DE102021201681A1 - Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem festen, formstabilen Zellgehäuse (1) mit außenseitigen Zellpolen (11, 13). Erfindungsgemäß sind im Zellgehäuse (1) eine Mehrzahl von, voneinander separaten, gehäuselosen elektrochemischen Speicherelementen (15) angeordnet, die über Stromsammelschienen (21, 23) miteinander elektrisch verschaltet sind, die in elektrischer Verbindung mit den jeweiligen Zellpolen (11, 13) sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein Batteriesystem für ein Fahrzeug weist eine Anzahl von Zellmodulen auf, von denen in jedem Zellmodul jeweils Batteriezellen gestapelt sind. Dabei können unterschiedliche Zellformate zum Einsatz kommen, etwa prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen.
  • Zur Steigerung des Energieinhalts des Batteriesystems können die Batteriezellen jeweils ein bis zu einem Liter großes Zellvolumen aufweisen, in dem ein entsprechend großes elektrochemisches Speicherelement angeordnet ist. Bei einer solchen Batteriezelle mit hohem Energieinhalt sind jedoch aufwendige Brandschutzmaßnahmen erforderlich, um bei einem thermischen Event eine sogenannte „thermal propagation“ zu unterbinden.
  • Demgegenüber sind bei Batteriezellen mit reduziertem Energieinhalt die erforderlichen Brandschutzmaßnahmen weniger aufwendig. Jedoch ist der Verbau solcher kleinerer Batteriezellen im Batteriesystem bauteilintensiver sowie materialintensiver als bei Verwendung volumengroßer Batteriezellen, zumal jede Batteriezelle ein eigenes Zellgehäuse aufweist, wodurch das für die elektrochemischen Speicherelemente der Batteriezellen bereitgestellte Gesamtvolumen reduziert wird.
  • Aus der DE 20 2020 100 241 U1 ist ein elektrischer Energiespeicher bekannt. Aus der JP 2014144033 A ist ein Batteriemodul bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik einen hohen Energieinhalt aufweist und/oder bei der im Vergleich zum Stand der Technik der Aufwand für Brandschutzmaßnahmen reduzierbar ist.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung geht von einer Batteriezelle, insbesondere eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle aus. Im Unterschied zu einer Pouchzelle weist eine solche prismatische Batteriezelle ein festes, formstabiles Zellgehäuse auf. An einer Deckwand des Zellgehäuses sind Zellpole angeordnet. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist in dem Zellgehäuse nicht mehr nur ein Aktivmaterial bzw. ein elektrochemisches Speicherelement angeordnet. Vielmehr sind erfindungsgemäß im Zellgehäuse der Batteriezelle eine Mehrzahl von, voneinander separaten sowie gehäuselosen elektrochemischen Speicherelementen angeordnet. Die elektrochemischen Speicherelemente sind in zumindest einer Stapelrichtung hintereinander im gemeinsamen Zellgehäuse angeordnet und über Stromsammelschienen miteinander elektrisch verschaltet, die wiederum in elektrischer Verbindung mit den jeweiligen Zellpolen sind. In Abkehr vom Stand der Technik, wonach jedem elektrochemischen Speicherelement genau ein Einzelgehäuse zugeordnet sind, sind somit einer Anzahl von gehäuselosen Speicherelementen ein gemeinsames Zellgehäuse zugeordnet, wodurch der Materialaufwand sowie der Bauteilaufwand bei der Herstellung eines Batteriesystems reduziert ist.
  • Im Hinblick auf einen effektiven Brandschutz ist es bevorzugt, wenn der Innenraum des Zellgehäuses mit Hilfe von insbesondere thermisch isolierenden Trennwänden in Teilräume unterteilt ist. Jeder der Teilräume ist mit einer der elektrochemischen Speicherelemente bestückbar.
