DE102022111197A1

DE102022111197A1 - Verschlussvorrichtung mit Überdruckventil zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung einer Batterie

Info

Publication number: DE102022111197A1
Application number: DE102022111197.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Marschall; Thomas Pryzklenk; Jonathan Ahrens
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Eine Verschlussvorrichtung (12) zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung in einer Umhüllung einer Batterie umfasst ein Verschlusselement (15), das für eine Anordnung innerhalb der Entgasungsöffnung eingerichtet ist, wobei dieses an einer die Entgasungsöffnung begrenzenden Wandung der Umhüllung abdichtend anliegt, und das einen als Durchgangsöffnung ausgebildeten Entgasungskanal (13) aufweist. Der Entgasungskanal (13) ist mittels eines Überdruckventils (14) der Verschlussvorrichtung (12) verschlossen, wobei das Überdruckventil (14) dafür eingerichtet ist, bei einem definierten Überdruck auf einer Innenseite der Umhüllung zu öffnen, um den Entgasungskanal (13) freizugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschlussvorrichtung zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung, die in einer Umhüllung einer Batterie ausgebildet ist, sowie die Verwendung einer solchen Verschlussvorrichtung bei der Herstellung einer Batterie.
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 galvanische Zellen beziehungsweise 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 (auch als Pouch-Umhüllung bekannt) oder auch als formstabiles Gehäuse ausgestaltet sein kann, angeordnet.
Im Rahmen der Herstellung einer solchen Batterie kann vorgesehen sein, die Batteriezelle(n) innerhalb der Umhüllung anzuordnen und anschließend den Elektrolyt über eine Einfüllöffnung in die ansonsten bereits vollständig fluid- und insbesondere auch gasdicht verschlossene Umhüllung einzubringen. Die Einfüllöffnung wird direkt anschließend oder zu einem späteren Zeitpunkt im Rahmen der Herstellung der Batterie dauerhaft verschlossen, um eine vollständig verschlossene Umhüllung zu erhalten.
Kurz nach dem Einbringen des Elektrolyten in die Umhüllung kann es infolge einer Reaktion des Elektrolyten mit Aktivmaterialien der Elektroden zu der Ausbildung eines Gases kommen, wodurch sich der Gasdruck innerhalb der Umhüllung erhöht. Um einen derart erhöhten Gasdruck zu entlasten kann es vorgesehen sein, eine Entgasungsöffnung in der Umhüllung kurzzeitig zu öffnen, wobei es sich bei dieser Entgasungsöffnung auch um die Einfüllöffnung handeln kann, die unmittelbar nach dem Einbringen des Elektrolyten mittels einer Verschlussvorrichtung temporär verschlossen wurde, um einen Eintrag von Luft und Verunreinigungen in das Innenvolumen der Umhüllung zu vermeiden, was sich anderenfalls negativ auf die Leistung und die Funktionssicherheit in einem späteren Gebrauch der Batterie auswirken könnte. Eine entsprechende Gaserzeugung und eine daraus folgende Erhöhung des Gasdrucks innerhalb der Umhüllung kann zudem erneut bei einem erstmaligen Laden der Batteriezellen auftreten. Auch dieser erhöhte Gasdruck kann durch ein kurzzeitiges Öffnen der Entgasungsöffnung entlastet werden.
Im Rahmen der Herstellung einer Batterie kann es demnach notwendig sein, eine Entgasungsöffnung in der Umhüllung der Batterie einmalig oder mehrmalig zu öffnen, wobei vermieden werden sollte, dass dabei Luft und damit Verunreinigungen in das Innenvolumen der Umhüllung gelangen. Um dies zu gewährleisten kann vorgesehen sein, die Entgasungsöffnung temporär mittels einer Verschlussvorrichtung zu verschließen und diese Verschlussvorrichtung bedarfsweise zur Druckentlastung innerhalb einer definierten Atmosphäre („Reinraumumgebung“) kurzzeitig zu entfernen.
