-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, insbesondere zur Herstellung der beschriebenen Batteriezelle.
-
Insbesondere umfasst die Batteriezelle ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial. Das Gehäuse ist insbesondere ein elastisch verformbares, gasdicht ausgeführtes Gehäuse, wobei darin ein Stapel aufeinander angeordneter Elektrodenfolien angeordnet ist.
-
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. In einer Batteriezelle sind Elektrodenfolien, also Anoden und Kathoden aufeinander gestapelt angeordnet, wobei unterschiedliche Elektrodenfolien durch Separatorfolien oder ein Separatormaterial voneinander getrennt angeordnet sind. Die Elektrodenfolien sind in einem Elektrolyt angeordnet.
-
Es sind z. B. Batteriezellen mit flüssigen oder festen Elektrolyten (Feststoffbatterie) bekannt.
-
Ein Batteriemodul umfasst insbesondere eine Mehrzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet und in einem Modulgehäuse angeordnet sind. Auch einzelne Batteriemodule können miteinander elektrisch in Reihe oder parallel-geschaltet werden. Eine Batterie umfasst ein Batteriemodul oder eine Mehrzahl von Batteriemodulen.
-
Ein vorrangiges Ziel bei der Entwicklung von Batterieanordnungen ist es, das sämtliche mechanische Lastfälle ohne Brand und ohne Kurzschluss ertragen werden müssen. Gerade bei Lithium-Ionen Batteriezellen können mechanische Beschädigungen, hohe Temperaturen oder zu hohe elektrische Ströme zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) führen.
-
Während eines thermischen Durchgehens erhöht sich die Temperatur einer Batteriezelle kontinuierlich und teilweise exponentiell aufgrund der exothermen Reaktionen der Komponenten der Batteriezelle. Dabei können Temperaturen von bis zu 1.000 °C und höher erreicht werden, wobei zusätzlich ggf. gesundheitsgefährdende und/ oder brennbare Gase freigesetzt werden können.
-
Ein thermisches Durchgehen ist in jedem Fall zu vermeiden, da ein einziger derartiger Vorfall an nur einer Batteriezelle eine Zerstörung eines ganzen Moduls, einer Batterieanordnung oder sogar eines die Batterieanordnung aufweisenden Kraftfahrzeugs bewirken kann. Bei einem thermischen Durchgehen werden große Mengen an Gasen erzeugt, ein flüssiger Elektrolyt kann sich entzünden und benachbart zu der Batteriezelle angeordnetes Material kann verbrennen und/ oder zerstört werden. Unmittelbar vor dem thermischen Durchgehen kann bereits ein hochexplosives und reaktives Gemisch verschiedener Gase erzeugt werden, z. B. umfassend Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ethan, Methan, etc., das von Pulverteilchen umgeben und in einer gasförmigen und/ oder flüssigen Umgebung angeordnet ist. Dabei erhöht sich ein Innendruck der Batteriezelle bis zur Zerstörung des Gehäuses der Batteriezelle, üblicherweise bis ca. 8 bar. Nach dem Durchbruch des Gasgemisches aus der Batteriezelle reagiert dieses mit der die Batteriezelle ggf. umgebenden Luft, so dass die exotherme Reaktion exponentiell beschleunigt.
-
Im Rahmen eines sogenannten „thermal propagation test“ wird überprüft, ob nach einem thermal runaway einer Batteriezelle eine Explosion der Batterie über einen Mindestzeitraum, z. B. von 5 Minuten oder sogar 30 Minuten, hinweg vermieden werden kann, um eine Evakuierung von Nutzern, z. B. eines Kraftfahrzeugs, zu ermöglichen.
-
Bestimmte Maßnahmen, wie z. B. Anbindung der Batteriezellen an eine Kühlung, Einbau von Phasenwechselmaterialien zur Aufnahme größerer Wärmemengen, bei Temperaturüberschreitung schmelzende Separatormaterialien, Elektrolytadditive zur Begrenzung der Bewegung von Ionen im Falle einer Temperaturüberschreitung, Gasaufnahmetaschen innerhalb der Batteriezelle und Temperaturüberwachung der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls, sind bekannt.
-
Bei der Temperaturüberwachung wird insbesondere eine Veränderung der Temperatur ausgewertet, d. h. bei einer Erwärmung von z. B. mehr als 10 Grad Celsius pro Minute kann auf ein unausweichliches thermisches Durchgehen entschieden werden.
