DE102021115451A1

DE102021115451A1 - Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle sowie System und Verfahren zur elektrischen Sicherheitsprüfung

Info

Publication number: DE102021115451A1
Application number: DE102021115451.0A
Authority: DE
Inventors: Wonsup Han; Nina Zensen; Hyunchul Roh
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022263094A1; CN117480666A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts (12) einer Energiespeicherzelle, umfassend ein erstes Schalungselement (16) mit einem ersten Aufnahmeabschnitt (18), der dazu eingerichtet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle zumindest bereichsweise aufzunehmen, und ein zweites Schalungselement (20), das relativ zum ersten Schalungselement (16) zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung beweglich ist, wobei der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle in der offenen Stellung des zweiten Schalungselements (20) unter zumindest bereichsweiser Aufnahme in den ersten Aufnahmeabschnitt (18) in die Vorrichtung (10) einsetzbar ist, und wobei das erste Schalungselement (16) und das zweite Schalungselement (20) in der geschlossenen Stellung zusammen einen den ersten Aufnahmeabschnitt (18) enthaltenden Hohlraum (24) festlegen, der dazu ausgebildet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle derart eingespannt aufzunehmen, dass der Abschnitt (12) im Wesentlichen elastisch komprimiert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein System (1) sowie ein Verfahren zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts (12) einer Energiespeicherzelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle sowie ein System und ein Verfahren zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle mittels der genannten Vorrichtung.
Moderne Energiespeicherzellen, wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Lithium-Ionen Sekundärbatterien), weisen im Allgemeinen eine Elektrodenbaugruppe mit einer Anodenstruktur, einer Kathodenstruktur und einem zwischen der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur angeordneten Separator auf, die zusammen mit einem Elektrolyten in einem Gehäuse der Energiespeicherzelle angeordnet ist. Die Anoden- bzw. Kathodenstruktur umfasst die jeweilige, üblicherweise metallische Elektrode (z.B. Anode: Kupfer; Kathode: Aluminium), die mit einem Aktivmaterial (z.B. anodenseitig: Graphit; kathodenseitig: Lithium-Kobalt-Oxid oder Lithium-Mangan-Oxid) beschichtet ist. Das Gehäuse (bei zylindrischen Energiespeicherzellen als „Can“ bezeichnet) ist gewöhnlich außenseitig mit einem Isolator beschichtet.
Während der Isolator das Gehäuse im Normalfall gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert, soll der Separator regelmäßig nur für Lithium-Ionen durchlässig sein. Wenn bei der Herstellung derartiger Energiespeicherzellen jedoch Verunreinigungspartikel, wie beispielsweise Splitter oder Grate, aus einer der metallischen Elektroden, in das Aktivmaterial und insbesondere in den Separator eindringen, steigt das Risiko für einen Kurzschluss zwischen Anodenstruktur und Kathodenstruktur. Um dieses Risiko während der Verwendung der Energiespeicherzelle durch den Benutzer zu verringern, können Energiespeicherzellen im Rahmen des Produktionsprozesses einem elektrischen Sicherheitstest, beispielsweise einer Hochspannungsprüfung (sog. „Hipot-Test“) bei Spannungen von 400 V bis 800 V, unterzogen werden.
Ein Verfahren zur Prüfung einer Batterie auf ihre Spannungsfestigkeit ist beispielsweise aus dem Dokument CN 211293185 U bekannt. Dieses Dokument beschreibt eine Vorrichtung zur Spannungsfestigkeitsprüfung einer Batterie, die eine Trägerplatte mit mindestens zwei Paaren von Prüfsonden umfasst. Die Prüfsondenpaare können elastisch gegen eine Zellsammelschiene der Batterie gedrückt werden, wobei jedes Prüfsondenpaar aus aufeinander abgestimmten Prüfsonden besteht.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ermöglicht, zumindest einen Abschnitt einer Energiespeicherzelle bei einem elektrischen Sicherheitstest effizient und vergleichsweise einfach mit hoher Präzision auf Fehler durch Verunreinigungspartikel zu untersuchen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren zur elektrischen Sicherheitsprüfung zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle bereitzustellen
Die Vorrichtung ist zum Komprimieren (d.h., Zusammenpressen/Zusammendrücken) zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle vorgesehen und umfasst ein erstes Schalungselement mit einem ersten Aufnahmeabschnitt sowie ein zweites Schalungselement. Der erste Aufnahmeabschnitt ist dazu eingerichtet, den Abschnitt der Energiespeicherzelle zumindest bereichsweise aufzunehmen. Das zweite Schalungselement kann relativ zum ersten Schalungselement zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegt werden. In der offenen Stellung des zweiten Schalungselements ist der Abschnitt der Energiespeicherzelle unter zumindest bereichsweiser Aufnahme in den ersten Aufnahmeabschnitt in die Vorrichtung einsetzbar. Das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement legen in der geschlossenen Stellung zusammen einen den ersten Aufnahmeabschnitt enthaltenden Hohlraum fest, der dazu ausgebildet ist, den