DE102022103025A1

DE102022103025A1 - Batteriezelle sowie Verfahren zur Befüllung einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022103025A1
Application number: DE102022103025.3A
Authority: DE
Inventors: Kristian Lippky; Alfonso Sanmartin Pensado; Alexander Tornow; Michael Schmidt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit einem Gehäuse (12), umfassend eine Bodenwand (14), eine Deckenwand (16) sowie mehrere Seitenwände (18, 19), wobei in dem Gehäuse (12) ein Zellstapel (32) angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass in der Bodenwand (14) eine Befüllungsöffnung (20) ausgebildet ist, wobei in der Befüllungsöffnung (20) ein Befüllungsventil (28) angeordnet ist, welches eine Befüllung des Gehäuses (12) mit einem Elektrolyt (44) ermöglicht.Die Erfindung betrifft ferner eine Befüllungsanlage (50) zum Befüllen einer solchen Batteriezelle (10) mit einem Elektrolyt (44) sowie ein Verfahren zum Befüllen einer solchen Batteriezelle (10) mit einem Elektrolyt (44).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, eine Befüllungsanlage für eine solche Batteriezelle sowie ein Verfahren zum Befüllen einer solchen Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Eine prismatische Batteriezelle besitzt ein festes Gehäuse. Um die Anforderungen an eine möglichst hohe Energiedichte zu realisieren, ist das innere Volumen in diesem Gehäuse nahezu vollständig mit Elektroden, Separatoren und weiteren Komponenten ausgefüllt. Das freie Volumen der Batteriezelle unterschreitet das Volumen des in die Batteriezelle einzufüllenden Elektrolyten. Um die Batteriezelle trotz der nahezu vollständigen Ausfüllung des Gehäuses durch die Elektroden, Separatoren und weiteren Komponenten mit Elektrolyt zu befüllen ist ein zeitaufwendiger, mehrstufiger Befüllungsprozess notwendig, um die Benetzung der im Gehäuse angeordnete Batteriekomponenten abzuwarten und dann entsprechend weiteres Elektrolyt nachzufüllen.
Insbesondere besteht bei aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezellen eine besondere Herausforderung darin, dass die Benetzung der Elektroden und Separatoren während der Befüllung der Batteriezelle aktuell nicht in-situ geprüft werden kann. Daraus folgt eine empirische Auslegung der Befüllungszeiten mit zeitlichem Sicherheitsaufschlag, welche zu langen Befüllungs- und Benetzungszeiten von mehr als 30 Minuten pro Batteriezelle führen können und folglich hohe Kosten bezüglich Investitionen, Personal, Produktionsfläche und Energieverbrauch durch eine entsprechend große Dimensionierung der Befüllungsstationen führen.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Befüllung der Batteriezellen in der Regel von oben erfolgt. Daraus folgt, dass der Elektrolyt beim Einlaufen in die Batteriezelle alle Seiten des Zellstapels gleichzeitig benetzt oder aufgrund des geringen Bauraums ein vollständiges Benetzen gar nicht möglich ist und eine zusätzliche Wartezeit für die Benetzung inklusive eines zweiten Befüllungsvorgangs nötig wird. Durch die umlaufende Benetzung und die vor dem Start des Befüllungsvorgangs in der Batteriezelle befindliche Luft besteht die Gefahr einer Blasenbildung im Inneren des Zellstapels. Daraus resultieren trockene, d.h. nicht oder nicht ausreichend von Elektrolyt benetzte Bereiche in der Batteriezelle, die nicht an der chemischen Reaktion beim Laden und Entladen der Batteriezelle teilnehmen. Eine solche Batteriezelle müsste bei einer Linienendprüfung in der Produktion als nicht in Ordnung aussortiert werden und führt zu Ausschuss.
