DE102022109429A1

DE102022109429A1 - Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit Heizvorrichtung und Batterie mit Heizvorrichtung

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Publication number: DE102022109429A1
Application number: DE102022109429.4A
Authority: DE
Inventors: Kristian Lippky; Alfonso Sanmartin Pensado; Alexander Tornow; Michael Schmidt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2023-10-19

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1) wird mindestens eine Batteriezelle, die zwei Elektroden (4) und einen zwischen den Elektroden (4) angeordneten Separator (5) umfasst, sowie ein Elektrolyt (6) in eine Umhüllung (2), der eine elektrische Heizvorrichtung (11) zugeordnet ist, eingebracht. Die Heizvorrichtung (11) wird dabei vor und/oder während des Einbringens der Batteriezelle und/oder des Elektrolyten (6) in die Umhüllung (2) betrieben, um die Komponenten der Batterie (1) zu trocknen und/oder das Einbringen des Elektrolyten (6) zu beschleunigen. Eine vorteilhaft im Rahmen eines solchen Verfahrens nutzbare Batterie (1) umfasst eine Umhüllung (2), mindestens eine innerhalb der Umhüllung (2) angeordnete Batteriezelle und mindestens eine elektrischen Heizvorrichtung (11), die an der Umhüllung (2) anliegend angeordnet ist, wobei die Heizvorrichtung (11) ein elektrisches Heizelement (13) als erste Komponente (12) und eine zweite Komponente (17) umfasst, die dafür eingerichtet ist, durch eine Deformation eine Ausdehnung der Umhüllung (2) während der Nutzung der Batterie (1) zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, die eine Heizvorrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie mit Heizvorrichtung.
Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, bei deren Entladung gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt wird. Im Kontext der Erfindung werden als Batterien sowohl sogenannte Primärbatterien, die nur für eine einmalige Entladung und nicht für ein erneutes Laden vorgesehen sind, als auch sogenannte Sekundärbatterien beziehungsweise Akkumulatoren, die für ein mehrfaches Laden vorgesehen und entsprechend ausgelegt sind, verstanden. Ein Laden einer Sekundärbatterie stellt dabei die elektrolytische Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden elektrochemischen Redoxreaktion dar, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung realisiert wird.
Eine Batterie umfasst eine oder mehrere Batteriezellen. Die Batteriezellen weisen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator zur elektrischen Separierung der Elektroden und einen als lonenleiter zwischen den Elektroden dienenden Elektrolyten auf. Die Batteriezellen sind in einer Umhüllung, die als Folienumhüllung oder auch als formstabiles Gehäuse ausgestaltet sein kann, angeordnet.
Batterien und insbesondere Lithium-Ionen-Batterien weisen üblicherweise bei relativ niedrigen Temperaturen eine verminderte Leistungsfähigkeit auf, die zumindest auch auf eine verminderte Ionen-Leitfähigkeit des Elektrolyten zurückzuführen ist. Es kann daher sinnvoll sein, Batterien bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen zu beheizen, um eine möglichst optimale Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Batterien von elektrifizierten Kraftfahrzeugen können hierfür in ein Temperiersystem des Kraftfahrzeugs, in dem ein insbesondere flüssiges Temperierfluid zirkuliert, integriert sein. Mittels eines solchen Temperiersystems kann nicht nur ein Beheizen sondern bedarfsweise auch ein Kühlen der darin integrierten Komponenten, einschließlich der Batterien, realisiert werden. Nachteilig daran ist der relativ große Aufwand für die Integration der Batterien in das Temperiersystem. Dies gilt insbesondere, wenn eine möglichst gleichmäßige Kühlung sämtlicher der einzelnen Batterien, die ein Traktionsbatteriesystem eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs, insbesondere eines batterieelektrischen Kraftfahrzeugs (BEV), umfasst, realisiert werden soll. Diese Vielzahl von Einzelbatterien sind nämlich regelmäßig in sogenannten Batteriestacks zusammengefasst und dabei direkt aneinander anliegend in einer Umhüllung des Batteriestacks angeordnet. Eine individuelle Temperierung mittels eines auf einem Temperierfluid beruhenden Temperiersystems würde die Integration von Temperierfluidleitungen in alle der Einzelbatterien erfordern.
