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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle. Die Batteriezelle umfasst zumindest ein erstes Gehäuseteil eines Gehäuses der Batteriezelle sowie mindestens eine erste Elektrode einer ersten Elektrodenart und mindestens eine zweite Elektrode einer zweiten Elektrodenart, die jeweils durch ein Separatormaterial getrennt entlang einer Stapelrichtung aufeinander angeordnet sind und als aufeinander gestapelte Lagen einen Stapel ausbilden. Jede Elektrode weist in einem Stapelbereich ein, mit einem Aktivmaterial beschichtetes Trägermaterial und einen sich aus dem Stapelbereich heraus erstreckenden Ableiter zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode auf. Die Batteriezelle ist insbesondere eine Sekundärbatteriezelle.
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Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen zusammengesetzt, wobei jede Batteriezelle einen Stapel von Lagen, nämlich Anoden, Kathoden (Elektroden) und jeweils dazwischen Separatormaterial, aufweist. Der Ableiter jeder Elektrode dient der Ableitung des von der Batteriezelle bereitgestellten Stroms hin zu einem außerhalb der Batteriezelle angeordneten Verbraucher.
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Eine Batteriezelle umfasst regelmäßig ein Gehäuse, in dem jeweils ein oder mehrere Stapel angeordnet sind. Die Ableiter der Elektroden gleicher Elektrodenart werden innerhalb des Gehäuses miteinander parallel geschaltet und mit einem Stromanschluss an dem Gehäuse verbunden. Weiter wird das von dem Gehäuse umschlossene Volumen mit einem Elektrolyt gefüllt.
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In bekannten Batteriezellen werden die Separatormaterialien regelmäßig größer als die Anoden, und die Anoden wiederum größer als die Kathoden ausgeführt. Insbesondere weisen also die Separatormaterialien bzw. -lagen gegenüber den Anoden eines Stapels ein umlaufendes Übermaß auf, z. B. einen umlaufenden Rand von 1,5 Millimetern Breite. Insbesondere weisen die Separatoren gegenüber den Kathoden eines Stapels ein umlaufendes Übermaß auf, z. B. einen umlaufenden Rand von 3 Millimetern. Entsprechend weisen die Anoden gegenüber den Kathoden eines Stapels ein umlaufendes Übermaß auf, z. B. einen umlaufenden Rand von dann 1,5 Millimetern.
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Es hat sich als sehr schwierig dargestellt, diese unterschiedlich großen Lagen so aufeinander zu stapeln, dass die Aktivmaterialien der Elektroden möglichst genau übereinander liegen und dabei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenarten durch das Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Diese Genauigkeit ist notwendig, um die Lebensdauer und den Energieinhalt einer Batteriezelle maximal ausnutzen zu können. Je exakter Anode und Kathode übereinander positioniert sind, desto positiver ist dieses für die Lebensdauer und Energiedichte der Batteriezelle. Dieses bedeutet zurzeit jedoch verlängerte Prozesszeiten, um diese hohe Genauigkeit zu erreichen. Dazu werden die einzelnen Lagen nacheinander aus jeweils einem eigenen Magazin entnommen (Anode, Separator, Kathode und Separator) und auf einem Drehtisch abgelegt. Eine Kamera wird verwendet, um jedes Elektrodenblatt genau zu positionieren. Dieser Stapelprozess wird auch als Pick-and-Drop-Stapelprozess bezeichnet.
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Aus der
EP 1 909 343 A1 ist eine Batterieanordnung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Batteriezellen in einem Rahmen fixiert sind.
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Aus der
WO 2009/136240 A1 ist ein Batteriezellenhalteelement bekannt. Eine Mehrzahl von Batteriezellen wird in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die einzelnen Batteriezellen erstrecken sich durch jeweils eine Öffnung des Gehäuses. In jeder Öffnung ist mindestens ein Halteelement zur Klemmung der Batteriezelle in der Öffnung angeordnet.
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Aus der
EP 3 780 139 A1 ist ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batteriezellen bekannt. Zwischen den einzelnen Batteriezellen ist ein Füllmaterial angeordnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, deren vereinzelte Lagen möglichst genau aufeinander gestapelt angeordnet werden können bzw. sind.
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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.
