DE102021202715A1

DE102021202715A1 - Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem

Info

Publication number: DE102021202715A1
Application number: DE102021202715.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Dagger; Paul Meister; Christoph Bolli; Chenjuan Liu; Xin Qi
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem, mit einem flexiblen Zellgehäuse (1), in dem zumindest ein elektrochemisches Speicherelement (15) angeordnet ist, dessen Stromableiter (11, 12) aus dem Zellgehäuse (1) ragen. Erfindungsgemäß weist die Pouchzelle zur Steigerung der Gehäusestabilität zumindest ein Tragstruktur-Bauteil (27) auf, das im Zellgehäuse-Inneren angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine gattungsgemäße Lithium-Ionen-Pouchzelle weist ein flexibles Zellgehäuse auf, das im Vergleich zu einem bauteilsteifen Zellgehäuse einer prismatischen Zelle eine reduzierte mechanische Stabilität aufweist. Das Zellgehäuse der Lithium-Ionen-Pouchzelle ist aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt, bei dem zwei gegenüberliegende Flachseitenwände an einer Faltkante ineinander übergehen. Die beiden Flachseitenwände sind an ihren Beschnittkanten unter Bildung einer Siegelnaht in einem Siegelverfahren zusammengefügt. Innerhalb des flexiblen Zellgehäuses ist zumindest ein elektrochemisches Speicherelement positioniert, dessen Stromableiter an gegenüberliegenden Pouchzellen-Seiten aus dem Zellgehäuse ragen.
Zur Steigerung des Energieinhalts des Batteriesystems können die beiden folgenden Maßnahmen getroffen werden:

1. Zum einen kann die Bauteil-Größe der jeweils verbauten Lithium-Ionen-Pouchzelle erhöht werden. Dadurch ist das für das elektrochemische Speicherelement bereitgestellte Zellvolumen entsprechend erhöht. Bei Pouchzellen mit größerem Zellvolumen gestaltet sich jedoch die Wärmeableitung im Vergleich zu kleineren Pouchzellen schwierig, wodurch es im Zellbetrieb zu einem für die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit nachteiligen Wärmestau in der Pouchzelle kommen kann.
2. Zum anderen besteht die Möglichkeit, die Pouchzellen ohne Zellmodul direkt in ein Batteriegehäuse des Batteriesystems zu verbauen. Durch den Verbau der Pouchzellen ohne Zellmodul im Batteriegehäuse erhöht sich das für die Pouchzellen bereitgestellte Gesamtvolumen im Batteriegehäuse.

