DE102022122105A1

DE102022122105A1 - Batteriezelle, System, Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds und Batteriezellverbund

Info

Publication number: DE102022122105A1
Application number: DE102022122105.9A
Authority: DE
Inventors: Philip Kotter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-07
Also published as: WO2024046908A1

Abstract

Es werden eine Batteriezelle, ein System mit wenigstens einer derartigen Batteriezelle und einem Zellverbinder, ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds unter Verwendung des Systems sowie ein entsprechender Batteriezellverbund angegeben. Die Batteriezelle (103) umfasst eine Anschlussstelle (5) zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle (103) mittels eines Zellverbinders (110), wobei
- eine der Batteriezelle (103) abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle (5) einen inneren Abschnitt (5-I), einen äußeren Abschnitt (5-A) sowie eine Knickstelle (10) aufweist, an der der innere Abschnitt (5-I) in den äußeren Abschnitt (5-A) übergeht, wobei der äußere Abschnitt (5-A) der Oberfläche bezüglich der Knickstelle (10) abfällt.

Description

Es werden eine Batteriezelle, ein System mit wenigstens einer derartigen Batteriezelle und einem Zellverbinder, ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds unter Verwendung des Systems sowie ein entsprechender Batteriezellverbund angegeben.
Zellverbinder (engl. „busbar“) sowie Anschlussstellen (engl. „terminal“) von Batteriezellen weisen im Kontaktbereich üblicherweise einfach herzustellende, ebene Geometrien auf. Zellverbinder und Anschlussstellen können beispielhaft mittels Fügen durch Laserschweißen verbunden werden.
Die Herstellung eines Zellverbunds erfordert oft hohe Anpresskräfte auf den Zellverbinder gegen die Anschlussstelle, um unter Berücksichtigung von Formtoleranzen der Geometrien im Kontaktbereich möglichst kleine Schweißspalte zu erzeugen.
Abweichungen der Geometrien im Kontaktbereich können (Luft-)spalte zwischen einer Oberfläche der Anschlussstelle und einer Auflagefläche des Zellverbinders zur Folge haben, wodurch es zu Lufteinschlüssen in der Schweißnaht kommen kann (Poren, Lunker und/oder Fehlstellen), die deren Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit herabsetzen. Zudem kann aufgrund der (Luft-)spalte beim Schweißen aufgeschmolzenes Material vom Schweißort weggeschleudert werden und als „Schweißspritzer“ nahegelegene Komponenten beschädigen.
Weiterhin variiert eine Position des geringst möglichen Schweißspalts stark um einen ggf. vorbestimmten Schweißort. So entsteht ein erster Auflagepunkt des Zellverbinders meist am Rand bzw. einer Außenkante der Anschlussstelle, an dem bzw. der ein Schweißen in Ermangelung an ausreichend Material der Anschlussstelle unerwünscht ist. Ein bzw. mehrere weitere Auflagepunkt(e) können je nach Formtoleranz der Geometrien im Kontaktbereich an beliebiger Position entstehen, der bzw. die bei einer Vorbestimmung des Schweißorts keine Berücksichtigung finden kann bzw. können.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Batteriezelle, ein System mit wenigstens einer derartigen Batteriezelle und einem Zellverbinder, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds unter Verwendung des Systems anzugeben, mit der bzw. dem vergleichsweise kleine Schweißspalte bei vergleichsweise geringen Anpresskräften zwischen Zellverbinder und Anschlussstelle erzeugt werden können.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß eines ersten Aspekts wird eine Batteriezelle angegeben, welche eine Anschlussstelle zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle mittels eines Zellverbinders umfasst.