Eine Möglichkeit, eine Batterie vorteilhaft zu beheizen liegt in der Integration einer elektrischen Heizvorrichtung. Eine solche Batterie mit einem außenseitig an einem Gehäuse der Batterie angeordneten elektrischen Heizelement ist in der CN 212 967 831 U offenbart. Eine dazu vergleichbare Batterie ist zudem in der US 10,522,8863 B2 beschrieben. Die CN 210 224 078 U offenbart eine Folie mit integriertem elektrischen Heizelement, die als Umhüllung für eine Pouch-Batterie vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung einer Batterie mit elektrischer Heizvorrichtung zu optimieren.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und bei einer Batterie gemäß dem Patentanspruch 5 gelöst. Ein Batteriestack mit mindestens einer solchen Batterie ist Gegenstand des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Batterie und des erfindungsgemäßen Batteriestacks sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie vorgesehen, bei dem mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere Batteriezellen, sowie ein insbesondere flüssiger Elektrolyt in eine Umhüllung eingebracht wird. Der Umhüllung ist eine elektrische Heizvorrichtung zugeordnet, die zumindest ein Heizelement umfasst. Die Batteriezelle(n) umfasst/umfassen (jeweils) zwei Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung vor und/oder während des Einbringens der Batteriezelle und/oder des Elektrolyten in die Umhüllung betrieben wird, um die Komponenten der Batterie zu beheizen. Dadurch können mehrere Vorteile realisiert werden.
Zum einen kann der Betrieb der Heizvorrichtung dazu genutzt werden, die mindestens eine Batteriezelle und innerhalb der Umhüllung befindliche Luft noch vor dem Einbringen des Elektrolyten zu trocknen, was sich vorteilhaft hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Batterie nach der Herstellung auswirken kann. Dementsprechend kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zunächst die mindestens eine Batteriezelle und erst anschließend der Elektrolyt in die Umhüllung eingebracht wird, wobei die Heizvorrichtung bereits vor dem Einbringen des Elektrolyten betrieben wird. Insbesondere kann diesbezüglich vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung derart (vorzugsweise geregelt) betrieben wird, dass sich vor dem Einbringen des Elektrolyten in die Umhüllung eine definierte Feuchtigkeit, beispielsweise von ≤ 500 ppm der dann schon innerhalb der Umhüllung befindlichen Komponenten und/oder der noch innerhalb der Umhüllung befindlichen Luft einstellt.
Weiterhin kann der Betrieb der Heizvorrichtung zu einer relativ geringen Viskosität des Elektrolyten während des Einbringens in die Umhüllung führen, wodurch dieses Einbringen relativ schnell durchgeführt werden kann. Dies kann sich vorteilhaft hinsichtlich der Taktzeit, innerhalb der eine erfindungsgemäße Batterie herstellbar ist, auswirken. Auch kann sich eine relativ geringe Viskosität vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst Gleichmäßigen Verteilung des Elektrolyten innerhalb der Umhüllung und damit hinsichtlich der Qualität beziehungsweise Leistungsfähigkeit der Batterie positiv auswirken.
Ein Einbringen der Batteriezelle und/oder des Elektrolyten kann in einer Umgebung mit Unterdruck und/oder reduzierter Luftfeuchtigkeit (jeweils im Vergleich zur umgebenden Atmosphäre) erfolgen, wodurch insbesondere eine Trocknungswirkung unterstützt werden kann.
