DE102021205705A1 - Batteriezelle, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung einer solchen - Google Patents

Batteriezelle, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung einer solchen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit einem Batteriezellengehäuse, ein Verfahren (20) zu deren Herstellung und deren Verwendung. Dabei umfasst das Batteriezellengehäuse der Batteriezelle (10) einen Grundkörper (102) mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen (104, 106) umfasst, wobei eine der Öffnungen (104, 106) mit einem ersten Batteriezellenpol (114) und die andere mit einem zweiten Batteriezellenpol (116) verschlossen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle und ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche. Weiterhin betrifft die Erfindung auch deren Verwendung.
  • Stand der Technik
  • Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Wandler, der bei seiner Entladung gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann beispielsweise zum Fahrzeugantrieb in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Dafür sind insbesondere lithiumhaltige Batteriezellen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit geeignet.
  • Solche Batteriezellen werden mit einer Temperatur von etwa -40 °C bis etwa 80 °C betrieben. Wird eine derartige Batteriezelle aufgeladen, steigt in der Regel die Temperatur der Batteriezelle an. Im Fall einer Überhitzung kann die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Batteriezelle beeinträchtigt werden.
  • Aus dem Dokument US 2014/0134461 A1 ist eine Sekundärbatterie bekannt, die eine Mehrzahl an positiven Elektroden enthält, wobei die Ableiterfähnchen der positiven Elektroden ausschließlich außerhalb eines Batteriegehäuses miteinander verbunden sind.
  • Weiter ist aus dem Dokument US 2015/0064511 A1 eine Batteriezelle bekannt, deren Wärme über die Ableiterfähnchen der in der Batteriezelle enthaltenen Elektroden abgeleitet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse und ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Weiterhin ist auch die Verwendung einer solchen Batteriezelle Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
  • Das Batteriezellengehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst dabei einen Grundkörper mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine der Öffnungen mit einem ersten Batteriezellenpol und die andere mit einem zweiten Batteriezellenpol verschlossen ist.
  • Der besondere technische Vorteil dabei besteht darin, dass der Grundkörper keinem Tiefziehprozess unterzogen werden muss, da für die vorliegende Erfindung der Grundkörper ohne Boden oder Deckel vorgesehen ist. Somit wird der Herstellungsprozess der Batteriezelle vereinfacht. Andererseits besteht der technische Vorteil der erfindungsgemäßen Batteriezelle darin, dass die Batteriezellenpole hinsichtlich deren Oberfläche so vergrößert werden, dass diese die Öffnungen des Grundkörpers insbesondere vollständig verschließen anstatt nur teilweise wie dies bei Batteriezellen nach dem Stand der Technik der Fall ist. Auf diese Weise wird die Wärme, welche z.B. während eines Ladevorgangs in der Batteriezelle entsteht, besser über die Batteriezellenpole abgeleitet.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist es von Vorteil, wenn der Grundkörper prismatisch ausgebildet ist. Ein derartiger Grundkörper weist eine gute mechanische Festigkeit auf.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Öffnungen und dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol jeweils ein Dichtungselement angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst z.B. innerhalb des Batteriezellengehäuses mindestens eine Elektrodeneinheit, welche wiederum zumindest eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Separator aufweist.
  • So wird sichergestellt, dass z.B. keine Umgebungsflüssigkeit oder -luft durch die Öffnungen in den Innenraum der Batteriezelle eintritt, da die zumindest eine Elektrodeneinheit der Batteriezelle sonst auf solche äußeren Einflüsse sehr empfindlich reagiert.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper aus zwei miteinander verbundenen gleichartigen Gehäuseteilen aufgebaut ist.
  • So wird der Grundkörper im Hinblick auf dessen Länge und Breite je nach Anforderungen skalierbar gestaltet.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn außerhalb des Batteriezellengehäuses auf den Batteriezellenpolen jeweils eine Kühlungsplatte angeordnet ist.
  • Auf diese Weise wird die Wärme, die z.B. durch das Laden oder Entladen der Batteriezelle verursacht wird, noch besser über die Batteriezellenpole abgeleitet. Somit wird die Temperatur der Batteriezelle konstant gehalten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bereitgestellt.
  • Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Grundkörper mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt mindestens eine Elektrodeneinheit mit zumindest einer Anode, einer Kathode und deren Ableiterfähnchen in den Grundkörper eingeführt. Danach werden in einem dritten Verfahrensschritt die Ableiterfähnchen der zumindest einen Anode mit einem ersten Batteriezellenpol und die Ableiterfähnchen der zumindest einen Kathode mit einem zweiten Batteriezellenpol verbunden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem vierten Verfahrensschritt eine der Öffnungen des Grundkörpers mit dem ersten Batteriezellenpol und die andere mit dem zweiten Batteriezellenpol verschlossen wird.