Eine bekannte Lösung beim Befüllen der Batteriezelle besteht darin, neben der Befüllungsöffnung eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen in der Batteriezelle vorzusehen, um der durch das eingefüllte Elektrolyt verdrängten Luft eine einfach Möglichkeit zu geben, den Innenraum der Batteriezelle zu verlassen. Da aber jede Öffnung im Gehäuse der Batteriezelle eine Schwächung der mechanischen Struktur darstellt, sind solche zusätzlichen Öffnungen aus Festigkeitsgründen unerwünscht. Eine zusätzliche Öffnung zum Austritt der aus dem Innenraum der Batteriezelle verdrängten Luft beschleunigt zwar die Befüllung der Batteriezelle mit Elektrolyt, aufgrund der Befüllung und Benetzung ist der Befüllungsprozess aber auch mit einer weiteren Öffnung nur schwer zu kontrollieren, da jede Befüllungsöffnung während des Befüllungsvorgangs mindestens einmal provisorisch verschlossen und geöffnet werden muss, bevor das endgültige Schließen per Schweißprozess erfolgt.
Aus der US 2014/0 315 049 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches mindestens eine Lithium-Zelle mit einem Elektrolyten umfasst, wobei der Elektrolyt mindestens ein, mit einer Elektrolytflüssigkeit getränktes oder tränkbares Polymer umfasst. Um das Leistungsvermögen, die Lebensdauer und die Sicherheit des Batteriesystems zu erhöhen, umfasst das Batteriesystem weiterhin mindestens eine Elektrolytflüssigkeitsdosiereinrichtung, durch welche der Lithium-Zelle mindestens eine Komponente der Elektrolytflüssigkeit zuführbar ist und/oder durch welche Elektrolytflüssigkeit aus der Lithium-Zelle abführbar ist. Darüber hinaus sind aus der US 2014 / 0 315 049 A1 eine Elektrolytflüssigkeitsdosiereinrichtung, eine Lithium-Zelle, ein Verfahren sowie ein mobiles oder stationäres System zum Befüllen der Lithium-Zelle bekannt.
Die US 2013/0 312 869 A1 beschreibt ein Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Zelle, die in ihrem Innern mindestens einen Elektrodenstapel und eine den/die Elektrodenstapel zumindest teilweise umschließende Hülle aufweist. Dabei wird im Innern der Zelle ein Unterdruck erzeugt und dann das Innere der Zelle mit einer Elektrolytzuführung verbunden. Um ein gleichmäßiges und vollständiges Füllen der Zelle mit dem Elektrolyten zu fördern, werden bei angeschlossener Elektrolytzuführung abwechselnd ein erster Druck und ein zweiter Druck im Wesentlichen an eine gesamte Außenseite der Zelle angelegt, wobei der zweite Druck niedriger als der erste Druck ist.
Die US 8 568 911 B2 offenbart einen Akkumulator mit einem Gehäuse, das aus einer Oberseite, einer Unterseite und einer Seitenwand gebildet ist und einen Hohlraum begrenzt. Die obere Fläche enthält eine Elektrolytinjektionsöffnung. Das Gehäuse hat auch eine seitliche Öffnung, die in einem unteren Bereich der Seitenwand ausgebildet ist und eine Reservoirzone für eine flüssige Elektrolytlösung definiert. Die Reservoirzone wird durch die Unterseite, die Seitenwand und eine Ebene A begrenzt, die parallel zur Unterseite verläuft und durch den unteren Rand der seitlichen Öffnung verläuft.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Befüllen einer Batteriezelle mit Elektrolyt weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle gelöst mit einem Gehäuse, umfassend eine Bodenwand, eine Deckenwand sowie mehrere Seitenwände, sowie einem in dem Gehäuse angeordneten Zellstapel. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse ferner eine in der Bodenwand ausgebildete Befüllungsöffnung auf, wobei in der Befüllungsöffnung ein Befüllungsventil angeordnet ist, welches ausgebildet ist, eine Befüllung des Gehäuses mit einem Elektrolyt zu ermöglichen.
