DE102021211861A1 - Ableiterfahnenlose Batteriezelle, Fahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) für ein Fahrzeug (2), aufweisend ein Zellgehäuse (3) und einen innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordneten Elektrodenseparatorverbund (4), wobei der Elektrodenseparatorverbund (4) mehrere erste Elektrodenschichten (5) und mehrere zweite Elektrodenschichten (6) aufweist, die jeweils abwechselnd übereinandergestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung (7) voneinander elektrisch isoliert sind. Die ersten Elektrodenschichten (5) weisen auf einer ersten Seite jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand (8) gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten (6) auf, wobei die ersten Überstände (8) in ein erstes elektrisches Leitmedium (9) eingebettet und über das erste elektrische Leitmedium (9) miteinander elektrisch gekoppelt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (2) und ein Verfahren zur Herstellung einer gattungsgemäßen Batteriezelle (1).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer gattungsgemäßen Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle.
  • Herkömmliche prismatische Zellen weisen einen Aktivteil auf, der im Wesentlichen aus einem Elektrodenseparatorverbund (ESV) besteht, in welchem ein Elektrolyt angeordnet ist. Der Elektrodenseparatorverbund weist mehrere Anodenschichten und Kathodenschichten auf, die abwechselnd übereinander zu einem Stapel zusammengefasst und durch Separatorschichten voneinander elektrisch isoliert sind. Zum Leiten des elektrischen Stroms weisen die Anodenschichten einen gemeinsamen Anodenableiter auf, der üblicherweise aus mehreren Ableiterfahnen zusammengefügt ist, die sich jeweils von einer Anodenschicht weg erstrecken. Ferner weisen die Kathodenschichten zum Leiten des elektrischen Stroms einen gemeinsamen Kathodenableiter auf, der üblicherweise aus mehreren Ableiterfahnen zusammengefügt ist, die sich jeweils von einer Kathodenschicht weg erstrecken.
  • Zur Produktion von prismatischen Lithium-Ionen Zellen müssen die einzelnen Anodenableiter des Elektrodenseparatorverbunds auf der Anodenseite aneinander sowie an einen ersten Abschnitt einen ersten Gehäuseteils eines Batteriegehäuses der Batteriezelle, einen Tab der Batteriezelle oder dergleichen geschweißt werden. Ebenso müssen die einzelnen Kathodenableiter des Elektrodenseparatorverbunds auf der Kathodenseite aneinander sowie an einen zweiten Abschnitt des ersten Gehäuseteils, einen weiteren Tab der Batteriezelle oder dergleichen geschweißt werden. Das erste Gehäuseteil ist beispielsweise als Gehäusedeckel, Gehäusewandung oder dergleichen ausgebildet.
  • Um diesen Produktionsablauf zu realisieren und das Gewicht der inaktiven Materialien zu reduzieren, müssen zunächst Konturen der Ableiterfahnen in die Elektroden geschnitten werden. Dies wird in der Regel durch einen mechanischen oder photonischen Prozess durchgeführt. Anschließend müssen die aus dem Elektrodenseparatorverbund herausragenden Ableiterfahnen definiert getrimmt und mittels Ultraschalls miteinander verschweißt werden.
  • Diese gefügten Elemente werden wiederum mittels Ultraschalls, Laser oder dergleichen an den jeweiligen Abschnitt des ersten Gehäuseteils, den Tab oder dergleichen der prismatischen Zellen geschweißt. Darauf folgt die Einführung des Elektrodenseparatorverbunds in ein zweites Gehäuseteil des Batteriegehäuses, welches beispielsweise als Dose ausgebildet ist, sowie das Verschweißen des ersten Gehäuseteils mit dem zweiten Gehäuseteil durch ein Laserschweißverfahren oder dergleichen.
  • Aus dem Dokument US 2004 / 0061476 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, bei welcher eine Kollektorplatte mittels eines Schweißverfahrens an Stirnseiten der Elektrodenschichten befestigt ist. Das Dokument US 6 143 442 A offenbart eine prismatische Batteriezelle bei welcher die elektrische Kontaktierung einer Elektrode über eine Kontaktierung mit einem Gehäuseteil der Batteriezelle erfolgt, während die andere Elektrode weiterhin eine Ableiterfahne aufweist, welche mit einer Elektrodenplatte verschweißt ist. Das Dokument US 10 964 970 B2 zeigt eine Batteriezelle, bei welcher der Elektrodenseparatorverbund an jeder Elektrodenschicht einen freigelegten Abschnitt aufweist, an welchem eine Anschlussplatte angeordnet ist, die jeweils mit einem Anschlusspol der Batteriezelle elektrisch gekoppelt ist.