Bei den obigen beiden Maßnahmen ergibt sich aufgrund der im Vergleich zu anderen Zellformaten reduzierten mechanischen Stabilität einer herkömmlichen Pouchzelle die folgende Problematik: So kann es beim Verbau und beim Betrieb der Pouchzellen zu Verformungen der Pouchzellen und daher zu einer Verlagerung der Elektroden im elektrochemischen Speicherelement der jeweiligen Pouchzelle kommen.
Aus der DE 10 2013 018 475 A1 ist ein Batteriemodul bekannt. Aus der DE 10 2006 045 433 B3 ist ein Kernaufbau eines rechteckigen sekundären Lithium-Akkus bekannt. Aus der DE 2010 012 932 A1 ist eine Batterie mit einem Stapel von Batterieeinzelzellen bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem bereitzustellen, dessen mechanische Stabilität im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise erhöht werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer für ein Hochvolt-Batteriesystem ausgelegten Lithium-Ionen-Pouchzelle mit einem flexiblen Zellgehäuse aus. Das Zellgehäuse kann beispielhaft aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt sein, bei dem zwei gegenüberliegende Flachseitenwände an einer Faltkante ineinander übergehen und bei dem die beiden Flachseitenwände an ihren Beschnittkanten zusammengefügt sind, und zwar insbesondere unter Bildung einer Siegelnaht. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Pouchzelle zur Steigerung der Gehäusestabilität zumindest ein Tragstruktur-Bauteil auf, das im Zellgehäuse-Inneren angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Pouchzellen-Stabilität auch bei einem im Vergleich zu herkömmlichen Pouchzellen größeren Zellvolumen gewährleistet bleiben.
In einer technischen Umsetzung kann das elektrochemische Speicherelement als eine Wicklung oder als ein Stapel aus übereinander geschichteten Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen aufgebaut sein. In einer ersten Ausführungsvariante kann das Tragstruktur-Bauteil als eine Zusatz-Lage unmittelbar im Stapel des elektrochemischen Speicherelements integriert sein.
Alternativ dazu kann in einer weiteren Ausführungsvariante das Tragstruktur-Bauteil zum Beispiel nach Art eines Traggestells oder Traggerüsts außerhalb des elektrochemischen Speicherelements angeordnet sein. In diesem Fall wird das elektrochemische Speicherelement von dem Tragstruktur-Bauteil zumindest teilweise eingefasst. Das Tragstruktur-Bauteil wirkt daher als ein inneres Zellgehäuse, das zusammen mit dem äußeren Zellgehäuse (das heißt dem Folien-Zuschnitt) eine bauteilsteife Doppelwandstruktur ergibt.
In einer Weiterbildung können in dem Zellgehäuse der Pouchzelle zumindest zwei elektrochemische Speicherelemente angeordnet sein. In diesem Fall kann das Tragstruktur-Bauteil zwischen den beiden elektrochemischen Speicherelementen angeordnet sein.
Das Tragstruktur-Bauteil kann bevorzugt aus einem chemisch und elektrochemisch inertem Material gefertigt sein. Besonders bevorzugt kann das Material aus Keramik oder aus Metall, etwa AI, Cu, Zn, Mg, Ni, Ti oder einer Legierung davon sein. Alternativ dazu kann das Material des Tragstruktur-Bauteils Kunststoff, ein Polymer, glasfaserverstärkter Faserverbundkunststoff, elektrisch isolierte Kohlenstofffasern oder eine Kombination daraus sein.
Das Tragstrukturbauteil kann in geeigneter Bauteilform in das Zellgehäuse eingesetzt sein. Beispielhaft kann das Tragstruktur-Bauteil folienartig, gitter- oder netzartig und/oder schaumartig bzw. gelartig realisiert sein. Insbesondere ein poröses Tragstruktur-Bauteil kann in Zusatzfunktion auch als ein Elektrolyt-Reservoir wirken und/oder eine Elektrodenbenetzung mit Elektrolyt unterstützen. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Tragstruktur-Bauteil auch zumindest eine der weiteren Zusatzfunktionen bewirken, nämlich als HF-Fänger, Gas-Fänger, Wärmeleitung, aktive Kühlung, thermische Kopplung, ein Ausgleich von Wärme-Inhomogenitäten und/oder ein Ausgleich von Form-Änderungen, etwa aufgrund von Anschwellen der Elektroden.
Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der Gehäusestabilität ist es bevorzugt, wenn das Tragstruktur-Bauteil die beiden Ableiter des elektrochemischen Speicherelements miteinander verbindet. In diesem Fall sind somit die beiden Ableiter in einer Gehäuselängsrichtung kraftübertragend auf dem bauteilsteifen Tragstruktur-Bauteil abgestützt, wodurch insbesondere die Gehäusestabilität in der Gehäuselängsrichtung gesteigert ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Tragstruktur-Bauteil nicht als ein separates Bauteil im Zellgehäuse-Inneren positioniert sein. Anstelle dessen kann das Tragstruktur-Bauteil integraler Bestandteil eines Folien-Verbundmaterials sein, das aus dem, das Zellgehäuse bildenden Folien-Zuschnitt besteht, auf dem eine Tragstruktur-Lage appliziert ist. In diesem Fall weist das flexible Zellgehäuse zumindest einen Zweilagenaufbau auf, und zwar bestehend aus der Metallfolie (das heißt Polymer-/Alu-Folie) und der Tragstruktur-Lage, mittels der die Gehäusestabilität des Zellgehäuses gesteigert wird.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Ansicht eine Pouchzelle in Alleinstellung;
2 bis 5 jeweils schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungen der erfindungsgemäßen Pouchzellen.