Es ist bekannt, dazu einfache Verschlusstopfen aus einem Elastomer zu verwenden, die in die Entgasungsöffnung eingesetzt und bei Bedarf aus dieser entfernt werden (vgl. JP 2015-111527 A ). Damit ist jedoch ein relativ großer Handhabungsaufwand verbunden. Zudem führt das Bereitstellen einer Reinraumumgebung, innerhalb der das Öffnen der Entgasungsöffnung erfolgen kann, in zu einem relativ großen apparativen Aufwand, was sich negativ hinsichtlich der Kosten für die Herstellung der Batterie auswirkt.
Die DE 11 2013 005 284 T5 offenbart eine Verschlussvorrichtung, die derart ausgestaltet ist, das dann, wenn diese in eine Entgasungsöffnung einer Batterie eingesetzt ist, durch eine gezielte manuelle Belastung beziehungsweise durch ein Drücken ein randseitiger Spalt zwischen einer die Entgasungsöffnung begrenzenden Wandung der Umhüllung und der Verschlussvorrichtung freigegeben wird. Diese Verschlussvorrichtung ermöglicht folglich ein Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung ohne ein Entfernen der Verschlussvorrichtung aus der Entgasungsöffnung. Diese Verschlussvorrichtung verhindert jedoch nicht sicher, dass bei einer Betätigung Gas und insbesondere Luft von außen in die Umhüllung eindringen kann, beispielsweise dann, wenn die Verschlussvorrichtung noch gedrückt gehalten wird, obwohl der Überdruck innerhalb der Umhüllung bereits abgebaut wurde. Folglich sollte ein Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung auch bei der Verwendung eines solchen Verschlusselements in einer Reinraumumgebung erfolgen.
Die JP 2013-105678 A offenbart eine Verschlussvorrichtung zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung in einer Umhüllung einer Batterie, die aus einem elastomeren Verschlussstopfen besteht, der einen als Durchgangsöffnung ausgebildeten Entgasungskanal aufweist, der wiederum mittels eines Verschlussstifts verschließbar ist. Für ein Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung wird lediglich der Verschlussstift bedarfsweise entfernt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit für ein Entgasen des Innenvolumens einer Umhüllung im Rahmen einer Herstellung einer Batterie aufzuzeigen.
Diese Aufgabe ist bei der Verwendung einer Verschlussvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 im Rahmen einer Herstellung einer Batterie, wie es in dem Patentanspruch 14 beansprucht ist, gelöst. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Batterie ist Gegenstand des Patentanspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung und damit bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verwendung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Verschlussvorrichtung zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung, die in einer Umhüllung einer Batterie, insbesondere, einer Sekundärbatterie und/oder einer Lithium-Ionen-Batterie und/oder einer als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeug vorgesehenen Batterie, vorgesehen und entsprechend eingereicht ist, während einer Herstellung der Batterie vorgesehen. Die Verschlussvorrichtung umfasst ein Verschlusselement, das für eine Anordnung innerhalb der Entgasungsöffnung eingerichtet ist, wobei dieses dann an einer die Entgasungsöffnung begrenzenden Wandung der Umhüllung abdichtend anliegt. Das Verschlusselement bildet weiterhin einen als Durchgangsöffnung ausgebildeten Entgasungskanal auf, der mittels mindestens eines Überdruckventils verschlossen ist, wobei das Überdruckventil dafür eingerichtet ist, bei einem definierten Überdruck auf einer Innenseite der Umhüllung (im Vergleich zu dem Gasdruck auf der Außenseite der Umhüllung) zu öffnen, um den Entgasungskanal freizugeben.
Durch die Integration des Überdruckventils in die Verschlussvorrichtung kann ein selbsttätiges beziehungsweise automatisches Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung realisiert werden, wodurch der Aufwand für die Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Batterie verringert und die Sicherheit bei der Durchführung des Verfahrens erhöht werden kann.
Ein solches Verfahren umfasst erfindungsgemäß ein Einbringen mindestens einer Batteriezelle, gegebenenfalls mehrerer Batteriezellen, die (jeweils) zwei Elektroden und einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator umfasst/umfassen, sowie, insbesondere daran anschließend, ein Einbringen eines insbesondere flüssigen Elektrolyten in eine Umhüllung, die beispielsweise als Folienumhüllung (sogenannte „Pouch“-Umhüllung) oder, vorzugsweise, als formstabiles Gehäuse ausgestaltet sein kann. Dabei wird eine Entgasungsöffnung der Umhüllung vor und/oder während und/oder nach einem Einbringen des Elektrolyten in die Umhüllung mittels einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung temporär verschlossen.
