DE102021122009A1 - Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein Gehäuse (2) mit einem ersten Anschluss (3) und einem zweiten Anschluss (4) und in dem Gehäuse (2) angeordnet einen Stapel (5) von aufeinander gestapelten Anoden (6), Kathoden (7) und Separatoren (8); wobei der Stapel (5) rechteckig ist und zwei einander gegenüberliegende größte Seitenflächen (9), zwei einander gegenüberliegende kürzere Seitenflächen (10, 11) und zwei einander gegenüberliegende längere Seitenflächen (12, 13) aufweist; wobei sich ein erstes Ableiterfähnchen (14) jeder Anode (6) an einer ersten längeren Seitenfläche (12) und ein zweites Ableiterfähnchen (15) jeder Kathode (7) an einer zweiten längeren Seitenfläche (13) aus dem Stapel (5) heraus erstreckt, wobei sich jedes Ableiterfähnchen (14, 15) über mindestens 90 % einer Länge (16) der längeren Seitenfläche (12, 13) erstreckt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen Batteriezelle.
• 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.
• Die Batteriezelle umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und in dem Gehäuse angeordnet einen Stapel von aufeinander gestapelten Anoden, Kathoden und Separatoren, die wechselweise angeordnet sind. Jede Anode ist über erste Ableiterfähnchen mit dem ersten Anschluss und jede Kathode über zweite Ableiterfähnchen mit dem zweiten Anschluss elektrisch leitend verbunden. Über die Anschlüsse können die Elektroden, also die Anoden und Kathoden, mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stromkreis verbunden werden.
• Das Gehäuse der Batteriezelle 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.
• 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.
• Heutige Batterien weisen eine begrenzte Schnellladefähigkeit auf, da die teilweise kleinen Querschnitte der elektrischen leitenden Verbindungen eine starke Wärmeentwicklung bewirken. Die Wärmeentwicklung ist für die Reichweite von elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen nicht nutzbar.
• Bei bekannten Pouchzellen sind Ableiter an den kleinsten Seitenflächen einer Batteriezelle angeordnet. Es ist bekannt, die beiden Anschlüsse der Batteriezelle sowohl an einer Seitenfläche gemeinsam oder aber an zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen anzuordnen. Dabei sind die Ableiter jeweils an zumindest einer kurzen Seite der Elektroden angeordnet.
• Weiter sind formstabile Gehäuse mit aufwändig konstruierten Durchführungen für die Anschlüsse bekannt.
• Die bekannten Lösungen weisen insbesondere die folgenden Nachteile auf:
• • aufwendige Prozessschritte zur Herstellung der Batteriezelle;
• • viele Einzelteile;
• • kleine, stromtragende Querschnitte;
• • hohe Wärmeentwicklung unter Last (schnelles Laden & Entladen);
• • Wärmeabfuhr infolge geringer Querschnitte schwierig.
• Aus der US 2021/0098767 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, wobei jede Elektrodenfolie eine Mehrzahl von Ableiterfähnchen aufweist.
• Aus der US 2010/0285370 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, wobei jede Elektrodenfolie eine Mehrzahl von Ableiterfähnchen aufweist.
• Aus der KR 2020 0139417 A ist eine längliche Batteriezelle bekannt, bei der zur Reduzierung der Wärmeverluste die Stromsammler in einer bestimmten Weise ausgeführt sind.
• 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 eine geringe Wärmeentwicklung aufweist, insbesondere beim schnellen Laden.
• 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.
• Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein Gehäuse mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss und in dem Gehäuse angeordnet einen Stapel von aufeinander gestapelten Anoden, Kathoden und Separatoren. Der Stapel ist im Wesentlichen rechteckig bzw. quaderförmig und weist zwei einander gegenüberliegende größte Seitenflächen, zwei einander gegenüberliegende kürzere Seitenflächen und zwei einander gegenüberliegende längere Seitenflächen auf. Ein erstes Ableiterfähnchen jeder Anode erstreckt sich an einer ersten längeren Seitenfläche und ein zweites Ableiterfähnchen jeder Kathode an einer zweiten längeren Seitenfläche aus dem Stapel heraus. Jedes Ableiterfähnchen erstreckt sich über mindestens 90 % einer Länge der längeren Seitenfläche. Ein erster Anschluss ist benachbart zu einer ersten kürzeren Seitenfläche und ein zweiter Anschluss benachbart zu einer zweiten kürzeren Seitenfläche an dem Gehäuse angeordnet. Innerhalb des Gehäuses ist der erste Anschluss über ein erstes Leitelement mit den ersten Ableiterfähnchen und der zweite Anschluss über ein zweites Leitelement mit den zweiten Ableiterfähnchen elektrisch leitend verbunden.
• Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere ein formstabiles Hardcase oder ein verformbares Gehäuse, z. B. nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie. Bevorzugt ist das Gehäuse verformbar, insbesondere elastisch verformbar.