Abschnitt der Energiespeicherzelle derart eingespannt aufzunehmen, dass der Abschnitt im Wesentlichen (nur) elastisch komprimiert ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also insbesondere so ausgelegt, dass der Abschnitt der Energiespeicherzelle auf durch die Abmessungen des Hohlraums in der geschlossenen Stellung des zweiten Schalungselements auf Basis der Abmessungen des Abschnitts der Energiespeicherzelle angepasste, vordefinierte Weise zusammengedrückt wird. Die geschlossene Stellung des zweiten Schalungselements gegenüber dem ersten Schalungselement kann sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass der Hohlraum sein minimales Volumen oder seine minimalen Abmessungen einnimmt und/oder das erste Schalungselement durch eine Begrenzungseinrichtung der Vorrichtung daran gehindert wird sich weiter in Richtung des zweiten Schalungselements zu bewegen. Da der Abschnitt der Energiespeicherzelle im Wesentlichen elastisch komprimiert ist, kann er nach Lösung der Komprimierung, wenn er also nicht mehr zwischen dem ersten Schalungselement und dem zweiten Schalungselement eingespannt ist, insbesondere in der offenen Stellung, im Wesentlichen seine ursprüngliche Form und Größe einnehmen. Im Wesentlichen elastisch komprimiert bedeutet hier elastisch gestaucht/zusammengedrückt. In diesem Kontext ist der Abschnitt im Wesentlichen elastisch komprimiert, wenn sich seine Abmessungen vor und nach dem Zusammendrücken um höchstens 10 % oder höchstens 5 % oder höchstens 2 % unterscheiden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, den Abschnitt der Energiespeicherzelle, beispielsweise eine gewickelte Elektrodenbaugruppe (Elektrodenwickel), auf an die Abmessungen des Abschnitts angepasste, vordefinierte Art und Weise zusammenzudrücken, ohne sie zu beschädigen oder gar zu zerstören. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Kompression hauptsächlich die porösen, weichen Schichten der Energiespeicherzelle, insbesondere der Separator oder die Isolationsschicht, gestaucht werden. In diesen Schichten befindliche Fremdkörper wie Grate oder Metallpartikel, die während der Lebensdauer der Energiespeicherzelle zum Kurzschluss und letztlich zum Brandfall führen können, sind wesentlich steifer als der Separator bzw. die Isolationsschicht und werden daher allenfalls nur geringfügig gestaucht.
Durch die im Wesentlichen elastische Kompression des Abschnitts kann der Abstand zwischen dem Fremdkörper und der Anodenstruktur sowie der Abstand zwischen dem Fremdkörper und der Kathodenstruktur reduziert werden, sodass die elektrische Sicherheitsprüfung, insbesondere eine Spannungsfestigkeitsprüfung bzw. Hochspannungsprüfung (Hipot-Test), bei geringeren Spannungen durchgeführt werden kann. Der Abschnitt der Energiespeicherzelle kann so schonender untersucht werden. Darüber hinaus trägt die Erfindung dem Umstand Rechnung, dass die Energiespeichzelle über die Lebensdauer geringfügig anschwillt, wobei der Innendruck in der Zelle steigt und insbesondere der Separator zusammengedrückt wird. Sie ermöglicht daher auf synergetische Art und Weise, diesen Zustand während der Hochspannungsprüfung zu simulieren und fehlerhafte Energiespeicherzellen, insbesondere Energiespeicherzellen mit erhöhtem Kurzschlussrisiko, zuverlässig zu bestimmen.
Die Erfindung kann insbesondere für zylindrische Energiespeicherzellen oder prismatische Energiespeicherzellen verwendet werden. In jedem Fall kann der Hohlraum (in der geschlossenen Stellung) hinsichtlich seiner Größe und Geometrie im Wesentlichen dem Abschnitt der Energiespeicherzelle in seinem finalen im Wesentlichen elastisch komprimierten Zustand entsprechen. Mit anderen Worten, Form und Abmessungen des Hohlraums entsprechen im Wesentlichen der Form und den Abmessungen des komprimierten Abschnitts der Energiespeicherzelle. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum dieselben Symmetrien aufweist wie der Abschnitt der Energiespeicherzelle.
Der Abschnitt der Energiespeicherzelle kann eine Elektrodenbaugruppe der Energiespeicherzelle, ein Gehäuse der Energiespeicherzelle mit außenseitiger Isolierschicht oder ein Gehäuse der Energiespeicherzelle mit außenseitiger Isolierschicht und im Gehäuse angeordneter Elektrodenbaugruppe umfassen oder sein. Der Abschnitt kann ferner durch die gesamte Energiespeicherzelle gebildet sein. Die Isolierschicht kann eine Polyethylenterephthalatfolie (PET-Folie) sein. Die Elektrodenbaugruppe kann insbesondere gestapelt oder zu einem zylindrischen oder flachen Elektrodenwickel (sogenannte Jelly-Roll) gewickelt sein. Sie kann eine Anodenstruktur, eine Kathodenstruktur und einen zwischen der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur angeordneten Separator enthalten. In jedem dieser Fälle kann die elastische Komprimierung des Abschnitts eine Stauchung des Separators in bezüglich seiner Mittelhauptebene transversaler Richtung umfassen. Im Kontext dieser Offenbarung ist diese transversale Richtung sowohl bei zylindrischen Energiespeicherzellen als auch bei prismatischen Energiespeicherzellen auch als radiale Richtung bezeichnet. Bei letzteren kann die radiale Richtung somit einer Richtung quer zur Haupterstreckungsrichtung der Energiespeicherzelle entsprechen.