-
Gasaufnahmetaschen dienen insbesondere der Aufnahme von Gas, das während der Formierung einer Batteriezelle entsteht, z. B. im Rahmen der Erzeugung der SEI (solid electrolyte interphase). Während einer Formierung wird die neu hergestellte Batteriezelle mehreren Lade- und Entladezyklen unterzogen, so dass sich u. a. die SEI ausbildet. Erst nach der Formierung ist die Batteriezelle für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch einsatzbereit. Eine Aufnahme des Gases ist sinnvoll, weil sonst die Bewegung der Ionen innerhalb der Batteriezelle beeinflusst und damit die Effizienz der Zelle beeinträchtigt wird. Diese Gasaufnahmetaschen werden insbesondere nach der Formierung der Batteriezelle entfernt. Insbesondere sind deshalb mehrere Schritte zum Verschließen des Gehäuses der Batteriezelle erforderlich.
-
Das Problem der „thermal propagation“, also der thermischen Fortschreitung, wird auch dadurch verschärft, dass die gesetzlich vorgeschriebenen Evakuierungszeiten eher verlängert und das Volumen einzelner Batteriezellen sowie ihr Energieinhalt, und damit die bei einem thermischen Durchgehen freigesetzte Energie, eher vergrößert werden.
-
Aus der
CN 110828712 A ist eine Batteriezelle mit einem Anschluss zum Druckabbau bekannt. Über diesen Anschluss können bei einem Schadensfall und darauffolgender Drucksteigerung innerhalb der Batteriezelle Gase und Partikel abgeführt werden. Der Anschluss kann mit externen Behältern verbunden werden, so dass die Gase und Partikel dahin abgeleitet werden können.
-
Aus der
US 2016/0133914 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die zwei Anschlüsse aufweist. Über den einen Anschluss kann ein Elektrolyt in die Zelle eingefüllt werden. Über den anderen Anschluss kann Gas während der Befüllung der Zelle abgeführt werden.
-
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, bei der eine Explosion der Batteriezelle verhindert werden kann. Dabei soll die Batteriezelle gleichzeitig eine gerade über Lebenszeit hohe Leistungsfähigkeit aufweisen. Zudem soll ein Herstellungsverfahren für eine Batteriezelle vereinfacht werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß Patentanspruch 10 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, ein Volumen umschließendes Gehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial sowie einen flüssigen Elektrolyt. Die Batteriezelle weist mindestens ein erstes Ventil und ein zweites Ventil auf, die jeweils das Volumen des Gehäuses mit einer Umgebung der Batteriezelle schaltbar verbinden.
-
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Pouchzelle (mit einem verformbaren Gehäuse bestehend aus einer Pouchfolie) und gerade nicht eine prismatische Zelle (mit einem formfesten Gehäuse). Eine Pouchfolie ist ein bekanntes verformbares Gehäuseteil, dass als Gehäuse für sogenannte Pouchzellen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein Kompositmaterial, z. B. umfassend einen Kunststoff und Aluminium.
-
Innerhalb der Batteriezelle sind insbesondere keine weiteren Gehäuse vorgesehen, in denen einzelne Gruppen von Elektrodenfolien angeordnet sind. Die Elektrodenfolien werden also insbesondere nur von einem gemeinsamen Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse ist insbesondere flüssigkeitsdicht, ggf. gasdicht ausgeführt. Innerhalb des Gehäuses ist insbesondere ein flüssiger Elektrolyt angeordnet.
-
Die Batteriezelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
-
Die einzelnen Folien der Mehrzahl von Elektrodenfolien sind aufeinander angeordnet und bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektrodenfolien 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.
-
Insbesondere umfasst das Gehäuse zumindest zwei, ggf. miteinander verbundene oder als Einzelteile bereitgestellte, Gehäuseteile, wobei die Gehäuseteile über eine Siegelnaht gasdicht miteinander verbunden sind und so das Gehäuse gasdicht verschlossen ist.
-
Die Siegelnaht ist eine stoffschlüssige Verbindung zweier Gehäuseteile des Gehäuses. Die Siegelnaht erzeugt eine gasdichte Verbindung der Gehäuseteile. Über die aus Pouchfolie gebildeten Gehäuseteile und die mindestens eine Siegelnaht ist das von dem Gehäuse umschlossene Volumen damit gegenüber einer Umgebung der Batteriezelle gasdicht ausgeführt.