• Die Anoden und Kathoden, im Folgenden auch als Elektroden bezeichnet, sind insbesondere teilweise mit zumindest Aktivmaterial beschichtet, wobei diese Beschichtungen durch Separatoren beabstandet voneinander angeordnet sind. Diese Beschichtungen mit Aktivmaterial sind regelmäßig an den größten Seitenflächen angeordnet.
• 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 Ableiterfähnchen aus dem Stapel heraus. Die unbeschichteten Teile der Elektroden werden bei der Bestimmung der Ausdehnung des Stapels (z. B. bei der Erstreckung der kürzeren Seitenfläche) insbesondere nicht berücksichtigt.
• Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Stapels 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.
• Die einzelnen Ableiterfähnchen einer Elektrodenart eines Stapels sind insbesondere über ein Leitelement mit dem jeweiligen Anschluss verbunden. Das Leitelement bildet insbesondere eine Stromschiene, an der alle dem gleichen Pol des Stapels zugeordneten Ableiterfähnchen elektrisch leitend angebunden sind.
• Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle.
• Das Gehäuse ist bei der einsatzbereiten, also zum Laden und Entladen bereiten, Batteriezelle insbesondere einteilig ausgeführt. Das Gehäuse setzt sich zumindest aus zwei, miteinander verbundenen, Gehäusehälften zusammen.
• Das Gehäuse ist insbesondere sechsseitig ausgeführt, weist also sechs Seitenflächen auf.
• Das Gehäuse weist insbesondere eine grundsätzlich bekannte Berstmembran (zum Abbau von in dem Gehäuse entstehendem Überdruck) und eine Elektrolyteinfüllöffnung auf.
• Im Unterschied zu bekannten Batteriezellen sind die Ableiterfähnchen an den längeren Seitenflächen des Stapels angeordnet. Die Ableiterfähnchen erstrecken sich insbesondere über mindestens 90 % der Länge der längeren Seitenfläche, bevorzugt über mindestens 95 %, besonders bevorzugt über 100 % der Länge der längeren Seitenfläche.
• Anoden und Kathoden und auch Separatoren können voneinander unterschiedliche Längen aufweisen. Das jeweilige Ableiterfähnchen erstreckt sich insbesondere jeweils (genau) über die Länge der zugehörigen Elektrode, also Anode oder Kathode.
• Die angegebenen Dimensionen des Stapels werden insbesondere durch die jeweils größte Erstreckung einer Komponente, also einer Anode, Kathode oder eines Separators, vorgegeben. Die unbeschichteten Teile der Anoden und Kathoden werden bei der Bestimmung der Ausdehnung des Stapels (z. B. bei der Erstreckung der kürzeren Seitenfläche) insbesondere nicht berücksichtigt.
• Bei herkömmliche Batteriezellen sind die Ableiterfähnchen an der kurzen Seite der Elektrode bzw. an der kürzeren bzw. kleinsten Seitenfläche des Stapels angeordnet, weil die Anschlüsse benachbart zu der kürzeren bzw. kleinsten Seitenfläche des Stapels angeordnet sind und damit die Batteriezelle volumetrisch besser ausgenutzt wird.
• Bei der vorgeschlagenen Batteriezelle ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
• • Vereinfachung des Elektroden-Zuschnitt-Prozesses durch die wegfallende Ausformung der herkömmlichen Ableiterfähnchen-Kontur;
• • drastische Verringerung des Ohm'schen Widerstands bei Lade- und Entladeprozessen innerhalb des Stapels; damit wesentliche Verbesserung der Schnellladefähigkeit von Elektrofahrzeugen
• Die Abmessungen von neuartigen Elektroden, also insbesondere ohne Berücksichtigung der Ableiterfähnchen, betragen z. B. 500 mm [Millimeter] Länge und ca. 100 mm Breite.
• Die Höhe eines Stapels entlang der Stapelrichtung ergibt sich durch die Dicken der Elektroden und der Separatoren sowie der Anzahl der einzelnen Lagen. Die größten Seitenflächen des Stapels werden dann durch die Länge und Breite gebildet. Die längeren Seitenflächen durch die Länge und Dicke und die kürzeren Seitenflächen durch die Breite und Dicke. Die unbeschichteten Teile der Elektroden werden bei der Bestimmung der Ausdehnung des Stapels (z. B. bei der Erstreckung der kürzeren Seitenfläche) insbesondere nicht berücksichtigt. Diese Definitionen gelten für alle Batteriezellen, bei denen Länge und Breite voneinander unterschiedlich ausgeführt sind.
• Bei dem vorstehend genannten 5:1 Kantenverhältnis bewirkt die vorgeschlagene Ausgestaltung der Batteriezelle eine im Durchschnitt um den Faktor fünf kürzere „Ohm'sche Strecke“ als bei dem herkömmlichen Design. Diese Neuerung gewinnt mit abnehmender Stärke der Stromsammlerfolien der Elektroden in der Industrie (aktuell nur noch 6 µm [Mikrometer] auf Anodenseite) an Wichtigkeit, da der elektronentragende Querschnitt immer weiter reduziert wird. Es kommt zum Elektronenstau und dadurch zur Wärmeentwicklung in der Batteriezelle bei schnellen Lade- und Entladevorgängen. Somit entstehen begrenzte technische Machbarkeiten beim Schnellladen und Energieverluste durch Kühlung. Darüber hinaus ist die Stromdichte-Verteilung wesentlich homogener. Dies hat einen positiven Effekt auf die Alterung der Batteriezelle (im Hinblick auf Lithium-Plating) während des Betriebs in einem Kraftfahrzeug.
• Dabei sind die folgenden Zusammenhänge zu beachten: $$R={\displaystyle \sum \rho \ast \frac{l}{A}}$$