In der 1 ist eine Pouchzelle in Alleinstellung gezeigt. Die Pouchzelle weist ein flexibles Zellgehäuse 1 mit jeweils zwei gegenüberliegenden Flachseitenwänden 3 auf. In einem verbauten Zustand sind eine Vielzahl von Pouchzellen mit ihren Flachseitenwänden 3 zueinander mittelbar (zum Beispiel unter Zwischenlage eines Compressionspads) oder unmittelbar in Anlage. Das flexible Zellgehäuse 1 ist beispielhaft aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folienzuschnitt aus einer Aluminium/Polymer-Folie gefertigt, bei dem die beiden gegenüberliegenden Flachseitenwände 3 an einer Faltkante 5 materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Flachseitenwände 3 sind an ihren Beschnittkanten 7 jeweils zum Beispiel durch ein Siegelverfahren in Flanschverbindung gebracht, und zwar unter Bildung einer Siegelnaht 9. In der 5 weist die Pouchzelle entlang einer Faltachsenrichtung, das heißt einer Gehäuselängsrichtung x, zwei Ableiter 11, 12 auf, die an gegenüberliegenden Gehäuseseiten 13 aus dem Zellgehäuse 1 ragen.
Die beiden Ableiter 11, 12 sind Bestandteil eines innerhalb des Zellgehäuses 1 angeordneten elektrochemischen Speicherelements 15, das gemäß der 2 als ein Stapel aus übereinander geschichteten Kathoden-Lagen 17, Separator-Lagen 19 und Anoden-Lagen 21 aufgebaut ist. Die jeweiligen Kathoden-Lagen 17 sind über Aluminium-Stromsammler 25 in elektrischer Verbindung mit dem kathodenseitigen Ableiter 12, während die Anoden-Lagen 21 über Kupfer-Stromsammler 23 in elektrischer Verbindung mit den anodenseitigen Ableiter 11 sind.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zur Steigerung der Gehäusestabilität die Pouchzelle ein Tragstruktur-Bauteil 27 aufweist, das innerhalb des Zellgehäuses 1 positioniert ist. Gemäß der 2 ist das Tragstruktur-Bauteil 27 als eine flache Tragstruktur-Lage unmittelbar in den Stapel des elektrochemischen Speicherelements 15 der 2 integriert. Das Tragstruktur-Bauteil 27 kann dabei an seitlichen Anbindungsstellen A, B unmittelbar kraftübertragend am kathodenseitigen Ableiter 12 und am anodenseitigen Ableiter 11 angebunden sein. Auf diese Weise ergibt sich insbesondere in der Gehäuselängsrichtung x eine gegenüber herkömmlichen Pouchzellen stark erhöhte Zellsteifigkeit.
In der 3 ist grob schematisch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung angedeutet. Demzufolge ist ein Lagenaufbau gezeigt, der aus zwei in der Gehäusequerrichtung y benachbarten elektrochemischen Speicherelementen 15 ausgebildet ist. Diese können entweder als Wicklung oder als Stapel realisiert sein. Zwischen den beiden elektrochemischen Speicherelementen 15 ist ein Tragstruktur-Bauteil 27 positioniert. Das Tragstruktur-Bauteil 27 ist in der 3 nicht als ein Vollmaterial realisiert, sondern vielmehr als ein hochporöses Schaum- oder Gelmaterial. Auf diese Weise kann das Tragstruktur-Bauteil 27 beim Zusammenbau der Pouchzelle eine Elektrodenbenetzung mit Elektrolyt unterstützen. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Tragstruktur-Bauteil 27 auch als ein Elektrolyt-Reservoir wirken.
In den 4a und 4b ist das Tragstruktur-Bauteil 27 nicht mehr unmittelbarer integraler Bestandteil des Elektroden-Stapels, wie es in der 2 oder der 3 der Fall ist. Anstelle dessen ist das Tragstruktur-Bauteil 27 außerhalb des elektrochemischen Speicherelements 15 angeordnet. Das Tragstruktur-Bauteil 27 ist gemäß den 4a und 4b nach Art eines inneren, käfigartigen Zellgehäuses realisiert, das als ein Traggestell oder Traggerüst das elektrochemische Speicherelement 15 umfasst. Die 4a und 4b zeigen das elektrochemische Speicherelement 15 mitsamt Tragstruktur-Bauteil 27 jeweils in unterschiedlicher Blickrichtung.
In der 5a und 5b ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Pouchzelle gezeigt. Demzufolge ist das Tragstruktur-Bauteil 27 nicht mehr als eine separate Komponente im Zellgehäuse-Inneren verbaut, sondern als eine gitterförmige Tragstruktur-Lage auf und/oder in der Zellgehäusefolie 29 (das heißt Aluminium-/Polymer-Folie) appliziert. Die Zellgehäusefolie 29 bildet daher zusammen mit der Tragstruktur-Lage 27 ein Folien-Verbundmaterial 30 ( 5b), das ein Zweilagen-Aufbau bestehend aus der Zellgehäusefolie 29 und aus der Tragstruktur-Lage 27 ist. In der 5a ist die Tragstruktur-Lage 27 gitterförmig auf die Zellgehäusefolie 29 aufgebracht und bewirkt, wie auch in den vorangegangen Ausführungsbeispielen, eine gesteigerte Gehäusestabilität des Zellgehäuses 1.
Bezugszeichenliste