Die Vorrichtung kann Koffer- oder Sarg-förmig ausgestaltet sein. Vorzugsweise weisen das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement dieselbe Form und/oder denselben Querschnitt auf. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das zweite Schalungselement einen zweiten Aufnahmeabschnitt aufweist. In diesem Fall kann der Hohlraum nicht nur den ersten Aufnahmeabschnitt sondern auch den zweiten Aufnahmeabschnitt umfassen. Der erste und/oder zweite Aufnahmeabschnitt ist bevorzugt als Vertiefung im ersten/zweiten Schalungselement ausgebildet, sodass der Abschnitt der Energiespeicherzelle in der offenen Stellung des zweiten Schalungselements im ersten/zweiten Aufnahmeabschnitt positioniert werden kann. Ferner können das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement in der geschlossenen Stellung flächensymmetrisch bezüglich einer mittig zwischen dem ersten Schalungselement und dem zweiten Schalungselement verlaufenden Symmetrieebene ausgebildet sein.
In einer Variante sind das erste und das zweite Schalungselement als zwei vorteilhafterweise (im Wesentlichen) identische Halbschalen ausgebildet. Dasjenige Schalungselement, in dem der Abschnitt der Energiespeicherzelle in der offenen Stellung nicht positioniert ist, kann somit einfach auf den Abschnitt der Energiespeicherzelle und das entsprechende weitere Schalungselement aufgeklappt oder aufgesetzt werden, um das zweite Schalungselement in seinen geschlossenen Zustand zu bringen. Das erste und das zweite Schalungselement können einen C-förmigen Querschnitt aufweisen. Vor allem eine zylindrische Energiespeicherzelle auf diese Weise relativ einfach entlang ihres gesamten Außenumfangs zusammengedrückt werden.
Es wurde gesagt, dass die Vorrichtung vorzugsweise mit einer Begrenzungseinrichtung für das minimale Hohlraumvolumen versehen sein kann. Diese Begrenzungseinrichtung kann beispielsweise als Kontaktabschnitt zwischen dem ersten Schalungselement und dem zweiten Schalungselement ausgebildet sein, an dem die beiden Schalungselemente in (direktem oder indirektem) Kontakt stehen. Wenn das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement einen C-förmigen Querschnitt aufweisen, ist der Kontaktabschnitt bevorzugt, im Querschnitt betrachtet, an den sich vom Basisabschnitt weg erstreckenden Schenkeln, insbesondere an den vom Basisabschnitt abgewandten Enden dieser Schenkel, angeordnet. Die Begrenzungseinrichtung kann ferner außenseitig am ersten bzw. zweiten Schalungselement angeordnete Befestigungsmittel umfassen, die dazu eingerichtet sein können, das zweite Schalungselement in der geschlossenen Stellung zu halten. Die Befestigungsmittel können beispielsweise ein oder mehrere Scharniere, Riegel und/oder Spannverschlüsse umfassen.
Die Begrenzungseinrichtung hat vorzugsweise die Funktion, die Kompression des Abschnitts der Energiespeicherzelle durch das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement im Wesentlichen bis zu der Elastizitätsgrenze des Abschnitts der Energiespeicherzelle zu begrenzen. Wenn der Abschnitt der Energiespeicherzelle mehrere Schichten (insbesondere metallische Elektroden, Aktivmaterialien und Separator) umfasst, kann sich diese Elastizitätsgrenze auf die Gesamtheit aller Schichten oder alternativ auf diejenige Schicht des Abschnitts mit dem niedrigsten Elastizitätsmodul, insbesondere den Separator oder die Isolationsschicht an der Außenumfangsfläche der Energiespeicherzelle, beziehen. Im Wesentlichen bis zur Elastizitätsgrenze bedeutet hier, dass die Elastizitätsgrenze hinsichtlich der Stauchung in radialer Richtung gar nicht oder maximal um 5 % oder maximal um 10 % überschritten werden kann. In den letzteren beiden Fällen findet somit eine vernachlässigbar geringe plastische Stauchung statt.