  

  $$P=I^2\ast R$$

  

  wobei mit Formel (1) der elektrische Widerstand R für einen in Längsrichtung I durchflossenen Leiter bestimmbar ist, mit ρ - spezifischer Widerstand in [Ohm * Meter]; I - Länge [Meter]; A - Querschnittsfläche; wobei mit Formel (2) die Verlustleistung P bestimmbar ist, mit I - Stromstärke in [Ampere].
• Aus den Formeln (1) und (2) ergibt sich der folgende Zusammenhang: $$P=I^2\ast \rho \ast \frac{l}{A}$$

  
• Die Möglichkeit zur Wärmeabfuhr Q über eine Fläche A mit dem spezifischen Leitwert k in [Siemens / Meter], durch die Wärme strömt, und einem Temperaturgefälle ΔT in [Kelvin] über die Länge I ergibt sich aus $$\dot{Q}=\frac{kA\Delta T}{l}$$

  
• Nach Formel (3) lässt sich schließen, dass bei einer Batteriezelle mit besonders großem Längen-zu-Breiten-Verhältnis, bei der die Ableiterfähnchen an den kürzen Seitenflächen angeordnet sind, beim schnellen Laden oder Entladen große Wärmeleistungen generiert werden. Die Stromstrecke geht linear in die Formel ein, daher ist bei der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung mit an den längeren Seitenflächen angeordneten Ableiterfähnchen eine fünfmal geringere Wärmeentwicklung zu erwarten.
• Formel (4) beschreibt die Wärmeabfuhr-Möglichkeit über eine Fläche des spezifischen Leitwerts k. Bei herkömmlichen Batteriezellen kann die Wärme lediglich durch die Querschnittsfläche des Anschlusses aus dem Gehäuse abgeführt werden. Bei der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung ist eine Wärmeabfuhr insbesondere über einen großen Teil des Gehäuses, nämlich z. B. über das mit dem Gehäuse verbundene Leitelement möglich. Somit ist die Batteriezelle beim Schnellladen besser zu kühlen, was die mögliche Ladeleistung weiter steigert.
• Insbesondere weist jede Anode und jede Kathode jeweils einen Stromsammler auf, der einen beschichteten Bereich und einen unbeschichteten Bereich aufweist. Die beschichteten Bereiche in dem Stapel sind entlang einer Stapelrichtung fluchtend zueinander angeordnet und die unbeschichteten Bereiche bilden die Ableiterfähnchen. Insbesondere ist jeder Stromsammler rechteckig ausgeführt. Der Stromsammler ist insbesondere eine metallische Folie, insbesondere im Wesentlichen aus Aluminium oder aus Kupfer. Dabei weist die Anode insbesondere einen Stromsammler aus Kupfer und die Kathode insbesondere einen Stromsammler aus Aluminium auf. Insbesondere ist ein möglichst großer Anteil einer größten Seitenfläche jedes Stromsammlers mit einem Aktivmaterial beschichtet. Die rechteckige Ausführung des Stromsammlers ermöglicht eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens des Stromsammlers bzw. der Elektroden, weil ein Abtrennen von Material des Stromsammlers zur Herstellung der Form des Ableiterfähnchens nicht mehr erforderlich ist.
• Insbesondere weist der Stromsammler zwischen dem beschichteten Bereich und dem unbeschichteten Bereich eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Diese verhindert sonst mögliche Kurzschlüsse durch Kontaktierung der aufeinander gestapelten Anoden und Kathoden miteinander und verhindert Lithium-Plating, also die Ausbildung einer metallischen Lithium Abscheidung auf dem Aktivmaterial. Die isolierende Beschichtung ist insbesondere auf beiden größten Seitenflächen des Stromsammlers vorgesehen.
• Insbesondere umfasst das Gehäuse zwei, voneinander elektrisch isolierte, Gehäusehälften und jede Gehäusehälfte weist einen umlaufenden Rand auf. Die Gehäusehälften sind über die Ränder miteinander verbunden und die Anschlüsse erstrecken sich zwischen den aufeinander angeordneten Rändern aus dem Gehäuse nach außen. Insbesondere ist das Gehäuse ausschließlich aus den beiden Gehäusehälften gebildet. Insbesondere werden die Gehäusehälften durch Umformen bzw. durch Tiefziehen hergestellt. Diese Verfahren sind für die Herstellung von Gehäusen von Pouchzellen bekannt.
