der ersten Lage und der zweiten Lage mit dem Verbindungselement gewährleistet sein.The connecting element can, for. B. be inserted into an opening provided for receiving the connecting element in the cover element. The opening is designed in particular as a through-opening in the cover element, ie it is provided as an opening in every layer of the multi-layer cover element. The connection element can be arranged in the opening via an interference fit. In particular, an electrically conductive contacting of the first layer and the second layer with the connecting element should be ensured.
Das Verbindungselement kann über eine Lot- oder Schweißverbindung mit der ersten Lage und/ oder mit der zweiten Lage verbunden sein, also über eine zweite Verbindung. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungselement über eine gegenüber der radialen Richtung formschlüssige dritte Verbindung mit den Lagen verbunden sein. Z. B. kann dafür das Verbindungselement an zumindest einem Ende nach der Anordnung in der Öffnung umgeformt werden, z. B. nach Art eines Niets, so dass der Formschluss realisiert ist.The connecting element can be connected to the first layer and/or to the second layer via a soldered or welded connection, ie via a second connection. Alternatively or additionally, the connecting element can be connected to the layers via a third connection that is form-fitting in relation to the radial direction. For example, for this purpose the connecting element can be deformed at least at one end after it has been arranged in the opening, e.g. B. in the manner of a rivet, so that the form fit is realized.
Das Deckelelement kann ein oder mehrere Verbindungselemente aufweisen. Die Geometrie und/ oder das Material des Verbindungselements und/ oder die Anzahl an Verbindungselementen kann insbesondere im Hinblick auf die, eine möglichst effektive Durchleitung eines elektrischen Stroms gewährleistenden Eigenschaften, z. B. Leitungsquerschnitt, Leitfähigkeit, etc., geeignet ausgewählt werden.The cover element can have one or more connecting elements. The geometry and/or the material of the connecting element and/or the number of connecting elements can, in particular, with regard to the properties ensuring the most effective conduction of an electric current, e.g. B. line cross-section, conductivity, etc., are selected appropriately.
Das Überdruckventil kann auch durch das Verbindungselement ausgebildet werden.The pressure relief valve can also be formed by the connecting element.
Insbesondere ist die dritte Lage mit dem Mantelteil stoffschlüssig verbunden. Insbesondere bildet die erste Verbindung zwischen der dritten Lage und dem Mantelteil eine gasdichte Verbindung.In particular, the third layer is bonded to the casing part. In particular, the first connection between the third layer and the jacket part forms a gas-tight connection.
Insbesondere weist das Deckelelement ein Überdruckventil auf. Über das Überdruckventil soll insbesondere im Betrieb der Batteriezelle ein innerhalb der Batteriezelle entstehender Überdruck abgebaut werden können. Das Überdruckventil kann auch als eine Art Berstöffnung ausgeführt sein, die also nach einmaliger Öffnung nicht wiederverschließbar ist. Alternativ kann das Überdruckventil als ein wiederholt schließbares Ventil ausgeführt sein.In particular, the cover element has a pressure relief valve. In particular, when the battery cell is in operation, the overpressure valve should be able to reduce an overpressure occurring within the battery cell. The pressure relief valve can also be designed as a type of bursting opening, which means that it cannot be closed again after it has been opened once. Alternatively, the pressure relief valve can be designed as a repeatedly closable valve.
Insbesondere besteht zumindest die erste Zwischenlage oder die zweite Zwischenlage aus einem Fluor-Kautschuk, PTFE (Polytetrafluorethylen), PFA (Perfluoralkoxy-Polymere, also vollständig fluorierte Kunststoffe, Copolymere aus Tetrafluorethylen (TFE) und Perfluoralkoxyvinylethern, wie z. B. Perfluorvinylpropylether) oder aus einer Keramik.In particular, at least the first intermediate layer or the second intermediate layer consists of a fluorine rubber, PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (perfluoroalkoxy polymers, i.e. fully fluorinated plastics, copolymers of tetrafluoroethylene (TFE) and perfluoroalkoxy vinyl ethers, such as perfluorovinyl propyl ether) or a ceramic.