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Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein erstes Gehäuseteil eines Gehäuses der Batteriezelle sowie mindestens eine erste Elektrode einer ersten Elektrodenart und mindestens eine zweite Elektrode einer zweiten Elektrodenart, die (jeweils) durch ein Separatormaterial getrennt entlang einer Stapelrichtung aufeinander angeordnet sind und einen Stapel ausbilden. Jede Elektrode weist in einem durch einen äußeren Rand begrenzten Stapelbereich ein, mit einem Aktivmaterial beschichtetes Trägermaterial und einen sich über den Rand aus dem Stapelbereich heraus erstreckenden Ableiter zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode auf. Die Batteriezelle weist zur Positionierung des Stapels relativ zu dem ersten Gehäuseteil mindestens ein Positionierelement auf. Das mindestens eine Positionierelement ist zumindest
- a) ein mit dem ersten Gehäuseteil verbundener Stift, der sich entlang der Stapelrichtung durch zueinander fluchtende Öffnungen der Elektroden und des Separatormaterials erstreckt, so dass die Elektroden und das Separatormaterial durch den mindestens einen Stift zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil angeordnet sind; und/ oder
- b) ein Abstandshalter, der zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Stapelbereich sowie den Ableitern angeordnet ist, so dass zumindest das Separatormaterial über eine erste Kontaktfläche des mindestens einen Abstandshalters und die Elektroden durch eine Kontaktierung der Ableiter mit einer zweiten Kontaktfläche des mindestens einen Abstandshalters zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil angeordnet sind.
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Insbesondere können bei der Batteriezelle unterschiedlich ausgeführte Positionierelemente miteinander kombiniert vorgesehen sein. Bevorzugt ist jedoch, dass alle Positionierelemente der Batteriezelle ausschließlich als Stift oder ausschließlich als Abstandshalter ausgeführt sind.
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Insbesondere umfasst der Stapel eine Mehrzahl von ersten Elektroden und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden, zwischen denen jeweils ein Separatormaterial angeordnet ist. Insbesondere sind zumindest das Separatormaterial und die Elektroden unterschiedlich groß ausgeführt, wobei sich das Separatormaterial in dem Stapelbereich über die Elektroden hinaus erstreckt und den Rand des Stapelbereichs bildet. Die Elektroden sind also insbesondere in einem Abstand zum Rand angeordnet.
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Insbesondere ist jede erste Elektrode gleich ausgeführt. Insbesondere ist auch oder nur jede zweite Elektrode gleich ausgeführt. Die einzelnen Elektroden können also als bipolare Elektroden jeweils gleich ausgeführt sein. Die ersten Elektroden können aber auch z. B. als Anode und die zweiten Elektroden als Kathode, oder umgekehrt, ausgeführt sein.
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Insbesondere umfassen die einzelnen Elektroden ein folienartiges Trägermaterial, z. B. aus einem Kupfer- oder einem Aluminiumwerkstoff. Das Trägermaterial ist insbesondere beidseitig mit einem Aktivmaterial beschichtet. Die Aktivmaterialien unterschiedlicher Elektrodenarten sind insbesondere durch das Separatormaterial (oder, z. B. bei einer bipolaren Elektrode, durch das Trägermaterial) voneinander getrennt angeordnet.
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Das Separatormaterial ist insbesondere als Lage ausgeführt, die zusammen mit den ebenfalls als Lagen ausgebildeten Elektroden aufeinander gestapelt angeordnet sind.
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Insbesondere wird der jeweilige Ableiter durch einen unbeschichteten Bereich des Trägermaterials gebildet. Der Ableiter kann jedoch auch mit dem Trägermaterial verbunden sein, z. B. durch ein stoffschlüssiges Verfahren.
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Die Ableiter gleicher Elektrodenarten sind insbesondere entlang der Stapelrichtung fluchtend zueinander angeordnet. Die Ableiter unterschiedlicher Elektrodenarten sind, entlang der Stapelrichtung gesehen, voneinander beabstandet angeordnet, z. B. in einer sich quer zur Stapelrichtung erstreckenden radialen Richtung voneinander beabstandet. Damit kann ein Kurzschluss durch Kontaktierung der Ableiter unterschiedlicher Elektrodenarten verhindert werden.
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Der Stapelbereich jeder Elektrode ist insbesondere rechteckig ausgeführt, weist also, bei einer sehr geringen Materialstärke der Elektrode, nur vier Kanten auf. Der so gebildete Stapel weist dann vier Seitenflächen und zwei Stirnflächen auf. Die Ableiter der Elektroden sind insbesondere an einer gemeinsamen Seitenfläche oder an unterschiedlichen Seitenflächen des Stapels angeordnet. Der Stapelbereich jeder Elektrode umfasst insbesondere den entlang der Stapelrichtung aufeinanderliegenden Bereich der Elektroden sowie das Separatormaterial. Aus dem Stapelbereich jeder Elektrode erstreckt sich ein Ableiter, wobei die Ableiter unterschiedlicher Elektrodenarten entlang der Stapelrichtung insbesondere nicht übereinander angeordnet sind.