Die Begrenzung der Kompression durch die Begrenzungseinrichtung kann mittels einer direkten Begrenzung der auf den Abschnitt der Energiespeicherzelle ausgeübten Kraft/Spannung und/oder mittels einer direkten Begrenzung der Stauchung durch Wegbegrenzung erfolgen. Wenn der Abschnitt einer zylindrischen Energiespeicherzelle beispielsweise einen Separator mit einer Dicke von X aufweist und die Elektrodenstruktur N Wickelungen (Umdrehungen um die Längsachse des Elektrodenwickels) umfasst, wird, in der Annahme, dass die Kompression der metallischen Elektroden und der Aktivmaterialien vernachlässigbar ist, der Abschnitt durch die Kompression um 10 % um eine Durchmesserdifferenz von D=X * N * 0,1 reduziert. Bei 50 Wickelungen und einer Dicke des Separators von 20 µm beträgt diese Differenz beispielsweise 100 µm.
In der geschlossenen Stellung des zweiten Schalungselements kann sich der Abschnitt der Energiespeicherzelle im Wesentlichen vollständig im Hohlraum befinden, d.h., von den den Hohlraum begrenzenden Wänden eingefasst sein. Der Hohlraum kann im Wesentlichen geschlossen sein. Insbesondere können das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement jeweils eine den Hohlraum begrenzende, im Wesentlichen vorzugsweise geschlossene, Innenwand aufweisen, die mit dem Abschnitt der Energiespeicherzelle in Kontakt stehen kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die geometrische Form des Hohlraums im Wesentlichen der geometrischen Form des Abschnitts der Energiespeicherzelle, insbesondere im eingespannten/im Wesentlichen elastisch komprimierten Zustand, entspricht. Während der erste und/oder der zweite Aufnahmeabschnitt vorzugsweise dazu eingerichtet ist, den Abschnitt der Energiespeicherzelle in der offenen Stellung formschlüssig aufzunehmen, kann diese formschlüssige Aufnahme durch Verbringen des zweiten Schalungselements in seine geschlossene Stellung in eine kraftschlüssige Aufnahme zwischen den beiden Schalungselementen geändert werden.
Die Abmessungen der Energiespeicherzelle im komprimierten Zustand (wenn sich das zweite Schalungselement in der geschlossenen Stellung befindet) sind durch die Abmessungen des Hohlraums festgelegt. Daher ist die Vorrichtung zur Verwendung mit einem bestimmten Abschnitt einer Energiespeicherzelle (beispielsweise dem Elektrodenwickel oder dem Gehäuse mit der Isolierschicht) ausgelegt. Daraus folgt, dass die Abmessungen der (unkomprimierten oder komprimierten) Energiespeicherzelle die Abmessungen des Hohlraums definieren. Der Hohlraum kann, insbesondere radial, also in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Abschnitts der Energiespeicherzelle, so bemessen sein, dass der Abschnitt der Energiespeicherzelle in dieser Richtung um ein vorbestimmtes Maß elastisch komprimiert ist, wenn sich das zweite Schalungselement in der geschlossenen Stellung befindet. An dieser Stelle sei explizit auch die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem zugehörigen Abschnitt der Energiespeicherzelle offenbart.
Die Vorrichtung kann ferner ein dehnbares Schlauchelement umfassen, welches vorzugsweise entlang einer in der geschlossenen Stellung zwischen dem ersten und dem zweiten Schalungselement verlaufenden Ebene oder Achse in einen Bereich zwischen das erste und das zweite Schalungselement einführbar ist. Hierfür sind das erste und/oder das zweite Schalungselement an einer oder beiden Stirnflächen mit jeweils einer mit dem Schlauchelement korrespondierenden Öffnung/Bohrung versehen. Das in den Bereich zwischen das erste und das zweite Schalungselement eingeführte dehnbare Schlauchelement begrenzt den Hohlraum vorzugsweise derart, dass sich der Hohlraum in diesem Fall zwischen der Außenumfangsfläche des Schlauchelements und der Innenumfangsfläche des ersten und zweiten Schalungselements erstreckt.
Wenn der Abschnitt der Energiespeicherzelle eine um eine Wickelachse gewickelte Elektrodenbaugruppe (zylindrischer Wickel oder Flachwickel) ist, erstreckt sich das Schlauchelement bevorzugt parallel zur oder entlang der Wickelachse im Innenraum der gewickelten Elektrodenbaugruppe, vorteilhafterweise durch die gewickelte Elektrodenbaugruppe hindurch. Das dehnbare Schlauchelement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, insbesondere durch Erhöhung des Drucks des Mediums in seinem Inneren, seinen (Außen-) Durchmesser zu vergrößern. Es kann dadurch den Abschnitt der Energiespeicherzelle radial auswärts in Richtung des ersten und/oder zweiten Schalungselements pressen, um zur gewünschten Komprimierung beizutragen.
Die Komprimierung des Abschnitts der Energiespeicherzelle erfolgt vorzugsweise durch Reduktion des dem Abschnitt der Energiespeicherzelle zur Verfügung stehenden Volumens zwischen dem ersten und dem zweiten Schalungselement, insbesondere dem Volumen des Hohlraums. Diese Reduktion kann wie oben beschrieben ausschließlich durch Zusammenwirkung von erstem und zweitem Schalungselement bei Bewegung in die geschlossene Stellung (ohne das Schlauchelement) bereitgestellt werden. Alternativ kann der Abschnitt der Energiespeicherzelle zwischen das erste Schalungselement und das zweite Schalungselement eingesetzt und das zweite Schalungselement ohne Komprimierung des Abschnitts der Energiespeicherzelle in seine geschlossene Stellung gebracht werden. In diesem Fall kann das dehnbare Schlauchelement in den Abschnitt der Energiespeicherzelle, insbesondere in den Kern des Abschnitts, eingeführt und derart gedehnt werden, dass es den Abschnitt der Energiespeicherzelle radial auswärts gegen die Innenwand des ersten und zweiten Schalungselement drückt.