-
Die Ventile sind insbesondere dauerhaft in dem Gehäuse der Batteriezelle angeordnet, d. h. auch für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle vorgesehen. Insbesondere kann so ermöglicht werden, dass z. B. während der Formierung aber auch im Betrieb der Batteriezelle entstehendes Gas aus dem Volumen über mindestens ein Ventil an die Umgebung der Batteriezelle abgeführt werden kann. Die Entstehung eines Überdrucks in der Batteriezelle kann so verhindert werden. Weiter kann ein entstehendes Gas so kontinuierlich, also insbesondere bei Überschreitung eines vordefinierbaren Grenzdruckes und über die Lebenszeit der Batteriezelle, aus dem Volumen abgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle wird also durch das entstehende Gas nicht beeinträchtigt. Weiter ist eine Gasaufnahmetasche, z. B. für die Aufnahme des bei der Formierung entstehenden Gases, nicht erforderlich. Eine Versiegelung der Batteriezelle durch eine Siegelnaht kann direkt in einem Schritt, ggf. zusammen mit der Anordnung der Ventile an bzw. in dem Gehäuse, erfolgen.
-
Ein Ventil ermöglicht eine schaltbare strömungstechnische Verbindung des Volumens mit der Umgebung über das Ventil. Das Ventil schaltet insbesondere bei Überschreitung einer vorbestimmbaren Druckdifferenz zwischen dem Volumen und der Umgebung. Dabei schaltet das Ventil insbesondere nur in einer Richtung, d. h. nur, wenn z. B. ein Druck innerhalb des Volumens größer ist als in der Umgebung, also bei einem Überdruck in dem Volumen.
-
Zumindest eines der Ventile ist so ausgeführt, dass es einen Abbau eines in dem Volumen entstehenden Überdrucks und damit verbunden ein zumindest teilweises Entgasen des Volumens an die Umgebung ermöglicht.
-
Zumindest ein Ventil kann wiederholt schließen und öffnen, ohne seine Funktionalität einzubüßen.
-
Die Ventile können baugleich oder voneinander unterschiedlich ausgeführt sein. Die Ventile können gleichartig in dem Gehäuse angeordnet sein. Die Ventile können in gleicher oder unterschiedlicher Schaltrichtung verbaut sein, d. h. über beide Ventile kann entweder bei Überschreiten eines Grenzdruckes ein Überdruck in dem Volumen an die Umgebung abgebaut werden oder zumindest über ein Ventil kann bei Anlegen eines Überdrucks in der Umgebung ein Medium in das Volumen überführt werden. Das Medium ist z. B. ein Elektrolyt.
-
Zumindest zwei Gehäuseteile des Gehäuses sind über eine Siegelnaht gasdicht verschlossen. Die Ventile erstrecken sich jeweils durch die Siegelnaht hindurch.
-
Insbesondere schaltet zumindest das zweite Ventil bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig und stellt eine Verbindung zwischen dem Volumen und der Umgebung her. Selbsttätig heißt insbesondere, dass eine äußere Betätigung des Ventils nicht erforderlich ist. Das Ventil öffnet und schließt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen und der Umgebung also ausschließlich in Abhängigkeit von einer an dem Ventil anliegenden Druckdifferenz.
-
Insbesondere schaltet zumindest das erste Ventil in einer ersten Anordnung bei einem Überdruck in dem Volumen oder in einer zweiten Anordnung bei einem Überdruck in der Umgebung selbsttätig und stellt eine Verbindung zwischen dem Volumen und der Umgebung her.
-
Insbesondere ist zumindest ein Ventil, dass bei einem Überdruck in dem Volumen selbsttätig schaltet und eine Verbindung zwischen dem Volumen und der Umgebung herstellt, aus der Umgebung heraus betätigbar. Das Ventil kann im Rahmen einer Betätigung also insbesondere aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführt werden. Das Ventil kann insbesondere mechanisch (z. B. über einen Stift) oder durch elektromagnetische Kraft betätigt werden.
-
Insbesondere ist zumindest ein Ventil so ausgeführt, dass es bei einer Druckdifferenz zwischen dem Volumen und der Umgebung von 1,1 bis 1,3 bar, insbesondere bei 1,2 bar, bevorzugt mit einer gegenüber dem vorbestimmten Wert beidseitigen Toleranz von höchstens 0,05 bar (also bei 1,2 bar zwischen 1,15 und 1,25 bar), selbsttätig schaltet.