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Insbesondere sind die mit dem Aktivmaterial beschichteten Bereiche gleicher Elektrodenarten entlang der Stapelrichtung zueinander fluchtend angeordnet. Dabei können die beschichteten Bereiche unterschiedlicher Elektrodenarten unterschiedlich groß ausgeführt sein. Insbesondere ist der beschichtete Bereich der Anode etwas größer als der beschichtete Bereich der Kathode. Insbesondere sind die Separatormaterialien entlang der Stapelrichtung zueinander fluchtend angeordnet
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Die zueinander fluchtende Anordnung der Elektroden und des Separatormaterials kann insbesondere durch das mindestens eine Positionierelement gewährleistet werden.
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Über das mindestens eine Positionierelement wird insbesondere einerseits eine Ausrichtung des Stapels gegenüber dem Gehäuse und andererseits eine Ausrichtung der Elektroden und des Separatormaterials zueinander ermöglicht. Insbesondere können so auch unterschiedlich groß ausgeführte Elektroden und Separatormaterialien zueinander ausgerichtet werden.
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Das mindestens eine Positionierelement ist insbesondere ein mit dem ersten Gehäuseteil verbundener Stift, der sich entlang der Stapelrichtung durch zueinander fluchtende Öffnungen der Elektroden und des Separatormaterials erstreckt, so dass die Elektroden und das Separatormaterial durch den mindestens einen Stift zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil angeordnet sind. Insbesondere erstreckt sich der Stift durch Öffnungen aller Elektroden und Separatormaterialien des Stapels hindurch.
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Die Öffnungen in den Elektroden und im Separatormaterial können insbesondere während der Herstellung der Elektroden und des Separatormaterials erzeugt werden. Insbesondere können die Öffnungen bereits während der Herstellung der Elektroden oder des Separatormaterials zur Positionierung oder zum Transport verwendet werden.
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Die Öffnungen können an einem Stapel von Elektroden (gleicher oder unterschiedlicher Elektrodenart) und/oder Separatormaterialien erzeugt werden.
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Die Öffnungen können z. B. durch ein Stanzverfahren oder ein Schneidverfahren erzeugt werden. Insbesondere sind die Öffnungen der Elektroden und des Separatormaterials im Wesentlichen bzw. genau gleich groß ausgeführt.
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Die Elektroden und das mindestens eine Separatormaterial wird als Stapel oder als einzelne Lage so an dem ersten Gehäuseteil angeordnet, dass sich der jeweilige Stift durch die dafür vorgesehene Öffnung der betreffenden Elektrode bzw. des Separatormaterials erstreckt.
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Die Öffnung und der Stift sind insbesondere zueinander toleriert, insbesondere mit einer Übergangspassung oder einer Spielpassung. Das maximale Spiel zwischen Öffnung und Stift beträgt höchstens 0,5 Millimeter, bevorzugt höchstens 0,1 Millimeter.
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Alternativ oder zusätzlich ist das mindestens eine Positionierelement ein Abstandshalter, der zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Stapelbereich sowie den Ableitern angeordnet ist, so dass zumindest das Separatormaterial über eine erste Kontaktfläche des mindestens einen Abstandshalters und die Elektroden durch eine Kontaktierung der Ableiter mit einer zweiten Kontaktfläche des mindestens einen Abstandshalters zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil angeordnet sind. Die unterschiedlichen Kontaktflächen sind insbesondere an einem Positionierelement angeordnet, das Positionierelement weist also beide Kontaktflächen auf.
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Über die erste Kontaktfläche werden zumindest die Separatormaterialien zueinander und zum ersten Gehäuseteil ausgerichtet. Ist das mindestens eine Separatormaterial größer als die Elektroden ausgeführt, bildet das Separatormaterial den Rand des Stapelbereichs.
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Über die zweite Kontaktfläche werden zumindest die Ableiter einer Elektrodenart kontaktiert und zueinander und zum ersten Gehäuseteil ausgerichtet. Weiter können die Ableiter zueinander ausgerichtet werden, so dass sich eine entlang der Stapelrichtung fluchtende Anordnung der Elektroden einer Elektrodenart ergibt. Über die zweite Kontaktfläche wird also eine Ausrichtung der Elektroden zueinander erreicht.