Unter einer Bodenwand ist in diesem Zusammenhand eine Fläche zu verstehen, welche gegenüber dem restlichen Gehäuse die geringste geodätische Höhe aufweist. Unter einer Deckenwand ist in diesem Zusammenhang eine Fläche zu verstehen, welche im Vergleich zum restlichen Gehäuse die größte geodätische Höhe aufweist. Die Seitenwände verbinden jeweils die Bodenwand mit der Deckenwand miteinander. Unter einer Befüllung des Gehäuses ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass ein durch das Gehäuse umgebenes bzw. eingeschlossenes Volumen befüllt wird. Dabei wird nicht das Gehäuse als solches befüllt, sondern der von einer Innenwand des Gehäuses begrenzte Innenraum der Batteriezelle.
Die vorgeschlagene Batteriezelle ermöglicht ein besonders schnelles und einfach steuer- oder regelbares Befüllen einer Batteriezelle mit einem Elektrolyt, da die vor dem Befüllungsvorgang in dem Gehäuse befindliche Luft durch das von unten einströmende Elektrolyt nach oben verdrängt wird. Dadurch sind kurze Befüllungs- und Benetzungszeiten möglich. Ferner kann eine Blasenbildung in dem Gehäuse vermieden werden, da die Luft im Inneren des Zellstapels betriebssicher durch das einströmende Elektrolyt verdrängt wird und somit keine Blasen entstehen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch aufgeführten Batteriezelle möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einer der Seitenwände oder in der Deckenwand eine Entlüftungsöffnung ausgebildet ist, durch welche in dem Gehäuse befindliche Luft entweichen kann. Dadurch ist eine besonders sichere Befüllung des Gehäuses mit dem Elektrolyt möglich. Durch eine Entlüftungsöffnung, welche geodätisch deutlich oberhalb der Befüllungsöffnung in der Bodenwand liegt, kann die Luft in dem Gehäuse besonders einfach verdrängt werden und aus dem Gehäuse entweichen.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass in der Deckenwand eine Entlüftungsöffnung ausgebildet ist, durch welche in dem Gehäuse befindliche Luft entweichen kann. Eine Öffnung in der Deckenwand ermöglicht ebenfalls ein kontrolliertes Entweichen der Luft aus dem Gehäuse beim Einströmen des Elektrolyten.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass in die Entlüftungsöffnung ein Füllstandsensor eingesetzt ist, mit welchem ein Füllstand des Elektrolyten bei der Befüllung der Batteriezelle detektierbar ist. Durch einen in die Entlüftungsöffnung eingesetzten Füllstandsensor kann der Befüllungsprozess auf einfache Art und Weise geregelt werden.
Der Zellstapel ist aus einer Vielzahl von alternierend gestapelten Kathoden und Anoden aufgebaut, welche jeweils durch einen Separator getrennt werden. Der Zellstapel wird zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen beim Einführen in das Gehäuse durch eine Folie umwickelt, die gegebenenfalls durch Schienen unterstützt sein kann. Dadurch resultiert insbesondere an den großen Seitenflächen des Zellstapels ein geringer Bauraum zwischen dem Gehäuse und dem Zellstapel. Eine Benetzung erfolgt somit denkbar schlecht von oben, da sich das Elektrolyt bei einer Befüllung von oben auf dem Zellstapel sammelt und an den Seitenwänden des Zellstapels herunterläuft, um den Bauraum unter dem Zellstapel zu füllen. Erst durch die Kapillarwirkung während der Benetzungsphase wird der Stapel von innen getränkt, was ggf. einen weiteren Elektrolytbefüllschritt notwendig macht weil die Freivolume in der Zelle geringer als die benötige Elektrolytmenge sind. Durch die vorliegende Erfindung wird das Elektrolyt von unten in den Zellstapel gedrückt. Durch die Kapillarwirkung wird die Benetzung der Elektroden und Separatoren beschleunigt und es wird nicht auf eine Verteilung von oben nach unten gewartet. Die Kontrolle des eingebrachten Volumens ermöglicht darüber hinaus eine Kontrolle der eingebrachten Elektrolytmenge.