Ein temporäres Verschließen der Entgasungsöffnung mittels der Verschlussvorrichtung bedeutet dabei, dass dieses Verschließen nicht abschließend beziehungsweise dauerhaft vorgesehen ist und somit insbesondere in einer vorgesehenen Nutzung der Batterie nicht mehr der Fall ist. Das Herstellen der Batterie kann demnach noch als einen weiteren, insbesondere abschließenden Verfahrensschritt ein dauerhaftes Verschließen der Entgasungsöffnung mit einem anderen Verschlusselement, das folglich nicht Gegenstand der erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung ist, umfassen ein, wobei vor diesem Verfahrensschritt die Verschlussvorrichtung aus der Entgasungsöffnung entfernt wurde.
Eine erfindungsgemäß hergestellte Batterie kann weiterhin einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol umfassen, wobei die Batteriepole zur elektrischen Anbindung der Batterie an einen externen Stromkreis vorgesehen sind. Dazu können die Batteriepole derart in die Umhüllung integriert sein, dass ein erster Abschnitt davon außerhalb der Umhüllung angeordnet und dadurch für eine Anbindung an den externen Stromkreis zugänglich ist, während ein zweiter, innerhalb der Umhüllung liegender Abschnitt einer elektrischen Verbindung mit den Batteriezellen dient. Dabei ist eine erste Elektrode der (jeder) Batteriezelle mit dem ersten Batteriepol und eine zweite Elektrode der (jeder) Batteriezelle mit dem zweiten Batteriepol elektrisch verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Überdruckventil selbstverschließend beziehungsweise automatische schließend ausgestaltet ist, so dass dieses wieder selbsttätig schließt, sobald sich der Überdruck auf der Innenseite der Umhüllung in einem definierten Maße reduziert hat. Dadurch kann gewährleistet werden, dass es im Rahmen einer Entgasung des Innenvolumens der Umhüllung der Batterie mittels des temporär geöffneten Überdruckventils der Verschlussvorrichtung nicht zu einem Eindringen von einer außerhalb der Umhüllung befindlichen Atmosphäre, insbesondere Luft, in die Umhüllung kommt. Dementsprechend ist nicht erforderlich, das Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung beziehungsweise zumindest diejenigen zeitlichen Abschnitte im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Batterie, bei der ein solches Entgasen auftreten kann, innerhalb einer definierten Atmosphäre („Reinraumumgebung“) durchzuführen. Vielmehr kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein solches Entgasen beziehungsweise ein oder mehrere Verfahrensabschnitte, bei dem/denen ein solches Entgasen auftreten kann, innerhalb einer Luftatmosphäre durchgeführt werden. Dabei kann die Luftatmosphäre auch unbeeinflusst (d.h. normale Umgebungsluft) oder spezifisch beeinflusst, beispielsweise durch das Erzeugen einer bestimmten Luftfeuchtigkeit, sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Überdruckventil einen den Entgasungskanal in einer Schließstellung verschließenden, definiert beweglich gelagerten Ventilkörper umfasst. Dieser kann vorzugsweise innerhalb des Entgasungskanals oder an einem Ende des Entgasungskanals angeordnet sein.