Bei einer Batteriezelle handelt es sich hier und im Folgenden beispielsweise um eine Sekundärbatterie bzw. einen Akkumulator. Eine Batteriezelle ist damit beispielsweise ein einzelnes wieder aufladbares Speicherelement für elektrische Energie. Bei der Batteriezelle kann es sich insbesondere um eine Rundzelle oder prismatische Zelle mit gewickeltem oder gefaltetem Kern handeln. Die Batteriezelle weist eine laterale Erstreckung sowie eine schräg bzw. senkrecht hierzu verlaufende (zentrale) Längsachse auf, die sich zwischen einer Ober- und einer Unterseite der Batteriezelle erstreckt.
Die Anschlussstelle bildet einen der Zellpole der Batteriezelle, beispielsweise an der Ober- oder Unterseite der Batteriezelle. Die Anschlussstelle ist zur Verbindung mit einem Zellverbinder mittels Fügen vorgesehen. Unter der Anschlussstelle ist insbesondere ein Bauteil bzw. eine Bauteilgruppe oder ein Bereich eines Bauteils bzw. einer Bauteilgruppe zu verstehen, dessen bzw. deren der Batteriezelle abgewandte Oberfläche im bestimmungsgemäßen Betrieb der Batteriezelle in direktem Kontakt zu dem Zellverbinder steht.
Bei dem Zellverbinder handelt es sich beispielsweise um ein metallisches Blech, beispielhaft aus Kupfer oder Aluminium. Der Zellverbinder ist insbesondere zur elektrischen Kontaktierung mehrerer Batteriezellen vorgesehen und entsprechend zur Verbindung mittels Fügen mit mehreren Anschlussstellen eingerichtet. Je Anschlussstelle weist der Zellverbinder eine entsprechende Auflagefläche auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist eine der Batteriezelle abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle einen inneren Abschnitt, einen äußeren Abschnitt sowie eine Knickstelle auf, an der der innere Abschnitt in den äußeren Abschnitt übergeht, wobei der äußere Abschnitt der Oberfläche bezüglich der Knickstelle abfällt.
Die Begriffe „innen“ und „außen“ sind hierbei relativ zur lateralen Erstreckung der Anschlussstelle zu verstehen, d.h. der innere Abschnitt ist einem Zentrum der lateralen Erstreckung der Anschlussstelle näher als der äußere Abschnitt bzw. schließt dieses ein. Unter der der Batteriezelle abgewandten Oberfläche der Anschlussstelle kann eine Fläche der Anschlussstelle mit einem Normalenvektor verstanden werden, welcher eine Komponente parallel der Längsachse weg vom Zellinneren enthält.
Beispielsweise kann die Anschlussstelle einen äußeren Abschnitt oder mehrere, räumlich getrennt voneinander angeordnete äußere Abschnitte aufweisen. Der bzw. die äußere(n) Abschnitt(e) kann bzw. können einen oder mehrere innere(n) Abschnitt(e) räumlich begrenzen. Die Knickstelle bildet hierbei einen Übergang eines jeweiligen inneren Abschnitts zu bzw. eine Trennung von einem jeweiligen äußeren Abschnitt.
Als Knickstelle wird hier und im Folgenden eine gezielt eingebrachte Krümmungsänderung in der Oberfläche der Anschlussstelle verstanden. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen lateralen Abschnitt der Anschlussstelle bei dem ein ebener innerer Abschnitt in einen schräg oder gekrümmt hierzu verlaufenden äußeren Abschnitt übergeht. Die Knickstelle bildet eine Art Kante oder Rand, auf welcher bzw. welchem eine Auflagefläche des Zellverbinders aufliegt. Die Knickstelle dient insbesondere als Auflagepunkt bzw. - kante für den Zellverbinder.