• Insbesondere umfasst eine Innenoberfläche des Gehäuses eine elektrische Isolierung, wobei jedes Leitelement über die elektrische Isolierung mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Anbindung des Leitelements an das Gehäuse ermöglicht insbesondere eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Gehäuse. Insbesondere weist die elektrische Isolierung also eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Bevorzugt umfasst auch die Außenoberfläche des Gehäuses eine (entsprechende) elektrische Isolierung.
• Insbesondere erstreckt sich die Isolierung über die Ränder hinaus, so dass die Isolierung der Innenoberfläche mit der Isolierung der Außenoberfläche einteilig ausgeführt ist. Mit der Isolierung der Ränder wird auch der jeweilige Anschluss gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert.
• Die Isolierung wird insbesondere aus einer oder mehreren Lagen aus jeweils PA (Polyamid), PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) gebildet.
• Insbesondere erstreckt sich jedes Leitelement über mindestens 90 % der Länge des Stapels, bevorzugt über mindestens 95 % oder über 100 %. Insbesondere erstreckt sich das Leitelement über die Länge des Stapels hinweg weiter in Richtung hin zum Anschluss.
• Insbesondere ist das Leitelement ein gebogenes Blechteil. Selbstverständlich kann das Leitelement auch als Schweißkonstruktion oder ähnliches ausgeführt sein. Dabei ist die Dimension des Leitelements im Hinblick auf die genannten Randbedingungen des elektrischen Widerstands und der Wärmeleitung ausgeführt, so dass auch im Leitelement keine übermäßige Wärmeentwicklung auftritt. Das Leitelement weist insbesondere eine geringste Materialstärke von mindestens einem Millimeter, insbesondere von 2 Millimetern auf. Insbesondere ist das Leitelement aus einem, den jeweiligen Stromsammlern entsprechendem, Material ausgeführt. Insbesondere ist das Leitelement mit einer Nickel-Beschichtung ausgeführt.
• Insbesondere ist das Gehäuse aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt, 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. Insbesondere dienen die Kunststoff-Bestandteile, z. B. eine oder mehrere Lagen aus PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), etc., der Pouchfolie als elektrische Isolierung des Gehäuses, wie vorstehend erläutert.
• Insbesondere sind die Ableiterfähnchen mit dem jeweiligen Leitelement zumindest über eine Klemmverbindung, z. B. formschlüssig, eine stoffschlüssige Verbindung, z. B. durch Verschweißen (z. B. Laser- oder Widerstandspunktschweißen), oder eine kraftschlüssige Verbindung, z. B. durch Ultraschallschweißung, verbunden.
• Die Ableiterfähnchen können insbesondere in Abhängigkeit von der Anordnung des jeweiligen Stromsammlers im Stapel und/ oder der Position des Leitelements im Gehäuse voneinander unterschiedliche Erstreckungen in einer Richtung quer zur Länge, ausgehend vom beschichteten Bereich des Stromsammlers, aufweisen.
• Insbesondere weisen die längeren Seitenflächen eine größte Länge auf, die mindestens um einen Faktor zwei, bevorzugt mindestens um einen Faktor vier, besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor sechs, größer ist als eine größte Erstreckung der kürzeren Seitenflächen. Die unbeschichteten Teile der Elektroden werden bei der Bestimmung der Ausdehnung des Stapels (z. B. bei der Erstreckung der kürzeren Seitenfläche) insbesondere nicht berücksichtigt.
• Das jeweilige Leitelement ist insbesondere so in der Isolierung des Gehäuses angeordnet, dass das Leitelement inklusive der daran angeordneten Ableiterfähnchen eine zu der Innenoberfläche des Gehäuses fluchtende Oberfläche aufweist. Damit kann bei einem Verpressen der Batteriezelle bzw. des Gehäuses sichergestellt werden, dass über die gesamte Innenoberfläche des Gehäuses möglichst gleiche Verpressungszustände vorliegen.
• Das jeweilige Leitelement kann insbesondere an einer Innenoberfläche des Gehäuses angeordnet sein, die der längeren Seitenfläche oder der kürzeren Seitenfläche des Stapels gegenüberliegt.
• 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.
• 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.
• 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 Draufsicht entlang einer Stapelrichtung;
• 2: die Batteriezelle nach 1 in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung;