Insbesondere PTFE und PFA sind gasdicht und können somit gewährleisten, dass kein oder nur eine geringe Menge Elektrolyt aus dem Gehäuse in die Umgebung diffundieren kannPTFE and PFA in particular are gas-tight and can therefore ensure that no or only a small amount of electrolyte can diffuse out of the housing into the environment
Insbesondere weist das Mantelteil zusätzlich mindestens eine, zur ersten Stirnseite insbesondere gegenüberliegende, zweite offene Stirnseite auf, die durch eine weiteres mehrlagiges Deckelelement verschlossen ist.In particular, the casing part additionally has at least one second open end face, in particular opposite to the first end face, which is closed by a further multi-layer cover element.
Insbesondere ist das Mantelteil ein Strangpressprofil, also durch Strangpressen, oder durch Fließpressen bzw. Tiefziehen hergestellt.In particular, the casing part is an extruded profile, ie produced by extrusion, or by extrusion or deep-drawing.
Bei dem Verfahren Strangpressen wird ein Ausgangsmaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und mit hohem Druck durch eine formgebende Matrize gedrückt. Das so entstehende Profil wird aus der Matrize entlang einer Vorschubrichtung weiterbewegt.In the extrusion process, a starting material is heated to a forming temperature and pressed through a shaping die at high pressure. The resulting profile is moved out of the die along a feed direction.
Bei dem Verfahren Fließpressen wird insbesondere der Boden des erzeugten Bauteils abgetrennt und so das Mantelteil gebildet.In the impact extrusion process, the bottom of the component produced is cut off in particular, thus forming the casing part.
Es wird weiter ein Deckelelement für die beschriebene Batteriezelle vorgeschlagen, wobei das Deckelelement mehrlagig ausgeführt ist.A cover element for the battery cell described is also proposed, the cover element being designed in multiple layers.
Die Batteriezelle kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt sein. Insbesondere dient sie in einem Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie für einen Traktionsantrieb.The battery cell can be used in particular in a motor vehicle for storing electrical energy. In particular, it is used in a motor vehicle to provide electrical energy for a traction drive.
Die Ausführungen zu der Batteriezelle gelten insbesondere gleichermaßen für das Deckelelement und das Kraftfahrzeug und umgekehrt.The statements regarding the battery cell apply in particular equally to the cover element and the motor vehicle 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 will be obvious to the person skilled in the art when studying the concrete 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 Elektrode mit einem Ableiter in einer Draufsicht; -
2 : eine Batteriezelle in einer Seitenansicht während des Zusammenbaus; -
3 : dieBatteriezelle nach 2 in einer Seitenansicht nach dem Zusammenbau; -
4 : eine erste Ausführungsvariante eines Deckelelements in einer Draufsicht; -
5 :das Deckelelement nach 4 in einer Seitenansicht; -
6 :ein Detail der 5 ; -
7 : eine zweite Ausführungsvariante eines Deckelelements in einer Draufsicht; -
8 : das Deckelelement nach7 in einer Seitenansicht; -
9 : eine dritte Ausführungsvariante eines Deckelelements in einer Draufsicht; -
10 :das Deckelelement nach 9 in einer Seitenansicht; -
11 : eine vierte Ausführungsvariante eines Deckelelements in einer Draufsicht; -
12 :das Deckelelement nach 11 in einer Seitenansicht; und -
13 :ein Detail der 12 .
-
1 : an electrode with a conductor in a plan view; -
2 : a battery cell in a side view during assembly; -
3 : the battery cell after2 in a side view after assembly; -
4 : a first embodiment variant of a cover element in a plan view; -
5 : the cover element after4 in a side view; -
6 : a detail of5 ; -
7 : a second embodiment variant of a cover element in a plan view; -
8th : the cover element after7 in a side view; -
9 : a third embodiment variant of a cover element in a plan view; -
10 : the cover element after9 in a side view; -
11 : a fourth embodiment variant of a cover element in a plan view; -
12 : the cover element after11 in a side view; and -
13 : a detail of12 .