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an einer ersten Seitenwand des Gehäuses ein erstes Terminal und an einer der ersten Seitenwand gegenüberliegenden zweiten Seitenwand ein zweites Terminal ausgebildet ist. Die Verlagerung der Terminals an die Seitenwände des Gehäuses führt zu einer flacheren Bauweise der Batteriezelle, da die Anschlüsse des Batteriesystems seitlich angeordnet werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batteriezelle ist vorgesehen, dass das Befüllungsventil als doppelwandiges Ventil ausgeführt ist. Bei einem doppelwandigen Befüllungsventil kann eine Sicherheitsfunktion in das Befüllungsventil integriert werden. Insbesondere kann ein Ausgleichsvolumen in das Befüllungsventil integriert werden, welches bei einem Überschreiten eines Schwellenwertes für einen maximalen Innendruck in dem Gehäuse einen Volumenausgleich ermöglicht, ohne dass Elektrolyt aus der Batteriezelle austritt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Batteriezelle ist vorgesehen, dass das Befüllungsventil eine Druckbegrenzungsfunktion aufweist und ein Ablassen von Elektrolyt ermöglicht, wenn der Druck im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle einen Schwellenwert übersteigt.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Befüllungsventil eine Berstmembran aufweist, wobei die Berstmembran eine Sollbruchstelle darstellt, wobei ein Druckabbau durch ein Bersten der Berstmembran erfolgt, wenn der Druck im Inneren des Gehäuses der Batteriezelle einen Schwellenwert übersteigt. Dadurch kann auf einfache und effektive Art und Weise verhindert werden, dass der Druck im Zellinneren den Schwellenwert übersteigt und eine weitere Schädigung der galvanischen Zelle eintritt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Schwellenwert im Bereich von 6 bar bis 12 bar, insbesondere im Bereich von 7 bar bis 10 bar, besonders bevorzugt bei etwa 8 bar, liegt. Unter etwa 8 bar ist ein Druck im Bereich von 7,5 bis 8,5 bar zu verstehen. Während des Betriebs der Batteriezelle kann der Betriebsdruck in dem Gehäuse ansteigen. Übersteigt der Druck den Schwellendruck, kann eine Fehlfunktion der Batteriezelle angenommen werden. Daher ist es vorteilhaft, die Batteriezelle bei einem Anstieg des Drucks über den Schwellenwert außer Betrieb zu nehmen und somit einen größeren Schaden zu vermeiden.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Befüllungsanlage zum Befüllen einer solchen Batteriezelle, wobei die Befüllungsanlage einen Vorratsbehälter zur Bevorratung des Elektrolyten und mindestens ein Fördermittel zur Förderung des Elektrolyten aus dem Vorratsbehälter in das Gehäuse der Batteriezelle, insbesondere eine elektrisch oder elektronisch steuer- oder regelbare Pumpe, umfasst, wobei der Vorratsbehälter über eine Leitung mit dem Befüllungsventil in der Bodenwand des Gehäuses der Batteriezelle verbunden ist. Die erfindungsgemäße Befüllungsanlage ermöglicht ein schnelles und kontrolliertes Befüllen der Batteriezellen mit Elektrolyt. Insbesondere kann der Befüllungsprozess auf einfache Art und Weise gesteuert oder geregelt werden, wodurch der Ausschuss bei der Befüllung der Batteriezellen verringert werden kann. Insbesondere können auch die Taktzeiten bei dem Befüllungsprozess verringert werden, wodurch die Produktionskosten und der Flächenbedarf in der Produktion reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Befüllungsanlage ist vorgesehen, dass in der Leitung zwischen dem Vorratsbehälter und dem Befüllungsventil, insbesondere zwischen dem mindestens einen Fördermittel und dem Befüllungsventil, ein Volumenstromsensor zur Erfassung eines Volumenstroms des Elektrolyten angeordnet ist. Ein Volumenstromsensor ermöglicht auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise eine Steuerung oder Regelung des Befüllungsprozesses der Batteriezelle.
