DE102022109570A1

DE102022109570A1 - Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle

Info

Publication number: DE102022109570A1
Application number: DE102022109570.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Alig
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-04-20
Filing date: 2022-04-20
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023202880A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle (10) für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher, umfassend ein einen Innenbereich (22) festlegendes Speicherzellengehäuse (20), eine Elektrodenbaugruppe (24) sowie einen Elektrolyten im Innenbereich (22), und eine das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei in der Isolierhülle (30) mindestens ein Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit der Energiespeicherzelle, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeicherzelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher, einen Energiespeicher mit mehreren derartigen Energiespeicherzellen, ein Kraftfahrzeug mit dem Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle.
Moderne Energiespeicherzellen, wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Lithium-Ionen Sekundärbatterien), weisen im Allgemeinen eine Elektrodenbaugruppe mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator auf, wobei die Elektrodenbaugruppe zusammen mit einem Elektrolyten in einem Gehäuse der Energiespeicherzelle angeordnet ist. Die Anode bzw. Kathode umfasst eine jeweilige, üblicherweise metallische Elektrode (anodenseitig beispielsweise Kupfer; kathodenseitig beispielsweise Aluminium), die mit einem Aktivmaterial (anodenseitig beispielsweise Graphit; kathodenseitig beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid oder Lithium-Mangan-Oxid) beschichtet ist. Das Gehäuse, bei zylindrischen Energiespeicherzellen auch als Dose (engl. „Can“) bezeichnet, kann außenseitig eine Isolatorschicht aufweisen. Der Separator soll bestimmungemäß nur für Lithium-Ionen durchlässig sein, ansonsten aber die Anode gegenüber der Kathode elektrisch isolieren.
Sowohl bei der Herstellung als auch während der weiteren Lebensdauer derartiger Energiespeicherzellen kann insbesondere bei Schnellladevorgängen Lithium-Metall als Schwamm oder Dendrid an der Anode abgeschieden werden (sogenanntes „Lithium-Plating“). Um die Abscheidung von Lithium zu verringern, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die positive und/oder negative Elektrode einer Lithium-Zelle einer Korona-Behandlung zu unterwerfen. Diesbezüglich offenbart beispielsweise das Dokument DE 10 2014 218 143 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle, bei dem ein partikelförmiges Aktivmaterial und eine ein Bindemittel enthaltende Beschichtungsmasse auf eine Metallfolie aufgebracht wird, um eine positive bzw. negative Elektrode zu bilden. Anschließend wird die jeweilige Elektrode verpresst.
Nach dem Einbringen des Separators zwischen die Elektroden wird in einem Gehäuse ein flüssiger Elektrolyt zugegeben. Vor dem Benetzen mit dem flüssigen Elektrolyt wird die positive und/oder negative Elektrode einer Koronabehandlung unterworfen, damit der flüssige Elektrolyt in die Poren der Elektrode eindringt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher geeignete Energiespeicherzelle bereitzustellen, die effizient herstellbar ist und sich durch eine relativ lange Lebensdauer auszeichnet. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Energiespeicher, ein entsprechendes Kraftfahrzeug, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeicherzelle gemäß Patentanspruch 1, einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Die Energiespeicherzelle ist zum Einbau in einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher vorgesehen und umfasst ein einen Innenbereich festlegendes Speicherzellengehäuse, eine Elektrodenbaugruppe sowie einen Elektrolyten im Innenbereich und eine das Speicherzellengehäuse zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle auf einer Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses. In der Isolierhülle ist mindestens ein Hohlraum ausgebildet.
Die Isolierhülle dieser Energiespeicherzelle ermöglicht der Elektrodenbaugruppe und dem Speicherzellengehäuse, sich während des Ladens sowie über die Lebensdauer der Energiespeicherzelle elastisch und unter Größenanpassung des Hohlraums auszudehnen sowie wieder zu verkleinern. Die eingangs genannte Lithium-Abscheidung sowie andere mechanische, thermische und/oder chemische Effekte können zu einer Volumenänderung des Aktivmaterials und damit einer dynamischen Größenänderung des Speicherzellengehäuses führen. Diese Größenänderung kann zyklisch über Lade- / Entladezyklen erfolgen, wobei die Größe des Speicherzellengehäuses zusätzlich über die Lebensdauer zunehmen kann. Durch Gasbildung im Innenbereich kann eine Größenzunahme bewirkt werden. Der Hohlraum kann in Einbaulage der Energiespeicherzelle im Kraftfahrzeug-Energiespeicher als Ausweichraum zum Volumenausgleich, insbesondere zur Aufnahme einer Volumenzunahme des sich aufweitenden Speicherzellengehäuses, dienen. Dem Inhalt des Speicherzellengehäuses kann also mehr Platz im Energiespeicher bereitgestellt werden. Dementsprechend kann sich etwa bei einem Schnellladevorgang ausbildendenden Lithium-Dendriten mehr Platz im Energiespeicher zur Verfügung stehen, sodass die Energiespeicherzelle im Ergebnis langlebig sein kann. Gleichzeitig kann der Energiespeicher vergleichsweise bauraumeffizient ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann die Isolierhülle aufgrund ihrer Steifigkeit der Ausdehnung des Gehäuses entgegenwirken und im Innenbereich gebildetes Gas besser über den Innenbereich verteilen. Die Druckverteilung an der Elektrodenbaugruppe kann vergleichsweise homogen sein. Dies kann auf synergetische Art und Weise ermöglichen, dass selbst bei schnellen Ladevorgängen weniger Lithium abgeschieden wird, sodass die Energiespeicherzelle vergleichsweise langsam altern kann. In der Folge kann auch die Hochstrombelastbarkeit und Zyklusstabilität dieser Energiespeicherzellen relativ einfach verbessert werden. Außerdem kann auf eine Koronabehandlung der Energiespeicherzelle verzichtet werden.