Für eine vorteilhafte selbstverschließende Ausgestaltung eines solchen Überdruckventils kann zudem vorgesehen sein, dass das Überdruckventil ein Federelement umfasst, das in einem vorgespannten Zustand den Ventilkörper in die Schließstellung drückt. Dieses Federelement kann dabei vorteilhaft als Torsionsfeder, beispielsweise als Schraubenfeder, oder als Biegefeder, beispielweise als Blattfeder, ausgestaltet sein. Das Ventilelement und das Federelement können dabei vorteilhaft auch einstückig und insbesondere materialeinheitlich ausgestaltet sein.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform für ein Überdruckventil einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorgesehen sein, dass dieses durch einen (im unbelasteten Zustand und bei einem Druck innerhalb der Umhüllung, der unterhalb des definierten Überdrucks liegt) lokal verschlossenen, jedoch elastisch aufweitbaren und dadurch sich öffnenden Abschnitt des Entgasungskanals ausgebildet ist. Ein elastisches Aufweiten des Entgasungskanals für ein Öffnen des Überdruckventils kann dabei vorzugsweise (insbesondere ausschließlich) auf einem Druck innerhalb der Umhüllung, der mindestens dem definierten Überdruck entspricht, beruhen. Ein solches Überdruckventil einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann sich durch eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung und damit geringe Herstellungskosten auszeichnen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eines solchen Überdruckventils kann weiterhin ein Federelement vorgesehen sein, das in einem vorgespannten Zustand das Verschlusselement derart beaufschlagt, dass der Entgasungskanal in die lokal verschlossene Form gedrückt wird. Das Federelement kann dabei vorzugsweise als (hinsichtlich seines Umfangs) elastisch aufweitbarer Federring ausgestaltet sein.
Das Federelement einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorzugsweise hinsichtlich einer ausgebildeten Vorspannung und damit der Kraft, mit der dieses den Ventilkörper in die geschlossene Stellung drückt oder den Entgasungskanal in die geschlossene Form drückt, veränderbar (einschließlich Austauschbarkeit mehrerer unterschiedlicher Federelemente) und insbesondere einstellbar sein, um eine Einstellung hinsichtlich des Überdrucks, ab dem das Überdruckventil öffnet, zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Verschlusselement zumindest in einem für das Anliegen an der Wandung der Entgasungsöffnung vorgesehenen Abschnitt, gegebenenfalls vollständig, aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, ausgestaltet ist. Dadurch kann auf relativ einfache Weise eine abdichtende Fixierung des Verschlusselements innerhalb der Entgasungsöffnung realisiert werden. Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass das Verschlusselement ein Grundelement aus dem elastischen Material, das vorzugsweise die gesamte äußere Umfangsfläche des Verschlusselements ausbildet, umfasst. „Elastisch“ im Sinne der Erfindung ist ein Material, das im Rahmen einer erfindungsgemäßen Verwendung zu einer definierten, eine bestimmte Funktion realisierenden (elastischen) Verformung führt.
Weiterhin kann das Verschlusselement einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung ein starres Stützelement umfassen, das vorzugsweise zumindest teilweise, gegebenenfalls vollständig aus Metall, beispielsweise Stahl, ausgestaltet ist. Als „starr“ gilt ein Stützelement erfindungsgemäß, wenn sich dieses bei einer üblichen Nutzung der Verschlussvorrichtung nicht in einem relevanten Maße und insbesondere nicht definiert beziehungsweise eine bestimmte Funktion realisierend verformt. Ein solches Stützelement erhöht die strukturelle Festigkeit und damit auch die Handhabbarkeit des Verschlusselements und damit der Verschlussvorrichtung insgesamt, insbesondere in Kombination mit einem Grundelement aus einem elastischen Material. Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass der Entgasungskanal teilweise oder vollständig innerhalb des Stützelements ausbildet ist, wodurch eine gute Formstabilität des Entgasungskanals und damit eine sichere Entgasung bei geöffnetem Überdruckventil gewährleistet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung kann vorgesehen sein, dass ein Einführabschnitt des Verschlusselements sich zu einem Ende des Verschlusselements verjüngend ausgestaltet ist. Als „Einführabschnitt“ wird dabei ein Endabschnitt des Verschlusselements verstanden, der dasjenige Ende umfasst, über das das Verschlusselement in die Entgasungsöffnung eingebracht wird. Dadurch kann, insbesondere in Kombination mit einer zumindest teilweisen Ausgestaltung des Verschlusselements aus einem elastischen Material, eine einfache Handhabung beim Einbringen in die Entgasungsöffnung und gleichzeitig eine gute Dichtwirkung realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:

1: eine im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Batterie;
2: einen Längsschnitt durch die Batterie;
3: eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
4: eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
5: eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung gemäß einer dritten Ausgestaltungsform.