In einer weiteren Verbesserung der Befüllungsanlage ist vorgesehen, dass die Befüllungsanlage eine Unterdruckquelle umfasst, wobei die Unterdruckquelle dazu eingerichtet ist, vor oder während der Befüllung des Gehäuses der Batteriezelle in dem Gehäuse einen Unterdruck zu erzeugen, um das Einströmen des Elektrolyten in das Gehäuse und den Zellstapel zu begünstigen. Durch eine Unterdruckquelle kann der Befüllungsprozess weiter beschleunigt werden und/oder die Ausschussrate bei der Befüllung weiter reduziert werden. Insbesondere kann die Gefahr einer Blasenbildung in dem Gehäuse bei der Befüllung mit Elektrolyt weiter verringert werden und somit die Qualität des Befüllungsprozesses erhöht werden.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer solchen Batteriezelle, welches folgende Schritte umfasst:

- Fördern eines Elektrolyten zu dem Befüllungsventil in der Bodenwand des Gehäuses der Batteriezelle,
- Öffnen des Befüllungsventils, wobei der Elektrolyt durch die Befüllungsöffnung in der Bodenwand in das Gehäuse einströmt,
- Schließen des Befüllungsventils.

Ein solches Verfahren ermöglicht eine einfache und kontrollierte Befüllung des Gehäuses mit Elektrolyt. Insbesondere kann mit dem Verfahren die Taktzeit reduziert werden und die Gefahr einer Blasenbildung bei der Benetzung des Zellstapels verringert werden.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Volumenstrom und/oder ein Druck des in das Gehäuse einströmenden Elektrolyten erfasst wird/werden. Durch die Erfassung eines Volumenstroms kann die Elektrolytzufuhr auf einfache Art und Weise gesteuert oder geregelt werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Füllstand des Elektrolyten in dem Gehäuse der Batteriezelle erfasst und der Zustrom von Elektrolyt in Abhängigkeit vom Füllstand und/oder vom Volumenstrom des einströmenden Elektrolyten gesteuert oder geregelt wird. Durch die Erfassung des Füllstands im Gehäuse kann die Prozessführung bei der Befüllung des Gehäuses mit Elektrolyt weiter optimiert werden. Insbesondere kann die Regelung des Befüllungsprozesses weiter verbessert und die Taktzeit beim Befüllen des Gehäuses weiter verringert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein aus dem Gehäuse der Batteriezelle ausströmender Gasstrom, insbesondere ein durch den Elektrolyt verdrängter Luftstrom, gemessen wird, und die Zufuhr in Abhängigkeit von dem aus dem Gehäuse verdrängten Gas gesteuert oder geregelt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens zum Befüllen einer Batteriezelle ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse vor oder während eines Befüllungsvorgangs ein Unterdruck erzeugt wird, welcher das Einströmen des Elektrolyten in das Gehäuse der Batteriezelle begünstigt. Durch das Erzeugen eines Unterdrucks kann das Einströmen von Elektrolyt in das Gehäuse und das Benetzen der Komponenten des Zellstapels weiter verbessert werden. Dadurch lassen sich die Taktzeiten bei der Befüllung des Gehäuses mit Elektrolyt weiter reduzieren.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
2 eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einer Befüllungsanlage zu Beginn eines Befüllungsvorgangs der Batteriezelle;
3 eine erfindungsgemäße Batteriezelle während eines Befüllungsvorgangs der Batteriezelle;
4 eine alternativ Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einer schematischen Darstellung; und
5 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Befüllen einer solchen Batteriezelle mit einem Elektrolyt.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10 in einer schematischen Darstellung. Die Batteriezelle 10 ist vorzugsweise als prismatische Batteriezelle 46 ausgeführt. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Bodenwand 14, einer Deckenwand 16 sowie mehreren Seitenwänden 18, 19, welche die Bodenwand 14 mit der Deckenwand 16 verbinden. In der Bodenwand 14 ist eine Befüllungsöffnung 20 ausgebildet, in welche ein Befüllungsventil 28 eingesetzt ist. An einer ersten Seitenwand 18 ist ein erstes Terminal 24, vorzugsweise ein Pluspol, ausgebildet. An einer der ersten Seitenwand 18 gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 19 ist ein zweites Terminal 26, insbesondere ein Minuspol, ausgebildet. In dem Gehäuse 12 ist ein Zellstapel 32 angeordnet, welcher mindestens eine Anode 34, eine Kathode 36 und eine zwischen der Anode 34 und Kathode 36 angeordneten Separationsschicht 38 aufweist. Ferner kann in der Deckenwand 14 oder in einer der Seitenwände 18, 19 eine Entlüftungsöffnung 22 ausgebildet sein, damit die im Gehäuse 12 befindliche Luft bei einem Befüllungsvorgang des Gehäuses 12 mit Elektrolyt 44 aus dem Gehäuse 12 entweichen kann.