• 3: die Batteriezelle nach 1 und 2 in einer Seitenansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie III-III;
• 4: einen Stapel von Elektroden in bekannter Ausführung, in einer Draufsicht entlang einer Stapelrichtung;
• 5: einen Stapel von Elektroden der Batteriezelle nach 1 bis 3, in einer Draufsicht entlang einer Stapelrichtung;
• 6: einen Aufbau eines Stapels der Batteriezelle nach 1 bis 3;
• 7: eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung;
• 8: eine zweite Ausführungsvariante einer Batteriezelle, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung;
• 9: eine dritte Ausführungsvariante einer Batteriezelle, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung;
• 10: die Batteriezelle nach 9 in einer weiteren Seitenansicht quer zur Stapelrichtung;
• 11: die Batteriezelle nach 9 und 10 in einer anderen Seitenansicht, quer zur längeren Seitenfläche;
• 12: die Batteriezelle nach 9 bis 11 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung;
• 13: ein Halbzeug eines Leitelements der Batteriezelle nach 9 bis 12, vor einer Umformung;
• 14: das Leitelement nach 13, fertig umgeformt, in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung; und
• 15: das Leitelement nach 14, in einer Seitenansicht, quer zur längeren Seitenfläche.
• 1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer Draufsicht entlang einer Stapelrichtung 29. 2 zeigt die Batteriezelle 1 nach 1 in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung 29. 3 zeigt die Batteriezelle 1 nach 1 und 2 in einer Seitenansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie III-III gemäß 1. 4 zeigt einen Stapel 5 von Elektroden in bekannter Ausführung, in einer Draufsicht entlang einer Stapelrichtung 29. 5 zeigt einen Stapel 5 von Elektroden der Batteriezelle 1 nach 1 bis 3, in einer Draufsicht entlang einer Stapelrichtung 29. 6 zeigt einen Aufbau eines Stapels 5 der Batteriezelle 1 nach 1 bis 3. Die 1 bis 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
• Die Batteriezelle 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem ersten Anschluss 3 und einem zweiten Anschluss 4 und in dem Gehäuse 2 angeordnet einen Stapel 5 von aufeinander gestapelten Anoden 6, Kathoden 7 und Separatoren 8. Der Stapel 5 ist rechteckig bzw. quaderförmig und weist zwei einander gegenüberliegende größte Seitenflächen 9, zwei einander gegenüberliegende kürzere Seitenflächen 10, 11 und zwei einander gegenüberliegende längere Seitenflächen 12, 13 auf. Ein erstes Ableiterfähnchen 14 jeder Anode 6 erstreckt sich an einer ersten längeren Seitenfläche 12 und ein zweites Ableiterfähnchen 15 jeder Kathode 7 an einer zweiten längeren Seitenfläche 13 aus dem Stapel 5 heraus. Jedes Ableiterfähnchen 14, 15 erstreckt sich über 100 % einer Länge 16 der längeren Seitenfläche 12, 13 (bzw. über die jeweilige Länge der jeweiligen zugehörigen Elektrode. Ein erster Anschluss 3 ist benachbart zu einer ersten kürzeren Seitenfläche 10 und ein zweiter Anschluss 4 benachbart zu einer zweiten kürzeren Seitenfläche 11 an dem Gehäuse 2 angeordnet. Innerhalb des Gehäuses 2 ist der erste Anschluss 3 über ein erstes Leitelement 17 mit den ersten Ableiterfähnchen 14 und der zweite Anschluss 4 über ein zweites Leitelement 18 mit den zweiten Ableiterfähnchen 15 elektrisch leitend verbunden.
• Das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 ist ein verformbares Gehäuse 2, z. B. nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie.
• Die einzelnen Ableiterfähnchen 14, 15 einer Elektrodenart eines Stapels 5 sind über ein Leitelement 17, 18 mit dem jeweiligen Anschluss 3, 4 verbunden. Das Leitelement 17, 18 bildet eine Stromschiene, an der alle dem gleichen Pol des Stapels 5 zugeordneten Ableiterfähnchen 14, 15 elektrisch leitend angebunden sind.
• Das Gehäuse 2 ist bei der einsatzbereiten, also zum Laden und Entladen bereiten, Batteriezelle 1 einteilig ausgeführt. Das Gehäuse 2 setzt sich aus zwei, miteinander verbundenen, Gehäusehälften 22, 23 zusammen.
• Das Gehäuse 2 ist sechsseitig ausgeführt, weist also sechs Seitenflächen auf.