Die Energiespeicherzelle kann zylindrisch (als sogenannte Rundzelle) oder prismatisch ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Energiespeicherzelle somit mindestens eine Haupterstreckungsrichtung auf. Dabei handelt es sich um diejenige Richtung, in der die Energiespeicherzelle das größte Ausmaß (Länge) aufweist. Im Folgenden ist diese Haupterstreckungsrichtung auch als axial bezeichnet. Während die Haupterstreckungsrichtung einer zylindrischen Energiespeicherzelle die Zylinderachse ist, kann die Haupterstreckungsrichtung einer prismatischen Energiespeicherzelle insbesondere parallel zu einer (seitlichen) Hauptfläche oder Mittelhauptebene dieser Energiespeicherzelle verlaufen. Entsprechend bezieht sich der Begriff radial auf eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung und/oder senkrecht zur Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses.
Die Elektrodenbaugruppe ist vorzugsweise gewickelt, kann jedoch alternativ gestapelt sein. Wenn die Energiespeicherzelle eine Rundzelle ist, kann das Speicherzellengehäuse zylinderförmig sein (engl. „cell can“). Kommt es zur oben erläuterten, betriebsbedingten Ausdehnung der Aktivmaterialien im Innenbereich der Rundzelle, so wird das Gehäuse im Umfangsbereich auf Zug beansprucht. Vorteilhaft können somit vergleichsweise dünne Gehäusequerschnitte zusammen mit der Isolierhülle die aus dem Aufschwellen resultierenden Kräfte kompensieren. Bevorzugt ist das Speicherzellengehäuse leitend, insbesondere metallisch, und vorzugsweise aus Aluminium, Stahl oder einer Stahllegierung, hergestellt.
Die Elektrodenbaugruppe kann mit einer Anode, einer Kathode sowie einem Separator zwischen der Anode und der Kathode versehen sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Energiespeicherzelle um eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (sog. Lithium-Ionen-Akkumulator). D.h., die Anode und die Kathode umfassen jeweils vorzugsweise eine metallische Elektrode (anodenseitig beispielsweise Kupfer; kathodenseitig beispielsweise Aluminium), die mit einem Aktivmaterial (anodenseitig beispielsweise Graphit; kathodenseitig beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid oder Lithium-Mangan-Oxid) beschichtet sein kann. Der Separator ist hier vorzugsweise nur für Lithium-Ionen, nicht jedoch für Elektronen, durchlässig. Der Elektrolyt ist vorzugsweise flüssig; er kann alternativ fest sein. Die Isolierhülle kann nachgiebiger als das Speicherzellengehäuse sein. Sie kann das Speicherzellengehäuse außenseitig abschnittsweise oder vollständig ummanteln und ist vorzugsweise ein Isolator (Nichtleiter). Die Isolierhülle kann entsprechend eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10^-8 S/m oder weniger als 10^-10 S/m aufweisen.
Es wurde gesagt, dass in der Isolierhülle mindestens ein Hohlraum (d.h., ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume) ausgebildet ist. Eine Geometrie des Hohlraums kann rund, insbesondere sphärisch oder ellipsoidisch, oder rechtwinklig, insbesondere quaderförmig, sein. Ecken / Kanten des Hohlraums können gerundet sein, um Risse in der Isolierhülle während des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses zu vermeiden. Der Hohlraum kann dabei mit einem Fluid, insbesondere Luft oder einem anderen Gas, gefüllt sein. Die Anzahl dieser Hohlräume kann mindestens 3, mindestens 5 oder mindestens 10 betragen.
Die Hohlräume können (teilweise) gleich groß und/oder (teilweise) unterschiedlich groß sein, wenn sich die Isolierhülle in ihrem Ausgangszustand befindet, in der sie nicht deformiert sowie nicht gespannt ist. Eine axiale Länge jedes Hohlraums kann zwischen 1 % und 40 %, vorzugsweise zwischen 2% und 30 % der axialen Länge der Energiespeicherzelle betragen. Ein von der Gesamtheit der Hohlräume eingenommenes Volumen kann bevorzugt mindestens 70 % oder zwischen 60 % und 95 % des Gesamtvolumens der Isolierhülle betragen. Außerdem können die Hohlräume im Ausgangszustand in gleichen Abständen über die Isolierhülle verteilt sein, um eine gleichmäßige Aufnahme der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses bereitstellen zu können. Im Folgenden für den mindestens einen Hohlraum gesagtes kann analog für jeden beliebigen bzw. eine beliebige Unteranzahl der Hohlräume gelten. D.h., der Ausdruck „der mindestens eine Hohlraum“ ist gleichbedeutend mit dem Ausdruck „der eine oder die mehreren Hohlräume“.
Der mindestens eine Hohlraum ist dazu vorgesehen, eine Ausdehnung des Speicherzellengehäuses zumindest teilweise aufzunehmen. Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Hohlraum also dazu ausgelegt sein, beim Ausdehnen des Speicherzellengehäuses zu schrumpfen. Wenn sich die Energiespeicherzelle in ihrer Einbaulage im Energiespeicher befindet, in der die Energiespeicherzelle einen vorbestimmten, festen, ihr zugewiesenen Bauraum einnimmt, kann eine Vergrößerung (Aufschwellen) des Speicherzellengehäuses mit einer Verkleinerung des mindestens einen Hohlraums einhergehen. Der mindestens eine Hohlraum gestattet somit, bei vorgegebenem, von der Energiespeicherzelle eingenommenem Raumvolumen eine Ausdehnung des Speicherzellengehäuses sowie des dadurch festgelegten Innenbereichs unter Verkleinerung des (Innen-) Volumens des mindestens einen Hohlraums. Der mindestens eine Hohlraum kann radial außen zu einer Außenumfangsfläche der Isolierhülle hin offen sein. Bevorzugt ist der mindestens eine Hohlraum hingegen in der Isolierhülle eingeschlossen, d.h., vom Material der Isolierhülle (makroskopisch) umschlossen. Das Material der Isolierhülle kann dabei wie unten näher erläutert gasdurchlässig (permeabel) sein.
Die Isolierhülle ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet. In diesem Fall ist der mindestens eine Hohlraum vorzugsweise zwischen mindestens zwei der Schichten ausgebildet. Die Isolierhülle kann eine erste Schicht auf einer vom Innenbereich abgewandten Außenseite der Isolierhülle sowie eine zweite Schicht auf einer dem Innenbereich zugewandten Innenseite der Isolierhülle aufweisen. Die erste und/oder die zweite Schicht können sich dabei entlang der gesamten Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses erstrecken, um letzteres vorteilhafterweise zu isolieren. Insbesondere kann die zweite Schicht direkt oder indirekt auf der gesamten Außenumfangsfläche ausgebildet sein. Der Begriff Außenumfangsfläche kann hierbei die Mantelfläche des Speicherzellengehäuses in Umfangsrichtung bezeichnen. Zusätzlich kann die zweite Schicht (direkt oder indirekt) auf einer oder beiden axialen Endflächen (sogenannte Stirnflächen) des Speicherzellengehäuses ausgebildet sein. Wenn die Isolierhülle mehr als zwei Schichten aufweist, sind die Hohlräume vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Schichten ausgebildet.