  • Das jeweilige elektrochemische Speicherelement ist insbesondere einer prismatischen Lithium-Ionen-Batteriezelle als eine Flachwicklung ausgebildet, bei der eine Anode, ein Separator und eine Kathode schichtweise übereinander liegen. Die Anode und die Kathode des jeweiligen Speicherelements weisen jeweils Strom-Ableiter auf. Sämtliche Strom-Ableiter der in einer Zelle integrierten Speicherelemente sind mit jeweiligen Stromsammelschienen innerhalb des Zellgehäuses elektrisch miteinander verschaltet.
  • Bevorzugt kann das Zellgehäuse der Batteriezelle quaderförmig realisiert sein, wobei dessen Gehäusewände aufgeteilt sind in zwei gegenüberliegende Schmalseitenwände, zwei gegenüberliegenden Flachseitenwände sowie einer Bodenwand und einer Deckwand, in der die Zellpole angeordnet sind.
  • Im Hinblick auf eine thermische Isolierung zwischen der Zellen-Außenseite und den innerhalb des Zellgehäuses angeordneten elektrochemischen Speicherelemente ist es bevorzugt, wenn die Gehäusewände des Zellgehäuses, insbesondere zusammen mit den Trennwänden, eine Hohlkammerstruktur mit einer Außenwandung, einer Innenwandung sowie zwischengeordnetem Luftspalt aufweisen.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann das Zellgehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezelle fertigungstechnisch günstig wie folgt hergestellt werden: Demnach können die Flachseitenwände und die Schmalseitenwände sowie bevorzugt auch die Trennwände materialeinheitliche und einstückige Bestandteile eines Strangpressprofil-Zuschnittes sein. Dessen Zuschnittlänge kann in etwa der Zellgehäuse-Bauteilhöhe entsprechen. In diesem Fall können die Bodenwand sowie die Deckwand als separate Teile ausgebildet sein, mit denen die offenen Stirnseiten des Strangpressprofil-Zuschnittes abdeckbar sind. In diesem Fall kann bevorzugt der Strangpressprofil-Zuschnitt eine Hohlkammerstruktur aufweisen, während die Boden- und Deckwände aus Vollmaterial ausgebildet sind. In der Bodenwand bzw. Deckwand können zudem Berstöffnungen ausgebildet sein, die mit einer Berstscheibe überdeckt sind. Bevorzugt kann jedem elektrochemischen Speicherelement jeweils eine Berstöffnung zugeordnet sein.
  • Alternativ dazu kann das Zellgehäuse auch als ein Tiefziehteil hergestellt werden. Im Tiefziehteil können die beiden Flachseitenwände, die beiden Schmalseitenwände sowie die Bodenwand materialeinheitlich und einstückig integriert sein. Die offene Deckseite des Tiefziehteils kann als Bestückungsöffnung dienen, über die die elektrochemischen Speicherelemente in das Tiefziehteil eingesetzt werden können.
  • Im Hinblick auf einen gesteigerten Brandschutz ist es bevorzugt, wenn die Gehäuse-Innenseiten, insbesondere die beiden Flachseitenwände, die beiden Schmalseitenwände sowie die Bodenwand mit Brandschutzlagen ausgekleidet sind. Die Brandschutzlagen können bevorzugt zusammen mit den Trennwänden ein materialeinheitliches und einstückiges Brandschutz-Einlegerteil bilden. In diesem Fall kann die Brandschutz-Auskleidung fertigungstechnisch einfach mit einem Arbeitshub durch die Bestückungsöffnung in den Gehäuseinnenraum des Zellgehäuses eingesetzt werden.
  • Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 in perspektivischer Darstellung eine prismatische Batteriezelle;
    • 2 bis 7 jeweils Ansichten, anhand derer der Aufbau sowie der Zusammenbau der Batteriezelle veranschaulicht sind;
    • 8 und 9 jeweils Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
    • 10 und 11 Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • In der 1 ist eine prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem festen, formstabilen Zellgehäuse 1 aus Aluminium gezeigt. Das Zellgehäuse 1 ist quaderförmig ausgebildet, wobei dessen Gehäusewände aufgeteilt sind in einander gegenüberliegende Schmalseitenwände 3, einander gegenüberliegende Flachseitenwände 5 sowie einer Bodenwand 7 (nur in 8 und 9 gezeigt) und einer Deckwand 9, in der die beiden Zellpole 11 und 13 angeordnet sind. Das Zellgehäuse 1 weist in der 1 eine sich in der Zellgehäuse-Hochrichtung z erstreckende Bauteilhöhe h auf.
  • In dem Zellgehäuse 1 sind in einer Stapelrichtung x insgesamt vier gehäuselose elektrochemische Speicherelemente 15 hintereinander gestapelt. Jedes der elektrochemischen Speicherelemente 15 ist als eine Flachwicklung schichtweise mit einer Anode, einem Separator und einer Kathode aufgebaut. Die Flachwicklung kann in einer biegeschlaffen Schutzhülle angeordnet sein. Von der Anode und der Kathode ragen jeweils Strom-Ableiter 17, 19 ( 2a) ab. Die Strom-Ableiter 17, 19 der elektrochemischen Speicherelemente 15 sind über zwei Stromschienen 21, 23 elektrisch miteinander verschaltet. Jede der Stromsammelschienen 21, 23 ist in elektrischer Verbindung mit einem der Zellpole 11, 13.
  • Wie aus der 3 hervorgeht, ist der Innenraum des Zellgehäuses 1 mittels thermisch isolierender Trennwände 22 in Teilräume 24 unterteilt. Die vier elektrochemischen Speicherelemente 15 werden über eine offene Bestückungsöffnung 25 (5) in jeweils einem der Teilräume 24 des Zellgehäuses 1 eingesetzt. Die Speicherelemente 15 sind also nicht unmittelbar in Anlage miteinander, sondern in der Stapelrichtung x über die Trennwände 22 voneinander beabstandet.
  • Nach dem Einsetzen der Speicherelemente 15 in die Teilräume 15 wird die Bestückungsöffnung 25 (5) mit der Deckwand 9 geschlossen. Wie aus der 7 weiter hervorgeht, ist jedem der elektrochemischen Speicherelemente 15 jeweils bodenseitig eine Berstöffnung 27 zugeordnet, die mit einer Berstscheibe überdeckt ist.
  • Gemäß den 8 und 9 sind die Flachseitenwände 5 und die Schmalseitenwände 3 sowie die Trennwände 22 materialeinheitliche und einstückige Bestandteile eines Strangpressprofil-Zuschnitts 29. Dessen Zuschnittlänge z (8a) entspricht in etwa der Bauteil-Höhe h des Zellgehäuses 1 (1). Die Flachseitenwände 5, die Schmalseitenwände 3 und die Trennwände 22 weisen in der 6 oder 9 eine Hohlkammerstruktur 30 auf, die eine Außenwandung 31, eine Innenwandung 33 sowie einen zwischengeordneten isolierenden Luftspalt 35 aufweist. In den 8 und 9 sind die Bodenwand 7 und die Deckwand 9 als separate Vollmaterial-Bauteile vorgehalten, die mit den offenen Stirnseiten des Strangpressprofil-Zuschnittes 29 verbindbar (das heißt verschweißbar) sind.
  • Wie aus der 6 oder 7 hervorgeht, ist zwischen der Oberseite der elektrochemischen Speicherelemente 15 und der Deckwand 9 ein Montageraum 10 ausgebildet, der in der Stapelrichtung x durchgängig ist. Im Montageraum 10 sind die Stromsammelschienen 21, 23 angeordnet. Zur Bildung des Montageraums 10 ist in der 2b eine Oberkante der Trennwand 22 um einen Höhenversatz Δz1 von der Oberkante der Schmal- und Flachseitenwände 3, 5 zurückgesetzt ist. Gemäß 2b sind zudem die Trennräume 24 über eine bodenseitige Strömungsöffnung 26 miteinander für eine Elektrolyt-Überleitung verbunden. Zur Bildung der Strömungsöffnung 26 ist eine Unterkante der Trennwand 22 um einen Höhenversatz Δz2 von der Unterkante der Schmal- und Flachseitenwände 3, 5 zurückgesetzt.