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Der Abstandshalter ist insbesondere fest an dem ersten Gehäuseteil angeordnet. Alternativ kann der Abstandshalter aber in das erste Gehäuseteil eingesetzt bzw. dort angeordnet werden.
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Insbesondere sind die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche senkrecht zueinander orientiert.
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Insbesondere sind mehrere Positionierelemente in dem Gehäuse angeordnet bzw. vorgesehen, so dass eine genaue Ausrichtung des Stapels gegenüber dem Gehäuse und der Elektroden bzw. des Separatormaterials zueinander realisiert werden kann.
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Der Abstandshalter und der Stapelbereich und/ oder die Ableiter sind insbesondere zueinander toleriert, insbesondere mit einer Übergangspassung oder einer Spielpassung. Das maximale Spiel zwischen der ersten Kontaktfläche und dem Stapelbereich des in dem ersten Gehäuseteil angeordneten Stapel und/ oder zwischen der zweiten Kontaktfläche und dem bzw. den Ableitern beträgt höchstens 0,5 Millimeter, bevorzugt höchstens 0,1 Millimeter.
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Insbesondere umfasst das Gehäuse zumindest das erste Gehäuseteil. Das Gehäuse weist zumindest zwei gegenüber dem Gehäuse elektrisch isolierte Stromanschlüsse auf, wobei ein erster Stromanschluss elektrisch leitend mit dem Ableiter der mindestens einen ersten Elektrode und ein zweiter Stromanschluss elektrisch leitend mit dem Ableiter der mindestens einen zweiten Elektrode verbunden ist. Die Ableiter sind insbesondere unmittelbar oder über ein Zwischenelement, z. B. eine Stromschiene oder ein sogenanntes Tab, mit dem jeweiligen Stromanschluss elektrisch leitend verbunden. Alternativ erstrecken sich die Ableiter über das Gehäuse nach außen und bilden selbst den jeweiligen Stromanschluss.
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Insbesondere weist das Gehäuse mehrere Seitenflächen auf, wobei zumindest die zwei Stromanschlüsse an einer gemeinsamen oder an voneinander unterschiedlichen Seitenflächen angeordnet sind. Insbesondere sind die Stromanschlüsse an einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Gehäuses angeordnet.
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Insbesondere bildet das erste Gehäuseteil zumindest einen Teil oder alle der Seitenflächen sowie zumindest eine Stirnfläche. Die Stirnflächen des Gehäuses sind insbesondere entlang der Stapelrichtung einander gegenüberliegend angeordnet und bilden die größten Flächen des Gehäuses. Zwischen den Stirnflächen erstrecken sich die Seitenflächen.
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Das Gehäuse umschließt insbesondere ein Volumen, in dem der mindestens eine Stapel sowie insbesondere ein Elektrolyt angeordnet sind.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) oder 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 mindestens einen Kunststoff (z. B. PP und PET) und Aluminium. Eine prismatische Batteriezelle umfasst ein im Wesentlichen nur plastisch verformbares Gehäuse. Das Gehäuse bzw. die das Gehäuse bildenden Gehäuseteile können z. B. aus einem Kunststoffmaterial bestehen, z. B. hergestellt durch ein Spritzgießverfahren.
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Insbesondere erstreckt sich das Separatormaterial (in allen radialen Richtungen, also quer zu der Stapelrichtung) zumindest über das Aktivmaterial, insbesondere auch über das ggf. vorliegende Trägermaterial, der Elektroden hinweg bis zum Rand.
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Insbesondere weist die Batteriezelle ein Kompressionselement auf, das entlang der Stapelrichtung zwischen dem Stapel und dem Gehäuse angeordnet ist und durch das der Stapel in dem Gehäuse kraftschlüssig fixiert ist. Das Kompressionselement kann z. B. elastisch verformbar ausgeführt sein, wobei das Kompressionselement beim Zusammenfügen der Gehäuseteile durch das Gehäuse und den Stapel verpresst und komprimiert wird und so den Stapel in dem Gehäuse fixiert. Insbesondere ist das Kompressionselement ausschließlich zwischen dem Stapel und dem Gehäuse angeordnet und nicht zwischen dem mindestens einen Positionierelement und dem Gehäuse. Das Kompressionselement weist insbesondere passende Aussparungen auf.