Der mindestens eine Hohlraum kann durch die erste Schicht und/oder die zweite Schicht begrenzt sein. Darüber hinaus kann die erste Schicht über mindestens einen, vorzugsweise nachgiebigen, (Verbindungs-) Steg mit der zweiten Schicht verbunden sein. In diesem Fall ist der mindestens eine Hohlraum vorzugsweise von dem mindestens einen Steg begrenzt. Wenn mindestens zwei Stege vorgesehen sind, können die beiden Stege (zusammen mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht) den Hohlraum begrenzen. Wenn die Isolierhülle mehrere Hohlräume aufweist, können diese Hohlräume axial durch jeweils mindestens einen Steg voneinander abgetrennt sein. Wenn außerdem in Umfangsrichtung mehrere Hohlräume ausgebildet sind, können diese ebenfalls durch jeweils mindestens einen Steg voneinander abgetrennt sein. Insgesamt können die Hohlräume somit entlang der Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses gemäß einem vorbestimmten Muster oder Raster angeordnet sein. Das Raster kann regelmäßig sein, sodass die Hohlräume in regelmäßigen Abständen angeordnet sein können. Dies ermöglicht, die durch die Ausdehnung des Speicherzellengehäuses bewirkte Radialkraft gleichmäßig in der Isolierhülle aufzunehmen.
Der mindestens eine Steg kann als Versteifungselement und insbesondere in Radialrichtung steifer als die erste Schicht und/oder die zweite Schicht ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann der mindestens eine Steg aus einem ersten Werkstoff hergestellt sein, der steifer als ein zweiter Werkstoff ist, aus dem mindestens eine der Schichten, insbesondere die erste und/oder die zweite Schicht, hergestellt ist. Es ist auch denkbar, die erste Schicht, die zweite Schicht und/oder die Stege aus demselben Werkstoff herzustellen. Der mindestens eine Steg kann im Wesentlichen flach oder gekrümmt, insbesondere konkav, ausgebildet sein.
Wenn die Isolierhülle mit mehreren Hohlräumen versehen ist, können ein erster dieser Hohlräume benachbart zu einer Mitte der Energiespeicherzelle und ein zweiter dieser Hohlräume an einem Rand der Isolierhülle, insbesondere an einem axialen Rand der Isolierhülle, angeordnet sein. Wenn die Energiespeicherzeile beispielsweise eine zylindrische Zelle ist, können der erste Hohlraum mittig bezüglich der Achse der Energiespeicherzelle und der zweite Hohlraum an einem axialen Ende der Energiespeicherzelle angeordnet sein.
In einer bevorzugten Variante sind der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum bereits dann unterschiedlich groß, wenn sich die Isolierhülle in ihrem ungespannten Ausgangszustand befindet. Vorzugsweise ist der erste Hohlraum axial und/oder radial kürzer als der zweite Hohlraum. Zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum können weitere Hohlräume vorgesehen sein, die größer als der erste Hohlraum und kleiner als der zweite Hohlraum sein können. Zwischen diesen Hohlräumen können weitere Stege angeordnet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht, der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses axial mittig stärker entgegenzuwirken als axial randseitig. Da dem Speicherzellengehäuse aufgrund der Größenverhältnisse des ersten Hohlraums und des zweiten Hohlraums axial in der Mitte der Energiespeicherzelle weniger Raum zur Ausdehnung zur Verfügung steht als an den axialen Enden, können sich im Innenbereich während der Herstellung des Energiespeichers oder während eines späteren Ladevorgangs bildende Gase effektiv über den Innenbereich verteilt werden.
Die Isolierhülle ist vorzugsweise kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Speicherzellengehäuse verbunden (d.h., an das Speicherzellengehäuse gefügt). Im Fall der kraftschlüssigen Verbindung, kann die Isolierhülle beispielsweise auf das Speicherzellengehäuse aufgesteckt und/oder (zerstörungsfrei) von dem Speicherzellengehäuse abnehmbar sein. Im Fall der stoffschlüssigen Verbindung kann die Isolierhülle beispielsweise auf dem Speicherzellengehäuse aufvulkanisiert oder aufgeklebt sein. Die genannte Verbindung kann sich über die gesamte Außenumfangsfläche erstrecken. D.h., sowohl bei der kraftschlüssigen Verbindung als auch bei der stoffschlüssigen Verbindung kann wie vorstehend beschrieben vorgesehen sein, dass die Isolierhülle vollflächig (mit ihrer gesamten, dem Speicherzellengehäuse zugewandten Innenumfangsfläche) mit dem Speicherzellengehäuse in Verbindungskontakt steht. Die Innenumfangsfläche der Isolierhülle kann an der Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses flächig anliegen. In einem radialen Querschnitt durch das Speicherzellengehäuse und die Isolierhülle kann eine Kontur des Speicherzellengehäuses einer Kontur der Isolierhülle folgen.
Die Isolierhülle kann als Hüllkörper (sogenannte Manschette) ausgebildet sein. Als derartiger Hüllkörper im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird ein selbst formstabiler dreidimensionaler Körper bezeichnet. Eine einfache Isolierschicht auf dem Speicherzellengehäuse bildet somit vorliegend mangels Form- / Eigenstabilität keinen Hüllkörper. Vorzugsweise hat die Isolierhülle bzw. der Hüllkörper eine (radiale) Dicke von mindestens 3 mm oder mindestens 4,5 mm oder mindestens 6 mm. Bezogen auf die Dicke des Speicherzellengehäuses ist die Isolierhülle/der Hüllkörper radial vorzugsweise mindestens doppelt oder mindestens 3-Mal so dick. Diese Maßangaben beziehen sich dabei vorzugsweise auf den ungespannten Ausgangszustand des Hüllkörpers. In einem derartigen Hüllkörper ist vorzugsweise eine Aufnahme ausgebildet, in der das Speicherzellengehäuse aufgenommen sein kann. Um einen Kraftschluss zwischen der Isolierhülle und dem Speicherzellengehäuse zu realisieren, kann die Aufnahme kleiner als das Speicherzellengehäuse sein, wenn die Isolierhülle von dem Speicherzellengehäuse separiert ist. Beim Einbringen des Speicherzellengehäuses in die Aufnahme wird in diesem Fall die Isolierhülle vorzugsweise radial vorgespannt.