Die Batteriezelle 1 umfasst ein Gehäuse 2 und darin angeordnet mindestens einen Block 3 Aktivmaterial. Der Block Aktivmaterial weist eine Mehrzahl von Elektroden 4, umfassend Anoden und Kathoden, und zwischen den unterschiedlichen Elektroden 4 jeweils einen Separator auf. Das Gehäuse 2 weist ein Mantelteil 5 mit zwei offenen Stirnseiten 6, 7 auf. Die Stirnseite 6, 7 sind jeweils durch ein Deckelelement 8 verschlossen.The
Die Anoden und die Kathoden sind innerhalb des Gehäuses 2 jeweils miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter 19 einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter 19 einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Die Ableiter 19 der gleichartigen Elektroden 4 des Blocks 3 erstrecken sich aus jeweils einer, der jeweiligen Stirnseite 6, 7 gegenüberliegenden Seitenfläche des Blocks 3 heraus. Die Ableiter 19 werden zusammengeführt und übereinander angeordnet. Die so zusammengelegten Ableiter 19 gemeinsam mit der ersten Lage 9 des jeweiligen Deckelelements 8 stoffschlüssig verbunden. Dabei ist das Deckelelement 8 noch als Einzelteil und vom Mantelteil 5 getrennt bereitgestellt (siehe
Jedes Deckelelement 8 wird erst nach Verbindung der Ableiter 19 mit der ersten Lage 9 an dem Mantelteil 5 angeordnet und damit verbunden (siehe
Die Elektroden 4 sind über das jeweilige Deckelelement 8 mit einem außerhalb der Batteriezelle 1 angeordneten Stromkreis 17 (angedeutet in
Das Gehäuse 2 ist bei der einsatzbereiten Batteriezelle 1 (siehe
Das Gehäuse 2 ist quaderförmig ausgeführt. Die größten Seitenflächen des Gehäuses 2 erstrecken sich parallel zu den größten Seitenflächen der Elektroden 4 des Blocks 3, also quer zur axialen Richtung 20 und parallel zur radialen Richtung 16. Die größten Seitenflächen sind durch vier Umfangsflächen voneinander beabstandet. Jeweils zwei, einander gegenüberliegende Umfangsflächen sind gleich groß ausgeführt. Die so gebildeten Paare von Umfangsflächen sind unterschiedlich groß. Die Deckelelemente 8 sind an den, durch die kleinsten Umfangsflächen gebildeten Stirnseiten 6, 7 angeordnet.The
Das Mantelteil 5 ist einteilig ausgeführt. Es weist zwei offene Stirnseite 6, 7 auf. Die Stirnseiten 6, 7 sind durch ein Deckelelement 8 verschlossen.The
Das Deckelelement 8 ist mehrlagig ausgeführt. Die einzelnen Lagen 9, 11, 12 des Deckelelements 8 erstrecken sich parallel zueinander und parallel zu den Stirnseiten 6, 7. Auf der hin zum Block 3 orientierten Seite des Deckelelements 8 ist eine erste Lage 9 angeordnet. The
Auf der hin zur Umgebung 10 der Batteriezelle 1 orientierten gegenüberliegenden Seite des Deckelelements 8 ist eine zweite Lage 11 des Deckelelements 8 angeordnet. Die erste Lage 9 und die zweite Lage 11 sind jeweils aus einem elektrisch leitenden Material ausgeführt.A
Zwischen der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 ist eine dritte Lage 12 angeordnet, über die das Deckelement 8 mit dem Mantelteil 6 verbunden ist. Zwischen der ersten Lage 9 und der dritten Lage 12 ist eine erste Zwischenlage 13 und zwischen der zweiten Lage 11 und der dritten Lage 12 eine zweite Zwischenlage 14 aus jeweils einem elektrisch nicht leitenden Material angeordnet. Zwei elektrisch leitende Verbindungselemente 15 erstrecken sich entlang einer radialen Richtung 16 durch das Deckelelement 8 ausgehend von der ersten Lage 9 bis hin zur zweiten Lage 11 zur elektrisch leitenden Verbindung der ersten Lage 9 mit der zweiten Lage 11.A
Zwischen der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 ist die dritte Lage 12 angeordnet, über die das Deckelement 8 mit dem Mantelteil 5 verbunden ist. Das Deckelement 8 ist ausschließlich über die dritte Lage 12 mit dem Mantelteil 5 verbunden. Dabei bildet ausschließlich die dritte Lage 12 eine stoffschlüssige erste Verbindung 21 mit dem Mantelteil 5 aus.The
Über die Zwischenlagen 13, 14 wird die dritte Lage 12 von den anderen, elektrisch leitenden Komponenten des Deckelelements 8 elektrisch isoliert.The
