DE102021211929A1

DE102021211929A1 - Batteriezellgehäuse mit Zellwandung aus einem Faserverbundwerkstoff, Batteriezelle und Batterie

Info

Publication number: DE102021211929A1
Application number: DE102021211929.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leonhard Koch; Kristian Lippky
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse (1) für eine Batteriezelle (2) für eine Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme eines elektrischen Aktivmaterials (4) der Batteriezelle (2), aufweisend eine Zellwandung (5) und einen von der Zellwandung (5) in mehrere Richtungen nach außen begrenzten Zellinnenraum (6). Die Zellwandung (5) weist einen Faserverbundwerkstoff auf, wobei der Faserverbundwerkstoff Verstärkungsfasern (7) und einen thermoplastischen oder duroplastischen Matrixwerkstoff (8) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Batteriezelle (2) für eine Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug sowie eine Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme eines elektrischen Aktivmaterials der Batteriezelle. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterie für ein Kraftfahrzeug.
Es sind Batteriezellen für Batterien für Kraftfahrzeuge bekannt, bei welchen ein Aktivmaterial der Batteriezelle von einem Zellgehäuse der Batteriezelle umgeben ist. Das Zellgehäuse weist eine Zellwandung aus Metall auf. Bei Batteriezellen für Kraftfahrzeuge wird im Wesentlichen zwischen drei Arten unterschieden, nämlich Rundzellen, prismatische Zellen und Pouchzellen. Rundzellen sind zylinderförmig sowie kompakt aufgebaut. Prismatische Zellen sind quaderförmig sowie ebenfalls kompakt aufgebaut. Rundzellen und Prismatische Zellen weisen eine starre Zellwandung auf, insbesondere aus einem Metallblech. Pouchzellen weisen einen beutelartigen sowie flexiblen Aufbau auf. Die Zellwandung von Pouchzellen weist eine Metallfolie, wie beispielsweise eine Aluminiumfolie, auf. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sowie ungewollter elektrischer Kontaktierungen weisen Batteriezellen üblicherweise zusätzliche elektrische Isolationsschichten oder dergleichen auf.
Batterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere Traktionsbatterien bzw. Hochvoltbatterien zum Betreiben eines Elektromotors zum Vorantreiben des Kraftfahrzeugs, weisen häufig ein Batteriegehäuse auf, in welchem eine Vielzahl von Batteriezellen angeordnet sind. Die Batteriezellen sind in dem Batteriegehäuse beispielsweise gestapelt, zusammengepresst oder lediglich nebeneinander angeordnet. Derartige Batteriegehäuse weisen eine Gehäusewandung auf, die üblicherweise aus einem Metall gebildet ist, um die Batteriezellen vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Schmutz, Witterung, mechanischer Belastung in Folge eines Fahrzeugcrashs oder dergleichen, sowie eine Umgebung des Kraftfahrzeugs vor aus den Batteriezellen austretenden Gasen, Flammen oder dergleichen zu schützen.
Aus dem Dokument US 2021 / 0066686 A1 ist eine Batterie mit einem Batteriegehäuse bekannt, in welchem mehrere Batteriezellen aufgenommen sind. Das Batteriegehäuse weist eine Gehäusewandung aus einem faserverstärkten Kunststoff auf. Die Verstärkungsfasern sind als Endlosfasern ausgebildet. Das Dokument
DE 10 2019 215 335 A1 offenbart eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, welches zur Verbesserung einer elektrischen Isolierung zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet sein kann. In dem Batteriegehäuse sind mehrere elektrisch isolierte Batteriezellen angeordnet. Die Batteriezellen sind von einem elektrisch leitenden Kühlfluid umgeben, durch welches eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezellen erzielbar ist. Ein gattungsgemäßes Kühlfluid hat den Nachteil, dass eine besonders aufwendige elektrische Isolierung des Batteriegehäuses sowie der Batteriezellen zur Vermeidung von Kurzschlüssen erforderlich ist. Aus dem Dokument US 2020 / 0112000 A1 ist eine Batterie mit einem Batteriegehäuse, in welchem mehrere Batteriezellen angeordnet und von einem Kühlfluid umgeben sind. Das Batteriegehäuse kann mittels eines Spritzgussprozesses hergestellt sein und beispielsweise eine Polyamidmatrix mit darin eingebetteten Glasfasern aufweisen.