In 2 ist eine Befüllungsanlage 50 zum Befüllen einer solchen Batteriezelle 10 mit einem Elektrolyt 44 in schematischer Darstellung gezeigt. Die Befüllungsanlage 50 umfasst einen Vorratsbehälter 52 zur Bevorratung des Elektrolyten 44, ein Fördermittel 54, vorzugsweise eine Pumpe 56, zur Förderung des Elektrolyten 44 aus dem Vorratsbehälter 52 in das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 sowie eine Leitung 60 mit welcher der Vorratsbehälter 52 mit dem Befüllungsventil 28 in der Bodenwand 14 des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 verbunden ist.
Die Befüllungsanlage 50 kann zusätzlich einen Volumenstromsensor 58 umfassen, welcher in der Leitung 60 zwischen dem Vorratsbehälter 52 und dem Befüllungsventil 28, vorzugsweise zwischen der Pumpe 56 und dem Befüllungsventil 28 angeordnet ist. Die Befüllungsanlage 50 kann ferner einen Füllstandsensor 30 umfassen, welcher in eine Entlüftungsöffnung 22 im Gehäuse 12 eingesetzt ist und den Elektrolyt-Füllstand im Gehäuse 12 erfasst. Die Befüllungsanlage 50 umfasst ferner ein Steuergerät 70 mit einer Speichereinheit 72 und einer Recheneinheit 74, wobei in der Speichereinheit 72 ein maschinenlesbarer Programmcode 67 angelegt ist, welcher bei Ausführung durch die Recheneinheit 74 des Steuergerätes 70 eine Befüllung der Batteriezelle 10 mit Elektrolyt 44 steuert oder regelt.
Die Befüllungsanlage 50 kann ferner eine Unterdruckquelle 62 umfassen, welche dazu eingerichtet ist, vor und/oder während der Befüllung des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 in dem Gehäuse 12 einen Unterdruck zu erzeugen, um das Einströmen des Elektrolyten in das Gehäuse 12 zu begünstigen. In 2 ist die Befüllungsanlage 50 vor einem Start eines Befüllungsvorgangs bei noch geschlossenem Befüllungsventil 28 dargestellt.
3 zeigt die Befüllungsanlage 50 und die Batteriezelle 10 in einem fast vollständig befüllten Zustand. Dabei wird ein Volumenstrom des in das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 einströmenden Elektrolyten oder ein Druck des in das Gehäuse 12 einströmenden Elektrolyten erfasst und die Elektrolytzufuhr in Abhängigkeit von dem Druck oder dem Volumenstrom gesteuert oder regelt. Natürlich ist es auch möglich sowohl den Volumenstrom als auch den Druck zu erfassen. Ferner wird durch den Füllstandsensor 30 der Füllstand des Elektrolyten 44 in dem Gehäuse 12 erfasst und eine Zufuhr von Elektrolyt 44 durch ein Schließen des Befüllungsventils 28 beendet, wenn der Füllstand einen definierten Schwellenwert erreicht oder überschritten hat.