  • Bekannte Batteriezellen haben den Nachteil, dass die Herstellung oftmals sehr aufwendig und fehleranfällig ist. Das Schneiden einer Ableiterkontur, das Trimmen von Ableiterfahnen, das Verschweißen der einzelnen Ableiterfahnen, das Schweißen der Ableiter an eine Deckelbaugruppe und das Schweißen der Deckelbaugruppe an eine Dose sind eine Vielzahl von Prozessen, welche insbesondere durch ihre Verkettung zu einer hohen Ausschussrate führen können. Die Herstellung eines Verbunds aus Elektrodenschichten mit stirnseitig angeschweißten Kollektorplatten ist sehr aufwendig und fehleranfällig, da beim Schweißen eine hohe Präzision erforderlich ist, um eine lückenlose Kontaktierung sämtlicher Elektrodenschichten an die Kollektorplatte sicherzustellen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Batteriezelle zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle, ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer gattungsgemäßen Batteriezelle zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine Herstellung von Batteriezellen verbessern und/oder Herstellungsfehler bei der Herstellung der Batteriezellen vermeiden.
  • Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle für ein Fahrzeug gelöst. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse und einen innerhalb des Zellgehäuses angeordneten Elektrodenseparatorverbund auf, wobei der Elektrodenseparatorverbund mehrere erste Elektrodenschichten und mehrere zweite Elektrodenschichten aufweist, die jeweils abwechselnd übereinandergestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung voneinander elektrisch isoliert sind. Erfindungsgemäß weisen die ersten Elektrodenschichten auf einer ersten Seite jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten auf, wobei die ersten Überstände in ein erstes elektrisches Leitmedium eingebettet und über das erste elektrische Leitmedium miteinander elektrisch gekoppelt sind.
  • Die Batteriezelle ist für die Verwendung in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, einem Luftfahrzeug, einem Wasserfahrzeug, einem Unterwasserfahrzeug, einem Raumfahrzeug oder dergleichen, ausgebildet. Das bedeutet, dass die Batteriezelle für die Verwendung in einem Fahrzeug besonders geeignet ist. Selbstverständlich kann eine Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer stationären Einrichtung, wie beispielsweise einem Wohnhaus, einem Labor, einem Kraftwerk, einer Produktionshalle oder dergleichen, vorgesehen sein.
  • Das Zellgehäuse ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet oder weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Das Zellgehäuse ist vorzugsweise ausgebildet, elektrische Pole der Batteriezelle bereitzustellen, wobei die elektrischen Pole voneinander elektrisch isoliert sind. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein elektrischer Pol oder dass zwei elektrische Pole der Batteriezelle jeweils durch einen elektrischen Leiter realisiert sind, welche gegenüber dem Zellgehäuse isoliert sind. Das Zellgehäuse weist vorzugsweise eine Gehäuseöffnung zum Einfüllen eines Elektrolyten. Vorzugsweise weist das Zellgehäuse ein oder mehrere Berstventile auf.
  • Der Elektrodenseparatorverbund ist innerhalb des Zellgehäuses angeordnet und durch das Zellgehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt. Der Elektrodenseparatorverbund weist mehrere erste Elektrodenschichten und mehrere zweite Elektrodenschichten auf, die jeweils abwechselnd übereinandergestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung voneinander elektrisch isoliert sind. Eine derartige Isoliervorrichtung wird auch als „Separator“ bezeichnet. Die Isoliervorrichtung kann erfindungsgemäß eine oder mehrere Isolatorschichten aufweisen. Der Elektrodenseparatorverbund kann demnach als Stapel aus mehreren einzelnen ersten Elektrodenschichten, mehreren einzelnen zweiten Elektrodenschichten und mehreren einzelnen Isolatorschichten gebildet sein, die derart abwechselnd übereinander angeordnet sind, dass zwischen den ersten Elektrodenschichten und den zweiten Elektrodenschichten jeweils eine Isolatorschicht angeordnet ist. Alternativ kann der Elektrodenseparatorverbund auch als Wickel aus einer ersten Elektrodenschicht, einer zweiten Elektrodenschicht und zwei Isolatorschichten gebildet sein. Die Isolatorschicht kann erfindungsgemäß als zusätzliche freie Schicht oder als Beschichtung der ersten Elektrodenschicht und/oder der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet sein. Die ersten Elektrodenschichten können erfindungsgemäß als Anoden ausgebildet sein. Die zweiten Elektrodenschichten können erfindungsgemäß als Kathoden ausgebildet sein. Ebenso kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die ersten Elektrodenschichten als Kathoden und die zweiten Elektrodenschichten als Anoden ausgebildet sind.
  • Die ersten Elektrodenschichten weisen auf einer ersten Seite jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten auf. Die erste Seite ist vorzugsweise eine erste Stirnseite des Elektrodenseparatorverbunds. Der erste Überstand erstreckt sich vorzugsweise gleichmäßig oder gradierend vom Elektrodenseparatorverbund weg. Der erste Überstand ist vorzugsweise monolithisch mit der ersten Elektrodenschicht ausgebildet.
