DE102021208931A1 - Batteriezelle, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung einer solchen - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10, 20) beschrieben, die ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse (102) und zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 204) umfasst, die in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) aufgenommen ist. Dabei ist ein Zwischenraum (106, 206) zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) und der zumindest einen Elektrodeneinheit (104, 204) vorgesehen, der zumindest teilweise mit einem Füllelement (108, 208) ausgefüllt ist. Vorzugsweise ist die Batteriezelle (10, 20) eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.

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
  • Zur Umsetzung der Elektromobilität werden wieder aufladbare Batterien zur mehrfachen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie verwendet. Dafür sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer vergleichsweise großen Energiedichte, ihrer guten thermischen Stabilität und ihrer geringen Selbstentladung besonders geeignet.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie umfasst in der Regel mehrere Batteriemodule. Ein Batteriemodul setzt sich wiederum aus mehreren Batteriezellen zusammen. Eine Batteriezelle weist typischerweise ein Batteriezellengehäuse auf, welches zumindest eine Elektrodeneinheit in Form eines Elektrodenwickels oder eines Elektrodenstapels aufnimmt.
  • Aus dem Dokument KR 101141061 B1 ist eine Batteriezelle mit einem Batteriezellengehäuse bekannt, die zwei nebeneinander angeordnete Elektrodenwickel aufweist.
  • Ferner ist aus dem Dokument US 2009/0077794 A1 eine Batteriezelle mit einem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse bekannt, die einen Elektrodenwickel umfasst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Batteriezelle 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.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfasst dabei ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse und zumindest eine Elektrodeneinheit, die in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse aufgenommen ist. Dabei ist ein Zwischenraum zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse und der zumindest einen Elektrodeneinheit vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der Zwischenraum zumindest teilweise mit einem Füllelement ausgefüllt.
  • Da der Zwischenraum nun zumindest teilweise mit dem Füllelement ausfüllt ist, welches je nach Anforderungen beispielsweise mit einer Ausgleichsfunktion oder einer Sicherheitsfunktion versehen wird, wird die Nutzung des Zwischenraums optimiert. Die Ausgleichsfunktion kann z.B. dadurch erfüllt werden, dass das Füllelement aus einem Schaumstoff hergestellt ist.
  • Der Zwischenraum zwischen einem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse und einer darin angeordneten Elektrodeneinheit einer Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik wird üblicherweise zum größten Teil mit einem Elektrolyten befüllt. Da der Zwischenraum gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest teilweise mit einem Füllelement ausgefüllt ist, wird der Raum verkleinert, der mit einem Elektrolyten zu füllen ist. Auf diese Weise wird der Elektrolytverbrauch in der erfindungsgemäßen Batteriezelle verringert. So wird die erfindungsgemäße Batteriezelle in einer verkürzten Zeit mit einem Elektrolyten befüllt und somit die Herstellungszeit der erfindungsgemäßen Batteriezelle optimiert.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • So ist es von Vorteil, wenn das Füllelement mehrteilig ausgeführt ist.
  • Eine derartige Lösung bietet den Vorteil, dass verschiedene Materialien für verschiedene Teile des Füllelements verwendbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die verschiedenen Teile des mehrteiligen Füllelements unterschiedlich groß ausführbar sind.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Füllelement mehrere gleichartige Komponenten aufweist, die derart in dem Zwischenraum angeordnet sind, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse fixiert ist.
  • Bei einer bekannten Batteriezelle ist der Zwischenraum zwischen einem Batteriezellengehäuse und einer darin angeordneten Elektrodeneinheit im Wesentlichen ein Leerraum. Dabei wird die Elektrodeneinheit zwar in der Mitte des Batteriezellengehäuses angeordnet, aber diese Anordnung kann durch einen Aufprall verändert werden, wenn die Batteriezelle z.B. in einem Elektrofahrzeug verwendet wird. Dies kann wiederum zu einer Zerstörung der mechanischen Verbindung der Anoden und Kathoden mit den entsprechenden Terminals an einem Gehäusedeckel führen. Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit an ihrer Position in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezelle gehalten ist und somit die mechanische Verbindung der Elektroden mit den Terminals vor Schaden geschützt wird.
  • Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Füllelement ein keramikbasiertes Material, ein polymerbasiertes Material, ein metallisches Material oder eine Kombination derselben umfasst.
  • Weist das Füllelement ein keramikbasiertes Material auf, zeichnet sich ein solches Füllelement durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus. So wird die Temperatur der zumindest einen Elektrodeneinheit der erfindungsgemäßen Batteriezelle konstant gehalten, unabhängig davon, ob ein Anstieg oder eine Absenkung der Temperatur außerhalb des prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuses stattfindet. Ein Füllelement aus einem polymerbasierten Material ist durch dessen gute elektrische Isolationseigenschaften gekennzeichnet und ein Füllelement aus einem metallischen Material durch dessen mechanische Stabilität.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse metallisch ausgeführt ist. Ein derartiges Batteriezellengehäuse weist eine relativ hohe mechanische Festigkeit auf.
  • Alternativ ist es vorteilhaft, wenn das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse elektrisch isolierend ausgeführt ist.
  • Der technische Vorteil eines derartigen Batteriezellengehäuses besteht darin, dass keine zusätzlichen elektrischen Isolationselemente in der betroffenen Batteriezelle benötigt werden. Ferner entfällt eine elektrische Isolation zwischen mehreren derartigen Batteriezellengehäusen, wenn sie zur Ausbildung eines Batteriemoduls miteinander elektrisch geschaltet werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Elektrodeneinheit einen Elektrodenwickel aufweist. Ein derartiger Elektrodenwickel weist beispielsweise zumindest eine Anodenfolie, eine Kathodenfolie und eine dazwischen angeordnete Separatorfolie auf, welche übereinanderliegend um einen z.B. zylindrischen oder flachen Wickelkern gewickelt sind.
  • Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass bestehende Anlagen zur Herstellung zylindrischer oder flacher Elektrodenwickel weiterverwendet werden können.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bereitgestellt.
  • Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt zumindest eine Elektrodeneinheit in ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse aufgenommen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Füllelement in einem zweiten Verfahrensschritt in das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse derart eingebracht wird, dass ein Zwischenraum zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse und der zumindest einen Elektrodeneinheit zumindest teilweise mit dem Füllelement ausgefüllt wird. Dabei kann der erste Verfahrensschritt vor oder nach dem zweiten Verfahrensschritt erfolgen. Alternativ können der erste und der zweite Verfahrensschritt auch gleichzeitig durchgeführt werden.
  • So ist es vorteilhaft, wenn das Füllelement mehrere gleichartige Komponenten aufweist, die derart in dem Zwischenraum angeordnet werden, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse fixiert wird.
  • Die erfindungsgemäße Batteriezelle lässt sich vorteilhaft in einem Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV), in einem Hybridfahrzeug (Hybride Electric Vehicle, HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (Plug-In-Hybride Electric Vehicle, PHEV) einsetzen.
  • 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 ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 2 eine Schnittansicht einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Batteriezelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • Die Batteriezelle 10 umfasst beispielsweise ein Batteriezellengehäuse 102, das prismatisch und metallisch ausgeführt ist. Als geeignetes Metall ist z.B. Aluminium denkbar. Das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse 102 ist z.B. mit einem plattenförmigen Gehäusedeckel verschlossen.
  • Weiter umfasst die Batteriezelle 10 beispielsweise eine Elektrodeneinheit 104 in Form eines flachen Elektrodenwickels. Ein solcher Elektrodenwickel wird z.B. dadurch bereitgestellt, dass eine Anodenfolie, eine Kathodenfolie und eine dazwischen angeordnete Separatorfolie übereinanderliegend um einen flachen Wickelkern gewickelt sind. Die Elektrodeneinheit 104 ist beispielsweise mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 angeordnet.
  • Zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 und der Elektrodeneinheit 104 ist ein Zwischenraum 106 vorgesehen. Der Zwischenraum 106 ist hierbei z.B. zur Hälfte mit einem ersten Füllelement 108 ausgefüllt. Das erste Füllelement 108 ist z.B. aus einem Kunststoff hergestellt. Es kann beispielsweise ein weiteres Füllelement in dem Zwischenraum 106 angeordnet sein, welches gleichartig wie das erste Füllelement 108 ausgeführt ist, sodass der Zwischenraum 106 zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 und der Elektrodeneinheit 104 z.B. mit dem ersten Füllelement 118 und dem weiteren Füllelement vollständig ausgefüllt ist. Das weitere Füllelement kann z.B. auch halb so groß wie das erste Füllelement 118 ausgeführt sein.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Batteriezelle 20 gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Es bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in 1.
  • Die Batteriezelle 20 umfasst beispielsweise ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse 102 aus Aluminium. In dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 ist eine Elektrodeneinheit 204 in Form eines elliptisch zylindrischen Elektrodenwickels aufgenommen.
  • Zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 und der Elektrodeneinheit 204 ist ein Zwischenraum 206 vorgesehen. Ein zweites Füllelement 208, welches z.B. mehrteilig ausgeführt ist, ist beispielsweise in dem Zwischenraum 206 angeordnet. Das mehrteilige Füllelement 208 setzt sich hierbei beispielsweise aus vier Komponenten 218, 228, 238, 248 derselben Größe zusammen, die jeweils in einem Eckbereich des prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuses 102 positioniert sind. Die Größe und die Anordnung der vier Komponenten 218, 228, 238, 248 des mehrteiligen Füllelements 208 sind derart ausgewählt, dass die Elektrodeneinheit 204 mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse 102 fixiert ist. Die vier Komponenten 218, 228, 238, 248 des mehrteiligen Füllelements 208 sind z.B. aus einem Polymer ausgeführt. Es ist auch möglich, dass das mehrteilige Füllelement 208 nur zwei Komponenten 218, 248 umfasst, die in zwei diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen des prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuses 102 angeordnet sind.
  • Die Batteriezellen 10, 20 lassen sich vorteilhaft in Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Diese wiederum finden Anwendung in E-Bikes oder Kraftfahrzeugen sowie in der stationären Speicherung elektrischer Energie.
  • 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
    • KR 101141061 B1 [0004]
    • US 20090077794 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle, umfassend ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse (102) und zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 204), die in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) aufgenommen ist, wobei ein Zwischenraum (106, 206) zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) und der zumindest einen Elektrodeneinheit (104, 204) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (106, 206) zumindest teilweise mit einem Füllelement (108, 208) ausgefüllt ist.
  2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (208) mehrteilig ausgeführt ist.
  3. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (208) mehrere gleichartige Komponenten (218, 228, 238, 248) aufweist, die derart in dem Zwischenraum (206) angeordnet sind, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit (204) mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) fixiert ist.
  4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (108, 208) ein keramikbasiertes Material, ein polymerbasiertes Material, ein metallisches Material oder eine Kombination derselben umfasst.
  5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse (102) metallisch oder elektrisch isolierend ausgeführt ist.
  6. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 204) einen Elektrodenwickel aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Verfahrensschritt zumindest eine Elektrodeneinheit (104, 204) in ein prismatisch ausgebildetes Batteriezellengehäuse (102) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein Füllelement (108, 208) in das prismatisch ausgebildete Batteriezellengehäuse (102) derart eingebracht wird, dass ein Zwischenraum (106, 206) zwischen dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) und der zumindest einen Elektrodeneinheit (104, 204) zumindest teilweise mit dem Füllelement (108, 208) ausgefüllt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllelement (208) mehrere gleichartige Komponenten (218, 228, 238, 248) aufweist, die derart in dem Zwischenraum (206) angeordnet werden, dass die zumindest eine Elektrodeneinheit (204) mittig in dem prismatisch ausgebildeten Batteriezellengehäuse (102) fixiert wird.
  9. Verwendung einer Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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