Die Isolierhülle, insbesondere die erste Schicht und/oder die zweite Schicht, sind bevorzugt zumindest abschnittsweise fluiddurchlässig, beispielsweise gasundicht. Auf diese Weise kann ein Fluid (insbesondere Gas) aus dem mindestens einen Hohlraum durch das Material der Isolierhülle hindurch in die Umgebung der Energiespeicherzelle entweichen, wenn sich das Speicherzellengehäuse ausdehnt und der mindestens eine Hohlraum schrumpft. Wenn der mindestens eine Hohlraum mit Gas gefüllt ist, kann er als Gastasche ausgebildet sein. Der jeweilige mindestens eine Hohlraum / die mindestens eine Gastasche kann insbesondere durch jeweils mindestens eine Öffnung mit der Umgebung der Energiespeicherzelle (im Speicherinnenraum) verbunden sein, um einen Druckausgleich beim Komprimieren der Isolierhülle / beim Schrumpfen des mindestens einen Hohlraums bereitzustellen. Alternativ kann die Isolierhülle aus einem fluiddichten Material hergestellt sein. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Hohlraum mit einem kompressiblen Fluid, insbesondere einem Gas, befüllt ist. Die Isolierhülle, die erste Schicht und/oder die zweite Schicht können jeweils zumindest abschnittsweise aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, einem (vulkanisierten) Kautschuk (Gummi) oder einem Chloropren-Kautschuk hergestellt sein. Die Isolierhülle 30 kann außerdem fügestellenfrei (monolithisch; „aus einem Guss“) ausgebildet sein.
Ein hier vorgeschlagener Energiespeicher ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Bei dem (Kraftfahrzeug-) Energiespeicher kann es sich insbesondere um eine Antriebsbatterie für das Kraftfahrzeug handeln. Der Energiespeicher umfasst ein Speichergehäuse sowie mehrere vorstehend im Detail beschriebene Energiespeicherzellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie. Die Energiespeicherzellen sind insbesondere nebeneinander im Speichergehäuse aufgenommen. Isolierhüllen zueinander benachbarter Energiespeicherzellen sind zwischen Speicherzellengehäusen der benachbarten Energiespeicherzellen eingespannt.
Der Energiespeicher kann mehrere baulich getrennte Speichermodule aufweisen, die jeweils einen Satz von mehreren der Energiespeicherzellen enthalten. Dabei kann jedes Speichermodul von einem Modulgehäuse umschlossen sein. Das Modulgehäuse weist vorzugsweise Außenwände auf, die miteinander verschweißt sein können. Insbesondere können entlang eines Umfangs des Energiespeichers auf zwei einander entgegengesetzten Seiten des Energiespeichers Druckplatten als Teil des Modulgehäuses vorgesehen sein, die den Satz von Energiespeicherzellen (radial) zusammendrücken. Entsprechend können die Isolierhüllen der Energiespeicherzellen in ihrer Einbaulage im Speichermodul radial vorgespannt sein.
Die Druckplatten können über Seitenwände des Modulgehäuses miteinander verbunden sein. Die Druckplatten und die Seitenwände können dabei fest aneinander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt, sein. Wenn es sich bei den Energiespeicherzellen des Speichermoduls um prismatische Zellen handelt, sind die Druckplatten vorzugsweise parallel zu den Hauptebenen der Energiespeicherzellen ausgerichtet. Vorteilhafterweise wirken die Schwellkräfte der Energiespeicherzellen somit im Wesentlichen senkrecht zu den Druckplatten sowie zu den Hauptflächen der Isolierhülle. Wenn die Energiespeicherzellen nicht in Speichermodule gruppiert sind, die Energiespeicherzellen also direkt im Speichergehäuse montiert sind, gilt vorstehend für ein Speichermodul gesagtes analog für den gesamten Energiespeicher. In diesem Fall tritt also das Speichergehäuse an die Stelle des Modulgehäuses.
Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Luft, Wasser- oder Bodenfahrzeug handeln. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist einen vorstehend beschriebenen Energiespeicher auf. Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Flachspeicher ausgebildet. Er kann insbesondere zwischen zwei benachbarten Achsen des Kraftfahrzeuges im Unterflurbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet sein.
Das hier vorgeschlagene Verfahren ist zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere der vorstehend im Detail beschriebenen Energiespeicherzelle, vorgesehen und umfasst die Schritte: Bereitstellen des Speicherzellengehäuses; Anordnen der Elektrodenbaugruppe sowie des Elektrolyten im Innenbereich des Speicherzellengehäuses; und Anbringen der Isolierhülle auf einer Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses, wobei das Speicherzellengehäuse zumindest abschnittsweise mit der Isolierhülle ummantelt wird.
Vorzugsweise umfasst das Anordnen der Elektrodenbaugruppe im Innenbereich, die Elektrodenbaugruppe zu stapeln oder zu wickeln und die gestapelte/gewickelte Elektrodenbaugruppe in das Speicherzellengehäuse einzusetzen. Bevorzugt ist, dass der Schritt des Anbringens der Isolierhülle vor einem Schritt des Formierens der Energiespeicherzelle durchgeführt wird. Entsprechend können während des Formierens im Innenbereich entstehende Gase durch die von der Isolierhülle bewirkten Verpresskräfte gleichmäßig im Innenbereich, insbesondere auch in Eck- oder Randabschnitte des Innenbereichs, verteilt werden.