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Insbesondere sind zumindest das erste Gehäuseteil und das mindestens eine Positionierelement einteilig ausgeführt. Insbesondere sind das mindestens eine Positionierelement und das jeweilige Gehäuseteil einteilig hergestellt, z. B. durch Spritzgießen. Infolge einer integrierten Ausgestaltung des mindestens einen Positionierelements als Teil des jeweiligen Gehäuseteils können insbesondere genauere Toleranzen hinsichtlich der Lage der Kontaktfläche realisiert werden. Zudem lässt sich so ein Montageaufwand der Batteriezelle infolge der Reduzierung einer Teileanzahl verringern.
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Insbesondere bestehen zumindest das erste Gehäuseteil und das mindestens eine Positionierelement aus einem Kunststoff.
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Insbesondere ist eine hin zum Stapel orientierte Innenfläche des Gehäuses metallisch ausgeführt bzw. weist eine metallische Oberfläche (z. B. zumindest umfassend Nickel, Aluminium, etc.) auf. Die metallische Ausführung der Innenfläche kann eine Verdampfung eines flüssigen Elektrolyten aus dem Volumen des Gehäuses hin an eine Umgebung der Batteriezelle verhindern.
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Insbesondere weist das mindestens eine Positionierelement zumindest hin zum Stapel eine elektrisch isolierte Oberfläche auf. Insbesondere kann so ein durch das Positionierelement verursachter Kurzschluss zwischen den Elektroden verhindert werden. Insbesondere werden die Positionierelemente vor dem Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf der Innenfläche des jeweiligen Gehäuseteils (z. B. ein Kunststoff-Spritzgussteil) mit einem Inhibitor beaufschlagt, der eine Abscheidung des metallischen Materials auf dem (Kunststoff-) Positionierelement verhindert.
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Insbesondere ist das mindestens eine Positionierelement der Stift und das Gehäuse weist ein zweites Gehäuseteil auf. Das zweite Gehäuseteil weist eine Aufnahme für den Stift auf, so dass der Stift mit dem Gehäuseteil zumindest gegenüber einer quer zur Stapelrichtung verlaufenden radialen Richtung formschlüssig verbunden ist. Insbesondere ist die Aufnahme als ein Vorsprung ausgebildet, der mit dem Positionierelement zur Ausbildung der formschlüssigen Verbindung zusammenwirkt.
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Mit dem vorgeschlagenen Positionierelement und der ggf. erforderlichen besonderen Ausgestaltung des Gehäuses bzw. der Elektroden und des Separatormaterials kann insbesondere eine einfache und genaue Ausrichtung der Elektroden und des Separatormaterials zueinander und zum Gehäuse erreicht werden. Insbesondere kann so das Aktivmaterial der einzelnen Elektroden entlang der Stapelrichtung fluchtend zueinander angeordnet werden, so dass ein effektiver Betrieb der Batteriezelle ermöglicht ist.
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Die Batteriezelle umfasst insbesondere ein, ein Volumen umschließendes, Gehäuse und in dem Volumen angeordnet den mindestens einen Stapel sowie ein Elektrolyt.
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Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle.
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Die einzelnen Elektroden sind aufeinander angeordnet und bilden den Stapel. Die Elektroden sind jeweils unterschiedlichen Elektrodenarten zugeordnet, sind also als eine Anode oder eine Kathode ausgeführt. Dabei sind Anoden und Kathoden wechselweise und jeweils durch das Separatormaterial getrennt voneinander angeordnet.
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Eine Batteriezelle ist ein Stromspeicher, der z. B. in einem Kraftfahrzeug zum Speichern von elektrischer Energie eingesetzt wird. Insbesondere weist z. B. ein Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges (einen Traktionsantrieb) auf, wobei die elektrische Maschine durch die in der Batteriezelle gespeicherte elektrische Energie antreibbar ist.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und eine Batterie mit mindestens einer der beschriebenen Batteriezellen, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht;
- 2: einen Stapel der Batteriezelle nach 1 in einer Draufsicht;
- 3: eine zweite Ausführungsvariante einer Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht;
- 4: einen Stapel der Batteriezelle nach 3 in einer Draufsicht;
- 5: eine dritte Ausführungsvariante einer Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht; und
- 6: einen Stapel der Batteriezelle nach 5 in einer Draufsicht.
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1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Ansicht. 2 zeigt einen Stapel 8 der Batteriezelle 1 nach 1 in einer Draufsicht. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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In der 1 ist der Stapel 8 nicht dargestellt. Die Lage bzw. Anordnung des Stapels 8 gemäß 2 in dem Gehäuse 3 der Batteriezelle 1 nach 1 ist aber offensichtlich. Der Stapel 8 weist Öffnungen 15 auf, durch die sich im verbauten Zustand des Stapels 8 die als Stifte ausgeführten Positionierelemente 14 des ersten Gehäuseteils 2 erstrecken.