• Jede Anode 6 und jede Kathode 7 weist jeweils einen Stromsammler auf, der einen beschichteten Bereich 20 und einen unbeschichteten Bereich 19 aufweist. Die beschichteten Bereiche 20 in dem Stapel 5 sind entlang einer Stapelrichtung 29 fluchtend zueinander angeordnet und die unbeschichteten Bereiche 19 bilden die Ableiterfähnchen 14, 15. Jeder Stromsammler ist rechteckig ausgeführt. Ein möglichst großer Anteil einer größten Seitenfläche jedes Stromsammlers ist mit einem Aktivmaterial beschichtet. Die rechteckige Ausführung des Stromsammlers ermöglicht eine Vereinfachung des Herstellungsverfahrens des Stromsammlers bzw. der Elektroden, weil ein Abtrennen von Material des Stromsammlers zur Herstellung der Form des Ableiterfähnchens 14, 15 nicht mehr erforderlich ist.
• Die Stromsammler weisen zwischen dem beschichteten Bereich 20 und dem unbeschichteten Bereich 19 eine elektrisch isolierende Beschichtung 21 auf. Diese verhindert sonst mögliche Kurzschlüsse durch Kontaktierung der aufeinander gestapelten Anoden 6 und Kathoden 7 miteinander und verhindert Lithium-Plating, also die Ausbildung einer metallischen Lithium Abscheidung auf dem Aktivmaterial. Die isolierende Beschichtung 21 ist auf beiden größten Seitenflächen des Stromsammlers vorgesehen.
• Die längeren Seitenfläche 12, 13 weisen eine größte Länge auf, die vorliegend um einen Faktor von ca. 5 größer ist als eine größte Erstreckung 28 der kürzeren Seitenflächen 10, 11. Die unbeschichteten Teile der Elektroden werden bei der Bestimmung der Ausdehnung des Stapels 5 (z. B. bei der Erstreckung der kürzeren Seitenfläche 10, 11) nicht berücksichtigt.
• Im Unterschied zu bekannten Batteriezellen 1 (4) sind die Ableiterfähnchen 14, 15 an den längeren Seitenflächen 12, 13 des Stapels 5 angeordnet. Bei herkömmliche Batteriezellen 1 sind die Ableiterfähnchen 14, 15 an der kürzeren Seitenfläche 10, 11 der Elektrode bzw. an der kürzeren bzw. kleinsten Seitenfläche 10, 11 des Stapels 5 angeordnet, weil die Anschlüsse 3, 4 benachbart zu der kürzeren bzw. kleinsten Seitenfläche 10, 11 des Stapels 5 angeordnet sind und damit die Batteriezelle 1 volumetrisch besser ausgenutzt wird.
• Bei der vorgeschlagenen Batteriezelle 1 ergeben sich die folgenden Vorteile, einerseits die Vereinfachung des Elektroden-Zuschnitt-Prozesses durch die wegfallende Ausformung der herkömmlichen Ableiterfähnchen 14, 15 -Kontur (vgl. 4 und 5), andererseits die drastische Verringerung des Ohm'schen Widerstands bei Lade- und Entladeprozessen innerhalb des Stapels 5 und damit die wesentliche Verbesserung der Schnellladefähigkeit von Elektrofahrzeugen.
• In 4 und 5 sind die unterschiedlichen Wege der Elektronen 30 im Betrieb der Batteriezelle 1 dargestellt, hier beim Entladen, wobei die Elektronen 30 aus dem beschichteten Bereich 20 hin zum ersten Ableiterfähnchen 14 der Anode 6 wandern. Die Elektronen 30 wandern beim Ladevorgang aus dem beschichteten Bereich 20 hin zum zweiten Ableiterfähnchen 15 der Kathode 7.
• 7 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung 29. Auf die Ausführungen zu 1 bis 6 wird Bezug genommen.
• Das Gehäuse 2 umfasst zwei, voneinander elektrisch isolierte, Gehäusehälften 22, 23 und jede Gehäusehälfte 22, 23 weist einen umlaufenden Rand 24 auf. Die Gehäusehälften 22, 23 sind über die Ränder 24 miteinander verbunden und die Anschlüsse 3, 4 erstrecken sich zwischen den aufeinander angeordneten Rändern 24 aus dem Gehäuse 2 nach außen (siehe z. B. 1, 11 und 12). Die Gehäusehälften 22, 23 werden durch Umformen bzw. durch Tiefziehen hergestellt.
• Das Gehäuse 2 ist aus einem elastisch verformbaren Material 27 hergestellt, nach Art einer Pouchfolie, also einer verformbaren Verbundfolie. Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse 2 für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium. Die Kunststoff-Bestandteile, z. B. eine oder mehrere Lagen aus PA (Polyamid), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), etc., der Pouchfolie dienen hier als elektrische Isolierung 26 des Gehäuses 2.
• Die Innenoberfläche 25 des Gehäuses 2 weist eine elektrische Isolierung 26 auf, wobei jedes Leitelement 17, 18 über die elektrische Isolierung 26 mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Die Anbindung des Leitelements 17, 18 an das Gehäuse 2 ermöglicht eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Gehäuse 2. Auch die Außenoberfläche 31 des Gehäuses 2 weist eine elektrische Isolierung 26 auf.