Besonders vorteilhaft kann sich das erfindungsgemäße Betreiben der Heizvorrichtung dann auswirken, wenn die Heizvorrichtung derart (vorzugsweise geregelt) betrieben wird, dass sich eine Temperatur innerhalb der Umhüllung von zwischen 40°C und 60°C einstellt, weil dadurch eine ausreichend gute Trocknungswirkung und/oder eine ausreichend niedrige Viskosität des Elektrolyten realisiert und gleichzeitig eine thermische Überlastung der Elemente der Batterie vermieden werden kann. Insbesondere dann, wenn die Heizvorrichtung zur Trocknung vor dem Einbringen des Elektrolyten genutzt wird, kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine Temperatur innerhalb der Umhüllung von bis zu 80°C oder 100°C erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Umhüllung, die ein formstabiles Gehäuse oder eine sogenannte Pouch-Umhüllung aus einem folienförmigen Material sein kann. Weiterhin umfasst die Batterie mindestens eine und vorzugsweise mehrere innerhalb der Umhüllung angeordnete Batteriezelle(n), die (jeweils) zwei Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator umfasst/umfassen, und mindestens eine elektrische Heizvorrichtung, die an mindestens einer Seite der Umhüllung anliegend angeordnet ist. Die Heizvorrichtung kann dabei vorzugsweise flächig ausgestaltet sein, d.h. diese weist eine Länge und Breite auf, die einem Mehrfachen und vorzugsweise jeweils mindestens dem Zehnfachen, Zwanzigfachen oder Fünfzigfachen der Höhe entspricht. Die Heizvorrichtung umfasst als strukturelle Einheit zumindest ein elektrisches Heizelement als ein erste Komponente und eine zweite, flexible und vorzugsweise elastische Komponente, die dafür eingerichtet ist, durch eine Deformation eine Ausdehnung der Umhüllung während der Nutzung der Batterie zu kompensieren. Die zweite Schicht kann dazu vorzugsweise ein Schaummaterial, beispielsweise aus Polyurethan, umfassen oder daraus bestehen. Die Integration der Funktion zur Ausdehnungskompensation in die Heizvorrichtung ist konstruktiv einfach durchführbar und kann daher zu einer relativ kostengünstig herstellbaren Batterie führen.
Um zu vermeiden, dass die zweite Komponente einen Wärmeübergang von dem Heizelement auf die Umhüllung behindert, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die zweite Komponente bezüglich des Heizelements auf der von der Umhüllung abgewandten Seite gelegen ist. Das Heizelement liegt dann folglich zwischen der zweiten Komponente und der Umhüllung. Dabei kann das Heizelement gegebenenfalls unmittelbar an der Umhüllung anliegend angeordnet sein, wodurch ein möglichst guter Wärmeübergang von dem elektrischen Heizelement auf die Umhüllung und damit auf die innerhalb der Umhüllung aufgenommenen Elemente der Batterie realisiert werden kann. Gegebenenfalls kann es jedoch sinnvoll sein, dass die Heizvorrichtung eine elektrisch isolierende Komponente aufweist, die das Heizelement von der Umhüllung separiert (d.h. räumlich trennt), wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Heizelement und der gegebenenfalls ein elektrisches Potenzial aufweisenden Umhüllung der Batterie vermieden werden kann. Diese elektrisch isolierende Komponente kann dabei vorzugsweise eine dritte (d.h. sich von der ersten und zweiten Komponente insbesondere auch hinsichtlich des Materials unterscheidende) Komponente der Heizvorrichtung sein, wodurch eine möglichst optimale Ausgestaltung hinsichtlich der elektrisch isolierenden Funktion, insbesondere auch hinsichtlich der Auswahl eines dafür geeigneten Materials, erfolgen kann. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Komponente eine relativ gute thermische Leitfähigkeit und insbesondere eine im Vergleich zu der zweiten Komponente bessere thermische Leitfähigkeit aufweist, um einen möglichst guten Übergang von Wärmeenergie von dem Heizelement über die elektrisch isolierende Komponente auf die Umhüllung zu gewährleisten. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Komponente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus Polyester oder Polyethylenterephthalat ausgestaltet sein.
Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die zweite Komponente auch als elektrisch isolierende Komponente der Heizvorrichtung dient.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Batterie kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Heizabschnitt des Heizelements, gegebenenfalls das gesamte Heizelement, und/oder die zweite Komponente und/oder die dritte Komponente flächig beziehungsweise als Flächenelement ausgestaltet ist/sind, so dass diese Erstreckungen in der Längsrichtung und der Querrichtung aufweisen, die einem Mehrfachen und vorzugsweise jeweils mindestens dem Zehnfachen, Zwanzigfachen oder Fünfzigfachen der Höhe entsprechen. Hinsichtlich einer Ausgestaltung des Heizelements beziehungsweise des Heizabschnitts (d.h. des sich im Betrieb gezielt erwärmenden Abschnitts des Heizelements) als Flächenelement kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Heizdraht, gegebenenfalls in einer Ausgestaltung als Flachdraht oder als auf ein Substrat gedruckter Heizleiter, in (vorzugsweise ausschließlich) einer Ebene mehrfach gekrümmt oder in einem sonstigen regelmäßigen oder unregelmäßigen Muster verlaufend ausgestaltet ist.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zumindest der Heizabschnitt des Heizelements, gegebenenfalls das gesamte Heizelement, vorzugsweise vollständig zwischen der zweiten Komponente und der dritte Komponente angeordnet ist. Dadurch kann zum einen ein Schutz des Heizelements oder zumindest des Heizabschnitts davon durch die anderen Komponenten realisiert werden. Zudem kann dadurch eine vollständige elektrische Isolation mittels der dritten Komponente sowie eine möglichst großflächige Funktion zur Ausdehnungskompensation der zweiten Komponente realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Batterie kann vorgesehen sein, dass die Umhüllung quaderförmig ausgestaltet ist und die Heizvorrichtung an einer Großfläche (diese wird von den beiden größten Erstreckungen (in Längs- und Querrichtung begrenzt) der Umhüllung angeordnet ist, wodurch ein möglichst großflächiger Kontakt der Umhüllung mit der Heizvorrichtung und damit eine möglichst vorteilhafte Heizwirkung der Heizvorrichtung realisiert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Batterie umfasst diese mindestens zwei erfindungsgemäß ausgestaltete Heizvorrichtungen, die an unterschiedlichen Seiten der Umhüllung (von denen zwei vorzugsweise einander gegenüberliegen) anliegend angeordnet sind, wodurch eine möglichst vollumfängliche Beheizung der Umhüllung und der darin aufgenommenen Komponenten der Batterie ermöglicht wird. Dies kann insbesondere im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, bei dem die Batterien in vereinzelter Form vorliegen beziehungsweise hergestellt werden.
Für eine Nutzung einer erfindungsgemäßen Batterie kann vorgesehen sein, dass diese mit mindestens einer weiteren Batterie, die vorzugsweise zumindest teilweise ebenfalls erfindungsgemäß ausgestaltet ist, in einem sogenannten Batteriestack kombiniert wird, der weiterhin zumindest eine Batteriestackumhüllung umfasst. Die Erfindung betrifft dementsprechend auch einen solchen Batteriestack. Dabei kann die Heizvorrichtung zumindest einer von zwei benachbarten Batterien, die erfindungsgemäß ausgestaltet ist, zwischen diesen Batterien (vorzugsweise an diesen beiden anliegend) angeordnet sein. Eine Heizwirkung der Heizvorrichtung kann sich dadurch auf beide Batterien vorteilhaft auswirken; zudem kann mittels der Heizvorrichtung ein definierter Abstand zwischen den beiden Batterien eingestellt werden, der infolge der Funktion zur Ausdehnungskompensation variabel ist, d.h. eine Ausdehnung der Umhüllungen beider Batterien bei der Nutzung führt zu einem sich verringernden Abstand zwischen den Batterien, was durch eine gezielte Deformation der zweiten Schicht der zumindest einen zwischen den Batterien angeordneten Heizvorrichtung kontrolliert zugelassen wird. Bei einer Nutzung zumindest einer erfindungsgemäßen Batterie als Teil eines Batteriestacks kann es vorteilhaft sein, dass diese Batterie lediglich eine Heizvorrichtung umfasst, weil ein Beheizen auf mindestens einer weiteren Seite mittels der Heizvorrichtung einer benachbarten, ebenfalls erfindungsgemäß ausgestalteten Batterie realisiert werden kann.
Umfasst die Heizvorrichtung auch eine elektrisch isolierende Komponente, kann diese auch eine ausreichende elektrische Isolation der beiden benachbarten Batterien voneinander bewirken.