Bekannte Batterien haben den Nachteil, dass die Zellgehäuse der Batteriezellen oftmals ein zu hohes Gewicht aufweisen und nur sehr aufwendig herstellbar sind. Dies führt zu einem hohen Gesamtgewicht sowie gesteigerten Herstellungskosten einer mehrere Batteriezellen aufweisenden Batterie.
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 ein Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug, eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug sowie eine Batterie für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise ein reduziertes Gesamtgewicht und/oder eine verbesserte Betriebssicherheit und/oder reduzierte Herstellungskosten aufweisen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme eines elektrischen Aktivmaterials der Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug 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 dem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle sowie der erfindungsgemäßen Batterie 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 ein Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme eines elektrischen Aktivmaterials der Batteriezelle gelöst. Das Batteriezellgehäuse weist eine Zellwandung und einen von der Zellwandung in mehrere Richtungen nach außen begrenzten Zellinnenraum auf. Erfindungsgemäß weist die Zellwandung einen Faserverbundwerkstoff auf, wobei der Faserverbundwerkstoff Verstärkungsfasern und einen thermoplastischen oder duroplastischen Matrixwerkstoff aufweist.
Unter einem Batteriezellgehäuse wird im Rahmen der Erfindung ein Gehäuse verstanden, welches zur Aufnahme des elektrischen Aktivmaterials für eine einzelne Batteriezelle ausgebildet ist. Durch das Batteriezellgehäuse mit dem darin angeordneten Aktivmaterial ist somit eine einzelne Batteriezelle bereitstellbar. Das Batteriezellgehäuse ist demnach zum Begrenzen einer einzelnen Batteriezelle nach außen sowie zum Schutz des Aktivmaterials vor äußeren Einflüssen ausgebildet. Somit besteht zwischen einem Batteriezellgehäuse und einem Batteriegehäuse mindestens ein wesentlicher Unterschied. Das Batteriegehäuse ist zur Aufnahme einer Mehrzahl von Batteriezellen mit jeweils einem Batteriezellgehäuse ausgebildet. Folglich sind in einem Batteriegehäuse mehrere Batteriezellgehäuse anordenbar. Bislang sind im Stand der Technik lediglich Modifikationen von Batteriegehäusen thematisiert, wobei die Batteriezellen stets als bekannte Rundzellen, prismatische Zellen, Pouchzellen oder dergleichen ausgebildet sind. Mit der Ausnahme von elektrischen Isolationsschichten zum Isolieren der Batteriezellen gegenüber elektrisch leitfähigen Kühlfluiden sind dem Stand der Technik keine Ansätze zum Modifizieren von Batteriezellgehäusen entnehmbar.
Unter einem Aktivmaterial einer Batteriezelle wird im Rahmen der Erfindung eine Batteriezellbaugruppe verstanden, welche die zur Bereitstellung elektrischer Energie erforderlichen Bestandteile aufweist. Bekannte Aktivmaterialien weisen beispielsweise eine Anode, eine Kathode, einen Separator und einen Elektrolyten auf. Der Elektrolyt kann beispielsweise flüssig oder fest ausgebildet sein. Bei einer Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyten ist beispielsweise zuerst eine Baugruppe des Aktivmaterials aus Anode, Kathode und Separator im Batteriezellgehäuse anordbar. Anschließend ist das Batteriezellgehäuse verschließbar, beispielsweise mittels eines Gehäusedeckels, welcher insbesondere mit der Zellwandung verklebbar, verschweißbar, verpressbar oder dergleichen ist. Über eine Einfüllöffnung ist anschließend der flüssige Elektrolyt in das Batteriezellgehäuse einbringbar. Schließlich ist die Einfüllöffnung verschließbar, insbesondere mittels eines Deckels, beispielsweise durch Verkleben, Verschweißen, Verpressen oder dergleichen. Bei einem festen Elektrolyten ist das gesamte Aktivmaterial in einem Schritt in das Batteriezellgehäuse einbringbar.