-
Insbesondere weist zumindest ein Ventil ein Ventilgehäuse auf, das sich ausgehend von dem Volumen entlang einer radialen Richtung im Wesentlichen quer zum Verlauf der Siegelnaht durch diese hindurch hin zur Umgebung erstreckt. Das Ventilgehäuse weist seitliche Vorsprünge auf, die sich entlang einer Umfangsrichtung und entlang des Verlaufs der Siegelnaht erstrecken.
-
Die Vorsprünge vermeiden insbesondere eine Verdrehung eines im Wesentlichen (ohne die Vorsprünge) zylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses gegenüber den Gehäuseteilen. Weiterhin kann durch die Vorsprünge eine Dichtheit der Siegelnaht gerade im Übergang der Verbindung zwischen Ventilgehäuse und jedem Gehäuseteil einerseits und der Verbindung zwischen den Gehäuseteilen andererseits gewährleistet werden.
-
Insbesondere verjüngen sich die Vorsprünge entlang der Siegelnaht und weg vom Ventilgehäuse zunehmend.
-
Insbesondere ist das Ventilgehäuse zumindest zweilagig aufgebaut, wobei eine innere Lage ein formstabiles Gehäuseteil bildet und eine äußere Lage ein Material umfasst, das im Rahmen eines thermischen Fügens mit den Gehäuseteilen stoffschlüssig verbindbar ist.
-
Die innere Lage umfasst z. B. ein Acrylat oder ein Polycarbonat.
-
Die äußere Lage umfasst z. B. ein Polypropylen. Insbesondere umfasst auch die Pouchfolie des Gehäuses und/oder jedes Gehäuseteil ein Polypropylen umfassendes Material zumindest an der für die Siegelnaht vorgesehenen Oberfläche. Insbesondere kann so bei Erzeugen der Siegelnaht ein Verschmelzen der äußeren Lage mit dem Gehäuseteil erfolgen und damit eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden.
-
Insbesondere ist das Ventilgehäuse zumindest teilweise dreilagig ausgebildet, wobei zumindest in Teilbereichen des Ventilgehäuses ein Heißkleber vorgesehen ist, der die Verbindung zwischen Ventilgehäuse und Gehäuseteil erzeugen bzw. verstärken kann. Der Heißkleber kann aber auch alternativ an dem Gehäuseteil angeordnet werden bzw. sein.
-
Es wird weiter ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle vorgeschlagen, insbesondere zur Herstellung der beschriebenen Batteriezelle. Die Batteriezelle umfasst zumindest ein, ein Volumen umschließendes Gehäuse und in dem Volumen angeordnet mindestens eine erste Elektrodenfolie einer ersten Elektrodenart, eine zweite Elektrodenfolie einer zweiten Elektrodenart und ein dazwischen angeordnetes Separatormaterial sowie einen flüssigen Elektrolyt. Zumindest zwei Gehäuseteile des Gehäuses sind über eine Siegelnaht gasdicht verschlossen. Die Batteriezelle weist mindestens ein erstes Ventil mit einem ersten Ventilgehäuse und ein zweites Ventil mit einem zweiten Ventilgehäuse auf, wobei jedes der Ventile das Volumen des Gehäuses mit einer Umgebung der Batteriezelle schaltbar verbindet.
-
Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des Gehäuses mit zumindest zwei Gehäuseteilen;
- b) Anordnen der Elektrodenfolien und des Separatormaterials in dem Gehäuse und Anordnen zumindest der Ventilgehäuse in dem für die Siegelnaht vorgesehenen Bereich;
- c) Verbinden der Gehäuseteile durch die Siegelnaht, so dass die Ventilgehäuse und die Gehäuseteile gasdicht miteinander verbunden sind;
- d) Befüllen des Volumens mit einem Elektrolyt und Entfernen von Gas aus dem Volumen; ggf. Anordnen der Ventile in den Ventilgehäusen;
- e) Formieren der Batteriezelle.
-
Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis e) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt findet das Anordnen der Elektrodenfolien und des Separatormaterials und das Anordnen der Ventilgehäuse (und ggf. der Ventile, also des Ventilgehäuses zusammen mit dem schaltbaren Teil des Ventils) im Rahmen des Schrittes d) zeitlich parallel zueinander oder nacheinander statt, wobei dabei die Reihenfolge aber verschieden sein kann. Ganz besonders bevorzugt findet das Befüllen des Volumens mit einem Elektrolyt und das Anordnen der Ventile in den Ventilgehäusen im Rahmen des Schrittes d) nacheinander statt, wobei die Reihenfolge aber verschieden sein kann. Insbesondere werden die Schritte a) bis e) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt.