In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10 dargestellt. Die Batteriezelle 10 ist vorzugsweise als prismatische Batteriezelle 46 ausgeführt. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit einer Bodenwand 14, einer Deckenwand 16 sowie mehreren Seitenwänden 18, 19, welche die Bodenwand 14 mit der Deckenwand 16 verbinden. In der Bodenwand 14 ist eine Befüllungsöffnung 20 ausgebildet, in welche ein Befüllungsventil 28 eingesetzt ist. An einer ersten Seitenwand 18 ist ein erstes Terminal 24, vorzugsweise ein Pluspol, ausgebildet. An einer der ersten Seitenwand 18 gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 19 ist ein zweites Terminal 26, insbesondere ein Minuspol, ausgebildet. In dem Gehäuse 12 ist ein Zellstapel 32 angeordnet, welcher mindestens eine Anode 34, eine Kathode 36 und eine zwischen der Anode 34 und Kathode 36 angeordneten Separationsschicht 38 aufweist. Ferner ist in der Deckenwand 16 eine Entlüftungsöffnung 22 ausgebildet, damit die im Gehäuse 12 befindliche Luft bei einem Befüllungsvorgang des Gehäuses 12 mit Elektrolyt 44 aus dem Gehäuse 12 entweichen kann. An der Entlüftungsöffnung 22 sind eine Unterdruckquelle 62 und ein Füllstandsensor 30 angeordnet, um vor oder während der Befüllung des Gehäuses 12 einen Unterdruck zu erzeugen und somit das Einströmen des Elektrolyten 44 und die Benetzung der Komponenten 34, 36, 38 des Zellstapels zu begünstigen.
In 5 ist ein Ablaufdiagram zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Befüllung einer Batteriezelle 10 mit Elektrolyt 44 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird durch die Unterdruckquelle 62 ein Unterdruck in dem Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 erzeugt und zumindest eine Teilmenge des in dem Gehäuse 12 befindlichen Gases abgesaugt. In einem Verfahrensschritt <110> wird der Elektrolyt 44 durch das Fördermittel 54, vorzugsweise durch die Pumpe 56, zu dem Befüllungsventil 28 in der Bodenwand des Gehäuses 12 der Batteriezelle 10 gefördert. In einem Verfahrensschritt <120> öffnet das Befüllungsventil 28 und der Elektrolyt 44 strömt in das Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 ein. Dabei werden die Komponenten 34, 36, 38 des Zellstapels 32 benetzt. In einem Verfahrensschritt <130> wird der Volumenstrom des in das Gehäuse 12 einströmenden Elektrolyten 44 durch den Volumenstromsensor 58 erfasst. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <140> der Füllstand des Elektrolyten 44 in dem Gehäuse 12 erfasst. Durch die Erfassung des Volumenstroms und des Füllstands kann die Elektrolytzufuhr regelt werden, wodurch sich der Befüllungsprozess schnell und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar steuern oder regeln lässt. In einem Verfahrensschritt <150> wird das Befüllungsventil 28 geschlossen, wenn der Elektrolyt-Füllstand einen definierten Wert erreicht hat und eine vollständige Benetzung der Komponenten 34, 36, 38 des Zellstapels 32 sichergestellt ist.
In einer vereinfachten Ausführungsform des Verfahrens kann der erste Verfahrensschritt <100> auch entfallen.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezelle
12: Gehäuse
14: Bodenwand
16: Deckenwand
18: erste Seitenwand
19: zweite Seitenwand
20: Befüllungsöffnung
22: Entlüftungsöffnung
24: erstes Terminal
26: zweites Terminal
28: Befüllungsventil
30: Füllstandsensor
32: Zellstapel
34: Anode
36: Kathode
38: Separationsschicht
40: Doppelwandiges Ventil
42: Berstmembran
44: Elektrolyt
46: prismatische Batteriezelle
50: Befüllungsanlage
52: Vorratsbehälter
54: Fördermittel
56: Pumpe
58: Volumenstromsensor
60: Leitung
62: Unterdruckquelle
70: Steuergerät
72: Speichereinheit
74: Recheneinheit
76: Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140315049 A1 [0006]
US 20130312869 A1 [0007]
US 8568911 B2 [0008]

Claims

Batteriezelle (10) mit einem Gehäuse (12), umfassend eine Bodenwand (14), eine Deckenwand (16) sowie mehrere Seitenwände (18, 19), und mit einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Zellstapel (32), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ferner eine in der Bodenwand (14) ausgebildete Befüllungsöffnung (20) aufweist, wobei in der Befüllungsöffnung (20) ein Befüllungsventil (28) angeordnet ist, welches eine Befüllung des Gehäuses (12) mit einem Elektrolyten (44) ermöglicht.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Seitenwände (18, 19) oder in der Deckenwand (16) eine Entlüftungsöffnung (22) ausgebildet ist, durch welche in dem Gehäuse (12) befindliche Luft entweichen kann.