Das Batteriezellgehäuse weist die Zellwandung auf, durch welche der Zellinnenraum nach außen begrenzt ist. Die Zellwandung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Zellinnenraum auf einer Seite über eine Öffnung des Batteriezellgehäuses offen ist. Die Öffnung weist vorzugsweise einen Querschnitt auf, welche einem inneren Querschnitt des Zellinnenraums entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht. Somit ist Aktivmaterial mit einem Materialvolumen, welches einem Innenraumvolumen des Zellinnenraums entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht, über die Öffnung in den Zellinnenraum einbringbar, sodass das vorhandene Zellinnenraumvolumen optimal ausnutzbar ist. Die Öffnung ist vorzugsweise über eine Verschlussvorrichtung des Batteriezellgehäuses, wie beispielsweise einen Deckel, verschließbar, um den Zellinnenraum nach außen vollständig zu verschließen oder zumindest eine vollständige Abkapselung des Zellinnenraums nach außen zu begünstigen.
Die Zellwandung des Batteriezellgehäuses weist erfindungsgemäß den Faserverbundwerkstoff auf. Der Faserverbundwerkstoff weist die Verstärkungsfasern und den thermoplastischen oder duroplastischen Matrixwerkstoff auf. Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines thermoplastischen Matrixwerkstoffs bevorzugt. Die Verstärkungsfasern sind beispielsweise als Gelege, Geflecht, Zuschnitt oder dergleichen bereitgestellt und in den Matrixwerkstoff eingebettet. Die Zellwandung ist vorzugsweise durch einen Spritzgießprozess, besonders bevorzugt mit als Langfasern ausgebildeten Verstärkungsfasern, oder einen Thermoformprozess, besonders bevorzugt mit als Langfasern und/oder Endlosfasern ausgebildeten Verstärkungsfasern hergestellt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Zellwandung eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Zellwandung einen oder mehrere nachgiebige Bereiche aufweist, die ausgebildet sind, bei einem vorgegebenen oberen Zellinnendruck nachzugeben. Vorzugsweise ist der nachgiebige Bereich elastisch ausgebildet, um sich bei Nachlassen des Zellinnendrucks wieder in Richtung einer Ausgangslage zu verformen. Die Sollbruchstellen und die nachgiebigen Bereiche sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Risiko eines unkontrollierten Berstens des Batteriezellgehäuses reduziert ist. Weiter bevorzugt sind die Sollbruchstellen und die nachgiebigen Bereiche derart ausgebildet, dass die Batteriezelle in einem vordefinierten Normalbetriebsbereich besonders formstabil bleibt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass elektrische Koppelelemente, wie beispielsweise Ableiterterminals, elektrische Pole oder dergleichen zumindest teilweise in die Zellwandung eingebettet sind, vorzugsweise im Rahmen des Herstellungsprozesses der Zellwandung. Auf diese Weise sind spätere Montageschritte der elektrischen Komponenten entbehrlich.
Ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse hat gegenüber herkömmlichen Batteriezellgehäusen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Gewicht des Batteriezellgehäuses reduziert wird. Zudem ist durch die erfindungsgemäße Verwendung des Faserverbundwerkstoffs ein Batteriezellgehäuse bereitstellbar, welches eine hohe Steifigkeit aufweist und sich infolge eines Druckanstiegs innerhalb des Zellinnenraums, beispielsweise durch einen Ladezustand des Aktivmaterials, eine Erwärmung des Aktivmaterials, Ausgasungen aus dem Aktivmaterial oder dergleichen, nicht oder zumindest weniger stark ausdehnt als herkömmliche Zellgehäuse aus Metall. Ferner ist ein Wärmeaustausch durch die Zellwandung reduzierbar und über zusätzliche Wärmeleitvorrichtungen gezielt steuerbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Batteriezellgehäuse vorgesehen sein, dass die Verstärkungsfasern elektrisch isolierende Verstärkungsfasern aufweisen. Unter elektrisch isolierenden Verstärkungsfasern werden im Rahmen der Erfindung Verstärkungsfasern verstanden, die eine besondere Eignung aufweisen, elektrischen Strom nicht zu leiten oder zumindest nur verhältnismäßig schlecht zu leiten. Als elektrisch isolierende Verstärkungsfasern sind Glasfasern bevorzugt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise interne Kurzschlüsse bei einer Batteriezelle mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse vermeidbar sind. Überdies sind ungewollte Stromflüsse über die Zellwandung zu einer Umgebung des Batteriezellgehäuses auf vorteilhafte Weise verhinderbar.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Verstärkungsfasern elektrisch leitende Verstärkungsfasern aufweisen. Unter elektrisch leitenden Verstärkungsfasern werden im Rahmen der Erfindung Verstärkungsfasern verstanden, die eine besondere Eignung aufweisen, elektrischen Strom zu leiten. Als elektrisch leitende Verstärkungsfasern sind erfindungsgemäß Kohlefasern bevorzugt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Verstärkungsfasern elektrisch isolierende Verstärkungsfasern und zusätzlich elektrisch leitende Verstärkungsfasern aufweisen. Hierbei ist es bevorzugt, dass die isolierenden Verstärkungsfasern in Bereichen der Zellwandung angeordnet sind, in welchen eine elektrische Isolierung aus technischen Gesichtspunkten vorteilhaft ist, beispielsweise zur Vermeidung von Kurzschlüssen innerhalb der Batteriezelle oder unerwünschten elektrischen Kopplungen der Batteriezelle mit Objekten in der Umgebung der Batteriezelle. Ferner ist es hierbei bevorzugt, dass die elektrisch leitenden Verstärkungsfasern in Bereichen der Zellwandung angeordnet sind, in welchen ein elektrisches Kontaktieren oder ein Stromfluss aus technischen Gesichtspunkten vorteilhaft ist, beispielsweise für eine gezielte elektrische Kopplung, wie beispielsweise eines Ableiters, Taps oder dergleichen, mit dem Aktivmaterial der Batteriezelle. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine interne sowie externe elektrische Kopplung der Batteriezelle verbesserbar sind.
Weiter bevorzugt weist das Batteriezellgehäuse einen Messanschluss zum elektrischen Koppeln mit einer Strommessvorrichtung auf, wobei die elektrisch leitenden Verstärkungsfasern mit dem Messanschluss elektrisch gekoppelt sind. Auf diese Weise sind die elektrisch leitenden Verstärkungsfasern mit der Strommessvorrichtung elektrisch koppelbar. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die mit dem Messanschluss elektrisch gekoppelten elektrisch leitenden Verstärkungsfasern insbesondere in besonders strukturschwachen Bereichen der Zellwandung angeordnet sind, welche im Falle des Überschreitens eines kritischen Zellinnendrucks eine besonders hohe Wahrscheinlichkeit des Strukturversagens aufweisen und beispielsweise aufbrechen, aufreißen, aufplatzen oder sich verglichen mit anderen Bereichen der Zellwandung verhältnismäßig stark ausdehnen. Überdies ist es bevorzugt, dass die mit dem Messanschluss elektrisch gekoppelten elektrisch leitenden Verstärkungsfasern derart angeordnet sind, dass im Normalbetrieb der Batteriezelle mittels der Strommessvorrichtung in den elektrisch leitenden Verstärkungsfasern kein Strom messbar ist. Die mit dem Messanschluss elektrisch gekoppelten elektrisch leitenden Verstärkungsfasern sind demnach vorzugsweise von dem Aktivmaterial, den Ableitern und den Tabs der Batteriezelle elektrisch isoliert. Durch eine übermäßige Strukturveränderung oder ein Strukturversagen des Batteriezellgehäuses ist eine elektrische Kopplung des Aktivmaterials mit den elektrisch leitenden Verstärkungsfasern bewirkbar. Ein hieraus resultierender Stromfluss zwischen dem Aktivmaterial und den elektrisch leitenden Verstärkungsfasern ist mittels der an dem Messanschluss angeschlossenen Strommessvorrichtung detektierbar und auswertbar. Eine Höhe des Stromflusses steigt grundsätzlich mit der Schwere des Defekts des Batteriezellgehäuses an. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Fehlerzustand des Batteriezellgehäuses detektierbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriezellgehäuse eine Gasdiffusionsbarriere auf. Die Gasdiffusionsbarriere kann beispielsweise auf einer Außenseite des Batteriezellgehäuses und/oder einer Innenseite des Batteriezellgehäuses angeordnet sein. Die Gasdiffusionsbarriere ist vorzugsweise als Metallschicht, wie beispielsweise eine Aluminiumschicht, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsbarriere durch einen Galvanisierungsprozess, einen Plasmaabscheidungsprozess, einen Sputterprozess, einen Lackierprozess, einen Klebeprozess, einen Folienlageprozess, wie beispielsweise im Rahmen eines Thermoformprozesses, hergestellt. Vorzugsweise weist das Batteriezellgehäuse ein Überdruckventil, Vent oder dergleichen auf, um ein gezieltes Abführen von Zellgas zu verbessern. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein unkontrolliertes Ausdiffundieren von Zellgasen durch die Zellwandung verhinderbar ist.
Vorzugsweise weist die Zellwandung eine oder mehrere einstückig mit der Zellwandung ausgebildete Durchführungen auf. Die Durchführungen sind vorzugsweise als Elektrolytbefüllloch, Durchführungen für Ableiterterminals, Durchführungen für Messanschlüsse, Durchführungen für Ventile oder dergleichen ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass die Messanschlüsse bereits am Batteriezellgehäuse angeordnet und vorzugsweise befestigt sind, beispielsweise durch Kunststoffschweißen, Kleben oder dergleichen. Das Elektrolytbefüllloch ist vorzugsweise mittels einer Verschlussvorrichtung, wie beispielsweise einem Stopfen, einer Kappe, einer Vergussmasse oder dergleichen verschließbar ausgebildet. Die Durchführungen sind vorzugsweise vor dem Aushärten des Matrixwerkstoffes hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise zusätzliche Arbeitsschritte zum Bereitstellen der Durchführungen entbehrlich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind elektrische Terminals zum elektrischen Koppeln des Aktivmaterials mit einem außerhalb des Batteriezellgehäuses anordenbaren Objekt in den Matrixwerkstoff der Zellwandung eingebettet. Vorzugsweise sind die elektrischen Terminals derart an der Zellwandung angeordnet, dass in den Zellinnenraum ragende Terminalabschnitte einen Federkontakt zur Herstellung einer federkraftbeaufschlagten elektrischen Kopplung mit dem Aktivmaterial bilden. Zusätzlich oder alternativ ist es bevorzugt, dass die Terminalabschnitte mit dem Aktivmaterial bzw. einem Ableiter des Aktivmaterials verschweißt sind. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine elektrische Kopplung des Aktivmaterials mit den elektrischen Terminals bereitgestellt. Die Einbettung der elektrischen Terminals in die Zellwandung ist vorzugsweise in einem Zustand der Zellwandung erfolgt, in welchem der Matrixwerkstoff noch nicht ausgehärtet ist. Dies kann beispielsweise beim Anordnen der Verstärkungsfasern, einem Vorlaminieren bzw. Imprägnieren der Verstärkungsfasern mit dem Matrixwerkstoff oder nach dem Beaufschlagen der Verstärkungsfasern mit dem Matrixwerkstoff sein. Alternativ kann die Zellwandung bereits als Halbzeug bereitgestellt werden, bei welchem Verstärkungsfasern in einen thermoplastischen Matrixwerkstoff eingebettet sind. Durch Erwärmung und Umformung ist das Halbzeug weiterbearbeitbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die elektrischen Terminals an dem Batteriezellgehäuse anordenbar sind. Spanende Fertigungsverfahren zum Erzeugen von Durchführungen in den Zellwandungen, zum Einführen der elektrischen Terminals sowie Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben der elektrischen Terminals an die Zellwandung, sind somit entbehrlich.