-
Die Gehäuseteile können bereits miteinander verbunden sein oder z. B. durch eine einzige Pouchfolie gebildet werden. Die Gehäuseteile können aber auch separat voneinander ausgeführt sein.
-
Insbesondere bilden die beiden Gehäuseteile einen Boden und einen Deckel bzw. zwei Seiten des Gehäuses, wobei die Gehäuseteile im Rahmen des Schrittes c) zur Ausbildung des Gehäuses bzw. des Volumens miteinander verbunden werden.
-
Das Verbinden der Gehäuseteile durch die mindestens eine Siegelnaht ist bekannt. Allerdings werden hier im Unterschied zu bekannten Gehäusen die Ventilgehäuse in der Siegelnaht angeordnet.
-
Im Rahmen des Schrittes d) kann der Elektrolyt über die durch das Ventilgehäuse gebildete Öffnung in das Volumen überführt werden. Dabei kann ein Gas über das andere Ventil oder über die Öffnung des anderen Ventilgehäuses aus dem Volumen abgeführt werden. Alternativ kann zuerst das Ventil, also der schaltbare Bestandteil des Ventils, in dem Ventilgehäuse angeordnet werden, so dass der Elektrolyt nur über das Ventil in das Volumen überführt und/oder das Gas aus dem Volumen nur über das (andere) Ventil abgeführt wird.
-
Im Rahmen des Schrittes e) erfolgt ein Formieren der Batteriezelle. Dabei wird die Batteriezelle mehrfach Lade- und Entladezyklen ausgesetzt. Unter anderem wird dabei die SEI ausgebildet. Erst nach der Formierung ist die Batteriezelle für einen vorbestimmten Einsatz, z. B. als Energiespeicher in einer Batterie, z. B. eines Kraftfahrzeugs, einsetzbar. Das bei der Formierung entstehende Gas kann selbsttätig oder über die Betätigung zumindest eines Ventils aus dem Volumen abgeführt werden.
-
Es wird weiter ein Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Batteriezelle oder der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Batteriezelle vorgeschlagen. Dabei erfolgt nach dem Formieren der Batteriezelle ein Betreiben der Batteriezelle und zumindest während des Formierens oder des Betreibens ein Entgasen des Volumens zumindest über ein Ventil.
-
Insbesondere wird durch zumindest ein Ventil ermöglicht, dass ein auch im Betrieb der Batteriezelle im Volumen entstehendes Gas aus der Batteriezelle abgeführt werden kann. Damit kann eine Explosion der Batteriezelle im Betrieb verhindert und gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit der Batteriezelle über Lebenszeit gewährleistet werden.
-
Es wird weiter eine Batterie vorgeschlagen, insbesondere umfassend die beschriebene Batteriezelle oder eine durch das beschriebene Verfahren hergestellte Batteriezelle.
-
Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Traktionsantrieb und die beschriebene Batterie, wobei der Traktionsantrieb durch die mindestens eine Batteriezelle mit Energie versorgbar ist.
-
Die Ausführungen zu der Batteriezelle sind insbesondere auf die Batterie, das Kraftfahrzeug, das Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle und/oder das Verfahren zum Betrieb der Batteriezelle übertragbar und umgekehrt.
-
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 Vorrichtung zur Herstellung der Gehäuseteile in einer Draufsicht;
- 2: ein Gehäuse gemäß Schritt b) des Verfahrens;
- 3: das Gehäuse nach 2 gemäß Schritt b) des Verfahrens;
- 4: das Gehäuse nach 3 gemäß Schritt c) des Verfahrens;
- 5: ein Ventilgehäuse in einer stirnseitigen Ansicht;
- 6: das Ventilgehäuse nach 5 nach Schritt c) des Verfahrens;
- 7: einen Teil des Schrittes d) des Verfahrens;
- 8: einen weiteren Teil des Schrittes d) des Verfahrens;
- 9: eine Batteriezelle mit Ventilen in einer ersten Anordnung, in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 10: eine Batteriezelle mit Ventilen in voneinander unterschiedlichen Anordnungen, in einer Seitenansicht im Schnitt;
- 11: den Schritt d) des Verfahrens für die Batteriezelle nach 10;
- 12: ein Ventil in einer zweiten Anordnung in einer Seitenansicht im Schnitt; und
- 13: ein Ventil in einer ersten Anordnung in einer Seitenansicht im Schnitt.