Batteriezelle (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Entlüftungsöffnung (22) ein Füllstandsensor (30) eingesetzt ist, mit welchem ein Füllstand des Elektrolyten (44) bei der Befüllung der Batteriezelle (10) detektierbar ist.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Seitenwand (18) des Gehäuses (12) ein erstes Terminal (24) und an einer der ersten Seitenwand (18) gegenüberliegenden zweiten Seitenwand (19) ein zweites Terminal (26) ausgebildet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllungsventil (28) als doppelwandiges Ventil (40) ausgeführt ist.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllungsventil (28) eine Druckbegrenzungsfunktion aufweist und ein Ablassen von Elektrolyt (44) ermöglicht, wenn der Druck im Inneren des Gehäuses (12) der Batteriezelle (10) einen Schwellenwert (ps) übersteigt.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllungsventil (28) eine Berstmembran (42) aufweist, wobei die Berstmembran (42) eine Sollbruchstelle darstellt, wobei ein Druckabbau durch ein Bersten der Berstmembran (42) erfolgt, wenn der Druck im Inneren des Gehäuses (12) der Batteriezelle (10) einen Schwellenwert (ps) übersteigt.
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (p_s) im Bereich von 6 bis 12 bar liegt.
Befüllungsanlage (50) zum Befüllen einer Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Vorratsbehälter (52) zur Bevorratung des Elektrolyten (44), ein Fördermittel (54) zur Förderung des Elektrolyten (44) aus dem Vorratsbehälter (52) in das Gehäuse (12) der Batteriezelle (10), wobei der Vorratsbehälter (52) über eine Leitung (60) mit dem Befüllungsventil (28) in der Bodenwand (14) des Gehäuses (12) der Batteriezelle (10) verbunden ist.
Befüllungsanlage (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (60) zwischen dem Vorratsbehälter (52) und dem Befüllungsventil (28) ein Volumenstromsensor (58) zur Erfassung eines Volumenstroms des Elektrolyten (44) angeordnet ist.
Befüllungsanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungsanlage (50) ferner eine Unterdruckquelle (62) umfasst, wobei die Unterdruckquelle (62) dazu eingerichtet ist, vor oder während der Befüllung des Gehäuses (12) der Batteriezelle (10) in dem Gehäuse (12) einen Unterdruck zu erzeugen, um das Einströmen des Elektrolyten (44) in das Gehäuse (12) zu begünstigen.
Verfahren zum Befüllen einer Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: - Fördern eines Elektrolyten (44) zu dem Befüllungsventil (28) in der Bodenwand (14) des Gehäuses (12) der Batteriezelle (10), - Öffnen des Befüllungsventils (28), wobei der Elektrolyt (44) durch die Befüllungsöffnung (20) in der Bodenwand (14) in das Gehäuse (12) einströmt, und - Schließen des Befüllungsventils (28).
Verfahren zum Befüllen einer Batteriezelle (10) nach Anspruch 12, wobei ein Volumenstrom (V) und/oder ein Druck (p) des in das Gehäuse (12) einströmenden Elektrolyten (44) erfasst wird/werden.
Verfahren zum Befüllen einer Batteriezelle (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Füllstand des Elektrolyten (44) in dem Gehäuse (12) der Batteriezelle (10) erfasst und der Zustrom von Elektrolyt (44) in Abhängigkeit vom Füllstand und/oder vom Volumenstrom des einströmenden Elektrolyten (44) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zum Befüllen einer Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei in dem Gehäuse (12) vor oder während eines Befüllungsvorgangs ein Unterdruck erzeugt wird, welcher das Einströmen des Elektrolyten (44) in das Gehäuse (12) der Batteriezelle (10) begünstigt.