Besonders bevorzugt weist das Batteriezellgehäuse einen Zelldeckel auf, wobei der Zellinnenraum auf einer Seite durch den Zelldeckel verschlossen oder verschließbar ist. Demnach ist mittels des Zelldeckels eine Gehäuseöffnung des Batteriezellgehäuses, durch welche das Aktivmaterial, vorzugsweise als ein einteiliger Block, in den Zellinnenraum einbringbar ist, verschließbar. Durch das Verschließen des Zellinnenraums mittels des Zelldeckels ist der Zellinnenraum vorzugsweise fluiddicht nach außen abdichtbar, insbesondere um ein Ausfließen des Elektrolyten oder eine Verunreinigung des Zellinnenraus durch Staub, Schmutz, Flüssigkeiten, Feuchtigkeit oder dergleichen zu vermeiden. Der Zelldeckel ist vorzugsweise durch Kleben, Kunststoffschweißen oder ein Pressfügeverfahren, insbesondere ein wärmeunterstütztes Pressfügeverfahren, an der Gehäusewandung fixiert oder fixierbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine leichte Montage des Aktivmaterials in den Zellinnenraum sowie eine Abdichtung des Zellinnenraums nach außen gewährleistbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Batteriezelle für eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gelöst. Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse auf, wobei das elektrische Aktivmaterial in dem Zellinnenraum des Batteriezellgehäuses angeordnet ist. Das elektrische Aktivmaterial ist vorzugsweise als ein Block ausgebildet. Das Aktivmaterial weist vorzugsweise Lithiumionen auf.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Batteriezellgehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Batteriezelle gegenüber herkömmlichen Batteriezellen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Gesamtgewicht der Batteriezelle reduziert ist. Diese Gewichtsreduzierung wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses erzielt, da dieses gegenüber herkömmlichen Batteriezellgehäusen ein reduziertes Gesamtgewicht aufweist. Die Zellwandung des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist einen Faserverbundwerkstoff und somit zudem eine hohe Steifigkeit auf. Die Zellwandung dehnt sich infolge eines Druckanstiegs innerhalb des Zellinnenraums, beispielsweise durch einen Ladezustand des Aktivmaterials, eine Erwärmung des Aktivmaterials, Ausgasungen aus dem Aktivmaterial oder dergleichen, nicht oder zumindest weniger stark aus als herkömmliche Zellgehäuse aus Metall. Ferner ist ein Wärmeaustausch durch die Zellwandung reduzierbar und über zusätzliche Wärmeleitvorrichtungen gezielt steuerbar.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Batterie für ein Kraftfahrzeug gelöst. Die Batterie weist ein Batteriegehäuse mit einer Gehäusewandung und einem von der Gehäusewandung in mehrere Richtungen nach außen begrenzten Gehäuseinnenraum auf. Erfindungsgemäß sind in dem Gehäuseinnenraum mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen angeordnet und miteinander verschaltet. Vorzugsweise weist die Gehäusewandung einen Faserverbundwerkstoff auf, wobei der Faserverbundwerkstoff Verstärkungsfasern und einen thermoplastischen oder duroplastischen Matrixwerkstoff aufweist. Elektrische Anschlüsse der Batterie sind vorzugsweise in die Gehäusewandung integriert, dies ist vorzugsweise vor Aushärten des Matrixwerkstoffs der Gehäusewandung erfolgt.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Batteriezellgehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Batteriezelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Batterie gegenüber herkömmlichen Batterien den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Gesamtgewicht der Batterie reduziert ist. Diese Gewichtsreduzierung wird durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse erzielt, da diese gegenüber herkömmlichen Batteriezellgehäusen ein reduziertes Gesamtgewicht aufweisen. Die Zellwandungen der erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse weisen einen Faserverbundwerkstoff und somit zudem eine hohe Steifigkeit auf. Die Zellwandungen dehnen sich infolge eines Druckanstiegs innerhalb des Zellinnenraums, beispielsweise durch einen Ladezustand des Aktivmaterials, eine Erwärmung des Aktivmaterials, Ausgasungen aus dem Aktivmaterial oder dergleichen, nicht oder zumindest weniger stark aus als herkömmliche Zellgehäuse aus Metall. Ferner ist ein Wärmeaustausch durch die Zellwandung reduzierbar und über zusätzliche Wärmeleitvorrichtungen gezielt steuerbar.
Ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse, eine erfindungsgemäße Batteriezelle sowie eine erfindungsgemäße Batterie werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einer Schnittdarstellung ein Batteriezellgehäuse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 in einer Schnittdarstellung eine Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
3 in einer Schnittdarstellung eine Batterie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Batteriezellgehäuse 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Das Batteriezellgehäuse 1 weist eine Zellwandung 5 auf, die einen Zellinnenraum 6 in diesem Ausführungsbeispiel von fünf Seiten umgibt, sodass der Zellinnenraum 6 über eine Zellöffnung 17 von außen zugänglich ist. Die Zellöffnung 17 ist beispielhaft an einer Oberseite des Batteriezellgehäuses 1 dargestellt, kann aber auch an einer anderen Seite, wie beispielsweise seitlich, angeordnet sein. Mehrere Zellöffnungen können im Rahmen der Erfindung ebenfalls vorgesehen sein. In dem dargestellten Zustand ist elektrisches Aktivmaterial 4 (vgl. 2) über die Zellöffnung 17 in den Zellinnenraum 6 einbringbar. Zum Verschließen der Zellöffnung 17 weist das Batteriezellgehäuse 1 einen Zelldeckel 13 auf, der derart fluiddicht an der Zellwandung 5 fixierbar ist, dass der Zellinnenraum 6 nach außen fluiddicht abgedichtet ist. In einer in dieser Darstellung rechten Zellwandung 5 ist eine verschließbare Durchführung 11 zum Einfüllen einer Elektrolytflüssigkeit ausgebildet.
Die Zellwandung 5 weist einen Faserverbundwerkstoff mit Verstärkungsfasern 7 und einem Matrixwerkstoff 8 auf. In eine in dieser Darstellung linken Zellwandung 5 ist ein Messanschluss 9 zum elektrischen Koppeln mit einer Messvorrichtung, wie beispielsweise einer Strommessvorrichtung, integriert. Der Messanschluss ist mit elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern 7 der Zellwandungen 5 elektrisch gekoppelt und vorzugsweise gegenüber dem Zellinnenraum 6 isoliert, beispielsweise durch den Einsatz des Matrixwerkstoffs 8, elektrisch isolierender Verstärkungsfasern 7 und/oder einer nicht dargestellten zusätzlichen Isoliervorrichtung. Ferner sind zwei elektrische Terminals 12 zum elektrischen Koppeln innerhalb einer Batterie 3 in dieselbe Zellwandung 5 integriert. Die Terminals 12 können alternativ in den Zelldeckel 13 integriert sein. Die Innenflächen der Zellwandungen 5 und des Zelldeckels 13 weisen eine Gasdiffusionsbarriere 10, beispielsweise in Form einer zellgasbeständigen sowie zellgasundurchlässigen Lackschicht, auf.
2 zeigt eine Batteriezelle 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung. Die Batteriezelle 2 weist ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse 1 auf, in welchem elektrisches Aktivmaterial 4, das vorzugsweise als ein Block ausgebildet ist, zusammen mit einer Elektrolytflüssigkeit angeordnet ist. Das elektrische Aktivmaterial 4 ist mit den elektrischen Terminals 12 derart gekoppelt, dass eine Anode des Aktivmaterials 4 mit einem der elektrischen Terminals 12 und eine Kathode des Aktivmaterials 4 mit einem anderen der elektrischen Terminals 12 elektrisch gekoppelt ist. Die Durchführung 11 (vgl. 1) ist mittels einer Verschlussmasse 18 fluiddicht verschlossen. Der Zelldeckel 13 ist an der Zellwandung 5 derart angeordnet, dass der Zellinnenraum 6 nach außen fluiddicht verschlossen ist.