Das Heizelement der Heizvorrichtung einer erfindungsgemäßen oder für ein erfindungsgemäßen Verfahren genutzten Batterie ist primär oder ausschließlich dafür vorgesehen und entsprechend eingerichtet, zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie zu wandeln. Ein solches Heizelement kann vorzugsweise ein Widerstandsheizelement sein, das Wärmeenergie infolge von Widerstandsverlusten bei einem Stromfluss erzeugt. Besonders bevorzugt kann das Widerstandsheizelement ein Kaltleiter, der auch als PTC-Widerstand bekannt ist, sein, wodurch aufgrund einer Verringerung der Leitfähigkeit des Widerstandsheizelements beziehungsweise des Kaltleiter bei zunehmender Temperatur eine automatische Schutzfunktion gegen thermische Überlastung der Batterie realisiert werden kann. Eine alternative Ausgestaltung des Heizelements, beispielsweise als Peltier-Element, ist möglich und kann sinnvoll sein. Bei einer Ausgestaltung des Heizelements als Peltier-Element kann bedarfsweise mittels dessen auch eine Kühlung der Umhüllung und damit der gesamten Batterie realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Batterie;
2: eine Querschnitt durch die Batterie;
3: einen Längsschnitt durch die Batterie entlang der Schnittebene III - III in der 2;
4: eine erste Komponente einer Heizvorrichtung der Batterie; und
5: einen erfindungsgemäßen Batteriestack.

Die Zeichnungen zeigen eine erfindungsgemäße Batterie 1 gemäß einer Ausgestaltungsform. Diese umfasst eine Umhüllung 2 in Form eines quaderförmigen Gehäuses, beispielsweise aus einem Metall (z.B. Aluminium), sowie mehrere innerhalb des Gehäuses angeordnete Batteriezellen. Konkret liegen die Batteriezellen gestapelt in Form eines sogenannten Elektroden-Separator-Verbunds (ESV) 3 vor. Dieser umfasst in wechselweiser Anordnung eine Mehrzahl von ersten Elektroden 4a, die bei einer Entladung der Batterie 1 als Anoden fungieren, und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden 4b, die bei einer Entladung der Batterie 1 als Kathoden fungieren. Infolge der wechselweisen Anordnung der Elektroden 4 ist jeweils eine erste Elektrode 4a zwischen zwei zweiten Elektroden 4b und eine zweite Elektrode 4b zwischen zwei ersten Elektroden 4a angeordnet. Dabei sind benachbarte Elektroden 4 jeweils durch einen Separator 5 räumlich getrennt und dadurch auch voneinander elektrisch isoliert. Jeweils eine erste Elektrode 4a und eine zweite Elektrode 4b sowie ein zwischen diesen angeordneter Separator 5 bilden eine Batteriezelle aus. Infolge der Stapelung ergibt sich dabei, dass jede der Elektroden 4 mit Ausnahme der beiden in dem Stapel beziehungsweise dem ESV 3 außen gelegenen Elektroden 4 funktional Bestandteil von zwei Batteriezellen ist.
Die Batteriezellen umfassen weiterhin einen Elektrolyt 6, der in flüssiger Form innerhalb der Umhüllung 2 angeordnet ist. Die Separatoren 5 sind dabei mit dem Elektrolyten 6 getränkt, so dass eine Leitung von Ionen zwischen benachbarten Elektroden 4 über den dazwischen liegenden Separator 5 möglich ist.
Jede der Elektroden 4 umfasst ein flächiges, folienförmiges Substrat 7, das beispielsweise bei den als Anoden vorgesehenen ersten Elektroden 4a aus Kupfer und bei den als Kathoden vorgesehenen zweiten Elektroden 4b aus Aluminium ausgestaltet sein kann. In einem quadratischen Abschnitt davon sind die beiden in Stapelrichtung des ESV 3 gelegenen Großflächen jeder der Elektroden 4 mit einer Beschichtung aus einem Aktivmaterial 8 versehen, um eine Wirkung der verschiedenen Elektroden 4a, 4b als Anoden oder Kathoden während einer Nutzung der Batterie 1 zu ermöglichen. Im Bereich dieser quadratischen Abschnitte der Substrate 7 und damit der Elektroden 4 sind diese und die entsprechend quadratisch geformten Separatoren 5 gestapelt, woraus sich die Quaderform des ESV 3 ergibt.