Im Energiespeicher, in dem Fahrzeug sowie in dem Herstellverfahren der Energiespeicherzelle können beliebige, insbesondere alle der vorstehend in Zusammenhang mit der Energiespeicherzelle beschriebenen Merkmale realisiert sein.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Energiespeicherzelle, eines Energiespeichers, eines Kraftfahrzeuges sowie eines Verfahrens zur Herstellung eines Energiespeichers werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen erläutert, wobei

1 eine Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei sich das Speicherzellengehäuse der Energiespeicherzelle in seinem nicht ausgedehnten Ausgangszustand befindet;
2 die Energiespeicherzelle aus 1 in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei das Speicherzellengehäuse ausgedehnt und die Isolierhülle zusammengedrückt ist;
3 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, in der die Isolierhülle einen eine bodenseitige Stirnfläche des Speicherzellengehäuses bedeckenden Abschnitt aufweist, wobei sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
4 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle unterschiedlich große Hohlräume aufweist, wenn sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
5 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle ebenfalls unterschiedlich große Hohlräume aufweist, wenn sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
6 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle unterschiedlich große Hohlräume aufweist, und wobei sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
7 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei auf entgegengesetzten Seiten des Speicherzellengehäuses unterschiedlich ausgestaltete Hohlräume vorgesehen sind;
8 ein Speichermodul eines Energiespeichers mit mehreren Energiespeicherzellen gemäß 3, wobei die Energiespeicherzellen einander über deren Isolierhüllen kontaktieren, und wobei sich die Speicherzellengehäuse jeweils in deren nicht ausgedehntem Ausgangszustand befinden;
9 das Speichermodul aus 8 zeigt, nachdem sich die Speicherzellengehäuse ausgedehnt haben;
10 ein Speichermodul eines weiteren Energiespeichers mit mehreren Energiespeicherzellen gemäß 4, wobei die Energiespeicherzellen einander über deren Isolierhüllen kontaktieren, und wobei sich die Speicherzellengehäuse jeweils in deren nicht ausgedehntem Ausgangszustand befinden;
11 das Speichermodul aus 10 zeigt, nachdem sich die Speicherzellengehäuse ausgedehnt haben;
12 eine Variante eines Kraftfahrzeuges mit dem Energiespeicher zeigt, der mehrere Speichermodule aufweist; und
13 eine Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer Energiespeicherzelle zeigt.

Die 1 und 2 zeigen eine Energiespeicherzelle 10, die zum Einbau in einen Energiespeicher 200 für ein in 12 gezeigtes Kraftfahrzeug 300 (hier: Personenkraftwagen) vorgesehen ist. Die Energiespeicherzelle 10 ist hier beispielhaft als Rundzelle ausgebildet und enthält ein Speicherzellengehäuse 20 sowie eine außenseitig auf dem Speicherzellengehäuse 20 angebrachte Isolierhülle 30. Das Speicherzellengehäuse 20 begrenzt einen Innenbereich 22 der Energiespeicherzelle 10, in dem eine in dieser Variante als Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel ausgebildete Elektrodenbaugruppe 24 angeordnet ist. Darüber hinaus enthält der Innenbereich 22 eine Elektrolyten, insbesondere einen Flüssigelektrolyten.
Die Isolierhülle 30 ist im Ausgangszustand aus 1 mindestens 4 mm dick und ummantelt das Speicherzellengehäuse 20 außenseitig. Insbesondere kontaktiert die Isolierhülle 30 zu jedem Zeitpunkt, also sowohl im nicht ausgedehnten, in 1 dargestellten Ausgangszustand des Speicherzellengehäuses 20, als auch im in 2 gezeigten, ausgedehnten Zustand des Speicherzellengehäuses 20, mit ihrer gesamten Innenumfangsfläche eine Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20. Somit ist die Innenumfangsfläche so groß wie die Außenumfangsfläche 26. Das Speicherzellengehäuse 20 ist somit vorteilhafterweise an der gesamten Außenumfangsfläche 26 isoliert. In der Einbaulage der Energiespeicherzelle 10 im Speichermodul 100 (vgl. 8 und 10) bleibt eine Breite B (hier: Außendurchmesser, vgl. 1 und 2) der Energiespeicherzelle 10 im Wesentlichen gleich, wenn sich das Speicherzellengehäuse wie oben beschrieben aufweitet.
Die Isolierhülle 30 ist elastisch federnd, beispielsweise aus Gummi, ausgebildet und kann daher, optional radial elastisch vorgespannt, auf das Speicherzellengehäuse 20 aufgesetzt sein. Außerdem kann die Isolierhülle 30 weiter nachgeben, wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 radial ausdehnt. Um einen für die Energiespeicherzelle im Energiespeicher vorgegebenen, festen Bauraum während des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses beizubehalten, sind mehrere Hohlräume 32, 42, 44 in der Isolierhülle 30 integriert. Im Ausgangszustand der Energiespeicherzelle aus 1 sind alle Hohlräume 32, 42, 44 im Wesentlichen (abgesehen von geringfügigen Fertigungstoleranzen) gleich groß. Ein erster Hohlraum 42 ist axial (bezogen auf die Mittellängsachse A der Energiespeicherzelle 10) mittig angeordnet und ein zweiter Hohlraum 44 ist an einem axialen Rand/Ende der Isolierhülle 30 sowie benachbart zu einer Stirnfläche der Energiespeicherzelle 10 angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur einige der Hohlräume 32 mit Bezugszeichen versehen. In der Variante aus 1 sind die Hohlräume 32 gleichmäßig über der Isolierhülle 30 verteilt angeordnet. Mit anderen Worten, ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Hohlräumen 32 ist für alle Hohlräume 32 im Wesentlichen gleich groß. Obgleich in 1 nur radial verlaufende Stege 38 gezeigt sind, kann die Isolierhülle 30 zusätzlich axial verlaufende Stege 38 aufweisen, die die radial verlaufenden Stege 38 kreuzen können. Insgesamt ergibt sich so ein regelmäßiges Raster von Hohlräumen 32, die entlang des Umfangs des Speicherzellengehäuses sowie radial im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die Hohlräume 32, der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 sind von einer ersten Schicht 34 der Isolierhülle 30 und einer zweiten Schicht 36 der Isolierhülle 30 begrenzt. Zwischen der ersten Schicht 34 und der zweiten Schicht 36 sind Stege 38 ausgebildet, die die erste Schicht 34 und die zweite Schicht 36 miteinander verbinden und jeweils benachbarte Hohlräume 32 voneinander abtrennen. Diese Stege 38 dienen der Versteifung der Isolierhülle 30. Die Stege 38 sind (für Radialkräfte) außerdem steifer als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36. Zu diesem Zweck können die Stege 38 insbesondere aus einem anderen, vorzugsweise steiferen Werkstoff hergestellt sein als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36.