1: Zellgehäuse
3: Flachseitenwände
5: Faltkante
7: Beschnittkanten
9: Siegelnaht
11, 12: Ableiter
13: einander gegenüberliegende Gehäuseseiten
15: elektrochemisches Speicherelement
17: Kathoden-Lagen
19: Separator-Lagen
21: Anoden-Lagen
23: Kupfer-Stromsammler
25: Aluminium-Stromsammler
27: Tragstruktur-Bauteil
29: Zellgehäusefolie
30: Folienverbundmaterial
A, B: Anbindungsstellen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013018475 A1 [0005]
DE 102006045433 B3 [0005]
DE 2010012932 A1 [0005]

Claims

Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem, mit einem flexiblen Zellgehäuse (1), in dem zumindest ein elektrochemisches Speicherelement (15) angeordnet ist, dessen Stromableiter (11, 12) aus dem Zellgehäuse (1) ragen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Gehäusestabilität die Pouchzelle zumindest ein Tragstruktur-Bauteil (27) aufweist, das im Zellgehäuse-Inneren angeordnet ist.
Pouchzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Speicherelement (15) als eine Wicklung oder als ein Stapel aus übereinander geschichteten Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen (17, 19, 21) aufgebaut ist, und dass insbesondere das Tragstruktur-Bauteil (27) als eine Zusatz-Lage im Lagenaufbau des elektrochemischen Speicherelements (15) integriert ist.
Pouchzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27), insbesondere als Traggestell, außerhalb des elektrochemischen Speicherelements (15) angeordnet ist, und dass insbesondere das Tragstruktur-Bauteil (27) das elektrochemische Speicherelement (15) zumindest teilweise umfasst, und/oder dass das Tragstruktur-Bauteil (27) als ein inneres Zellgehäuse wirkt, das zusammen mit dem äußeren Zellgehäuse (1) eine bauteilsteife Doppelwandstruktur bildet.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zellgehäuse (1) der Pouchzelle zumindest zwei elektrochemische Speicherelemente (15) angeordnet sind, und dass insbesondere das Tragstruktur-Bauteil (27) zwischen den beiden elektrochemischen Speicherelementen (15) angeordnet ist.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) aus chemisch und elektrochemisch inertem Material gefertigt ist, und/oder dass insbesondere das Material Keramik, Kunststoff, ein Polymer, glasfaserverstärkter Faserverbundkunststoff, elektrisch isolierte Kohlenstofffasern oder eine Kombination daraus ist.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) folienartig, porös, gitter- oder netzartig und/oder schaumartig oder gelartig realisiert ist.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) nicht nur die Gehäusestabilität steigert, sondern zumindest eine der folgenden Zusatzfunktionen bewirkt: HF-Fänger, Gas-Fänger, Elektrolyt-Reservoir, Wärmeleitung, aktive Kühlung, thermische Kopplung, Ausgleich von Wärme-Inhomogenitäten, Ausgleich von initial zum Beispiel inhomogenen Beschichtungsdicken, Ausgleich von Form-Änderungen etwa aufgrund von Anschwellen der Elektroden, Unterstützung bei der Elektrodenbenetzung mit Elektrolyt.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) die beiden Ableiter (11, 12) miteinander verbindet, und/oder dass der anodenseitige Ableiter (11) und der kathodenseitige Ableiter (12) an Anbindungsstellen (A, B) unmittelbar kraftübertragend auf dem Tragstruktur-Bauteil (27) abstützbar sind, wodurch insbesondere in der Gehäuselängsrichtung (x) der Pouchzelle eine gegenüber herkömmlichen Pouchzellen stark erhöhte Zellsteifigkeit erzielbar ist.
Pouchzelle, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Zellgehäuse (1) aus einem tiefgezogenen, taschenförmigen Folien-Zuschnitt gefertigt ist, bei dem zwei gegenüberliegende Flachseitenwände (3) an einer Faltkante (5) ineinander übergehen und bei dem die beiden Flachseitenwände (3) an ihre Beschnittkanten (7), insbesondere unter Bildung einer Siegelnaht (9), zusammengefügt sind.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) als eine Tragstruktur-Lage auf und/oder in einer Zellgehäusefolie (29) appliziert ist, und dass insbesondere die Zellgehäusefolie (29) zusammen mit der Tragstruktur-Lage (27) ein Folien-Verbundmaterial (30) bildet.
Pouchzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragstruktur-Bauteil (27) die Ebenheit der Zelle bis auf einen Wert von 0,2 mm, bevorzugt 0,1 mm, sicherstellt.