DE102021211679B3

DE102021211679B3 - Batterierundzelle

Info

Publication number: DE102021211679B3
Application number: DE102021211679.5A
Authority: DE
Inventors: Lukas Kwoczek
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2041-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterierundzelle, insbesondere für ein Hochvoltbatteriesystem, mit einem Zellgehäuse, in dem ein Aktivmaterial eingesetzt ist, das als eine Aktivmaterial-Wicklung (8) um eine Wickelachse gewickelt ist, wobei die Aktivmaterial-Wicklung (8) im Ladevorgang und/oder im Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen ist. Erfindungsgemäß ist in der Aktivmaterial-Wicklung (8) ein Volumenausgleichselement integriert, mit dem die Volumenänderung ausgleichbar ist, so dass insbesondere eine auf das Aktivmaterial wirkende mechanische Vorspannung unabhängig vom Lade- oder Entladevorgang weitgehend konstant haltbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterierundzelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Batterierundzelle kann beispielhaft als eine Feststoffbatteriezelle oder in beliebig andere Weise realisiert sein.
Eine solche Batterierundzelle weist eine Lithium-Anode auf, die im ersten Ladeschritt in situ aus der Kathode abgeschieden werden kann. Alternativ kann die Lithium-Anode auch ein legierendes Anodenmaterial mit starkem Volumenwechsel aufweisen. Das aus Elektroden- und Separator-Lagen bestehende Batterie-Aktivmaterial wird in einem Wickelprozess um eine Wickelachse zu einer Aktivmaterial-Wicklung aufgewickelt. In der Aktivmaterial-Wicklung ist das Batterieaktivmaterial mit einer mechanischen Vorspannung bzw. mit Druck beaufschlagt, um eine Kontaktierung zwischen dem Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen zu gewährleisten.
In einer beispielhaften Batterierundzelle ist die Aktivmaterial-Wicklung im Lade-/Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen, bei der sich im Ladevorgang das Volumen des Batterieaktivmaterials vergrößert und im Entladevorgang reduziert. Die Volumenänderung der Aktivmaterial-Wicklung kann in einem Bereich von 10% bis 30% liegen. Die Volumenänderung der Aktivmaterial-Wicklung kann daher zu einer entsprechenden Änderung der auf das Batterie-Aktivmaterial wirkenden mechanischen Vorspannung führen, wodurch sich eine vorzeitige Alterung der Batterierundzelle ergibt.
Aus der DE 10 2011 015 830 A1 ist eine elektrochemische Zelle zum Speichern elektrischer Energie bekannt. Die DE 10 2018 209 661 A1 offenbart eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Energiespeichervorrichtung. Aus der US 2014 / 0 127 536 A1 ist eine gattungsgemäße Batterierundzelle bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batterierundzelle bereitzustellen, bei der eine vorzeitige Alterung der Batterierundzelle in einfacher Weise unterbindbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung betrifft eine Batterierundzelle mit einem Zellgehäuse, in dem ein Aktivmaterial eingesetzt ist. Das Aktivmaterial besteht aus Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen. Zudem ist das Aktivmaterial als eine Aktivmaterial-Wicklung um eine Wickelachse gewickelt. Die Aktivmaterial-Wicklung ist im Ladevorgang und/oder im Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen. Zum Ausgleich dieser Volumenänderung ist gemäß dem Anspruch 1 ein Volumenausgleichselement in der Aktivmaterial-Wicklung integriert. Mit dem Volumenausgleichselement kann eine auf das Aktivmaterial wirkende mechanische Vorspannung unabhängig vom Lade- oder Entladevorgang weitgehend konstant gehalten werden.
Erfindungsgemäß ist das Volumenausgleichselement als eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht realisiert. Die elastisch nachgiebige Zwischenschicht ist zusammen mit dem Aktivmaterial in einem Wickelprozess zur Aktivmaterial-Wicklung aufwickelbar. Gemäß einer nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsvariante kann die elastisch nachgiebige Zwischenschicht aus einem elastisch verformbaren Schaummaterial hergestellt sein.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist die elastisch nachgiebige Zwischenschicht zweiteilig aus einer insbesondere biegeschlaffen Zwischenschicht-Hülle und einem Ausgleichsfluid aufgebaut, das in der biegeschlaffen Zwischenschicht-Hülle fluiddicht aufgenommen ist. Das Ausgleichsfluid kann bei Volumenänderungen in der Aktivmaterial-Wicklung in Richtung frei werdendes Volumen strömen bzw. bei einer Volumen-Reduzierung entsprechend verdrängt werden. Bevorzugt kann das Aktivmaterial unter vordefiniertem Überdruck in die Zwischenschicht-Hülle gefüllt werden. Das Ausgleichsfluid kann eine Flüssigkeit und/oder ein Gas sein.
Im Hinblick auf einen einwandfreien Volumenausgleich ist es bevorzugt, wenn der Innenraum der Zwischenschicht-Hülle in strömungstechnischer Verbindung mit einem Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter ist. Der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter kann bevorzugt nicht unmittelbar in der Aktivmaterial-Wicklung integriert sein, um eine Fluidaufnahme bzw. Fluidabgabe zu gewährleisten.
Bei einer Volumen-Vergrößerung der Aktivmaterial-Wicklung kann das Ausgleichsfluid von der Zwischenschicht-Hülle in den Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter verdrängt werden. Alternativ dazu kann bei einer Volumen-Reduzierung der Aktivmaterial-Wicklung das Ausgleichsfluid von dem Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter in die Zwischenschicht-Hülle verdrängt werden.
Um die Funktionsfähigkeit beim Volumenausgleich zu steigern, ist es bevorzugt, wenn bei der Volumen-Vergrößerung der Aktivmaterial-Wicklung das Ausgleichsfluid unter Aufbau einer Rückstellkraft, insbesondere in Folge von Überdruck, in den Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter verdrängt wird. Umgekehrt wird bei der Volumen-Reduzierung der Aktivmaterial-Wicklung das Ausgleichsfluid unter Abbau der Rückstellkraft in die Zwischenschicht-Hülle verdrängt.
Bevorzugt kann der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter aus einem elastisch nachgiebigen Material gebildet sein, um den Aufbau sowie den Abbau der oben erwähnten Rückstellkraft zu unterstützen.
Bauraumgünstig ist es, wenn der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter schlauchförmig unter/oder zylindrisch ausgebildet ist. In diesem Fall kann der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter in einen fertigungstechnisch bedingten, radial inneren Bauraum der Aktivmaterial-Wicklung eingesetzt werden.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Vollschnittdarstellung eine Batterierundzelle;
2 eine schematische Explosionsdarstellung der Batterierundzelle, und
3 bis 5 jeweils Ansichten eines Volumenausgleichselements.