An einer Querseite des rechteckigen Abschnitts jeder Elektrode 4 ist ein Bereich des Substrats 7 vorgesehen, in dem dieses nicht mit der Beschichtung aus dem jeweiligen Aktivmaterial 8 versehen ist. Dieser Bereich der Elektroden 4 dient jeweils als Stromableiter 9, über den die einzelnen Elektroden 4 mit einem jeweils zugeordneten Batteriepol 10 der Batterie 1 elektrisch leitend verbunden sind. Die Stromableiter 9a von allen ersten Elektroden 4a sind dabei mit einem ersten (10a) der Batteriepole 10 und die Stromableiter 8b von allen zweiten Elektroden 4b sind mit einem zweiten (10b) der Batteriepole 10 verbunden.
Die Batteriepole 10 sind derart in die Umhüllung 2 integriert, dass ein Anschlussabschnitt davon außenseitig zugänglich ist, um die Batterie in einen Stromkreis integrieren zu können. Dabei sind die beiden Batteriepole 10 an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten der quaderförmigen Umhüllung 2 angeordnet.
An den beiden Großseiten der Umhüllung 2 ist jeweils eine Heizvorrichtung 11 stoffschlüssig fixiert und konkret verklebt angeordnet, wobei diese die entsprechende Seite der Umhüllung 2 im Wesentlichen vollständig bedeckt. Diese Heizvorrichtungen 11 umfassen jeweils als strukturelle Einheit drei miteinander dauerhaft verbundene Komponenten, die schichtförmig aneinander anliegend angeordnet sind. Eine erste Komponente 12 umfasst ein Heizelement 13. Dieses Heizelement 13 weist gemäß der 4 einen von einem Heizleiter 14 ausgebildeten Heizabschnitt auf, der flächig ausgestaltet ist, indem der Heizleiter 14 mäanderförmig in zwei nebeneinander angeordneten Bahnen, die in einer (einzelnen) Ebene liegen, geführt ist. Die Enden des Heizleiters 14 münden in einen Steckverbinder 15 mit zwei Kontaktelementen, über den der Heizleiter 14 in einen elektrischen Stromkreis integrierbar ist. Wird, gesteuert von einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) ein Stromschluss durch den Heizleiter 14 bewirkt, führt der dabei auftretende elektrische Widerstand zu einer gezielten Erzeugung von Wärmeenergie.
Der Steckverbinder 15 ist an einer Stirnseite der Umhüllung 2 und damit an derselben Seite wie der erste Batteriepol 10a angeordnet.
Der Heizleiter 14 ist auf einem folienförmigen Trägerelement 16 der ersten Komponente 12 der Heizvorrichtung 11 angeordnet (vgl. 4), die aus einem thermisch schlecht leitenden Material ausgebildet ist. Dadurch wird im Betrieb des Heizelements 13 eine thermische Überlastung einer zweiten, ebenfalls flächigen Komponente 17 der Heizvorrichtung 11, die auf der von dem Heizleiter 14 des Heizelements 13 abgewandten Seite des Trägerelements 16 angeordnet ist, vermieden. Diese zweite Komponente 17 besteht aus einem Schaumaterial, das auch bei relativ geringen auftretenden Kräften elastisch mit relativ großem Deformationsweg deformierbar ist und ermöglicht dadurch, eine Ausdehnung der Umhüllung 2 der Batterie 1 (infolge einer Ausdehnung der darin aufgenommenen Komponente, insbesondere des Aktivmaterials 8) während der Nutzung zu kompensieren. Bei einer entsprechend großen thermischen Widerstandsfähigkeit der zweiten Komponente 17 kann auf das Trägerelement 16 auch verzichtet und das Heizelement 13 oder zumindest der Heizleiter 14 davon direkt mit der zweiten Komponenten 17 verbunden werden.