In 3 ist eine Batterie 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung dargestellt. Die Batterie 3 weist ein Batteriegehäuse 14 auf, welches aus der Zeichenebene heraus offen ist. Ein Gehäusedeckel ist nicht dargestellt. Das Batteriegehäuse 14 weist eine Gehäusewandung 15 aus einem Faserverbundwerkstoff mit Verstärkungsfasern 7 und einem Matrixwerkstoff 8 auf. Durch die Gehäusewandung 15 ist ein Gehäuseinnenraum 16 gebildet und nach außen begrenzt. In dem Gehäuseinnenraum 16 sind mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen 2 angeordnet und über einen im Gehäuseinnenraum 16 angeordneten Zellanschluss 19 mit Batterieelektronikkomponenten 20 elektrisch verschaltet. Die Batterieelektronikkomponenten 20 sind mit einem in einer Gehäusewandung 15 integrierten Batterieanschluss 21 zum elektrischen Koppeln der Batterie 3 mit einem Kraftfahrzeug elektrisch gekoppelt.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezellgehäuse
2: Batteriezelle
3: Batterie
4: Aktivmaterial
5: Zellwandung
6: Zellinnenraum
7: Verstärkungsfaser
8: Matrixwerkstoff
9: Messanschluss
10: Gasdiffusionsbarriere
11: Durchführung
12: elektrisches Terminal
13: Zelldeckel
14: Batteriegehäuse
15: Gehäusewandung
16: Gehäuseinnenraum
17: Zellöffnung
18: Verschlussmasse
19: Zellanschluss
20: Batterieelektronikkomponenten
21: Batterieanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2021/0066686 A1 [0004]
DE 102019215335 A1 [0005]
US 2020/0112000 A1 [0005]

Claims

Batteriezellgehäuse (1) für eine Batteriezelle (2) für eine Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug zur Aufnahme eines elektrischen Aktivmaterials (4) der Batteriezelle (2), aufweisend eine Zellwandung (5) und einen von der Zellwandung (5) in mehrere Richtungen nach außen begrenzten Zellinnenraum (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwandung (5) einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei der Faserverbundwerkstoff Verstärkungsfasern (7) und einen thermoplastischen oder duroplastischen Matrixwerkstoff (8) aufweist.
Batteriezellgehäuse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (7) elektrisch isolierende Verstärkungsfasern (7) aufweisen.
Batteriezellgehäuse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (7) elektrisch leitende Verstärkungsfasern (7) aufweisen.
Batteriezellgehäuse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse (1) einen Messanschluss (9) zum elektrischen Koppeln mit einer Strommessvorrichtung aufweist, wobei die elektrisch leitenden Verstärkungsfasern (7) mit dem Messanschluss (9) elektrisch gekoppelt sind.
Batteriezellgehäuse (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse (1) eine Gasdiffusionsbarriere (10) aufweist.
Batteriezellgehäuse (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwandung (5) eine oder mehrere einstückig mit der Zellwandung (5) ausgebildete Durchführungen (11) aufweist.
Batteriezellgehäuse (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Terminals (12) zum elektrischen Koppeln des Aktivmaterials (4) mit einem außerhalb des Batteriezellgehäuses (1) anordenbaren Objekt in den Matrixwerkstoff (8) der Zellwandung (5) eingebettet sind.
Batteriezellgehäuse (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse (1) einen Zelldeckel (13) aufweist, wobei der Zellinnenraum (6) auf einer Seite durch den Zelldeckel (13) verschlossen oder verschließbar ist.
Batteriezelle (2) für eine Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein elektrisches Aktivmaterial (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (2) ein Batteriezellgehäuse (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist, wobei das elektrische Aktivmaterial (4) in dem Zellinnenraum (6) des Batteriezellgehäuses (1) angeordnet ist.
Batterie (3) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Batteriegehäuse (14) mit einer Gehäusewandung (15) und einem von der Gehäusewandung (15) in mehrere Richtungen nach außen begrenzten Gehäuseinnenraum (16), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseinnenraum (16) mehrere Batteriezellen (2) nach Anspruch 9 angeordnet und miteinander verschaltet sind.