In der 1 ist eine Batterierundzelle im Vollschnitt gezeigt. Die Batterierundzelle ist insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach weist die Batterierundzelle ein hohlzylindrisches Zellgehäuse mit einem Gehäuseboden 1, einer zylindrischen Umfangswand 3 sowie einem Gehäusedeckel 5 auf. Im Gehäusedeckel 5 ist unter anderem ein Zellpol 7 sowie ein Sicherheitsventil 9 integriert. Im Zellgehäuse-Inneren 25 ( 2) ist eine Aktivmaterial-Wicklung 8 angeordnet, die aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separator-Lagen 11, 13 aufgebaut ist. Am Gehäuseboden 5 befindet sich ein weiterer Zellpol 15.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass in der Aktivmaterial-Wicklung 8 ein Volumenausgleichselement integriert ist, mit dem eine Volumenänderung der Aktivmaterial-Wicklung 8 im Ladevorgang oder im Entladevorgang ausgeglichen werden kann. Das Volumenausgleichselement ist eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht 17, die zwischen den Elektroden- und Separator-Lagen 11, 13 in der Aktivmaterial-Wicklung 8 aufgewickelt ist.
In einem Fertigungsprozess zur Herstellung der Batterierundzelle wird zunächst das Aktivmaterial, bestehend aus Elektroden- und Separatorlagen 11, 13, als ein Wickelband bereitgestellt. In gleicher Weise wird auch die elastisch nachgiebige Zwischenschicht 17 als ein Wickelband bereitgestellt. In einer Wickelmaschine werden das Aktivmaterial-Wickelband sowie das Zwischenschicht-Wickelband um einen Wickelkern gewickelt. Nach Abschluss des Wickelprozesses wird die Aktivmaterial-Wicklung 8 in das Zellgehäuse-Innere 25 eingesetzt und der Gehäusedeckel 5 montiert.
Wie aus den 3 bis 5 hervorgeht, ist die elastisch nachgiebige Zwischenschicht 17 zweiteilig aufgebaut, und zwar aus einer biegeschlaffen Zwischenschicht-Hülle 19 und einem darin fluiddicht eingeschlossenen Ausgleichsfluid 21, das gasförmig und/oder flüssig sein kann. Der Innenraum der Zwischenschicht-Hülle 19 ist gemäß der 1 sowie 3 bis 5 in strömungstechnischer Verbindung mit einem Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter 21. Dieser ist schlauchförmig bzw. zylinderförmig ausgeführt und in einem radial inneren Bauraum 23 ( 1) der Aktivmaterial-Wicklung 8 angeordnet. Die Behälterwandung des Ausgleichsfluid-Reservoirbehälters 21 ist aus einem elastisch nachgiebigen Material gebildet.
In den 4 und 5 ist die Funktionsweise der Zwischenschicht 17, das heißt deren Kompression (5) sowie deren Ausdehnung (4), während des Lade-/Entladevorgangs grob schematisch angedeutet. So erfolgt bei einem Ladevorgang (5) eine Volumen-Vergrößerung der Aktivmaterial-Wicklung 8. Dadurch wird die Zwischenschicht 17 bis auf eine reduzierte Schichtdicke s2 (5) komprimiert. Das Ausgleichsfluid 20 wird daher von der Zwischenschicht-Hülle 19 in den Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter 21 verdrängt. Dies erfolgt unter elastischer Aufweitung des Ausgleichsfluid-Reservoirbehälters 21 bis auf einen Durchmesser d2 (5), und zwar unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft. Umgekehrt erfolgt bei einem Entladevorgang (4) eine Volumen-Reduzierung der Aktivmaterial-Wicklung 8. Dadurch wird das Ausgleichsfluid 20 unter Abbau der Rückstellkraft vom Reservoirbehälter 21 wieder zurück in die Zwischenschicht-Hülle 19 verdrängt. Entsprechend dehnt sich die Zwischenschicht 17 bis auf eine Schichtdicke s1 (4) aus, während sich die Größe des Ausgleichsfluid-Reservoirbehälters 21 bis auf einen Durchmesser d1 (4) reduziert, und zwar unter Abbau der Rückstellkraft.
In einem nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiel ist die elastisch nachgiebige Zwischenschicht 17 aus einem elastisch verformbaren Schaummaterial ausgebildet. Die Funktionsweise der Zwischenschicht 17, das heißt deren Kompression bei einem Ladevorgang sowie deren Ausdehnung bei einem Entladevorgang ist identisch wie im ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die Vorbeschreibung verwiesen wird.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuseboden
3: zylindrische Umfangswand
5: Gehäusedeckel
7: Zellpol
8: Aktivmaterial-Wicklung
9: Sicherheitsventil
11, 13: Elektroden- und Separator-Lagen
15: Zellpol
17: elastisch nachgiebige Zwischenschicht
19: biegeschlaffe Zwischenschicht-Hülle
20: Ausgleichsfluid
21: Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter
23: Bauraum