An den Heizleiter 14 des Heizelements 13 grenzt auf der von der zweiten Komponente 17 abgewandten Seite eine dritte, wiederum flächige Komponente 18 der Heizvorrichtung 11 an, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die, direkt an der Umhüllung 2 der Batterie 1 anliegend, eine elektrische Verbindung zwischen dem Heizelement 13 der Heizvorrichtung 11 und der metallischen Umhüllung 2 verhindert.
Die zweite Komponente 17 und die dritte Komponente 18 weisen rechteckige Großflächen, die in Form und Größe an die Großflächen der Umhüllung 2 angepasst sind.
Die Heizvorrichtungen 11 können einerseits dazu genutzt werden, die Batterie 1 während einer Nutzung der Batterie 1 (zur gezielten Abgabe von elektrischer Energie) bedarfsweise zu temperieren beziehungsweise zu beheizen, um eine verringerte Leistungsfähigkeit aufgrund einer zu geringen Temperatur zu vermeiden.
Weiterhin können die Heizvorrichtungen 11 im Rahmen der Herstellung der Batterie 1 genutzt werden. Dabei wird zunächst der ESV 3 in die Umhüllung 2 eingebracht, wozu zumindest eine, vorzugsweise beide der Stirnseiten der Umhüllung 2 zunächst noch offen gehalten sind. Über eine der offenen Stirnseiten der Umhüllung 2 kann dann der ESV 3 in das Innenvolumen der Umhüllung 2 eingebracht werden. Nach einem Verbinden der Stromableiter 9 der Elektroden 4 mit den dazugehörigen Batteriepolen 10 können dann noch die offenen Stirnseiten mit den entsprechenden Teilen der Umhüllung 2 verschlossen werden.
Anschließend wird der Elektrolyt 6 in das Innenvolumen der Umhüllung 2 eingebracht, was über eine entsprechende Einfüllöffnung 19 der Umhüllung 2 erfolgen kann. Nach dem Einfüllen des Elektrolyten 6 wird diese Einfüllöffnung 19 ebenfalls verschlossen.
Bereits vor dem und während des Einbringens des ESV 3 in die Umhüllung 2 werden die Heizvorrichtungen 11 betrieben, um ein Trocknen der Elektroden 4 und Separatoren 5 des ESV 3 und auch der innerhalb der Umhüllung befindlichen Luft zu bewirken. Weiterhin wird durch die so erzielte Aufheizung der Umhüllung 2 und des ESV 3 erreicht, dass der Elektrolyt 6 bei dem Einfüllen ebenfalls erwärmt wird, wodurch dessen Viskosität verringert wird, was sich vorteilhaft hinsichtlich der Realisierung einer möglichst schnellen und gleichmäßigen Verteilung des Elektrolyten 6 innerhalb der Umhüllung 2 auswirkt. Der Betrieb der Heizvorrichtungen 11 kann vor diesem Hintergrund auch während des Einbringens des Elektrolyten 6 in die Umhüllung 2 und auch noch für einen definierten Zeitraum danach aufrechtgehalten werden.