  • So ist es von Vorteil, wenn in dem ersten Verfahrensschritt der Grundkörper prismatisch ausgebildet wird.
  • Vorteilhaft ist es, wenn in dem dritten Verfahrensschritt die Ableiterfähnchen der zumindest einen Anode und Kathode mit dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol mittels Ultraschallschweißen oder Laserschweißen verbunden werden.
  • Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn in dem vierten Verfahrensschritt die Öffnungen durch den jeweils zugeordneten Batteriezellenpol mittels Laserschweißen verschlossen werden.
  • Ferner vorteilhaft ist es, wenn in einem Zwischenverfahrensschritt zwischen dem dritten und dem vierten Verfahrensschritt zwischen den Öffnungen und dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol jeweils ein Dichtungselement angeordnet wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem fünften Verfahrensschritt außerhalb des Batteriezellengehäuses auf den Batteriezellenpolen jeweils eine Kühlungsplatte angeordnet wird.
  • Die Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien einsetzen. Diese können wiederum Anwendung in elektrischen Fahrzeugen, in Hybridfahrzeugen oder in stationären Anwendungen wie beispielsweise zur Speicherung regenerativ gewonnener elektrischer Energie finden.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine Schnittansicht einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß 1.
  • In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 10 umfasst beispielsweise ein Batteriezellengehäuse, welches einen prismatisch ausgeführten Grundkörper 102 aufweist. Der Grundkörper 102 kann auch zylindrisch ausgebildet sein. Dabei ist der prismatisch ausgeführte Grundkörper 102 mit einer ersten Öffnung 104 und mit einer zweiten Öffnung 106 versehen. Die erste Öffnung 104 ist beispielsweise der zweiten Öffnung 106 gegenüberliegend angeordnet und wie die zweite Öffnung 106 annähernd rechteckförmig ausgebildet. Dabei ist die erste Öffnung 104 mit einem ersten Batteriezellenpol 114 verschlossen und die zweite Öffnung 106 mit einem zweiten Batteriezellenpol 116. Der erste Batteriezellenpol 114 ist hierbei beispielsweise ein negativer Batteriezellenpol und der zweite Batteriezellenpol 116 ein positiver Batteriezellenpol. Ein erstes Dichtungselement 124 ist bspw. zwischen der ersten Öffnung 104 und dem ersten Batteriezellenpol 114 angeordnet und ein zweites Dichtungselement 126 zwischen der zweiten Öffnung 106 und dem zweiten Batteriezellenpol 116.
  • Weiter umfasst die Batteriezelle 10 eine erste Kühlungsplatte 134, welche auf dem ersten Batteriezellenpol 114 positioniert ist. Zugleich ist eine zweite Kühlungsplatte 136 auf dem zweiten Batteriezellenpol 116 aufgebracht. Es können mehrere solchen Batteriezellen 10 nebeneinander angeordnet sein, um ein Batteriemodul auszubilden. Bei einem solchen Batteriemodul sind beispielsweise weiterhin ausschließlich zwei Kühlungsplatten 134, 136 zur kombinierten Kühlung der Batteriezellen 10 des Batteriemoduls vorgesehen. Die erste Kühlungsplatte 134 ist hierbei z.B. auf den ersten Batteriezellenpolen 114 der Batteriezellen 10, die auf derselben Seite des Batteriemoduls positioniert sind, aufgebracht. Die zweite Kühlungsplatte 136 ist z.B. außerhalb der Batteriezellen 10 auf denjenigen Batteriezellenpolen 116 aufgebracht, die den ersten Batteriezellenpolen 114 gegenüberliegend angeordnet sind.
  • Weiterhin umfasst die Batteriezelle 10 eine Elektrodeneinheit 108, welche innerhalb des prismatisch ausgeführten Grundkörpers 102 aufgenommen ist. Dabei ist die Elektrodeneinheit 108 beispielsweise ein Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel, welcher bspw. eine Vielzahl an Anoden und deren Ableiterfähnchen 144, Kathoden und deren Ableiterfähnchen 146 sowie Separatoren aufweist. Die Ableiterfähnchen 144 der Anoden sind beispielsweise aus Kupfer hergestellt und mit dem ersten Batteriezellenpol 114 verbunden und die Ableiterfähnchen 146 der Kathoden sind bspw. aus Aluminium ausgeführt und mit dem zweiten Batteriezellenpol 116 verbunden.
  • In 2 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zur Herstellung einer Batteriezelle 10 gemäß 1 schematisch dargestellt.
  • Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt 201 ein prismatisch ausgeführter Grundkörper 102 mit einer ersten Öffnung 104 und einer der ersten Öffnung 104 gegenüberliegenden zweiten Öffnung 106 bereitgestellt. Dabei kann der prismatisch ausgeführte Grundkörper 102 z.B. aus einem Rohrelement aus Aluminium hergestellt werden. Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt 202 eine Elektrodeneinheit 108 mit Anoden, Kathoden und deren Ableiterfähnchen 144, 146 in den Grundkörper 102 eingeführt. Danach werden in einem dritten Verfahrensschritt 203 die Ableiterfähnchen 144 der Anoden mit einem ersten Batteriezellenpol 114 z.B. mittels Laserschweißen verbunden. In dem dritten Verfahrensschritt 203 werden auch die Ableiterfähnchen 146 der Kathoden mit einem zweiten Batteriezellenpol 116 verbunden. Weiter wird in einem Zwischenverfahrensschritt 234 nach dem dritten Verfahrensschritt 203 ein erstes Dichtungselement 124 auf der ersten Öffnung 104 aufgebracht, welches beispielsweise mit einer Aufnahmeöffnung versehen ist, die der ersten Öffnung 104 des prismatisch ausgeführten Grundkörpers 102 entsprechend ausgestaltet ist. In dem Zwischenverfahrensschritt 234 wird auch ein zweites Dichtungselement 126 auf der zweiten Öffnung 106 des prismatisch ausgeführten Grundkörpers 102 aufgebracht. Das zweite Dichtungselement 126 ist hierbei z.B. dem ersten Dichtungselement 124 entsprechend ausgestaltet. Weiterhin werden in einem vierten Verfahrensschritt 204 die Öffnungen 104, 106 durch den jeweils zugeordneten Batteriezellenpol 114, 116 mittels Laserschweißen verschlossen. Anschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt 205 eine erste Kühlungsplatte 134 auf dem ersten Batteriezellenpol 114 angeordnet und eine zweite Kühlungsplatte 136 auf dem zweiten Batteriezellenpol 116.
  • Die erfindungsgemäße Batteriezelle 10 lässt sich vorteilhaft in lithiumhaltigen Batteriesystemen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, lithiumhaltigen Solid-State-Batterien, Lithium-Schwefel- oder Lithium-Luft-Batterien, verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2014/0134461 A1 [0004]
    • US 2015/0064511 A1 [0005]

Claims (12)

  1. Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse, wobei das Batteriezellengehäuse einen Grundkörper (102) mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen (104, 106) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Öffnungen (104, 106) mit einem ersten Batteriezellenpol (114) und die andere mit einem zweiten Batteriezellenpol (116) verschlossen ist.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (102) prismatisch ausgebildet ist.
  3. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Öffnungen (104, 106) und dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol (114, 116) jeweils ein Dichtungselement (124, 126) angeordnet ist.
  4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (102) aus zwei miteinander verbundenen gleichartigen Gehäuseteilen aufgebaut ist.
  5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Batteriezellengehäuses auf den Batteriezellenpolen (114, 116) jeweils eine Kühlungsplatte (134, 136) angeordnet ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (201) ein Grundkörper (102) mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen (104, 106) bereitgestellt wird und in einem zweiten Verfahrensschritt (202) mindestens eine Elektrodeneinheit (108) mit zumindest einer Anode, einer Kathode und deren Ableiterfähnchen (144, 146) in den Grundkörper (102) eingeführt wird und in einem dritten Verfahrensschritt (203) die Ableiterfähnchen (144) der zumindest eine Anode mit einem ersten Batteriezellenpol (114) und die Ableiterfähnchen (146) der zumindest einen Kathode mit einem zweiten Batteriezellenpol (116) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (204) eine (104) der Öffnungen (104, 106) des Grundkörpers (102) mit dem ersten Batteriezellenpol (114) und die andere (106) mit dem zweiten Batteriezellenpol (116) verschlossen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Verfahrensschritt (201) der Grundkörper (102) prismatisch ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Verfahrensschritt (203) die Ableiterfähnchen (144, 146) der zumindest einen Anode und Kathode mit dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol (114, 116) mittels Ultraschallschweißen oder Laserschweißen verbunden werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vierten Verfahrensschritt (204) die Öffnungen (104, 106) durch den jeweils zugeordneten Batteriezellenpol (114, 116) mittels Laserschweißen verschlossen werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenverfahrensschritt (234) zwischen dem dritten und dem vierten Verfahrensschritt (203, 204) zwischen den Öffnungen (104, 106) und dem jeweils zugeordneten Batteriezellenpol (114, 116) jeweils ein Dichtungselement (124, 126) angeordnet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Verfahrensschritt (205) außerhalb des Batteriezellengehäuses auf den Batteriezellenpolen (114, 116) jeweils eine Kühlungsplatte (134, 136) angeordnet wird.
  12. Verwendung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 in einem Elektrofahrzeug (EV), einem Hybridfahrzeug (HEV) oder einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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