  • Die ersten Überstände sind in ein erstes elektrisches Leitmedium eingebettet und über das erste elektrische Leitmedium miteinander elektrisch gekoppelt. Das erste elektrische Leitmedium ist vorzugsweise verformbar, insbesondere plastisch verformbar, ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das erste elektrische Leitmedium derart ausgebildet ist, dass das erste elektrische Leitmedium während einer Herstellung der Batteriezelle zunächst formbar, wie beispielsweise rieselfähig, flüssig, fließfähig, insbesondere zähflüssig, und anschließend verfestigt, insbesondere formstabil, ist. Das erste elektrische Leitmedium ist vorzugsweise ausgebildet, dass eine derartige Eigenschaftsänderung durch eine chemische Reaktion, Trocknung, Kühlung, Erwärmung oder dergleichen bewirkbar ist. Das erste elektrische Leitmedium ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die elektrische Kopplung der ersten Überstände und somit der ersten Elektrodenschichten während eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Batteriezelle erhalten bleibt, um den Strom zu leiten und Wackelkontakte zu vermeiden. Über das erste elektrische Leitmedium wird keine elektrische Kopplung mit den zweiten Elektrodenschichten hergestellt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zwischen den zweiten Elektrodenschichten und dem ersten elektrischen Leitmedium ein erstes Isolatormedium angeordnet ist. Das erste Isolatormedium weist vorzugsweise einen höheren Schmelzpunkt als das erste elektrische Leitmedium auf.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die zweiten Elektrodenschichten auf einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite des Elektrodenseparatorverbunds jeweils einen elektrisch leitenden zweiten Überstand gegenüber den benachbarten ersten Elektrodenschichten aufweisen. Die zweite Seite ist demnach vorzugsweise eine zweite Stirnseite des Elektrodenseparatorverbunds. Der zweite Überstand erstreckt sich vorzugsweise gleichmäßig oder gradierend vom Elektrodenseparatorverbund weg. Der zweite Überstand ist vorzugsweise monolithisch mit der zweiten Elektrodenschicht ausgebildet.
  • Die zweiten Überstände sind in ein zweites elektrisches Leitmedium eingebettet und über das zweite elektrische Leitmedium miteinander elektrisch gekoppelt. Das zweite elektrische Leitmedium ist vorzugsweise verformbar, insbesondere plastisch verformbar, ausgebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das zweite elektrische Leitmedium derart ausgebildet ist, dass das zweite elektrische Leitmedium während einer Herstellung der Batteriezelle zunächst formbar, wie beispielsweise rieselfähig, flüssig, fließfähig, insbesondere zähflüssig, und anschließend verfestigt, insbesondere formstabil, ist. Das zweite elektrische Leitmedium ist vorzugsweise ausgebildet, dass eine derartige Eigenschaftsänderung durch eine chemische Reaktion, Trocknung, Kühlung, Erwärmung oder dergleichen bewirkbar ist. Das zweite elektrische Leitmedium ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die elektrische Kopplung der zweiten Überstände und somit der zweiten Elektrodenschichten während eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Batteriezelle erhalten bleibt, um den Strom zu leiten und Wackelkontakte zu vermeiden. Das zweite elektrische Leitmedium weist vorzugsweise das gleiche Material wie das erste elektrische Leitmedium auf oder ist aus dem gleichen Material gebildet. Über das zweite elektrische Leitmedium wird keine elektrische Kopplung mit den ersten Elektrodenschichten hergestellt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zwischen den ersten Elektrodenschichten und dem zweiten elektrischen Leitmedium ein zweites Isolatormedium angeordnet ist. Das zweite Isolatormedium weist vorzugsweise einen höheren Schmelzpunkt als das zweite elektrische Leitmedium auf.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle hat gegenüber herkömmlichen Batteriezellen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische Kopplung der ersten Elektrodenschichten mit einem ersten Pol der Batteriezelle hergestellt ist. Durch die ersten Überstände und das erste elektrische Leitmedium sind die ersten Elektrodenschichten auf einfache Weise mit dem ersten Pol der Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Somit sind bei der Batteriezelle Ableiterfahnen und Tabs entbehrlich, sodass die fehleranfälligen Arbeitsschritte Schneiden der Ableiterfahnen, Verschweißen der Ableiterfahnen zu einem Ableiter, Schweißen des Ableiters an den Tab sowie an das Zellgehäuse nicht erforderlich sind. Auf diese Weise ist eine Prozesssicherheit bei der Herstellung der Batteriezelle verbessert. Zudem sind durch die Formbarkeit des ersten elektrischen Leitmediums Fertigungstoleranzen von Komponenten der Batteriezelle leicht ausgleichbar. Schließlich weist die erfindungsgemäße Batteriezelle reduzierte Herstellungskosten sowie eine verbesserte Bauraumausnutzung auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Batteriezelle vorgesehen sein, dass das erste elektrische Leitmedium einen Duroplasten und/oder einen Thermoplasten und/oder einen Klebstoff und/oder eine Lotpaste aufweist. Derartige Werkstoffe weisen eine besonders gute Formbarkeit und Verarbeitbarkeit auf. Das erste elektrische Leitmedium weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt auf, der höher ist als eine obere Betriebstemperatur der Batteriezelle, beispielsweise beim Schnellladen und einer Umgebungstemperatur von 40 °C, sodass eine elektrische Kopplung der ersten Elektrodenschichten auch bei einer verhältnismäßig hohen Erwärmung der Batteriezelle gewährleistet ist. Ein etwaig vorhandenes zweites elektrisches Leitmedium ist vorzugsweise gleichermaßen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige elektrische Kopplung der ersten Elektrodenschichten gewährleistet ist, welche auch bei höheren Betriebstemperaturen der Batteriezelle im bestimmungsgemäßen Gebrauch bestehen bleibt.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das erste elektrische Leitmedium einen Werkstoff aufweist, welcher unterhalb einer vordefinierten Grenztemperatur, durch welche eine gerade noch akzeptable obere Betriebstemperatur der Batteriezelle begrenzt ist, einen nicht fließfähigen Zustand und oberhalb der Grenztemperatur einen fließfähigen Zustand aufweist.