Ferner können die genannten beiden Komprimierungsmechanismen derart miteinander kombiniert werden, dass ein Teil der Komprimierung durch Bewegen des zweiten Schalungselements in die geschlossene Stellung und ein weiterer Teil der Komprimierung durch Dehnen des Schlauchelements und entsprechendes Pressen des Abschnitts der Energiespeicherzelle radial auswärts gegen die Innenwand des ersten und zweiten Schalungselements bewirkt wird. Bei zylindrischen Energiespeicherzellen mit Außendurchmesser von 19 mm bis 21 mm (beispielsweise vom Typ 21700, 20650 oder 19650) beträgt die Kompressionskraft für die Kompression der gewickelten Elektrodenbaugruppe vorzugsweise zwischen 4 kN und 20 kN, höchstvorzugsweise etwa 6 kN, und für die Kompression des Gehäuses der Energiespeicherzelle mit der außenseitigen Isolationsschicht vorzugsweise zwischen 4 kN und 40 kN, höchstvorzugsweise etwa 15 kN. Wenn die Kompression unter Verwendung des dehnbaren Schlauchelements erfolgt, beträgt der hierzu verwendete Innendruck des Schlauchelements vorzugsweise zwischen 0,5 bar und 3 bar, höchstvorzugsweise zwischen 1 bar und 2 bar, jeweils über Umgebungsdruck.
Das hier vorgeschlagene System ist zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle vorgesehen und umfasst eine vorstehend im Detail beschrieben Vorrichtung zum Komprimieren des zumindest einen Abschnitts der Energiespeicherzelle sowie eine Vorrichtung zur elektrischen Sicherheitsprüfung. Vorzugsweise ist die elektrische Sicherheitsprüfung eine Hochspannungs- bzw. Spannungsfestigkeitsprüfung. Entsprechend enthält die Vorrichtung insbesondere ein Hochspannungsprüfgerät. Dieses kann dazu eingerichtet sein, die elektrische Sicherheitsprüfung am Abschnitt der Energiespeicherzelle insbesondere mit einer vorbestimmten Spannung im Bereich von 50 V bis 100 V durchzuführen. Wie vorstehend erläutert, reichen vergleichsweise niedrige Spannungen zur Prüfung der Spannungsfestigkeit aus, wenn der Abschnitt der Energiespeicherzelle mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung komprimiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle eingesetzt und umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle oder eines vorstehend beschriebenen Systems mit dieser Vorrichtung, wobei sich das zweite Schalungselement in der offenen Stellung befindet, Positionieren zumindest eines Bereichs des Abschnitts der Energiespeicherzelle in dem ersten Aufnahmeabschnitt, Schließen der Vorrichtung durch Bewegen des zweiten Schalungselements aus seiner offenen Stellung in seine geschlossene Stellung, wobei der Abschnitt der Energiespeicherzelle derart in dem Hohlraum eingespannt wird, dass der Abschnitt der Energiespeicherzelle im Wesentlichen elastisch komprimiert wird, und Durchführen einer elektrischen Sicherheitsprüfung, insbesondere einer Spannungsfestigkeitsprüfung, an dem elastisch komprimierten Abschnitt der Energiespeicherzelle.
Wenn die Vorrichtung das dehnbare Schlauchelement umfasst, kann dieses bei dem Verfahren, insbesondere parallel zur Wickelachse, in den Abschnitt der Energiespeicherzelle, vorzugsweise in den Kern der Energiespeicherzelle, eingeführt werden. Das Volumen des Hohlraums, insbesondere seine Erstreckung in radialer Richtung, kann durch Unterdrucksetzen des Innenvolumens des Schlauchelements verringert werden, um den Abschnitt der Energiespeicherzelle in Richtung des ersten und/oder zweiten Schalungselements zu pressen / zu komprimieren. In einer bevorzugten Variante wird die Spannungsfestigkeitsprüfung bei einer maximalen Spannung von weniger als 200 V, insbesondere weniger als 150 V, vorzugsweise höchstens 100 V.