-
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 21 zur Herstellung der Gehäuseteile 8, 9 in einer Draufsicht. Die Vorrichtung 21 ist zum Tiefziehen von Pouchfolien geeignet ausgeführt. Die eine Form der Vorrichtung 21 dient zum Herstellen des ersten Gehäuseteils 8 und die andere Form der Vorrichtung 21 zum Herstellen des zweiten Gehäuseteils 9. Beide Gehäuseteile 8, 9 werden aus einer gemeinsamen Pouchfolie hergestellt.
-
2 zeigt ein Gehäuse 3 gemäß Schritt b) des Verfahrens. Dabei sind die Gehäuseteile 8, 9 bereitgestellt und zumindest die Ventilgehäuse 14, 15 in dem für die Siegelnaht 10 vorgesehenen Bereich des zweiten Gehäuseteils 9 angeordnet.
-
3 zeigt das Gehäuse 3 nach 2 gemäß Schritt b) des Verfahrens. Dabei sind die Elektrodenfolien 4, 5 und das Separatormaterial 6 zu einem Stapel angeordnet und in dem Gehäuse 3 positioniert. Ableiterfahnen 22 der unterschiedlichen Elektrodenarten erstrecken sich aus dem Volumen 2 über das Gehäuse 3 bzw. die später herzustellende Siegelnaht 10 hin in die Umgebung 13.
-
4 zeigt das Gehäuse 3 nach 3 gemäß Schritt c) des Verfahrens. Dabei sind die Gehäuseteile 8, 9 durch die Siegelnaht 10 miteinander verbunden, so dass die Ventilgehäuse 14, 15 und die Gehäuseteile 8, 9 gasdicht miteinander verbunden sind. Die Ableiterfahnen 22 und die Ventilgehäuse 14, 15 erstrecken sich über die Siegelnaht 10 aus dem Volumen 2 bis hin in die Umgebung 13.
-
Die Ventile 11, 12 weisen jeweils ein Ventilgehäuse 14, 15 auf, das sich ausgehend von dem Volumen 2 entlang einer radialen Richtung 16 quer zum Verlauf der Siegelnaht 10, die sich entlang einer Umfangsrichtung 18 um das Volumen 2 der Batteriezelle 1 erstreckt, durch diese hindurch hin zur Umgebung 13 erstreckt.
-
5 zeigt ein Ventilgehäuse 14, 15 in einer stirnseitigen Ansicht. 6 zeigt das Ventilgehäuse 14, 15 nach 5 nach Schritt c) des Verfahrens. Die 5 und 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 4 wird verwiesen.
-
Das Ventil 11, 12 weist ein Ventilgehäuse 14, 15 auf, das sich ausgehend von dem Volumen 2 entlang einer radialen Richtung 16 im Wesentlichen quer zum Verlauf der Siegelnaht 10 durch diese hindurch hin zur Umgebung 13 erstreckt. Das Ventilgehäuse 14, 15 weist seitliche Vorsprünge 17 auf, die sich entlang einer Umfangsrichtung 18 und entlang des Verlaufs der Siegelnaht 10 erstrecken.
-
Die Vorsprünge 17 vermeiden eine Verdrehung des (ohne die Vorsprünge 17 ansonsten) zylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses 14, 15 gegenüber den Gehäuseteilen 8, 9. Weiterhin kann durch die Vorsprünge 17 eine Dichtheit der Siegelnaht 10 gerade im Übergang der Verbindung zwischen Ventilgehäuse 14, 15 und jedem Gehäuseteil 8, 9 einerseits und der Verbindung zwischen den Gehäuseteilen 8, 9 andererseits gewährleistet werden. Die Vorsprünge 17 verjüngen sich entlang der Siegelnaht 10 und weg vom Ventilgehäuse 14, 15 zunehmend.
-
Das Ventilgehäuse 14, 15 ist teilweise dreilagig aufgebaut, wobei eine innere Lage 19 ein formstabiles Gehäuseteil bildet und eine äußere Lage 20 ein Material umfasst, das im Rahmen eines thermischen Fügens mit den Gehäuseteilen 8, 9 stoffschlüssig verbindbar ist.