  • Unter einer noch akzeptablen oberen Betriebstemperatur der Batteriezelle wird eine Temperatur verstanden, bei welcher ein weiterer Betrieb der Batteriezelle möglich ist, ohne dass die Batteriezelle hierbei einen irreversiblen Schaden nimmt, der größer ist als ein vordefinierter tolerabler Verschleiß. Oberhalb der vordefinierten Grenztemperatur ist ein vollständiges oder teilweises Abschalten der Batteriezelle vorteilhaft, um die Batteriezelle vor übermäßigen irreversiblen Schäden zu schützen. Vorzugsweise weist das Zellgehäuse einen Freiraum zum Aufnehmen abgeflossenen ersten elektrischen Leitmediums auf. Das erste elektrische Leitmedium ist vorzugsweise derart ausgebildet und eingerichtet, oberhalb der oberen Betriebstemperatur derart abzufließen, dass die elektrische Kopplung zu einer oder mehrerer erster Elektrodenschichten hierdurch aufgehoben wird. Ein etwaig vorhandenes zweites elektrisches Leitmedium ist vorzugsweise gleichermaßen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine übermäßige Beschädigung der Batteriezelle, wie beispielsweise ein thermisches Durchgehen, verhinderbar oder zumindest einschränkbar ist. Somit ist beispielsweise ein Entflammen der Batteriezelle vermeidbar.
  • Weiter bevorzugt weist das Zellgehäuse ein elektrisch leitfähiges erstes Zellgehäuseteil sowie ein gegenüber dem ersten Zellgehäuseteil elektrisch isoliertes zweites Zellgehäuseteil auf, wobei die ersten Elektrodenschichten über die ersten Überstände und das erste elektrische Leitmedium mit dem ersten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt sind. Vorzugsweise sind die zweiten Elektrodenschichten über die zweiten Überstände und das zweite elektrische Leitmedium mit dem zweiten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt. Vorzugsweise ist das Zellgehäuse derart ausgebildet, dass im zusammengesetzten Zustand das erste Zellgehäuseteil und das zweite Zellgehäuseteil gleichgroß aussehen. Demnach sind ein Pluspol und ein Minuspol der Batteriezelle gleichgroß. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse bereitgestellt ist, durch welches die elektrischen Pole der Batteriezelle gebildet sind. Eine derartige Batteriezelle ist leicht mit anderen Batteriezellen zu einer Reihenschaltung sowie einer Parallelschaltung zusammenfügbar.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen das erste Zellgehäuseteil und das zweite Zellgehäuseteil einen gemeinsamen Überlappungsbereich auf. Hierbei ist es bevorzugt, dass im Überlappungsbereich das erste Zellgehäuseteil in das zweite Zellgehäuseteil oder das zweite Zellgehäuseteil in das erste Zellgehäuseteil eingeführt ist. Im Überlappungsbereich ist vorzugsweise eine elektrische Isolierung derart angeordnet, dass das erste Zellgehäuseteil zum zweiten Zellgehäuseteil elektrisch isoliert ist. Die elektrische Isolierung ist vorzugsweise ausgebildet, ein gegenseitiges Berühren des ersten Zellgehäuseteils mit dem zweiten Zellgehäuseteil zu vermeiden. Alternativ zu einem Überlappungsbereich kann eine mechanische Kopplung zwischen dem ersten Zellgehäuseteil und dem zweiten Zellgehäuseteil beispielsweise durch eine elektrisch isolierende Kupplungsvorrichtung, wie beispielsweise eine Steckhülse oder dergleichen, realisiert sein. Der erste Zellgehäuseteil und der zweite Zellgehäuseteil weisen im Überlappungsbereich vorzugsweise einen Pressverbund auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Zellgehäuse mit zwei elektrischen Polen bereitgestellt ist.