Darüber hinaus kann dieses Verfahren beliebige der vorstehend in Zusammenhang mit der Vorrichtung und/oder dem System beschriebene Merkmale aufweisen. Insbesondere kann das Verfahren beliebige Funktionen der Vorrichtung beziehungsweise des Systems und deren Komponenten als Verfahrensschritte enthalten.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle sowie eines Systems zur elektrischen Sicherheitsprüfung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, wobei

1 eine erste Ausführungsform eines Systems zur elektrischen Sicherheitsprüfung mit einer Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle in einer Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet;
2 das System aus 1 in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet;
3 bis 5 die Vorrichtung des Systems aus 1 jeweils in einer teilweisen Querschnittsansicht zeigen, wobei sich das zweite Schalungselement ausgehend von seiner offenen Stellung (3) sukzessive in seine geschlossene Stellung bewegt (5);
6 eine zweite Ausführungsform eines Systems zur elektrischen Sicherheitsprüfung mit einer Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle in einer Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet;
7 das System aus 6 in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet;
8 bis 10 die Vorrichtung des Systems aus 6 jeweils in einer teilweisen Querschnittsansicht zeigen, wobei sich das zweite Schalungselement ausgehend von seiner offenen Stellung (8) sukzessive in seine geschlossene Stellung bewegt (10);
11 eine dritte Ausführungsform eines Systems zur elektrischen Sicherheitsprüfung mit einer Vorrichtung zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts einer Energiespeicherzelle in einer Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet;
12 das System aus 11 in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei sich das zweite Schalungselement in seiner geschlossenen Stellung befindet; und
13 bis 15 die Vorrichtung des Systems aus 11 jeweils in einer teilweisen Querschnittsansicht zeigen, wobei sich das zweite Schalungselement ausgehend von seiner offenen Stellung (13) sukzessive in seine geschlossene Stellung bewegt (15).

Die 1, 2 und 5 zeigen ein System 1 zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts 12 einer Energiespeicherzelle. Das System umfasst eine Vorrichtung 10 zum Komprimieren des Abschnitts 12 sowie eine Vorrichtung 11 zur elektrischen Sicherheitsprüfung, die als Hochspannungsprüfgerät ausgestaltet ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Energiespeicherzelle um eine zylindrische Energiespeicherzelle, insbesondere eine zylindrische Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (sog. Lithium-Ionen-Akkumulator). Der Abschnitt 12 ist eine, in dieser Variante um eine Wickelachse A gewickelte, Elektrodenbaugruppe mit einer Anodenstruktur 32, einer Kathodenstruktur 42 und einem zwischen der Anodenstruktur 32 und der Kathodenstruktur 42 angeordneten Separator 52 (siehe 3 bis 5) und hat im nicht in der Vorrichtung 10 eingespannten Zustand einen vorbestimmten Durchmesser. Die Anodenstruktur 32 enthält eine metallische Elektrode 34 (zum Beispiel aus Kupfer), die ein Aktivmaterial 36 (hier in Form von Kohlenstoff insbesondere Graphit) trägt. Analog dazu enthält die Kathodenstruktur 42 eine metallische Elektrode 44 (zum Beispiel aus Aluminium), die ein Aktivmaterial 46 (hier beispielsweise in Form von Lithium-Mangan-Oxid) trägt. Der Separator ist aus einem Polymer hergestellt.
Die Vorrichtung 10 weist ein erstes Schalungselement 16 mit einem ersten Aufnahmeabschnitt 18 und ein zweites Schalungselement 20 mit einem zweiten Aufnahmeabschnitt 22 auf. Die Schalungselemente 16, 20 sind hier als gleichförmige Halbschalen ausgebildet. Wenn sich das zweite Schalungselement 20 in seiner offenen Stellung befindet, kann der Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle in den ersten oder zweiten Aufnahmeabschnitt 18, 20 eingesetzt werden, sodass der Abschnitt 12 im Querschnitt aus 1 betrachtet de facto hälftig in dem jeweiligen Aufnahmeabschnitt 18, 20 formschlüssig aufgenommen ist.
Anschließend wird die Vorrichtung 10 geschlossen, das zweite Schalungselement 20 also relativ zum ersten Schalungselement 16 in seine geschlossene Stellung bewegt (vgl. 1 und 2). Um diese in den 3 bis 5 schematisch gezeigte Bewegung an den Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle angepasst und kontrolliert durchzuführen, hat die Vorrichtung 10 eine Begrenzungseinrichtung 30, die die maximale Kompression des Abschnitts 12 limitiert. Die Begrenzungseinrichtung 30 ist hier mehrteilig ausgebildet. Ein erster Teil der Begrenzungseinrichtung 30, beispielsweise ein Scharnier, verbindet die Schalungselemente 16, 20 auf einer ersten Seite der Vorrichtung 10 und ein zweiter Teil der Begrenzungseinrichtung 30, beispielsweise ein Spannverschluss, verbindet die Schalungselemente 16, 20 auf einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite der Vorrichtung 10. Alternativ kann die Begrenzungseinrichtung 30 durch Kontaktabschnitte 54, 56 und 58, 60 der beiden Schalungselemente 16, 20, insbesondere an dem jeweils anderen Schalungselement 16, 20 zugewandten Schenkeln der Halbschalen, gebildet sein.