Die dritte Lage 12 ist gegenüber den Verbindungselementen 15 und gegenüber der ersten Lage 9 und der zweite Lage 11 elektrisch isoliert in dem Deckelelement 8 angeordnet. Das Deckelelement 8 ist ausschließlich über die dritte Lage 12, also weder über die erste Lage 9 noch über die zweite Lage 11, mit dem Mantelteil 5 verbunden. Die dritte Lage 12 ist mit dem Mantelteil 5 stoffschlüssig verbunden. Die erste Verbindung 21 zwischen der dritten Lage 12 und dem Mantelteil 5 bildet eine gasdichte Verbindung.The
Das Mantelteil 5 ist gegenüber dem Verbindungselement 15 und gegenüber der ersten Lage 9 sowie der zweiten Lage 11 elektrisch isoliert angeordnet.The
Die Verbindungselemente 15 sind mit der ersten Lage 9 und mit der zweiten Lage 11 stoffschlüssig verbunden.The connecting
Die Verbindungselement 15 sind jeweils als ein Bolzen ausgeführt. Der Bolzen ist entlang der radialen Richtung 16 im Wesentlichen symmetrisch ausgeführt sein. Er ist zusätzlich rotationssymmetrisch um eine sich entlang der radialen Richtung 16 erstreckende Achse des Verbindungselements 15, ausgeführt.The connecting
Das Verbindungselement 15 ist in eine zur Aufnahme des Verbindungselements 15 vorgesehenen Öffnung im Deckelelement 8 angeordnet. Die Öffnung ist als Durchgangsöffnung im Deckelelement 8 ausgeführt, ist also in jeder Lage 9, 11, 12, 13, 14 des mehrlagigen Deckelelements 8 als Öffnung vorgesehen. Eine elektrisch leitende Kontaktierung der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 wird mit dem Verbindungselement 15 gewährleistet.The connecting
Das Verbindungselement 15 ist über eine stoffschlüssige zweite Verbindung 22 mit der ersten Lage 9 und mit der zweiten Lage 11 verbunden.The connecting
Das Deckelelement 8 weist ein Überdruckventil 18 auf. Über das Überdruckventil 18 soll im Betrieb der Batteriezelle 1 ein innerhalb der Batteriezelle 1 entstehender Überdruck abgebaut werden können. Das Überdruckventil 18 ist als eine Art Berstöffnung ausgeführt, die also nach einmaliger Öffnung nicht wiederverschließbar ist.The
Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante sind die Verbindungselemente 15 über eine gegenüber der radialen Richtung 16 formschlüssige dritte Verbindung 23 mit den Lagen 9, 11, 12, 13, 14 verbunden. Dafür sind die Verbindungselemente 15 an beiden Enden so geformt, z. B. nach Art eines Niets, dass der Formschluss realisiert ist. Eine stoffschlüssige zweite Verbindung 22 zwischen Verbindungselement 15 und der jeweiligen Lage 9, 11 ist hier nicht erforderlich.In contrast to the first embodiment variant, the connecting
Im Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsvariante weist das Deckelelement 8 nur ein Verbindungselement 15 auf. Dies erstreckt sich aber großflächig über einen großen Teilbereich jeder einzelnen Lage 9, 11, 12, 13, 14. Wie bei der ersten Ausführungsvariante ist das Verbindungselement 15 mit der ersten Lage 9 und der zweiten Lage 11 jeweils stoffschlüssig verbunden.In contrast to the first and second embodiment variant, the
Das Überdruckventil 18 wird durch das Verbindungselement 15 ausgebildet.The
Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante sind die Verbindungselemente 15 nicht rotationssymmetrisch ausgeführt.In contrast to the first embodiment variant, the connecting
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Batteriezellebattery cell
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- Blockblock
- 44
- Elektrodeelectrode
- 55
- Mantelteiljacket part
- 66
- erste Stirnseitefirst face
- 77
- zweite Stirnseitesecond face
- 88th
- Deckelelementcover element
- 99
- erste Lagefirst layer
- 1010
- Umgebungvicinity
- 1111
- zweite Lagesecond layer
- 1212
- dritte Lagethird layer
- 1313
- erste Zwischenlagefirst intermediate layer
- 1414
- zweite Zwischenlagesecond intermediate layer
- 1515
- Verbindungselementfastener
- 1616
- radiale Richtungradial direction
- 1717
- Stromkreiscircuit
- 1818
- Überdruckventilpressure relief valve
- 1919
- Ableiterarrester
- 2020
- axiale Richtungaxial direction
- 2121
- erste Verbindungfirst connection
- 2222
- zweite Verbindungsecond connection
- 2323
- dritten Verbindungthird connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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