  • Vorzugsweise ist der Elektrodenseparatorverbund als zylindrischer Wickel, prismatischer Flachwickel oder Schichtstapel ausgebildet. Ein zylindrischer Wickel erstreckt sich um eine Wickelachse und weist einen spiralförmigen Querschnitt auf. Die Schichten sind als Endlosschichten ausgebildet. Ein Flachwickel weist zwei voneinander beabstandet angeordnete Wickelachsen und einen zwischen den Wickelachsen ausgebildeten Flachbereich auf. Im Bereich der Wickelachsen sind die einzelnen Schichten um vorzugsweise 180° umgebogen. Im Flachbereich sind die einzelnen Schichten vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Die Schichten sind als Endlosschichten ausgebildet. Bei einem Schichtstapel sind die Schichten parallel zueinander angeordnet und als separate Einzelschichten ausgebildet, die übereinandergestapelt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Batteriezelle mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise herstellbar ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der erste Überstand eine Länge von weniger als 5 mm auf. Das bedeutet, dass sich der erste Überstand weniger als 5 mm von der zweiten Elektrodenschicht weg erstreckt. Vorzugsweise weist der erste Überstand eine Länge von weniger als 1 mm auf. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der erste Überstand eine Länge von mindestens 0,1 mm aufweist. Demnach ist es bevorzugt, dass der zweite Überstand eine Länge von weniger als 5 mm, besonders bevorzugt von weniger als 1 mm aufweist. Weiter bevorzugt weist der zweite Überstand eine Länge von mindestens 0,1 mm auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine platzsparende sowie zuverlässige elektrische Kopplung der Elektrodenschichten bereitgestellt ist.
  • Besonders bevorzugt erstreckt sich der erste Überstand über mindestens 50% einer Schichtbreite der ersten Elektrodenschicht. Weiter bevorzugt erstreckt sich der erste Überstand über die gesamte Schichtbreite oder zumindest im Wesentlichen über die gesamte Schichtbreite der ersten Elektrodenschicht. Die Erstreckung des ersten Überstands in Richtung der Schichtbreite der ersten Elektrodenschicht ist möglichst groß zu wählen, um eine möglichst gute Qualität der elektrischen Kopplung mit dem ersten elektrischen Leitmedium zu erzielen. Vorzugsweise erstreckt sich der zweite Überstand über mindestens 50% einer Schichtbreite der zweiten Elektrodenschicht. Weiter bevorzugt erstreckt sich der zweite Überstand über die gesamte Schichtbreite oder zumindest im Wesentlichen über die gesamte Schichtbreite der zweiten Elektrodenschicht. Die Erstreckung des zweiten Überstands in Richtung der Schichtbreite der zweiten Elektrodenschicht ist möglichst groß zu wählen, um eine möglichst gute Qualität der elektrischen Kopplung mit dem zweiten elektrischen Leitmedium zu erzielen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische Kopplung zwischen der ersten Elektrodenschicht und dem ersten elektrischen Leitmedium verbessert ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug gelöst. Das Fahrzeug weist ein elektrisches Antriebssystem mit einem Elektromotor auf. Erfindungsgemäß weist das elektrische Antriebssystem eine oder mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen auf. Die Batteriezellen sind vorzugsweise in einem Batteriegehäuse des elektrischen Antriebssystems angeordnet. Vorzugsweise weisen die Zellgehäuse der Batteriezellen jeweils einen elektrischen Pluspol und einen elektrischen Minuspol auf. Die Batteriezellen sind vorzugsweise durch Kontaktieren der Zellgehäuse benachbarter Batteriezellen miteinander elektrisch verschaltet, beispielsweise in einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Fahrzeug gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische Kopplung der ersten Elektrodenschichten mit einem ersten Pol der Batteriezelle hergestellt ist. Durch die ersten Überstände und das erste elektrische Leitmedium sind die ersten Elektrodenschichten auf einfache Weise mit dem ersten Pol der Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Somit sind bei der Batteriezelle Ableiterfahnen entbehrlich, sodass die fehleranfälligen Arbeitsschritte Schneiden der Ableiterfahnen, Verschweißen der Ableiterfahnen zu einem Ableiter, Schweißen des Ableiters an das Zellgehäuse nicht erforderlich sind. Auf diese Weise ist eine Prozesssicherheit bei der Herstellung der Batteriezellen verbessert. Zudem sind durch die Formbarkeit des ersten elektrischen Leitmediums Fertigungstoleranzen von Komponenten der Batteriezelle leicht ausgleichbar. Schließlich weist das erfindungsgemäße Fahrzeug reduzierte Herstellungskosten sowie eine verbesserte Bauraumausnutzung auf.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • - Bereitstellen eines Elektrodenseparatorverbunds aus mehreren ersten Elektrodenschichten und mehreren zweiten Elektrodenschichten, die jeweils abwechselnd übereinander gestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die ersten Elektrodenschichten auf einer ersten Seite des Elektrodenseparatorverbunds jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten aufweisen, und wobei die zweiten Elektrodenschichten auf einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite des Elektrodenseparatorverbunds jeweils einen elektrisch leitenden zweiten Überstand gegenüber den benachbarten ersten Elektrodenschichten aufweisen
    • - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen ersten Zellgehäuseteils,
    • - Anordnen eines formbaren ersten elektrischen Leitmediums im ersten Zellgehäuseteil und/oder an den ersten Überständen,
    • - Einfügen des Elektrodenseparatorverbunds in das erste Zellgehäuseteil derart, dass die ersten Überstände über das erste elektrische Leitmedium mit dem ersten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt werden,
    • - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen zweiten Zellgehäuseteils,
    • - Anordnen eines formbaren zweiten elektrischen Leitmediums im zweiten Zellgehäuseteil und/oder an den zweiten Überständen, und
    • - Zusammenfügen des ersten Zellgehäuseteils mit dem zweiten Zellgehäuseteil derart, dass zweite Überstände der zweiten Elektrodenschichten über das zweite elektrische Leitmedium mit dem zweiten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt werden, und dass das erste Zellgehäuseteil gegenüber dem zweiten Zellgehäuseteil elektrisch isoliert ist.