Während der Schließbewegung nähert sich das zweite Schalungselement 20 somit dem ersten Schalungselement 16, bis der Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle in beiden Aufnahmeabschnitten 18, 22 formschlüssig aufgenommen ist (Zwischenzustand aus 4). Anschließend werden die beiden Schalungselemente 16, 20 bis zur geschlossenen Stellung aus 5 weiter aufeinander zu bewegt, in der die Aufnahmeabschnitte 18, 22 zusammen einen zylindrischen Hohlraum 24 zwischen dem ersten und dem zweiten Schalungselement 16, 20 bilden. Dieser Hohlraum 24 weist dieselben Symmetrien auf, wie der Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle, und ist insbesondere ebenensymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene E des ersten und zweiten Schalungselements 16, 20. Da der Durchmesser des Hohlraums 24 um ein vorbestimmtes Maß kleiner ist als der Durchmesser des Abschnitts der Energiespeicherzelle, wird der Abschnitt 12 elastisch gepresst. Diese Deformation zeichnet sich im Wesentlichen im Separator 52 ab, da die übrigen Komponenten der Elektrodenbaugruppe wesentlich steifer sind als der Separator 52. Die Begrenzungseinrichtung 30 stellt sicher, dass der Separator 52 auf vordefinierte Weise vorzugsweise bis zu seiner Elastizitätsgrenze, jedoch allenfalls geringfügig plastisch, deformiert wird. Die Dicke des Separators 52 reduziert sich bei der Komprimierung um höchstens 10 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 10 %.
Die Vorrichtung 11 zur elektrischen Sicherheitsprüfung steht über Verbindungsleitungen 70, 72 mit der Anodenstruktur 32 bzw. der Kathodenstruktur 42 in elektrischer Verbindung und ist so eingerichtet, insbesondere programmiert, dass sie die Hochspannungsprüfung mit höchstens 200 V, vorzugsweise mit höchstens 150 V, höchstvorzugsweise mit höchstens 100 V, durchführt. Das Risiko für einen potentiell während der Lebensdauer der Energiespeicherzelle auftretenden Kurzschluss aufgrund des Schwellens der Energiespeicherzelle in Verbindung mit dem Vorliegen eines eventuellen Fremdkörpers 74 im Separator 52 kann so auf relativ einfache und für den Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle schonende Art und Weise bestimmt werden.
Das System 1 aus 6 unterscheidet sich lediglich hinsichtlich seiner Vorrichtung 10 zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts 12 einer Energiespeicherzelle von dem System 1 aus 1. Diese Vorrichtung 10 enthält zusätzlich ein radial dehnbares/flexibles Schlauchelement 80, das insbesondere in der geschlossenen Stellung gemäß den 6 und 7 durch ein in der Stirnwand 82 der Vorrichtung 10 ausgebildetes Loch 84 axial (entlang der Achse A) in den Kern des Abschnitts 12 der Energiespeicherzelle eingeführt wird (vgl. Pfeil 86 in 7). Indem der Druck des Mediums (vorzugsweise ein Fluid, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit) im Inneren dieses dehnbaren/flexiblen Schlauchelements 80 erhöht wird, dehnt sich das Schlauchelement 80 radial aus und drückt so zusätzlich von innen gegen den Abschnitt 12 (die Elektrodenbaugruppe). Die Kompression des Abschnitts 12, insbesondere des Separators 52, wird somit wie in den 8 bis 10 dargestellt antiradial von außen durch die beiden Schalungselemente 16, 20 und radial von innen durch das Schlauchelement 80 bewirkt. Im Übrigen kann das System 1 aus 6 beliebige, insbesondere alle, Merkmale des Systems aus 1 aufweisen.
Das System 1 aus 11 unterscheidet sich ebenfalls lediglich hinsichtlich seiner Vorrichtung 10 zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts 12 einer Energiespeicherzelle von dem System 1 aus 1. Die Vorrichtung 10 des Systems 1 aus 11 ist zum Zusammenrücken eines Abschnitts 12 ausgelegt, der in diesem Fall als Gehäuse 90 mit entlang seiner Außenumfangsfläche vorgesehener Isolationsschicht 92 ausgebildet ist. Wenn das zweite Schalungselement 20 in seine zweite Stellung gebracht wird, wird somit die Isolationsschicht 92 komprimiert, sodass bei Durchführung der Hochspannungsprüfung an der komprimierten Isolationsschicht über die Isolationsschicht 92 ein Fremdkörper 94 in der Isolationsschicht 92 erkannt werden kann. Vorteilhafterweise können die Schalungselemente 16, 20 hierfür zumindest entlang deren Kontaktflächen mit der Isolationsschicht 92 stromleitend ausgebildet sein.