In der Variante aus 1 ist die Isolierhülle 30 stoffschlüssig mit der Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20 verbunden. Insbesondere ist die Isolierhülle mittels der zweiten Schicht 36 unter Verwendung eines Haftmittels auf die Außenumfangsfläche 26 aufvulkanisiert. Wenn die Isolierhülle 30 hingegen in einer anderen Variante als eigensteifer Hüllkörper ausgebildet ist, kann die Isolierhülle kraftschlüssig mit der Außenumfangsfläche 26 verbunden sein. In diesem Fall ist kein Haftmittel erforderlich. Vielmehr kann die Isolierhülle 30 in diesem Fall mit einer Aufnahme 31 zum Aufnehmen des Speicherzellengehäuses 20 versehen sein, in die das Speicherzellengehäuse 20 eingesteckt werden kann. Außerdem kann das Speicherzellengehäuse 20 dann aus der Aufnahme 31 entnommen werden, ohne die Isolierhülle 30 zu zerstören.
Wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 in der Einbaulage der Energiespeicherzelle 10 im Speichermodul 100 (vgl. 8) während der Lebensdauer der Energiespeicherzelle 10, insbesondere während eines Schnellladevorgangs, aufweitet/ausdehnt („anschwillt“), nimmt der axial mittige erste Hohlraum 42 mehr von der Ausdehnung auf und schrumpft dadurch mehr als der axial randseitige zweite Hohlraum 44. Je weiter ein Hohlraum 32 von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 entfernt ist, desto stärker schrumpft dieser Hohlraum 32 infolge des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses 20 (vgl. 2). Bei diesem Vorgang wird, sofern zumindest die erste Schicht 34 gasundicht ist, Gas, insbesondere Luft, aus dem ersten Hohlraum 42, dem zweiten Hohlraum 44 sowie den übrigen Hohlräumen 32 hinaus gedrückt. Falls die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36 hingegen gasdicht ist, kann das Gas zumindest teilweise in den genannten Hohlräumen 42, 44, 32 verbleiben und komprimiert werden. Die Isolierhülle 30 wirkt somit vorteilhafterweise wie eine Gasdruckfeder. Bei einer Verkleinerung des Speicherzellengehäuses 20 im Lade- / Entladezyklus kann sich die Isolierhülle 30 (und somit auch der mindestens eine Hohlraum) im Gegenzug volumenmäßig ausdehnen.
Eine in 3 gezeigte Energiespeicherzelle 10 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 1, dass die Hohlräume 32 sowie der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 rund, im Wesentlichen kugelförmig, ausgebildet sind. Darüber hinaus weist die Isolierhülle 30 zusätzlich einen Endabschnitt auf, der sich über eine (hier bodenseitige), radial verlaufende Stirnfläche 28 der Energiespeicherzelle 10 erstreckt. Die Verbindung zwischen der Stirnfläche 28 und der Isolierhülle 30 ist wie die Verbindung zwischen der Außenumfangsfläche 26 und der Isolierhülle 30 ausgestaltet. Die Isolierhülle 30 aus 3 kann ebenso wie die Isolierhülle 30 aus 1 fügestellenfrei (monolithisch) ausgebildet sein.
Im Endabschnitt ausgebildete Hohlräume 32 weisen vorzugsweise dieselben Eigenschaften auf wie die übrigen, im an die Außenumfangsfläche 26 angrenzenden Teil der Isolierhülle 30 ausgebildeten Hohlräume 32. Die Isolierhülle kann also derart ausgebildet sein, dass, wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 axial aufweitet, die Hohlräume 32 im Endabschnitt schrumpfen, um weiteren Raum für die Ausdehnung des Speicherzellengehäuses 20 bereitzustellen. Auf diese Weise kann einem durch die Aufweitung der Energiespeicherzelle 10 bedingten Herausdrücken der Energiespeicherzelle 10 aus einem unten näher erläuterten Modulgehäuse 102 entgegengewirkt werden, wenn die Energiespeicherzelle 10 mit dem Endabschnitt auf einem Boden des Modulgehäuses 102 aufliegt und radial eingespannt ist. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus 3 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 1 auf.
Eine weitere Energiespeicherzelle 10 aus 4 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 1, dass im die Mittellängsachse A enthaltenden Längsschnitt aus 4 betrachtet der axial mittige erste Hohlraum 42 kleiner als der axial randseitige zweite Hohlraum 44 ist. Weitere Hohlräume 32 zwischen dem ersten Hohlraum 42 und dem zweiten Hohlraum 44 zeichnen sich durch ein mit dem Abstand von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 steigendes Innenvolumen aus. Entsprechend kann die Isolierhülle 30 axial in der Mitte weniger von der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses als an den axialen Enden aufnehmen. In der Folge wird während eines Ladevorgangs gebildetes Gas besser im Innenbereich 22 verteilt. Dieser Effekt wird auf synergetische Art und Weise dadurch verstärkt, dass der Abstand zwischen benachbarten Stegen 38 im Bereich des ersten Hohlraums 42 kleiner ist, woraus sich eine höhere Steifigkeit der Isolierhülle 30 in diesem Bereich ergibt.
Zusätzlich können die den ersten Hohlraum 42 begrenzenden Stege steifer ausgestaltet sein als den zweiten Hohlraum 44 begrenzende Stege 38. Der Längsschnitt der Energiespeicherzelle 10 aus 4 kann sich in vorbestimmten Drehwinkeln um die Mittellängsachse A wiederholen. D.h., in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Hohlräume 32 können analog zur Variante aus 1 im Wesentlichen gleich groß sein. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus 4 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 1 auf.