  • Der Elektrodenseparatorverbund weist auf der ersten Seite die ersten Überstände der ersten Elektrodenschichten auf. Auf der zweiten Seite weist der Elektrodenseparatorverbund die zweiten Überstände der zweiten Elektrodenschichten auf. Die ersten Überstände werden mittels des ersten elektrischen Leitmediums miteinander sowie mit dem ersten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt. Die zweiten Überstände werden mittels des zweiten elektrischen Leitmediums miteinander sowie mit dem zweiten Zellgehäuseteil elektrisch gekoppelt. Hierbei werden das erste Zellgehäuseteil und das zweite Zellgehäuseteil derart zusammengefügt, dass das erste Zellgehäuseteil und das zweite Zellgehäuseteil elektrisch voneinander isoliert sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einem Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Batteriezelle herstellbar ist, die eine elektrische Kopplung der ersten Elektrodenschichten mit einem ersten Zellgehäuseteil aufweist. Durch die ersten Überstände und das erste elektrische Leitmedium sind die ersten Elektrodenschichten auf einfache Weise mit dem ersten Zellgehäuseteil der Batteriezelle elektrisch gekoppelt. Somit sind bei der Batteriezelle Ableiterfahnen entbehrlich, sodass die fehleranfälligen Arbeitsschritte Schneiden der Ableiterfahnen, Verschweißen der Ableiterfahnen zu einem Ableiter, Schweißen des Ableiters an das Zellgehäuse nicht erforderlich sind. Auf diese Weise ist eine Prozesssicherheit bei der Herstellung der Batteriezellen verbessert. Zudem sind durch die Formbarkeit des ersten elektrischen Leitmediums Fertigungstoleranzen von Komponenten der Batteriezelle leicht ausgleichbar. Schließlich ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine kostengünstigere Batteriezelle herstellbar, die eine verbesserte Bauraumausnutzung aufweist.
  • Eine erfindungsgemäße Batteriezelle, ein erfindungsgemäßes Fahrzeug sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 in einer Draufsicht einen Elektrodenseparatorverbund gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
    • 2 in einer Seitenansicht der Elektrodenseparatorverbund aus 1,
    • 3 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
    • 4 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, und
    • 5 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein Elektrodenseparatorverbund 4 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht abgebildet. In dieser Darstellung ist eine obere Isolierschicht einer Isoliervorrichtung 7 des Elektrodenseparatorverbunds 4 abgebildet. An einer ersten Seite des Elektrodenseparatorverbunds 4 erstreckt sich ein erster Überstand 8 einer ersten Elektrodenschicht 5 vom Elektrodenseparatorverbund 4 weg. In dieser Abbildung ist von der ersten Elektrodenschicht 5 lediglich der erste Überstand 8 erkennbar. An einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite des Elektrodenseparatorverbunds 4 erstreckt sich ein zweiter Überstand 13 einer zweiten Elektrodenschicht 6 vom Elektrodenseparatorverbund 4 weg. In dieser Abbildung ist von der zweiten Elektrodenschicht 6 lediglich der zweite Überstand 13 erkennbar.
  • 2 zeigt den Elektrodenseparatorverbund 4 aus 1 schematisch in einer Seitenansicht. In dieser Darstellung ist erkennbar, dass der Elektrodenseparatorverbund 4 mehrere erste Elektrodenschichten 5 und mehrere zweite Elektrodenschichten 6 aufweist, die abwechselnd übereinander angeordnet und jeweils durch eine Isolierschicht der Isoliervorrichtung 7 voneinander elektrisch isoliert sind. Die ersten Elektrodenschichten 5 weisen jeweils einen ersten Überstand 8 auf, die sich vom Elektrodenseparatorverbund 4 weg erstrecken. Der erste Überstand 8 ist vorzugsweise durch einen ersten Kollektor, wie beispielsweise einen Kupferkollektor, der ersten Elektrodenschicht 5 gebildet, der sich aus einer ersten Elektrodenbeschichtung, wie beispielsweise einer Anodenbeschichtung, der ersten Elektrodenschicht 5 heraus erstreckt. Die zweiten Elektrodenschichten 6 weisen jeweils einen zweiten Überstand 13 auf, die sich in die entgegengesetzte Richtung vom Elektrodenseparatorverbund 4 weg erstrecken. Der zweite Überstand 13 ist vorzugsweise durch einen zweiten Kollektor, wie beispielsweise einen Aluminiumkollektor, gebildet, der sich aus einer zweiten Elektrodenbeschichtung, wie beispielsweise einer Kathodenbeschichtung, der zweiten Elektrodenschicht 6 heraus erstreckt. Die Isoliervorrichtung 7 weist seitlich einen größeren Überstand als die erste Elektrodenbeschichtung und die zweite Elektrodenbeschichtung auf. Der erste Überstand 8 und der zweite Überstand 13 überragen die Isoliervorrichtung 7 seitlich.