Die 1 und 2 zeigen beispielhaft eine im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Batterie 1.
Die Batterie 1 umfasst eine Umhüllung 2 in Form eines quaderförmigen Gehäuses, beispielsweise aus einem Metall (z.B. Aluminium), sowie mehrere innerhalb der Umhüllung 2 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 Elektrolyten 6. Die Separatoren 5 sind dabei mit dem flüssigen Elektrolyten 6 getränkt. Durch den Elektrolyten 6 ist eine Leitung von Ionen zwischen benachbarten Elektroden 4 über den jeweils 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 1 in einen Stromkreis integrieren zu können. Dabei sind die beiden Batteriepole 10 an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten der quaderförmigen Umhüllung 2 angeordnet.
Im Rahmen der Herstellung einer solchen Batterie 1 kann vorgesehen sein, den vormontierten ESV 3 in die Umhüllung 2 einzubringen. Dazu kann zumindest eine, vorzugsweise beide der die Batteriepole 10 umfassenden Stirnseiten der Umhüllung 2 noch offen ausgebildet sein und der ESV 3 kann dann durch die entsprechende Öffnung in den Hauptteil der Umhüllung 2 eingeschoben oder hineingezogen werden. Anschließend kann ein Verbinden der Stromableiter 9 mit dem Batteriepol 10 in der jeweils dazugehörigen Stirnwand der Umhüllung 2 erfolgen. Anschließend werden die Stirnwände gasdicht mit dem Hauptteil der Umhüllung 2 verbunden, beispielsweise verschweißt.
Daraufhin kann der Elektrolyt 6 in die Umhüllung 2 eingebracht werden, wozu die Umhüllung 2 an einer der schmalen Längsseiten eine Einfüllöffnung 11 aufweist. Nach dem Einbringen des Elektrolyten 6 in die Umhüllung 2 wird die Einfüllöffnung 11, die gleichzeitig auch als Entgasungsöffnung 11 genutzt wird, temporär mittels einer erfindungsgemäßen Verschlussvorrichtung 12 verschlossen. Ein dauerhaftes Verschließen der Einfüllöffnung/Entgasungsöffnung 11, beispielsweise durch Anbringen eines Abdeckelements (nicht dargestellt), das hierzu mit der Umhüllung 2 verschweißt werden kann, erfolgt erst in einem abschließenden Verfahrensschritt, weil sich zuvor noch Gas innerhalb der Umhüllung 2 ausbildet, das zumindest teilweise aus dem Innenvolumen der Umhüllung 2 abgeführt werden soll, um die Ausbildung eines zu großen Überdrucks innerhalb der Umhüllung 2 zu vermeiden. Die Ausbildung des Gases kann dabei insbesondere aus einer chemischen Reaktion des eingebrachten Elektrolyten 6 mit den Aktivmaterialien 8 der Elektroden 4, insbesondere während eines ersten Ladevorgangs, resultieren. Das temporäre Verschließen der Einfüllöffnung/Entgasungsöffnung 11 soll verhindern, dass in das Innenvolumen der Umhüllung 2 Luft eindringt,, was anderenfalls zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit und der Betriebssicherheit in einem späteren Gebrauch der Batterie 1 führen könnte.
Eine erfindungsgemäße Verschlussvorrichtung 12, wie sie in drei verschiedenen Ausführungsformen in den 3 bis 5 dargestellt ist, ermöglicht ein automatisches Entgasen des Innenvolumens der Umhüllung 2. Hierzu umfassen die Verschlussvorrichtungen 12 jeweils einen Entgasungskanal 13, der mittels eines Überdruckventils 14 verschlossen gehalten ist, solange sich nicht infolge der Gasausbildung ein definierter Mindest(über)druck innerhalb der Umhüllung 2 eingestellt hat.