Eine wiederum weitere, in 5 gezeigte Energiespeicherzelle 10 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 4, dass im die Mittellängsachse A enthaltenden Längsschnitt betrachtet der axial mittige erste Hohlraum 42 größer als der axial randseitige zweite Hohlraum 44 ist. Weitere Hohlräume 32 zwischen dem ersten Hohlraum 42 und dem zweiten Hohlraum 44 zeichnen sich durch ein mit dem Abstand von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 geringer werdendes Innenvolumen aus. Entsprechend kann die Isolierhülle 30 axial in der Mitte mehr von der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses als an den axialen Enden aufnehmen. Der Längsschnitt der Energiespeicherzelle 10 kann sich auch bei dieser Variante in vorbestimmten Drehwinkeln um die Mittellängsachse A wiederholen. D.h., in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Hohlräume 32, 42, 44 können analog zur Variante aus 1 im Wesentlichen gleich groß sein. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus 5 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 4 auf.
Weitere Energiespeicherzellen 10 sind in den 6 und 7 dargestellt. Die Energiespeicherzelle 10 aus 6 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 4, dass letztere axial eine größere Anzahl von Hohlraumreihen aufweist als erstere. Während die Energiespeicherzelle 10 aus 4 beispielhaft acht sich entlang des Umfangs der Energiespeicherzelle 10 erstreckende Hohlraumreihen aufweist, enthält die Energiespeicherzelle 10 aus 6 lediglich fünf Hohlraumreihen. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der Stege 38 reduzieren, sodass dem Speicherzellengehäuse 20 letztlich mehr Bauraum zur Ausdehnung zur Verfügung stehen kann. Damit die Isolierhülle 30 gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweist, können einzelne oder alle Stege 38 aus einem anderen, insbesondere steiferen Werkstoff hergestellt sein als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36. Beispielsweise können Stege 38 aus einem Thermoplast oder Duroplast vorgesehen sein.
In der weiteren Variante aus 7 enthält die Isolierhülle 30 einen ersten Teil in der Umfangsrichtung, der wie die Isolierhülle 30 aus 4 ausgestaltet ist, sowie einen zweiten Teil in der Umfangsrichtung, der wie die Isolierhülle 30 aus 6 ausgestaltet ist. Auf diese Weise lassen sich selbst asymmetrische Abschnitte eines Speichermoduls 100 bauraumeffizient bei verbesserter Kraftverteilung ausnutzen. Im Übrigen weisen die Energiespeicherzellen 10 aus den 6 und 7 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 4 auf.
Das in den 8 und 9 dargestellte Speichermodul 100 enthält ein Modulgehäuse 102 sowie mehrere Energiespeicherzellen 10 gemäß 3. Die Energiespeicherzellen 10 sind im Modulgehäuse 102 aufgenommen. Die Isolierhüllen 30 zueinander benachbarter Energiespeicherzellen 10 sind zwischen Speicherzellengehäusen 20 der benachbarten Energiespeicherzellen 10 eingespannt. Anstatt der Energiespeicherzellen 10 aus 3 kann eine andere der hier beschriebenen Energiespeicherzellen 10 sowie Kombinationen verschiedener dieser Energiespeicherzellen 10 im Modulgehäuse 102 aufgenommen sein.
Wie in den 8 und 9 dargestellt, ist das Modulgehäuse 102 im Wesentlichen starr und legt einen Bauraum für die Gesamtheit der Energiespeicherzellen 10 fest. 8 zeigt das Speichermodul 100 in seinem Ausgangszustand, in dem die Energiespeicherzellen 10 direkt nach der Formierung in das Modulgehäuse 102 eingesetzt sind. Vorzugsweise sind die Energiespeicherzellen 10 dabei unter Vorspannung der Isolierhülle 30 kraftschlüssig im Modulgehäuse 102 eingespannt, wenngleich auch andere Verbindungsarten denkbar sind. Dabei nimmt jede Energiespeicherzelle 10 einen ihr zugeordneten Bauraum im Speicherzellengehäuse 20 ein und befindet sich in ihren Ausgangszustand, in dem sich die jeweiligen Speicherzellengehäuse 20 ebenfalls in deren Ausgangszustand befinden.
Das Modulgehäuse 102 kann einen Rahmen ausbilden, der einen Satz von Energiespeicherzellen 10 umgibt. Dieser Rahmen hat an einander gegenüberliegenden Endseiten Druckplatten 104, 106, die über (nicht gezeigte) Seitenwände miteinander verbunden sein können. Die Druckplatten 104, 106 und die Seitenwände sind hier miteinander verklebt und/oder verschweißt.
Die Isolierhülle 30 jeder Energiespeicherzelle 10 lässt ein Aufschwellen des zugehörigen Speicherzellengehäuses 20 zu, indem sie das von ihr selbst im Modulgehäuse 102 eingenommene Volumen reduziert. Hierbei schrumpfen die Hohlräume 32 sowie der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 umso stärker, je geringer ein Abstand zwischen dem jeweiligen Hohlraum 32, 42, 44 und der Mitte der zugehörigen Energiespeicherzelle 10 ist. Wie in 9 dargestellt, federn die Isolierhüllen 30 somit die vom Speicherzellengehäuse 20 ausgehenden radialen Schwellkräfte ab. Dadurch kann eine Zugbeanspruchung des Speicherzellengehäuses 20 und insbesondere der Schweiß- / Klebenähte zwischen den Druckplatten 104, 106 und den Seitenwänden verringert werden. Wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 wiederum verkleinert (vgl. Übergang von 9 zu 8), weiten sich die Isolierhülle 30 sowie die Hohlräume 32, 42, 44 elastisch auf.
Ein weiteres Speichermodul 100 aus den 10 und 11 enthält Energiespeicherzellen 10 gemäß 4. Wie in diesen Figuren dargestellt, wirken sich die kleineren, axial mittigen ersten Hohlräume 42 beim Anschwellen derart aus, dass axial mittig weniger Platz für das aufschwellende Speicherzellengehäuse 20 zur Verfügung steht als an den axialen Enden der Energiespeicherzellen 10. In der Folge wird das Gas besser im Innenbereich verteilt. Im Übrigen weist das Speichermodul 100 aus 10 dieselben Merkmale auf wie das Speichermodul 100 aus 8.
Das in 12 dargestellte Kraftfahrzeug 300 weist einen Energiespeicher 200 auf, in dem mehrere Energiespeichermodule 100 gemäß 8 oder 10 enthalten sind. Der Energiespeicher 200 hat ein Speichergehäuse 202, in dem die Energiespeichermodule 100 befestigt sind.