  • In 3 ist eine Batteriezelle 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung dargestellt. Die Batteriezelle 1 weist den in 2 dargestellten Elektrodenseparatorverbund 4 auf. Ferner weist die Batteriezelle 1 ein Zellgehäuse 3 mit einem ersten Zellgehäuseteil 3a und einem zweiten Zellgehäuseteil 3b auf, welche in einem Überlappungsbereich 10 ineinandergesteckt und mittels einer elektrischen Isolierung 15 voneinander elektrisch isoliert sind. Die ersten Überstände 8 sind in ein erstes elektrisches Leitmedium 9 eingebettet und über das erste elektrische Leitmedium 9 miteinander sowie mit dem ersten Zellgehäuseteil 3a elektrisch gekoppelt. Die zweiten Elektrodenschichten 6 sind gegenüber dem ersten elektrischen Leitmedium 9 elektrisch isoliert. Die zweiten Überstände 13 sind in ein zweites elektrisches Leitmedium 14 eingebettet und über das zweite elektrische Leitmedium 14 miteinander sowie mit dem zweiten Zellgehäuseteil 3b elektrisch gekoppelt. Die ersten Elektrodenschichten 5 sind gegenüber dem zweiten elektrischen Leitmedium 14 elektrisch isoliert. In dieser Ausführungsform ist das erste Zellgehäuseteil 3a beispielsweise als Anode und das zweite Zellgehäuseteil 3b als Kathode der Batteriezelle 1 ausgebildet oder umgekehrt.
  • 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 2 schematisch in einer Seitenansicht. Das Fahrzeug 2 ist exemplarisch als Kraftfahrzeug ausgebildet und weist ein elektrisches Antriebssystem 11 mit einem Elektromotor 12, einem Getriebe 16 sowie einer Steuerungsvorrichtung 17 zum Steuern des Elektromotors 12 auf. Ferner weist das elektrische Antriebssystem 11 ein Batteriegehäuse 18 auf, in welchem mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen 1 angeordnet und durch gegenseitiges Kontaktieren miteinander elektrisch verschaltet sind.
  • In 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird der in 1 und 2 dargestellte Elektrodenseparatorverbund 4 bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird das in 3 dargestellte elektrisch leitfähige erste Zellgehäuseteil 3a bereitgestellt. In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird das in 3 dargestellte formbare erste elektrische Leitmedium 9 im ersten Zellgehäuseteil 3a in einem für die ersten Überstände 8 vorgesehenen Bereich und/oder direkt an den ersten Überständen 8 angeordnet. In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird der Elektrodenseparatorverbund 4 in das erste Zellgehäuseteil 3a derart eingefügt, dass die ersten Überstände 8 über das erste elektrische Leitmedium 9 mit dem ersten Zellgehäuseteil 3a elektrisch gekoppelt werden. In einem fünften Verfahrensschritt 500 wird das in 3 dargestellte elektrisch leitfähige zweite Zellgehäuseteil 3b bereitgestellt. In einem sechsten Verfahrensschritt 600 wird das in 3 dargestellte formbare zweite elektrische Leitmedium 14 im zweiten Zellgehäuseteil 3b in einem für die zweiten Überstände 13 vorgesehenen Bereich und/oder direkt an den zweiten Überständen 13 angeordnet. In einem siebten Verfahrensschritt 700 werden der erste Zellgehäuseteil 3a und der zweite Zellgehäuseteil 3b derart zusammengefügt, dass die zweiten Überstände 13 der zweiten Elektrodenschichten 6 über das zweite elektrische Leitmedium 14 mit dem zweiten Zellgehäuseteil 3b elektrisch gekoppelt werden, und dass das erste Zellgehäuseteil 3a gegenüber dem zweiten Zellgehäuseteil 3b, insbesondere über die in 3 dargestellte elektrische Isolierung 15, elektrisch isoliert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriezelle
    2
    Fahrzeug
    3
    Zellgehäuse
    3a
    erstes Zellgehäuseteil
    3b
    zweites Zellgehäuseteil
    4
    Elektrodenseparatorverbund
    5
    erste Elektrodenschicht
    6
    zweite Elektrodenschicht
    7
    Isoliervorrichtung
    8
    erster Überstand
    9
    erstes elektrisches Leitmedium
    10
    Überlappungsbereich
    11
    elektrisches Antriebssystem
    12
    Elektromotor
    13
    zweiter Überstand
    14
    zweites elektrisches Leitmedium
    15
    elektrische Isolierung
    16
    Getriebe
    17
    Steuerungsvorrichtung
    18
    Batteriegehäuse
    100
    erster Verfahrensschritt
    200
    zweiter Verfahrensschritt
    300
    dritter Verfahrensschritt
    400
    vierter Verfahrensschritt
    500
    fünfter Verfahrensschritt
    600
    sechster Verfahrensschritt
    700
    siebter Verfahrensschritt
  • 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
    • US 2004/0061476 A1 [0006]
    • US 6143442 A [0006]
    • US 10964970 B2 [0006]

Claims (10)

  1. Batteriezelle (1) für ein Fahrzeug (2), aufweisend ein Zellgehäuse (3) und einen innerhalb des Zellgehäuses (3) angeordneten Elektrodenseparatorverbund (4), wobei der Elektrodenseparatorverbund (4) mehrere erste Elektrodenschichten (5) und mehrere zweite Elektrodenschichten (6) aufweist, die jeweils abwechselnd übereinandergestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung (7) voneinander elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenschichten (5) auf einer ersten Seite jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand (8) gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten (6) aufweisen, wobei die ersten Überstände (8) in ein erstes elektrisches Leitmedium (9) eingebettet und über das erste elektrische Leitmedium (9) miteinander elektrisch gekoppelt sind.