Wenn der Abschnitt 12 der Energiespeicherzelle ferner die Elektrodenbaugruppe umfasst oder gar von gesamten Energiespeicherzelle gebildet ist, können gleichzeitig der Separator 52 und die Isolationsschicht 92 komprimiert werden. Insbesondere kann die Komprimierung des Separators 52 über ein vorstehend in Zusammenhang mit den 6 bis 10 beschriebenes Schlauchelement 80 erfolgen. Im Übrigen kann das System 1 aus 11 beliebige, insbesondere alle, Merkmale des Systems aus 1 aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 211293185 U [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zum Komprimieren zumindest eines Abschnitts (12) einer Energiespeicherzelle, umfassend ein erstes Schalungselement (16) mit einem ersten Aufnahmeabschnitt (18), der dazu eingerichtet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle zumindest bereichsweise aufzunehmen, und ein zweites Schalungselement (20), das relativ zum ersten Schalungselement (16) zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung beweglich ist, wobei der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle in der offenen Stellung des zweiten Schalungselements (20) unter zumindest bereichsweiser Aufnahme in den ersten Aufnahmeabschnitt (18) in die Vorrichtung (10) einsetzbar ist, und wobei das erste Schalungselement (16) und das zweite Schalungselement (20) in der geschlossenen Stellung zusammen einen den ersten Aufnahmeabschnitt (18) enthaltenden Hohlraum (24) festlegen, der dazu ausgebildet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle derart eingespannt aufzunehmen, dass der Abschnitt (12) im Wesentlichen elastisch komprimiert ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Energiespeicherzelle eine zylindrische Energiespeicherzelle oder eine prismatische Energiespeicherzelle ist, und/oder wobei der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle eine Elektrodenbaugruppe, insbesondere einen Elektrodenwickel, und/oder eine insbesondere an der Außenumfangsfläche der Energiespeicherzelle angeordnete Isolationsschicht umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schalungselement (16) und das zweite Schalungselement (20) dieselbe Form aufweisen, und/oder wobei das erste Schalungselement (16) und das zweite Schalungselement (20) in der geschlossenen Stellung flächensymmetrisch bezüglich einer mittig zwischen dem ersten Schalungselement (16) und dem zweiten Schalungselement (20) verlaufenden Symmetrieebene (E) ausgebildet sind, und/oder wobei das zweite Schalungselement (20) einen zweiten Aufnahmeabschnitt (22) aufweist, wobei der Hohlraum (24) ferner den zweiten Aufnahmeabschnitt (22) enthält.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Begrenzungseinrichtung (30), die dazu ausgelegt ist, die Kompression des Abschnitts (12) der Energiespeicherzelle durch das erste Schalungselement (16) und das zweite Schalungselement (20) bis zu seiner Elastizitätsgrenze zu begrenzen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle in der geschlossenen Stellung des zweiten Schalungselements (20) im Wesentlichen vollständig im Hohlraum (24) befindet, und/oder wobei der Hohlraum (24) im Wesentlichen geschlossen ist, und/oder wobei eine geometrische Form des Hohlraums (24) im Wesentlichen einer geometrischen Form des Abschnitts (12) der Energiespeicherzelle entspricht, und/oder wobei der erste Aufnahmeabschnitt (18) dazu eingerichtet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle formschlüssig aufzunehmen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (24), insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Abschnitts (12) der Energiespeicherzelle, so bemessen ist, dass der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle in dieser Richtung um ein vorbestimmtes Maß elastisch komprimiert ist, wenn sich das zweite Schalungselement (20) in der geschlossenen Stellung befindet.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle eine um eine Wickelachse (A) gewickelte Elektrodenbaugruppe ist, und wobei der Hohlraum (24) ferner durch ein sich parallel zur, insbesondere entlang der, Wickelachse in den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle erstreckendes dehnbares Schlauchelement (80) festgelegt ist, welches insbesondere dazu eingerichtet ist, den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle durch Vergrößern eines Durchmessers des Schlauchelements in Richtung des ersten und/oder zweiten Schalungselements (16, 20) zu pressen.
System (1) zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts (12) einer Energiespeicherzelle, umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Vorrichtung zur elektrischen Sicherheitsprüfung, insbesondere ein Hochspannungsprüfgerät.
Verfahren zur elektrischen Sicherheitsprüfung eines Abschnitts (12) einer Energiespeicherzelle, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines Systems (1) nach Anspruch 8, wobei sich das zweite Schalungselement (20) in der offenen Stellung befindet; Positionieren zumindest eines Bereichs des Abschnitts (12) der Energiespeicherzelle in dem ersten Aufnahmeabschnitt (18); Schließen der Vorrichtung (10) durch Bewegen des zweiten Schalungselements (20) aus seiner offenen Stellung in seine geschlossene Stellung, wobei der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle derart in dem Hohlraum (24) eingespannt wird, dass der Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle im Wesentlichen elastisch komprimiert wird; und Durchführen einer elektrischen Sicherheitsprüfung, insbesondere einer Spannungsfestigkeitsprüfung, an dem im Wesentlichen elastisch komprimierten Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle.
Verfahren nach Anspruch 9 in Kombination mit Anspruch 7, ferner umfassend die Schritte: Einführen des dehnbaren Schlauchelements (80) parallel zur Wickelachse (A) in den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle; und Vergrößern des Durchmessers des Schlauchelements (80) insbesondere durch Erhöhen des Drucks im Inneren des Schlauchelements (80), um den Abschnitt (12) der Energiespeicherzelle in Richtung des ersten und/oder zweiten Schalungselements (16, 20) zu pressen und dadurch zu komprimieren.