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Die Batteriezelle 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 2 sowie ein zweites Gehäuseteil 24 eines Gehäuses 3 der Batteriezelle 1 sowie mindestens eine erste Elektrode 4 einer ersten Elektrodenart und mindestens eine zweite Elektrode 5 einer zweiten Elektrodenart, die jeweils durch ein Separatormaterial 6 getrennt entlang einer Stapelrichtung 7 aufeinander angeordnet sind und einen Stapel 8 ausbilden. Jede Elektrode 4, 5 weist in einem durch einen äußeren Rand 9 begrenzten Stapelbereich 10 ein, mit einem Aktivmaterial 11 beschichtetes Trägermaterial 12 und einen sich über den Rand 9 aus dem Stapelbereich 10 heraus erstreckenden Ableiter 13 zur elektrischen Kontaktierung der Elektrode 4, 5 auf.
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Das Gehäuse 3 weist zwei gegenüber dem Gehäuse 3 elektrisch isolierte Stromanschlüsse 18, 19 auf, wobei ein erster Stromanschluss 18 elektrisch leitend mit dem Ableiter 13 der mindestens einen ersten Elektrode 4 und ein zweiter Stromanschluss 19 elektrisch leitend mit dem Ableiter 13 der mindestens einen zweiten Elektrode 5 verbunden ist. Die Ableiter 13 sind unmittelbar oder über ein Zwischenelement, z. B. eine Stromschiene oder ein sogenanntes Tab, mit dem jeweiligen Stromanschluss 18, 19 elektrisch leitend verbunden (hier nicht im Detail dargestellt). Das Gehäuse 3 weist mehrere Seitenflächen 20 auf, wobei zumindest die zwei Stromanschlüsse 18, 19 an einander gegenüberliegenden Seitenflächen 20 angeordnet sind.
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Das erste Gehäuseteil 2 bildet alle der Seitenflächen 20 sowie eine Stirnfläche. Die Stirnflächen des Gehäuses 3 sind entlang der Stapelrichtung 7 einander gegenüberliegend angeordnet und bilden die größten Flächen des Gehäuses 3. Zwischen den Stirnflächen erstrecken sich die Seitenflächen 20. Das Gehäuse 3 umschließt ein Volumen, in dem der Stapel 8 sowie ein Elektrolyt angeordnet sind.
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Das Separatormaterial 6 und die Elektroden 4, 5 sind unterschiedlich groß ausgeführt, wobei sich das Separatormaterial 6 in dem Stapelbereich 10 über die Elektroden 4, 5 hinaus erstreckt und den Rand 9 des Stapelbereichs 10 bildet. Die Elektroden 4, 5 sind in einem Abstand zum Rand 9 angeordnet.
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Die einzelnen Elektroden 4, 5 umfassen ein folienartiges Trägermaterial 12. Das Trägermaterial 12 ist beidseitig mit einem Aktivmaterial 11 beschichtet. Das Separatormaterial 6 ist als Lage ausgeführt, die zusammen mit den ebenfalls als Lagen ausgebildeten Elektroden 4, 5 aufeinander gestapelt angeordnet sind. Der jeweilige Ableiter 13 wird durch einen unbeschichteten Bereich des Trägermaterials 12 gebildet.
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Die Ableiter 13 unterschiedlicher Elektrodenarten sind, entlang der Stapelrichtung 7 gesehen, voneinander beabstandet angeordnet, also in einer sich quer zur Stapelrichtung 7 erstreckenden radialen Richtung 26 voneinander beabstandet. Damit kann ein Kurzschluss durch Kontaktierung der Ableiter 13 unterschiedlicher Elektrodenarten verhindert werden.
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Der Stapelbereich 10 jeder Elektrode 4, 5 ist rechteckig ausgeführt, weist also, bei einer sehr geringen Materialstärke der Elektrode 4, 5, nur vier Kanten (parallel zum Rand 9 verlaufend) auf. Der so gebildete Stapel 8 weist vier Seitenflächen und zwei Stirnflächen auf. Die Ableiter 13 der Elektroden 4, 5 sind an unterschiedlichen Seitenflächen des Stapels 8 angeordnet. Der Stapelbereich 10 jeder Elektrode 4, 5 umfasst den entlang der Stapelrichtung 7 aufeinanderliegenden Bereich der Elektroden 4, 5 sowie das Separatormaterial 6. Aus dem Stapelbereich 10 jeder Elektrode 4, 5 erstreckt sich ein Ableiter 13, wobei die Ableiter 13 unterschiedlicher Elektrodenarten entlang der Stapelrichtung 7 nicht übereinander angeordnet sind.