• Die Isolierung 26 erstreckt sich über die Ränder 24 hinaus, so dass die Isolierung 26 der Innenoberfläche 25 mit der Isolierung 26 der Außenoberfläche 31 einteilig ausgeführt ist. Mit der Isolierung 26 der Ränder 24 wird auch der jeweilige Anschluss 3, 4 gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert.
• Das jeweilige Leitelement 17, 18 ist an einer Innenoberfläche 25 des Gehäuses 2 angeordnet, die der längeren Seitenfläche 12, 13 des Stapels 5 gegenüberliegt. Das jeweilige Leitelement 17, 18 ist so in der Isolierung 26 des Gehäuses 2 angeordnet, dass das Leitelement 17, 18 inklusive der daran angeordneten Ableiterfähnchen 14, 15 eine zu der Innenoberfläche 25 des Gehäuses 2 fluchtende Oberfläche aufweist. Damit kann bei einem Verpressen der Batteriezelle 1 bzw. des Gehäuses 2 sichergestellt werden, dass über die gesamte Innenoberfläche 25 des Gehäuses 2 möglichst gleiche Verpressungszustände vorliegen.
• 8 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung 29. Auf die Ausführungen zu 7 wird verwiesen.
• Im Unterschied zur 7 sind die Leitelemente 17, 18 hier an einer Innenoberfläche 25 des Gehäuses 2 angeordnet, die der kürzeren Seitenfläche 10, 11 des Stapels 5 gegenüberliegt.
• 9 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1, in einer Seitenansicht quer zur Stapelrichtung 29. Auf die Ausführungen zu 8 wird verwiesen.
• Im Unterschied zu 8 sind hier die Leitelemente 17, 18 mit einer geringeren Ausdehnung dargestellt. Damit kann jedes Leitelement 17, 18 in jeweils einer Gehäusehälfte 22, 23 angeordnet werden.
• 10 zeigt die Batteriezelle 1 nach 9 in einer weiteren Seitenansicht quer zur Stapelrichtung 29. Das jeweilige Leitelement 17, 18 ist, in der Ausdehnung hin zum Anschluss 3, 4 angedeutet dargestellt. Auch die Anschlüsse 3, 4 sind angedeutet dargestellt.
• 11 zeigt die Batteriezelle 1 nach 9 und 10 in einer anderen Seitenansicht, quer zur längeren Seitenfläche 12, 13, im Schnitt XI-XI gemäß 10. Die zweiten Ableiterfähnchen 15 erstrecken sich über die zweite längere Seitenfläche 13 des Stapels 5 hinweg und sind mit dem dort angeordneten zweiten Leitelement 18 verbunden. Das zweite Leitelement 18 erstreckt sich bis hin zum zweiten Anschluss 4, bzw. bildet diesen und erstreckt sich über das Gehäuse 2 nach außen. Das zweite Leitelement 18 erstreckt sich über 100 % der Länge 16 der zweiten längeren Seitenfläche 13 des Stapels 5. Das zweite Leitelement 18 erstreckt sich über die Länge 16 des Stapels 5 hinweg weiter in Richtung hin zum zweiten Anschluss 4.
• 12 zeigt die Batteriezelle 1 nach 9 bis 11 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung 29. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 11 wird verwiesen.
• 13 zeigt ein Halbzeug eines Leitelements 17, 18 der Batteriezelle 1 nach 9 bis 12, vor einer Umformung. 14 zeigt das Leitelement 17, 18 nach 13, fertig umgeformt, in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung 29. 15 zeigt das Leitelement 17, 18 nach 14, in einer Seitenansicht, quer zur längeren Seitenfläche 12, 13. Die 13 bis 15 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 12 wird verwiesen.
• Das Leitelement 17, 18 ist ein gebogenes Blechteil. Die Biegelinien 32 sind in 13 dargestellt. Dabei sind die Dimensionen des Leitelements 17, 18 im Hinblick auf die genannten Randbedingungen des elektrischen Widerstands und der Wärmeleitung ausgeführt, so dass auch im Leitelement 17, 18 keine übermäßige Wärmeentwicklung auftritt. An dem Leitelement 17, 18 ist bereits ein Siegelband 33 angeordnet, dass die gasdichte und elektrisch isolierende Durchführung des Leitelements 17, 18 durch das Gehäuse 2 zur Ausbildung des Anschlusses 3, 4 ermöglicht. Das Siegelband 33 wird mit der Isolierung 26 des Gehäuses 2 verbunden. Das Siegelband 33 kann aus einer oder mehreren Lagen von Kunststoffmaterialien ausgeführt sein (vgl. Ausführungen zu Isolierung 26 des Gehäuses 2).
• Bezugszeichenliste