Die Verschlussvorrichtungen 12 gemäß den 3 bis 5 umfassen jeweils ein Verschlusselement 15, dass für eine abdichtende Anordnung innerhalb der Einfüllöffnung/Entgasungsöffnung 11 eingerichtet ist. Das Verschlusselement 15 der Verschlussvorrichtung 12 gemäß der 3 ist vollständig aus einem Elastomer ausgestaltet, während die Verschlusselemente 15 der Verschlussvorrichtungen 12 gemäß den 4 und 5 einen Grundkörper 16 aus einem Elastomer sowie ein innerhalb des Grundkörpers 16 angeordnetes, rohrförmiges Stützelement 25 aus Metall umfassen. Das Stützelement 25 bildet dabei den Entgasungskanal 13 aus.
Die außenseitigen Umfangsflächen der Verschlusselemente 15 weisen jeweils einen sich konisch zu einem der Enden verjüngenden Einführabschnitt 17 auf, wobei dieses Ende dasjenige ist, über das das Verschlusselement 15 in die Einfüllöffnung/Entgasungsöffnung 11 eingebracht wird. Der entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung beim Einsetzen des Verschlusselements 15 größer werdende Außenumfang führt dazu, dass sich das Verschlusselement 15 innerhalb der Einfüllöffnung/Entgasungsöffnung 11 verklemmt, wobei infolge der relativ großen Elastizität des Elastomermaterials des Verschlusselements 15 beziehungsweise des Grundkörpers 16 davon eine auch einen Gasübergang verhindernde Abdichtung ergibt.
Das Überdruckventil 14 bei der Verschlussvorrichtung 12 gemäß der 3 ist durch einen lokal verschlossen Abschnitt des Entgasungskanal 13 ausgebildet. Dieser Verschlussabschnitt 18 des Entgasungskanals 13 wird durch eine geschlossen umlaufende Ausbuchtung der den Entgasungskanal 13 begrenzenden Wandung des Verschlusselements 15 ausgebildet, wobei diese Ausbuchtung in dem dargestellten Ausgestaltungsbeispiel entlang der Längsrichtung des Entgasungskanal 13 eine Bogenform aufweist. Bereits in einem unbelasteten Zustand des (isolierten) Verschlusselements 15 ist ein Kontakt der Ausbuchtung in einem zentralen Abschnitt vorgesehen, wodurch der lokale Verschluss des Entgasungskanals 13 realisiert ist. Ein Öffnen des Überdruckventils 14 beziehungsweise des lokalen Verschlusses des Entgasungskanals 13 erfolgt ab einem definierten Überdruck innerhalb der Umhüllung 2, wodurch das Verschlusselement 15 (auch) in dem Verschlussabschnitt 18 radial elastisch aufgeweitet wird. Die Bogenform der Ausbuchtung in dem Verschlussabschnitt 18 führt dabei zu einer vorteilhaften Wandlung des flächig wirkenden Überdrucks in radial auf die Wandung des Verschlusselements 15 wirkende Kräfte.
Für eine ausreichend hohe Dichtwirkung beziehungsweise für ein Sicherstellen eines Öffnens des lokalen Verschlusses des Entgasungskanals 13 erst ab dem Erreichen des definierten Überdrucks umfasst die Verschlussvorrichtung 12 gemäß der 3 zusätzlich noch ein Federelement 19 in Form eines elastisch aufweitbaren Federrings, der beispielsweise ebenfalls aus einem Elastomer bestehen kann und der das Verschlusselement 15 in einem mittigen Abschnitt des Verschlussabschnitts 18 des Entgasungskanals 13 umgibt und dabei das Verschlusselement 15 derart beaufschlagt, dass der Entgasungskanal 13 in die lokal verschlossene Form gedrückt wird.
Die Überdruckventile 14 bei den Verschlussvorrichtungen 12 gemäß den 4 und 5 umfassen dagegen jeweils einen den Entgasungskanal 13 in einer Schließstellung verschließenden, beweglich gelagert Ventilkörper 20.
Bei der Verschlussvorrichtung 12 gemäß der 4 ist der Ventilkörper 20 an dem von dem Einführabschnitt 17 abgewandten Ende des Entgasungskanals 13 angeordnet und dieser ist um eine Drehachse 21 drehbar gelagert, wobei ein Federelement 19 in Form einer Blattfeder den Ventilkörper 20 in die das Ende des Entgasungskanals 13 abdeckende und damit den Entgasungskanal 13 verschließende Stellung drückt.