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Die Batteriezelle 1 weist zur Positionierung des Stapels 8 relativ zu dem ersten Gehäuseteil 3 zwei Positionierelemente 14 auf. Die Positionierelemente 14 sind als ein mit dem ersten Gehäuseteil 2 verbundener Stift ausgeführt, der sich entlang der Stapelrichtung 7 durch zueinander fluchtende Öffnungen 15 der Elektroden 4, 5 und des Separatormaterials 6 erstreckt, so dass die Elektroden 4, 5 und das Separatormaterial 6 durch die Stifte zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil 2 ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet sind. Der jeweilige Stift erstreckt sich durch die zueinander fluchtenden Öffnungen 15 aller Elektroden 4, 5 und Separatormaterialien 6 des Stapels 8 hindurch.
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Die mit dem Aktivmaterial 11 beschichteten Bereiche gleicher Elektrodenarten sind entlang der Stapelrichtung 7 zueinander fluchtend angeordnet. Dabei können die beschichteten Bereiche unterschiedlicher Elektrodenarten unterschiedlich groß ausgeführt sein. Die Separatormaterialien 6 sind entlang der Stapelrichtung 7 zueinander fluchtend angeordnet.
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Die zueinander fluchtende Anordnung der Elektroden 4, 5 und des Separatormaterials 6 kann durch die Positionierelemente 14 gewährleistet werden.
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Über die Positionierelemente 14 wird einerseits eine Ausrichtung des Stapels 8 gegenüber dem Gehäuse 3 und andererseits eine Ausrichtung der Elektroden 4, 5 und des Separatormaterials 6 zueinander ermöglicht. Damit können unterschiedlich groß ausgeführte Elektroden 4, 5 und Separatormaterialien 6 zueinander ausgerichtet werden.
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Die Batteriezelle 1 ist eine prismatische Zelle mit einem formfesten Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 bzw. die das Gehäuse 3 bildenden Gehäuseteile 2, 24 bestehen aus einem Kunststoffmaterial, hergestellt durch ein Spritzgießverfahren.
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Das Separatormaterial 6 erstreckt sich in allen radialen Richtungen 26, also quer zu der Stapelrichtung 7, über das Aktivmaterial 11 sowie über das Trägermaterial 12 der Elektroden 4, 5 hinweg bis zum Rand 9.
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Die Batteriezelle 1 weist ein Kompressionselement 21 auf, das entlang der Stapelrichtung 7 zwischen dem Stapel 8 und dem Gehäuse 3, hier dem zweiten Gehäuseteil 24, angeordnet ist und durch das der Stapel 8 in dem Gehäuse 3 kraftschlüssig fixiert ist. Das Kompressionselement 21 ist elastisch verformbar ausgeführt, wobei das Kompressionselement 21 beim Zusammenfügen der Gehäuseteile 2, 24 durch das Gehäuse 3 und den Stapel 8 verpresst und komprimiert wird und so den Stapel 8 in dem Gehäuse 3 fixiert.
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Das erste Gehäuseteil 2 und die Positionierelemente 14 sind einteilig ausgeführt. Die Positionierelemente 14 und das erste Gehäuseteil 2 sind einteilig durch Spritzgießen hergestellt. Das erste Gehäuseteil 2 und die Positionierelemente 14 bestehen aus einem Kunststoff.
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Eine hin zum Stapel 8 orientierte Innenfläche 22 des Gehäuses 3 ist metallisch ausgeführt bzw. weist eine metallische Oberfläche (z. B. zumindest umfassend Nickel, Aluminium, etc.) auf. Die metallische Ausführung der Innenfläche 22 kann eine Verdampfung eines flüssigen Elektrolyten aus dem Volumen des Gehäuses 3 hin an eine Umgebung der Batteriezelle 1 verhindern.
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Die Positionierelemente 14 weisen hin zum Stapel 8 eine elektrisch isolierte Oberfläche 23 auf. Damit kann ein durch das Positionierelement 14 verursachter Kurzschluss zwischen den Elektroden 4, 5 verhindert werden.