-
Die äußere Lage 20 umfasst ein Material, das dem Material der Pouchfolie des Gehäuses 3 bzw. des Gehäuseteils 8, 9 zumindest an der für die Siegelnaht 10 vorgesehenen Oberfläche entspricht. Damit kann bei Erzeugen der Siegelnaht 10 ein Verschmelzen der äußeren Lage 20 mit dem Gehäuseteil 8, 9 erfolgen und damit eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet werden. Zumindest in Teilbereichen des Ventilgehäuses 14, 15 ist auf der äußeren Lage 20 ein Heißkleber 23 vorgesehen, der die Verbindung zwischen Ventilgehäuse 14, 15 und Gehäuseteil 8, 9 erzeugen bzw. verstärken kann.
-
7 zeigt einen Teil des Schrittes d) des Verfahrens. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 6 wird verwiesen.
-
Es erfolgt ein Befüllen des Volumens 2 mit einem Elektrolyt 7 über ein erstes Ventilgehäuse 14 des ersten Ventils 11 und ein Entfernen von Gas 28 aus dem Volumen 2 über ein zweites Ventilgehäuse 15 des zweiten Ventils 12.
-
Dabei wird die Batteriezelle 1 in einer Halteeinrichtung 24 fixiert. In dem Volumen 2 wird ein Druck von ca. 150 Millibar eingestellt, so dass Luft aus der Batteriezelle 1 entfernt wird. Anschließend wird Stickstoff in die Batteriezelle 1 eingeführt, z. B. mit einem Druck von 800 Millibar. Der Stickstoff verdrängt die Luft aus der Batteriezelle 1 vollständig. Der Druck von 150 Millibar wird dann weiter aufrechterhalten. Anschließend wird der Elektrolyt 7 über das erste Ventilgehäuse 14 in die Batteriezelle 1 eingeführt. Der Elektrolyt 7 verdrängt den Stickstoff. Über das zweite Ventilgehäuse 15 wird der Stickstoff aus der Batteriezelle 1 entfernt.
-
8 zeigt einen weiteren Teil des Schrittes d) des Verfahrens. Auf die Ausführungen zu 7 wird verwiesen.
-
Es erfolgt nach dem Befüllen des Volumens 2 mit dem Elektrolyt 7 ein Anordnen der schaltbaren Bestandteile der Ventile 11, 12 in den Ventilgehäusen 14, 15. Beide Ventile 11,12 schalten selbsttätig bei einem Überdruck in dem Volumen 2 von 1,2 bar gegenüber der Umgebung 13.
-
Für das Anordnen der schaltbaren Bestandteile kann das Ventilgehäuse 14, 15 vorgewärmt werden, z. B. auf ca. 60 Grad Celsius. Die schaltbaren Bestandteile werden in die Ventilgehäuse 14, 15 eingepresst.
-
Nach dem Anordnen der Ventile 11, 12 kann das Gehäuse 3, ggf. mehrfach, über ein Vakuum beaufschlagt werden. Damit kann das Gehäuse 3 mechanisch beansprucht werden, wobei eine Verteilung des Elektrolyts 7 innerhalb des Gehäuses 3 verbessert wird.
-
Nachfolgend kann die Batteriezelle 1 formiert werden. Das dabei entstehende Gas 28 kann zumindest über das zweite Ventil 12, ggf. auch über das erste Ventil 11, abgeführt werden. Das über die Formierung hinaus entstehende Gas 28, z. B. während der sich an eine Formierung anschließende Alterung der Batteriezelle 1, kann auch weiter über zumindest das zweite Ventil 12 abgeführt werden.
-
9 zeigt eine Batteriezelle 1 mit Ventilen 11, 12 in einer ersten Anordnung, in einer Seitenansicht im Schnitt.
-
In einer ersten Anordnung schaltet das Ventil 11, 12 bei einem Überdruck in dem Volumen 2 und stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen 2 und der Umgebung 13 her.
-
Das Ventil 11, 12 umfasst vorliegend einen Dichtkörper 25, eine Kugel, der durch eine Feder 26 gegen eine Dichtfläche gedrückt wird. Erst bei Überschreiten eines Grenzdruckes wird der Dichtkörper 25 gegen die Andruckkraft der Feder 26 von der Dichtfläche abgehoben, so dass eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen 2 und der Umgebung 13 gebildet ist.