1

Batteriezelle

2

Gehäuse

3

erster Anschluss

4

zweiter Anschluss

5

Stapel

6

Anode

7

Kathode

8

Separator

9

größte Seitenfläche

10

erste kürzere Seitenfläche

11

zweite kürzere Seitenfläche

12

erste längere Seitenfläche

13

zweite längere Seitenfläche

14

erstes Ableiterfähnchen

15

zweites Ableiterfähnchen

16

Länge

17

erstes Leitelement

18

zweites Leitelement

19

unbeschichteter Bereich

20

beschichteter Bereich

21

isolierende Beschichtung

22

erste Gehäusehälfte

23

zweite Gehäusehälfte

24

Rand

25

Innenoberfläche

26

Isolierung

27

Material

28

Erstreckung

29

Stapelrichtung

30

Elektron

31

Außenoberfläche

32

Biegelinie

33

Siegelband

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 20210098767 A1 [0010]
• US 20100285370 A1 [0011]
• KR 20200139417 A [0012]

Claims (10)

1. Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein Gehäuse (2) mit einem ersten Anschluss (3) und einem zweiten Anschluss (4) und in dem Gehäuse (2) angeordnet einen Stapel (5) von aufeinander gestapelten Anoden (6), Kathoden (7) und Separatoren (8); wobei der Stapel (5) quaderförmig ist und zwei einander gegenüberliegende größte Seitenflächen (9), zwei einander gegenüberliegende kürzere Seitenflächen (10, 11) und zwei einander gegenüberliegende längere Seitenflächen (12, 13) aufweist; wobei sich ein erstes Ableiterfähnchen (14) jeder Anode (6) an einer ersten längeren Seitenfläche (12) und ein zweites Ableiterfähnchen (15) jeder Kathode (7) an einer zweiten längeren Seitenfläche (13) aus dem Stapel (5) heraus erstreckt, wobei sich jedes Ableiterfähnchen (14, 15) über mindestens 90 % einer Länge (16) der längeren Seitenfläche (12, 13) erstreckt; wobei der erste Anschluss (3) benachbart zu einer ersten kürzeren Seitenfläche (10) und der zweite Anschluss (4) benachbart zu einer zweiten kürzeren Seitenfläche (11) an dem Gehäuse (2) angeordnet ist und, innerhalb des Gehäuses (2), der erste Anschluss (3) über ein erstes Leitelement (17) mit den ersten Ableiterfähnchen (14) und der zweite Anschluss (4) über ein zweites Leitelement (18) mit den zweiten Ableiterfähnchen (15) elektrisch leitend verbunden ist.
2. Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 1, wobei jede Anode (6) und jede Kathode (7) jeweils einen Stromsammler aufweist, der einen beschichteten Bereich (20) und einen unbeschichteten Bereich (19) aufweist, wobei die beschichteten Bereiche (20) in dem Stapel (5) entlang einer Stapelrichtung (29) fluchtend zueinander angeordnet sind und die unbeschichteten Bereiche (19) die Ableiterfähnchen (14, 15) bilden, wobei jeder Stromsammler rechteckig ausgeführt ist.
3. Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 2, wobei der Stromsammler zwischen dem beschichteten Bereich (20) und dem unbeschichteten Bereich (19) eine elektrisch isolierende Beschichtung (21) aufweist.
4. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Gehäuse (2) zwei, voneinander elektrisch isolierte, Gehäusehälften (22, 23) umfasst und jede Gehäusehälfte (22, 23) einen umlaufenden Rand (24) aufweist; wobei die Gehäusehälften (22, 23) über die Ränder (24) miteinander verbunden sind und sich die Anschlüsse (3, 4) zwischen den aufeinander angeordneten Rändern (24) aus dem Gehäuse (2) nach außen erstrecken.
5. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Innenoberfläche (25) des Gehäuses (2) eine elektrische Isolierung (26) umfasst, wobei jedes Leitelement (17, 18) über die elektrische Isolierung (26) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.
6. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei sich jedes Leitelement (17, 18) über mindestens 90 % der Länge (16) erstreckt.
7. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Leitelement (17, 18) ein gebogenes Blechteil ist.
8. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Gehäuse (2) aus einem elastisch verformbaren Material (27) hergestellt ist.
9. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Ableiterfähnchen (14, 15) mit dem jeweiligen Leitelement (17, 18) zumindest über eine Klemmverbindung, eine stoffschlüssige Verbindung oder eine kraftschlüssige Verbindung verbunden sind.
10. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die längeren Seitenflächen (12, 13) eine größte Länge (16) aufweisen, die mindestens um einen Faktor zwei größer ist als eine größte Erstreckung (28) der kürzeren Seitenflächen (10, 11).

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