Dass der äußere Abschnitt bezüglich der Knickstelle abfällt bezeichnet einen Verlauf der Oberfläche schräg oder gekrümmt zu der Längsachse, derart, dass die Knickstelle einen exponiertesten Punkt bzw. eine exponierteste Kante der Anschlussstelle bezogen auf die Längsachse bildet. Das „Abfallen“ zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein der Anschlussstelle zugewandeten, konkaven Innengeometrie eines Zellverbinders einbeschriebener Kreis mit Radius R2 größer ist als der Radius R1 eines Kreises der konvexen Außengeometrie der Anschlussstelle, wobei der exponierte Punkt auf der Kreislinie liegt und dessen Radius R1 bestimmt und die Anschlussstelle an keiner weiteren Position den Kreis berührt oder über diesen hinausragt. Je nach Baugröße und Ausführung der Batterizelle ist dies beispielsweise ab eines Höhenversatzes von 0,5 mm bis 1 mm eines äußersten Punktes (=exponierter Punkt) des inneren Abschnitts zu einem äußersten Punkt des äußeren Abschnitts gegeben.
In vorteilhafter Weise ermöglicht eine derartige Anschlussstelle die Herstellung eines Batteriezellverbunds mit vergleichsweise kleinen Schweißspalten an vorbestimmter Position. Durch die Knickstelle mit vorbekannter Position wird ein erster geometrischer Auflagepunkt bzw. eine erste geometrische Auflagekante bezogen auf die laterale Erstreckung der Anschlussstelle effektiv nach innen verlagert, an dem bzw. der sich ausreichend Material der Anschlussstelle für einen Schweißprozess befindet. Statistisch und prozessual können Lagetoleranzen von Zellverbinder zu Anschlussstelle in der Fertigung besser kompensiert und eine Position des geringsten Schweißspalts sicherer (vor)bestimmt werden, so dass bei vergleichbaren Anpresskräften eine höhere Festigkeit und Leitfähigkeit der Verbindung aus Anschlussstelle und Zellverbinder erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist eine Reduktion der Anpresskräfte im Herstellungsprozess unter Berücksichtigung der zu erzielenden Festigkeit und Leitfähigkeit denkbar, so dass etwa bei vergleichbarer Festigkeit und Leitfähigkeit Anforderungen an Material und Fertigungstoleranzen im Hinblick auf die Anpresskräfte verringert werden können und so zu einer kostengünstigen Herstellung des Batteriezellverbunds beigetragen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der innere Abschnitt der Oberfläche in einer Ebene angeordnet. In anderen Worten ist der innere Abschnitt der Oberfläche eben ausgebildet. Die Ebene erstreckt sich schräg, insbesondere senkrecht zur Längsachse der Batteriezelle. Insbesondere bildet der innere Abschnitt der Oberfläche gemeinsam mit der Knickstelle eine bezogen auf die Längsachse exponierteste Fläche der Anschlussstelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die der Batteriezelle abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle wenigstens zwei Knickstellen auf, die den inneren Abschnitt der Oberfläche lateral begrenzen. Beispielsweise sind die Knickstellen an wenigstens zwei Seiten einer prismatischen Batteriezelle angeordnet. In vorteilhafter Weise ergibt sich so, insbesondere bei symmetrischer Ausführung der Knickstellen, ein zweiter und ggf. dritter geometrischer Auflagepunkt bzw. geometrische Auflagekante ebenfalls an einer vorbestimmten, einfach schweißbaren Position.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umschließt die Knickstelle den inneren Abschnitt der Oberfläche lateral. Beispielhaft ist die Knickstelle kreisförmig in einer Ebene verlaufend ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die Knickstelle bzw. sind die Knickstellen in einer Ebene verlaufend ausgebildet. Die Ebene erstreckt sich schräg, insbesondere senkrecht zur Längsachse der Batteriezelle und bildet einen bezogen auf die Längsachse exponiertesten Bereich der Anschlussstelle. Die Knickstelle bzw. die Knickstellen können beispielhaft gerade oder gekrümmt in der Ebene verlaufend ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist der äußere Abschnitt der Oberfläche gerade abfallend oder gekrümmt abfallend bezüglich der Knickstelle ausgebildet. Unter gerade abfallend ist insbesondere ein Verlauf der Oberfläche schräg zu der Längsachse zu verstehen, durch den je nach