-
10 zeigt eine Batteriezelle 1 mit Ventilen 11, 12 in voneinander unterschiedlichen Anordnungen, in einer Seitenansicht im Schnitt. Dabei ist das zweite Ventil 12 in einer ersten Anordnung und das erste Ventil 11 in einer zweiten Anordnung angeordnet.
-
In einer zweiten Anordnung schaltet das Ventil 11, 12 bei einem Überdruck in der Umgebung 13 und stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Volumen 2 und der Umgebung 13 her.
-
11 zeigt den Schritt d) des Verfahrens für die Batteriezelle 1 nach 10. Auf die Ausführungen zu 7 und 8 wird Bezug genommen.
-
Vorliegend sind nun die Ventile 11, 12 bereits vor Schritt d) an dem Gehäuse 3 angeordnet, so dass die Befüllung des Volumens 2 mit Elektrolyt 7 und das Entgasen des Volumens 2 nur über die Ventile 11, 12 erfolgen kann.
-
Dabei wird der Elektrolyt 7 nur über das erste Ventil 11 zugeführt. Der Druck des Elektrolyten 7 wird so eingestellt, dass er den Grenzdruck für das erste Ventil 11 überschreitet, also z. B. auf 1,2 bar. Während der Befüllung wird über das zweite Ventil 12 ein Vakuum bzw. Unterdruck angelegt, so dass innerhalb des Volumens 2 ein Druck von ca. 150 Millibar eingestellt wird.
-
Über das zweite Ventil 12 kann das Volumen 2 so vollständig entgast und mit Elektrolyt 7 befüllt werden.
-
Dieser Prozess kann über von außen betätigbare Ventile 11, 12 unterstützt werden. Dafür kann ein Ventil 11, 12, dass bei einem Überdruck in dem Volumen 2 selbsttätig schaltet und eine Verbindung zwischen dem Volumen 2 und der Umgebung 13 herstellt, aus der Umgebung 13 heraus betätigt werden. Das Ventil 11, 12 kann im Rahmen einer Betätigung also aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung überführt werden.
-
12 zeigt ein erstes Ventil 11 in einer zweiten Anordnung in einer Seitenansicht im Schnitt. 13 zeigt ein zweites Ventil 12 in einer ersten Anordnung in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 12 und 13 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 11 wird verwiesen.
-
Für die Betätigung eines Ventils 11, 12 aus der Umgebung 13 ist an dem Dichtkörper 25 ein sich hin zur Umgebung 13 erstreckender Stift 27 befestigt bzw. der Dichtkörper 25 wird über den aus der Umgebung 13 hin zum Dichtkörper 25 bewegten Stift 27 betätigt. Über den Stift 27 kann z. B. das in einer zweiten Anordnung verbaute erste Ventil 11 betätigt werden. Der Dichtkörper 25 wird über den Stift 27 von der Dichtfläche abgehoben und der Elektrolyt 7 kann dem Volumen 2 zugeführt werden.
-
Über den Stift 27 kann z. B. das in einer ersten Anordnung verbaute zweite Ventil 12 betätigt werden. Der Dichtkörper 25 wird über den Stift 27 von der Dichtfläche abgehoben und die Luft kann aus dem Volumen 2 abgeführt werden.
-
Über ein in der ersten Anordnung verbautes Ventil 11, 12 (siehe 13) kann aber auch ein Elektrolyt 7 zugeführt werden, in dem der Dichtkörper 25 über den Stift 27 von der Dichtfläche abgehoben wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriezelle
- 2
- Volumen
- 3
- Gehäuse
- 4
- erste Elektrodenfolie
- 5
- zweite Elektrodenfolie
- 6
- Separatormaterial
- 7
- Elektrolyt
- 8
- erstes Gehäuseteil
- 9
- zweites Gehäuseteil
- 10
- Siegelnaht
- 11
- erstes Ventil
- 12
- zweites Ventil
- 13
- Umgebung
- 14
- erstes Ventilgehäuse
- 15
- zweites Ventilgehäuse
- 16
- radiale Richtung
- 17
- Vorsprung
- 18
- Umfangsrichtung
- 19
- innere Lage
- 20
- äußere Lage
- 21
- Vorrichtung
- 22
- Ableiterfahne
- 23
- Heißkleber
- 24
- Halteeinrichtung
- 25
- Dichtkörper
- 26
- Feder
- 27
- Stift
- 28
- Gas
-
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
-
- CN 110828712 A [0014]
- US 2016/0133914 A1 [0015]