Claims

Batterierundzelle mit einem Zellgehäuse, in dem ein Aktivmaterial eingesetzt ist, das als eine Aktivmaterial-Wicklung (8) um eine Wickelachse gewickelt ist, wobei die Aktivmaterial-Wicklung (8) im Ladevorgang und/oder im Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen ist, wobei in der Aktivmaterial-Wicklung (8) ein Volumenausgleichselement integriert ist, mit dem die Volumenänderung ausgleichbar ist, und wobei das Volumenausgleichselement eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht (17) ist, die zusammen mit dem Aktivmaterial in einem Wickelprozess zur Aktivmaterial-Wicklung (8) aufwickelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch nachgiebige Zwischenschicht (17) zweiteilig aus einer Zwischenschicht-Hülle (19) und einem darin fluiddicht eingeschlossenen Ausgleichsfluid (20) ausgebildet ist.
Batterierundzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum der Zwischenschicht-Hülle (19) in strömungstechnischer Verbindung mit einem Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) ist, und dass bei einer Volumen-Vergrößerung der Aktivmaterial-Wicklung (8) das Ausgleichsfluid (20) von der Zwischenschicht-Hülle (19) in den Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) verdrängbar ist, oder bei einer Volumen-Reduzierung der Aktivmaterial-Wicklung (8) das Ausgleichsfluid (20) von dem Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) in die Zwischenschicht-Hülle (19) verdrängbar ist.
Batterierundzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsfluid (20) bei Volumenänderung in der Aktivmaterial-Wicklung (8) in Richtung frei werdenden Volumens strömt, und/oder dass das Ausgleichsfluid mit vordefiniertem Überdruck in der Zwischenschicht-Hülle (19) eingeschlossen ist.
Batterierundzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Volumen-Vergrößerung der Aktivmaterial-Wicklung (8) das Ausgleichsfluid (20) unter Aufbau einer Rückstellkraft in den Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) verdrängbar ist, und dass bei der Volumen-Reduzierung der Aktivmaterial-Wicklung (8) das Ausgleichsfluid (20) unter Abbau der Rückstellkraft in die Zwischenschicht-Hülle (19) verdrängbar ist.
Batterierundzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) aus einem elastisch nachgiebigen Material gebildet ist, und/oder dass der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) schlauchförmig ausgebildet ist.
Batterierundzelle nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivmaterial-Wicklung (8) radial innen einen Bauraum (23) aufweist, in dem der Ausgleichsfluid-Reservoirbehälter (21) angeordnet ist.