Die 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Batteriestack 20 mit mehreren Batterien 1 gemäß den 1 bis 4, die in einer Batteriestackumhüllung 21 angeordnet sind. Die ersten Batteriepole 10a aller Batterien 1 sind mit einem ersten (22a) von zwei Batteriestackpolen 22 und die zweiten Batteriepole 10b aller Batterien 1 sind mit einem zweiten (22b) der Batteriestackpole 22 verbunden. Die Batterien 1 liegen mit den dazugehörigen Heizvorrichtungen 11 aneinander sowie an der Innenseite der Batteriestackumhüllung 21 an. Aufgrund der Ausgestaltung aller Batterien 1 mit jeweils einer Heizvorrichtung 11 an beiden Großseiten ergibt sich eine doppelte Anordnung von Heizvorrichtungen 11 zwischen zwei benachbarten Batterien 1. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass zwischen zwei Batterien 1 nur eine Heizvorrichtung 11 einer Batterie 1 angeordnet ist. Dadurch können alle oder einzelne Batterien 1 des Batteriestacks 20 mit lediglich einer Heizvorrichtung 11 an einer der Großseiten ausgestattet sein. Insbesondere kann dann vorgesehen sein, dass nur eine der außen in dem Stapel der Batterien 1 gelegenen Batterien 1 zwei Heizvorrichtungen 11 und alle anderen nur eine Heizvorrichtung 11 aufweisen.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Batterie
2: Umhüllung
3: Elektroden-Separator-Verbund (ESV)
4: Elektrode
4a: erste Elektrode
4b: zweite Elektrode
5: Separator
6: Elektrolyt
7: Substrat
8: Aktivmaterial
9: Stromableiter
9a: erster Stromableiter
9b: zweiter Stromableiter
10: Batteriepol
10a: erster Batteriepol
10b: zweiter Batteriepol
11: Heizvorrichtung
12: erste Komponente der Heizvorrichtung
13: Heizelement
14: Heizleiter des Heizelements
15: Steckverbinder des Heizelements
16: Trägerelement
17: zweite Komponente der Heizvorrichtung
18: dritte Komponente der Heizvorrichtung
19: Einfüllöffnung der Umhüllung
20: Batteriestack
21: Batteriestackumhüllung
22: Batteristackpol
22a: erster Batteriestackpol
22b: zweiter Batteriestackpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 212967831 U [0005]
US 105228863 B2 [0005]
CN 210224078 U [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1), wobei mindestens eine Batteriezelle, die zwei Elektroden (4) und einen zwischen den Elektroden (4) angeordneten Separator (5) umfasst, sowie ein Elektrolyt (6) in eine Umhüllung (2), der eine elektrische Heizvorrichtung (11) zugeordnet ist, eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) vor und/oder während des Einbringens der Batteriezelle und/oder des Elektrolyten (6) in die Umhüllung (2) betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die mindestens eine Batteriezelle und erst anschließend der Elektrolyt (6) in die Umhüllung (2) eingebracht wird und die Heizvorrichtung (11) bereits vor dem Einbringen des Elektrolyten (6) betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) derart betrieben wird, dass sich eine definierte Feuchtigkeit innerhalb der Umhüllung (2) einstellt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) derart betrieben wird, dass sich eine Temperatur der Umhüllung (2) und/oder innerhalb der Umhüllung (2) von zwischen 40°C und 60°C oder von zwischen 40°C und 80°C oder von zwischen 40°C und 100°C einstellt.
Batterie (1) mit einer Umhüllung (2), mindestens einer innerhalb der Umhüllung (2) angeordneten Batteriezelle, die zwei Elektroden (4) und einen zwischen den Elektroden (4) angeordneten Separator (5) umfasst, und mit mindestens einer elektrischen Heizvorrichtung (11), die an der Umhüllung (2) anliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) ein elektrisches Heizelement (13) als erste Komponente (12) und eine zweite Komponente (17), die dafür eingerichtet ist, durch eine Deformation eine Ausdehnung der Umhüllung (2) während der Nutzung der Batterie (1) zu kompensieren, umfasst.
Batterie (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (17) ein Schaummaterial umfasst oder daraus besteht.
Batterie (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (11) eine elektrisch isolierende Komponente aufweist, die das Heizelement (13) von der Umhüllung (2) separiert.
Batterie (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Komponente eine dritte Komponente (18) ist.
Batterie (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizabschnitt des Heizelements (13) zwischen der zweiten Komponente (17) und der dritte Komponente (18) angeordnet ist.
Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein/der Heizabschnitt des Heizelements (13) und/oder die zweite Komponente (17) und/oder die dritte Komponente (18) flächig ausgestaltet ist.
Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (2) quaderförmig ausgestaltet ist und die Heizvorrichtung (11) an einer Großfläche der Umhüllung (2) angeordnet ist.
Batterie (1) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens zwei Heizvorrichtungen (11), die an unterschiedlichen Seiten der Umhüllung (2) anliegend angeordnet sind.
Batteriestack (20) mit einer Batteriestackumhüllung (21) und einer Mehrzahl von innerhalb der Batteriestackumhüllung (21) angeordneten Batterien (1), wobei zumindest eine der Batterien (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist und wobei die mindestens eine Heizvorrichtung (11) dieser Batterie (1) an einer benachbarten Batterie (1) anliegt.