Bei der Verschlussvorrichtung 12 gemäß der 5 ist der Ventilkörper 20 dagegen innerhalb eines Lagerungsabschnitts 22 des Entgasungskanals 13 angeordnet, wobei der Entgasungskanal 13 in diesem Lagerungsabschnitt 22 einen vergrößerten Durchmesser mit einem Durchmessersprung zu den angrenzenden Abschnitten des Entgasungskanals 13 aufweist, wodurch an einem Ende des Lagerungsabschnitts 22 ein ringförmiger Ventilsitz 23 für den Ventilkörper 20 und an dem anderen Ende eine ringförmige Stützfläche 24 ausgebildet ist. Die Stützfläche 24 dient der Abstützung eines als Schraubenfeder ausgebildeten Federelements 19, das in einem auf Druck vorgespannten Zustand zwischen der Stützfläche 24 und dem Ventilkörper 20 angeordnet ist und dadurch den Ventilkörper 20 gegen den Ventilsitz 23 drückt.
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: Einfüllöffnung / Entgasungsöffnung
12: Verschlussvorrichtung
13: Entgasungskanal
14: Überdruckventil
15: Verschlusselement
16: Grundkörper des Verschlusselements
17: Einführabschnitt
18: Verschlussabschnitt des Entgasungskanals
19: Federelement
20: Ventilkörper
21: Drehachse
22: Lagerungsabschnitt des Entgasungskanals
23: Ventilsitz
24: Stützfläche
25: Stützelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015111527 A [0007]
DE 112013005284 T5 [0008]
JP 2013105678 A [0009]

Claims

Verschlussvorrichtung (12) zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung (11) in einer Umhüllung (2) einer Batterie (1) mit einem Verschlusselement (15), das für eine Anordnung innerhalb der Entgasungsöffnung (11) eingerichtet ist, wobei dieses an einer die Entgasungsöffnung (11) begrenzenden Wandung der Umhüllung (2) abdichtend anliegt, und das einen als Durchgangsöffnung ausgebildeten Entgasungskanal (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskanal (13) mittels eines Überdruckventils (14) verschlossen ist, wobei das Überdruckventil (14) dafür eingerichtet ist, bei einem definierten Überdruck auf einer Innenseite der Umhüllung (2) zu öffnen, um den Entgasungskanal (13) freizugeben.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (14) selbstverschließend ausgestaltet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (14) einen den Entgasungskanal (13) in einer Schließstellung verschließenden, beweglich gelagerten Ventilkörper (20) umfasst.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (20) innerhalb des Entgasungskanals (13) oder an einem Ende des Entgasungskanals (13) angeordnet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (14) ein Federelement (19) umfasst, das in einem vorgespannten Zustand den Ventilkörper (20) in die Schließstellung drückt.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (19) als Torsionsfeder oder als Biegefeder ausgestaltet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (14) durch einen lokal verschlossenen, elastisch aufweitbaren Abschnitt des Entgasungskanals (13) ausgebildet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Überdruckventil (14) ein Federelement (12) umfasst, das in einem vorgespannten Zustand den Entgasungskanal (13) in die lokal verschlossene Form drückt.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (15) zumindest in einem für das Anliegen an der Wandung der Entgasungsöffnung (11) eingerichteten Abschnitt aus einem elastischen Material ausgestaltet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einführabschnitt (17) des Verschlusselements (15) sich zu einem Ende des Verschlusselements (15) verjüngend ausgestaltet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (15) ein starres Stützelement (25) umfasst.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (25) zumindest teilweise aus Metall ausgestaltet ist.
Verschlussvorrichtung (12) gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Entgasungskanal (13) teilweise oder vollständig innerhalb des Stützelements (25) ausbildet ist.
Verwendung einer Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum temporären Verschließen einer Entgasungsöffnung (11) in einer Umhüllung (2) einer Batterie (1) während einer Herstellung der Batterie (1).
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) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entgasungsöffnung (11) der Umhüllung (2) vor und/oder während und/oder nach einem Einbringen des Elektrolyten (6) in die Umhüllung (2) mittels einer Verschlussvorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 temporär verschlossen wird.