Jede der vorstehend beschriebenen Energiespeicherzellen 10 kann mittels eines in 13 stark schematisiert dargestellten Herstellverfahrens 400 produziert werden. In einem ersten Schritt 402 wird das vorzugsweise leere (metallische) Speicherzellengehäuse 20 bereitgestellt. Die Elektrodenbaugruppe 24 kann in einem nicht dargestellten weiteren Schritt durch Wickeln oder Stapeln hergestellt werden. Anschließend wird die Elektrodenbaugruppe 24 in einem Schritt 404 im Innenbereich 22 des Speicherzellengehäuses 20 angeordnet. In diesem Schritt wird vorzugsweise auch der Elektrolyt in den Innenbereich 22 eingebracht. Im Anschluss daran kann das Speicherzellengehäuse 20 (bis auf ein Entgasungsloch) geschlossen werden.
Im nächsten Schritt 406 kann die Isolierhülle 30 auf einer Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20 angebracht werden. Dieses wird kann enthalten, die Isolierhülle 30 separat von der Energiespeicherzelle 10, beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens, herzustellen und axial auf das Speicherzellengehäuse 20 aufzustecken. Hierbei kann die Isolierhülle 30 zumindest radial vorgespannt werden. Alternativ kann die Isolierhülle 30 direkt auf der Außenumfangsfläche 26 ausgebildet werden. Hierbei kann zunächst die zweite Schicht 36 zusammen mit den Stegen 38 auf der Außenumfangsfläche 26, sowie gegebenenfalls auf einer oder beiden einseitigen Stirnflächen des Speicherzellengehäuses 20, insbesondere der Stirnfläche 28, angenossen werden. Platzhalter für die Hohlräume 32 sowie den ersten Hohlraum 42 und den zweiten Hohlraum 44 können dabei umspritzt werden.
Nach Entfernen der Platzhalter kann die äußere erste Schicht 34 an den Stegen 38 ausgebildet werden. Auf diese Weise wird das Speicherzellengehäuse 20 mit der Isolierhülle 30 ummantelt. Formierungs- und/oder Entgasungsprozesse werden zur verbesserten Gasverteilung bevorzugt durchgeführt, nachdem die Energiespeicherzelle 10 mit der Isolierhülle 30 versehen worden ist. Das Entgasungsloch kann abschließend geschlossen werden. Zum Herstellen des Speichermoduls 100 kann ein Modulgehäuse 102 bereitgestellt werden und die Energiespeicherzellen 10 können unter radialer Vorspannung der Isolierhüllen 30 im Modulgehäuse 102 fixiert werden.
Die Montage der Energiespeicherzellen 10 kann dabei unter Kraftregelung auf eine vorbestimmte Radialkraft, die zwischen den Druckplatten 104, 106 wirkt, erfolgen. Die Speichermodule 100 können sodann im Energiespeicher 200 montiert werden. Alternativ können die Energiespeicherzellen 10 direkt in das Speichergehäuse 202 eingesetzt werden.
Aus Gründen der Leserlichkeit ist in dieser Offenbarung vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Hohlraum, etc.) so ist gleichzeitig auch seine Mehrzahl mit offenbart (z.B. der mindestens eine Hohlraum, d.h., der eine Hohlraum oder die mehreren Hohlräume). Zumindest abschnittsweise bedeutet vorliegend abschnittsweise oder vollständig. Der Begriff „im Wesentlichen“ umfasst im Kontext dieser Offenbarung jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/des Wertes unerhebliche Abweichungen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014218143 A1 [0003]

Claims

Energiespeicherzelle (10) für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher, umfassend ein einen Innenbereich (22) festlegendes Speicherzellengehäuse (20), eine Elektrodenbaugruppe (24) sowie einen Elektrolyten im Innenbereich (22), und eine das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei in der Isolierhülle (30) mindestens ein Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist.
Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Isolierhülle (30) mehrere Schichten (34, 36) aufweist, zwischen denen der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist.
Energiespeicherzelle (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) von mindestens einem die Schichten (34, 36) miteinander verbindenden Steg (38) begrenzt ist, wobei der Steg (38) vorzugsweise steifer als mindestens eine der Schichten (34, 36) ist.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) dazu ausgelegt ist, bei Ausdehnen des Speicherzellengehäuses (20) zu schrumpfen.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) mehrere Hohlräume umfasst, die im Wesentlichen gleich groß und/oder in gleichen Abständen über die Isolierhülle (30) verteilt sind.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) einen benachbart zu einer Mitte (12) der Energiespeicherzelle (10) angeordneten ersten Hohlraum (42) sowie vorzugsweise einen zweiten Hohlraum (44) an einem Rand der Isolierhülle (30) umfasst, der kleiner als der erste Hohlraum (42) ist.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) zerstörungsfrei von dem Speicherzellengehäuse (20) abnehmbar ist, oder wobei die Isolierhülle (30) auf dem Speicherzellengehäuse (20) aufvulkanisiert ist.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) als Hüllkörper ausgebildet ist, der vorzugsweise eine Dicke von mindestens 3 mm oder mindestens 4,5 mm aufweist, wobei der Hüllkörper vorzugsweise eine Aufnahme (31) aufweist, in der das Speicherzellengehäuse (20) aufgenommen ist.
Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) zumindest abschnittsweise gasundicht ist, und/oder wobei die Isolierhülle (30) aus einem elastischen Werkstoff hergestellt ist, und/oder wobei die Isolierhülle (30) zumindest abschnittsweise aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, einem Kautschuk oder einem Chloropren-Kautschuk hergestellt ist.
Energiespeicher (200) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Speichergehäuse (202) sowie mehrere Energiespeicherzellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicherzellen (10) im Speichergehäuse (202) aufgenommen sind, und wobei Isolierhüllen (30) zueinander benachbarter Energiespeicherzellen (10) zwischen Speicherzellengehäusen (20) der benachbarten Energiespeicherzellen (10) eingespannt sind.
Kraftfahrzeug (300) mit einem Energiespeicher (200) nach Anspruch 10.
Verfahren (402) zur Herstellung einer Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte: Bereitstellen (402) des Speicherzellengehäuses (20); Anordnen (404) der Elektrodenbaugruppe (24) sowie des Elektrolyten im Innenbereich (22) des Speicherzellengehäuses (20); und Anbringen (406) der Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise mit der Isolierhülle (30) ummantelt wird.