  • In der 10 ist eine Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. In der Batteriezelle sind die Deckwand 9 sowie die Stromsammelschienen 21, 23 weggelassen. Wie aus der 10 hervorgeht, sind in der Batteriezelle insgesamt sechzehn gehäuselose elektrochemische Speicherelemente 15 positioniert, die jeweils über Trennwände 22 voneinander separiert sind. Die Speicherelemente 15 sind sowohl in der Stapelrichtung x als auch in der Stapelrichtung y gestapelt, und zwar jeweils unter Zwischenordnung der Trennwände 22.
  • In der 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer prismatischen Batteriezelle in Explosionsdarstellung gezeigt. Demzufolge sind die beiden Flachseitenwände 5, die beiden Schmalseitenwände 3 sowie die Bodenwand 7 materialeinheitlich und einstückig als ein Tiefziehteil 38 ausgebildet. Dessen offene Deck-Stirnseite bildet eine Bestückungsöffnung 25, über die die elektrochemischen Speicherelemente 15 in das Tiefziehteil einsetzbar sind.
  • Gemäß der 11 sind die Gehäuse-Innenseiten, das heißt die beiden Flachseitenwände 5, die beiden Schmalseitenwände 3 sowie die Bodenwand 7 mit Brandschutzlagen ausgekleidet.
  • Die Brandschutzlagen bilden zusammen mit den Trennwänden 22 ein materialeinheitliches und einstückiges Brandschutz-Einlegerteil. Das Brandschutz-Einlegerteil 37 wird vor der Bestückung der elektrochemischen Speicherelemente 15 in das Tiefziehteil 38 eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zellgehäuse
    3
    Schmalseitenwände
    5
    Flachseitenwände
    7
    Bodenwand
    9
    Deckwand
    10
    Montageraum
    11, 13
    Zellpole
    15
    elektrochemische Speicherelemente
    17, 19
    Strom-Ableiter
    21, 23
    Stromsammelschienen
    22
    Trennwand
    24
    Teilräume
    25
    Bestückungsöffnung
    26
    Strömungsöffnung
    27
    Berstöffnung
    29
    Strangpressprofil-Zuschnitt
    30
    Hohlkammerstruktur
    31
    Außenwandung
    33
    Innenwandung
    35
    Luftspalt
    37
    Brandschutz-Einlegerteil
    38
    Tiefziehteil
    z
    Zuschnittlänge
    h
    Zellgehäuse-Bauteilhöhe
    Δz2, Δz2
    Höhenversätze
  • 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
    • DE 202020100241 U1 [0005]
    • JP 2014144033 A [0005]

Claims (10)

  1. Batteriezelle, insbesondere prismatische Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem festen, formstabilen Zellgehäuse (1) mit außenseitigen Zellpolen (11, 13), dadurch gekennzeichnet, dass im Zellgehäuse (1) eine Mehrzahl von gehäuselosen elektrochemischen Speicherelementen bzw. Aktivmaterialien (15) in zumindest einer Stapelrichtung (x, y) hintereinander angeordnet sind, und dass die Speicherelemente (15) über Stromsammelschienen (21, 23) miteinander elektrisch verschaltet sind, die in elektrischer Verbindung mit den jeweiligen Zellpolen (11, 13) sind.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Zellgehäuses (1) mittels zumindest einer, insbesondere thermisch isolierenden Trennwand (22) in Teilräume (24) unterteilt ist, in denen jeweils eines der elektrochemischen Speicherelemente (15) angeordnet ist, so dass die elektrochemischen Speicherelemente (15) unter Zwischenordnung der Trennwand (22) voneinander beabstandet sind.