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Das Gehäuse 3 weist ein zweites Gehäuseteil 24 auf. Das zweite Gehäuseteil 24 weist eine Aufnahme 25 für jeden Stift auf, so dass der Stift mit dem zweiten Gehäuseteil 24 zumindest gegenüber einer quer zur Stapelrichtung 7 verlaufenden radialen Richtung 26 formschlüssig verbunden ist. Die Aufnahme 25 ist als ein Vorsprung ausgebildet, der mit dem Positionierelement 14 zur Ausbildung der formschlüssigen Verbindung zusammenwirkt.
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Mit dem vorgeschlagenen Positionierelement 14 und der entsprechenden Ausgestaltung des Gehäuses 3 bzw. der Elektroden 4, 5 und des Separatormaterials 6 kann eine einfache und genaue Ausrichtung der Elektroden 4, 5 und des Separatormaterials 6 zueinander und zum Gehäuse 3 erreicht werden. Damit kann das Aktivmaterial 11 der einzelnen Elektroden 4, 5 entlang der Stapelrichtung 7 fluchtend zueinander angeordnet werden, so dass ein effektiver Betrieb der Batteriezelle 1 ermöglicht ist.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Ansicht. 4 zeigt einen Stapel 8 der Batteriezelle 1 nach 3 in einer Draufsicht. Die 3 und 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 und 2 wird verwiesen.
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Im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante sind die Positionierelemente 14 hier als Abstandshalter ausgeführt, die zwischen dem ersten Gehäuseteil 2 und dem Stapelbereich 10 sowie den Ableitern 13 angeordnet ist, so dass zumindest das Separatormaterial 6 über eine erste Kontaktfläche 16 des jeweiligen Abstandshalters und die Elektroden 4, 5 durch eine Kontaktierung der Ableiter 13 mit einer zweiten Kontaktfläche 17 des jeweiligen Abstandshalters zueinander und zu dem ersten Gehäuseteil 2 ausgerichtet in dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet sind. Die unterschiedlichen Kontaktflächen 16, 17 sind jeweils an einem Positionierelement 14 angeordnet, jedes Positionierelement 14 weist also beide Kontaktflächen 16, 17 auf.
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Über die erste Kontaktfläche 16 werden die Separatormaterialien 6 zueinander und zum ersten Gehäuseteil 2 ausgerichtet. Das Separatormaterial 6 bildet den Rand 9 des Stapelbereichs 10.
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Über die zweite Kontaktfläche 17 werden die Ableiter 13 einer Elektrodenart kontaktiert und zueinander und zum ersten Gehäuseteil 2 ausgerichtet. Weiter können die Ableiter 13 zueinander ausgerichtet werden, so dass sich eine entlang der Stapelrichtung 7 fluchtende Anordnung der Elektroden 4, 5 einer Elektrodenart ergibt. Über die zweite Kontaktfläche 17 wird also eine Ausrichtung der Elektroden 4, 5 zueinander erreicht.
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Die Abstandshalter sind fest an dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet.
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Die erste Kontaktfläche 16 und die zweite Kontaktfläche 17 sind senkrecht zueinander orientiert.
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Es sind mehrere Positionierelemente 14 in dem Gehäuse 3 angeordnet bzw. vorgesehen, so dass eine genaue Ausrichtung des Stapels 8 gegenüber dem Gehäuse 3 und der Elektroden 4, 5 bzw. des Separatormaterials 6 zueinander realisiert werden kann.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsvariante einer Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Ansicht. 6 zeigt einen Stapel 8 der Batteriezelle 1 nach 5 in einer Draufsicht. Die 5 und 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 3 und 4 wird verwiesen.
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Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsvariante sind die zwei Stromanschlüsse 18, 19 an einer Seitenfläche 20 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- erstes Gehäuseteil
- 3
- Gehäuse
- 4
- erste Elektrode
- 5
- zweite Elektrode
- 6
- Separatormaterial
- 7
- Stapelrichtung
- 8
- Stapel
- 9
- Rand
- 10
- Stapelbereich
- 11
- Aktivmaterial
- 12
- Trägermaterial
- 13
- Ableiter
- 14
- Positionierelement
- 15
- Öffnung
- 16
- erste Kontaktfläche
- 17
- zweite Kontaktfläche
- 18
- erster Stromanschluss
- 19
- zweiter Stromanschluss
- 20
- Seitenfläche
- 21
- Kompressionselement
- 22
- Innenfläche
- 23
- Oberfläche
- 24
- zweites Gehäuseteil
- 25
- Aufnahme
- 26
- radiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1909343 A1 [0006]
- WO 2009136240 A1 [0007]
- EP 3780139 A1 [0008]