  2. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Leitmedium (9) einen Duroplasten und/oder einen Thermoplasten und/oder einen Klebstoff und/oder eine Lotpaste aufweist.
  3. Batteriezelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Leitmedium (9) einen Werkstoff aufweist, welcher unterhalb einer vordefinierten Grenztemperatur, durch welche eine gerade noch akzeptable obere Betriebstemperatur der Batteriezelle (1) begrenzt ist, einen nicht fließfähigen Zustand und oberhalb der Grenztemperatur einen fließfähigen Zustand aufweist.
  4. Batteriezelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (3) ein elektrisch leitfähiges erstes Zellgehäuseteil (3a) sowie ein gegenüber dem ersten Zellgehäuseteil (3a) elektrisch isoliertes zweites Zellgehäuseteil (3b) aufweist, wobei die ersten Elektrodenschichten (5) über die ersten Überstände (8) und das erste elektrische Leitmedium (9) mit dem ersten Zellgehäuseteil (3a) elektrisch gekoppelt sind.
  5. Batteriezelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zellgehäuseteil (3a) und das zweite Zellgehäuseteil (3b) einen gemeinsamen Überlappungsbereich (10) aufweisen.
  6. Batteriezelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenseparatorverbund (4) als zylindrischer Wickel, prismatischer Flachwickel oder Schichtstapel ausgebildet ist.
  7. Batteriezelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überstand (8) eine Länge von weniger als 5 mm aufweist.
  8. Batteriezelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Überstand (8) über mindestens 50% einer Schichtbreite der ersten Elektrodenschicht (5) erstreckt.
  9. Fahrzeug (2), aufweisend ein elektrisches Antriebssystem (11) mit einem Elektromotor (12), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebssystem (11) eine oder mehrere Batteriezellen (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (1), aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Elektrodenseparatorverbunds (4) aus mehreren ersten Elektrodenschichten (5) und mehreren zweiten Elektrodenschichten (6), die jeweils abwechselnd übereinander gestapelt angeordnet sowie mittels einer Isoliervorrichtung (7) voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die ersten Elektrodenschichten (5) auf einer ersten Seite des Elektrodenseparatorverbunds (4) jeweils einen elektrisch leitenden ersten Überstand (8) gegenüber den benachbarten zweiten Elektrodenschichten (6) aufweisen, und wobei die zweiten Elektrodenschichten (6) auf einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite des Elektrodenseparatorverbunds (4) jeweils einen elektrisch leitenden zweiten Überstand (13) gegenüber den benachbarten ersten Elektrodenschichten (5) aufweisen, - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen ersten Zellgehäuseteils (3a), - Anordnen eines formbaren ersten elektrischen Leitmediums (9) im ersten Zellgehäuseteil (3a) und/oder an den ersten Überständen (8), - Einfügen des Elektrodenseparatorverbunds (4) in das erste Zellgehäuseteil (3a) derart, dass die ersten Überstände (8) über das erste elektrische Leitmedium (9) mit dem ersten Zellgehäuseteil (3a) elektrisch gekoppelt werden, - Bereitstellen eines elektrisch leitfähigen zweiten Zellgehäuseteils (3b), - Anordnen eines formbaren zweiten elektrischen Leitmediums (14) im zweiten Zellgehäuseteil (3b) und/oder an den zweiten Überständen (13), und - Zusammenfügen des ersten Zellgehäuseteils (3a) mit dem zweiten Zellgehäuseteil (3b) derart, dass die zweiten Überstände (13) der zweiten Elektrodenschichten (6) über das zweite elektrische Leitmedium (14) mit dem zweiten Zellgehäuseteil (3b) elektrisch gekoppelt werden, und dass das erste Zellgehäuseteil (3a) gegenüber dem zweiten Zellgehäuseteil (3b) elektrisch isoliert ist.
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