  3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der elektrochemischen Speicherelemente (15), insbesondere als eine Flachwicklung, schichtweise mit einer Anode, einem Separator und einer Kathode aufgebaut ist, und dass insbesondere die Anode und die Kathode über Strom-Ableiter (17, 19) mit der jeweiligen Stromsammelschiene (21, 23) elektrisch verbunden sind, und/oder dass jedes der elektrochemischen Speicherelemente (15) in einer bevorzugt biegeschlaffen Schutzhülle, etwa einer Aluminiumfolie, umgeben ist.
  4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (1) quaderförmig ausgebildet ist, und dass die Gehäusewände des Zellgehäuses (1) aufgeteilt sind in Schmalseitenwände (3), Flachseitenwände (5) sowie eine Bodenwand (7) und eine Deckwand (9), in der die Zellpole (11, 13) angeordnet sind, und/oder dass die Gehäusewände (3, 5) und/oder die Trennwand (22) zumindest teilweise eine Hohlkammerstruktur (30) mit einer Außenwandung (31) und einer Innenwandung (33) sowie zwischengeordnetem Luftspalt (35) aufweisen.
  5. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberseite der elektrochemischen Speicherelemente (15) und der Deckwand (9) ein Montageraum (10) ausgebildet ist, der insbesondere in der Stapelrichtung (x, y) durchgängig ist, und dass insbesondere im Montageraum (10) die Stromsammelschienen (21, 23) angeordnet sind, und dass insbesondere zur Bildung des Montageraums (10) eine Oberkante der Trennwand (22) um einen Höhenversatz (Δz1) von der Oberkante der Schmal- und Flachseitenwände (3, 5) zurückgesetzt ist.
  6. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennräume (24) über eine Strömungsöffnung (26), insbesondere für eine Elektrolyt-Überleitung, verbunden sind, und dass insbesondere zur Bildung des Strömungsöffnung (26) eine Unterkante der Trennwand (22) um einen Höhenversatz (Δz2) von der Unterkante der Schmal- und Flachseitenwände (3, 5) zurückgesetzt ist.
  7. Batteriezelle nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmalseitenwände (3) sowie insbesondere die Trennwand (22) materialeinheitliche und einstückige Bestandteile eines Strangpressprofil-Zuschnitts (29) sind, dessen Zuschnittlänge (z) insbesondere der Zellgehäuse-Bauteilhöhe (h) entspricht, und dass insbesondere die Bodenwand (7) sowie die Deckwand (9) als separate Bauteile mit den offenen Stirnseiten des Strangpressprofil-Zuschnittes (29) verbindbar sind.
  8. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenwand (7) und/oder in der Deckwand (9) des Zellgehäuses (1) zumindest eine mit einer Berstscheibe überdeckte Berstöffnung (27) ausgebildet ist, und dass insbesondere für jedes elektrochemisches Speicherelement (15) genau eine Berstöffnung (27) im Zellgehäuse (1) bereitgestellt ist.
  9. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flachseitenwände (5), die beiden Schmalseitenwände (3) sowie die Bodenwand (7) materialeinheitlich und einstückig als ein Tiefziehteil (38) ausgebildet sind, dessen offene Stirnseite als Bestückungsöffnung (25) dient, über die die elektrochemischen Speicherelemente (15) in das Tiefziehteil (38) einsetzbar sind.
  10. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse-Innenseiten, insbesondere die Flachseitenwände (5), die Schmalseitenwände (3) und die Bodenwand (7) mit Brandschutzlagen ausgekleidet sind, und dass insbesondere die Brandschutzlagen bevorzugt zusammen mit den Trennwänden (22) ein materialeinheitliches und einstückiges Brandschutz-Einlegerteil (37) bilden.
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