eingeschlossenen Winkel mit der Längsachse eine „scharfe“ Kante an der Knickstelle gebildet wird, wodurch ein Auflagepunkt bzw. eine Auflagekante des Zellverbinders besonders genau vorbestimmt werden kann. Der äußere Abschnitt kann hierbei sowohl in Form der Mantelfläche eines Kegelstumpfs als auch eines Pyramidenstumpfs ausgebildet sein. Unter gekrümmt abfallend ist insbesondere ein (konvex) gekrümmter Verlauf der Oberfläche zu verstehen, durch den je nach Krümmungsradius eine „weiche“ Kante an der Knickstelle gebildet wird, wodurch sich die Auflagefläche des Zellverbinders besonders spaltfrei aufgepresst werden kann. Der äußere Abschnitt kann hierbei in Form der Mantelfläche einer Kugelschicht ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst die Batteriezelle ferner eine Durchkontaktierung, welche sich mittig durch die Anschlussstelle in das Innere der Batteriezelle erstreckt, wobei eine der Batteriezelle abgewandte Seite der Durchkontaktierung die der Batteriezelle abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle an der Knickstelle nicht überragt. Unter einer Durchkontaktierung ist ein Verbindungsstück zwischen dem Ableiterfähnchen im Zellinneren und der Anschlussstelle zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten der Batteriezelle zu verstehen. Die Durchkontaktierung kann auch als Rivet bezeichnet werden. Die Oberfläche der Durchkontaktierung ist insbesondere eben ausgebildet. Beispielhaft können die Oberfläche der Durchkontaktierung und der innere Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle in einer Ebene angeordnet sein. Alternativ ist die Oberfläche der Durchkontaktierung gegenüber dem inneren Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle herabgesetzt bezogen auf die Längsachse, so dass sichergestellt ist, dass Auflagepunkte bzw. Auflagekante(n) für den Zellverbinder durch die Knickstelle(n) gebildet sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weisen die Anschlussstelle eine laterale Erstreckung vorgegebener Breite B, und der äußere Abschnitt der Oberfläche eine laterale Erstreckung zwischen B/16 und B/4, insbesondere B/8, auf. In vorteilhafter Weise wird so ein effektives nach innen Verlagern des bzw. der Auflagepunkte bzw. Auflagekante(n) bezogen auf die laterale Erstreckung der Anschlussstelle erwirkt und sichergestellt, dass unabhängig von der absoluten Größe der zu verbindenden Elemente sowie der Schweißnaht ausreichend Material der Anschlussstelle für einen Schweißprozess vorhanden ist. Mit Vorteil ist bei Vorhandensein einer Durchkontaktierung der bzw. die Auflagepunkte bzw. Auflagekante(n) bezogen auf die laterale Erstreckung der Anschlussstelle derart beabstandet von der Durchkontaktierung, dass die Durchkontaktierung bei dem Schweißprozess nicht involviert wird. Ein Abstand zur Durchkontaktierung sowie zum Rand der Anschlussstelle kann je nach Batteriegröße z.B. ca. 2 bis 3 mm betragen.
Gemäß eines zweiten Aspekts wird ein System angegeben, umfassend wenigstens eine Batteriezelle gemäß dem ersten Aspekt sowie einen Zellverbinder. Der Zellverbinder weist je Batteriezelle jeweils eine Auflagefläche zur elektrischen Kontaktierung der entsprechenden Batteriezelle auf. Die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders weist eine von einer Ebene vorgegeben abweichende Verformung auf.
In vorteilhafter Weise ermöglicht ein derartiges System die Herstellung eines Batteriezellverbunds mit vergleichsweise kleinen Schweißspalten an vorbestimmter Position. Durch die Knickstelle mit vorbekannter Position in Verbindung mit der vorgegeben verformten Auflagefläche des Zellverbinders können der bzw. die Auflagepunkt(e) bzw. Auflagekante(n) bezogen auf die laterale Erstreckung der Anschlussstelle zuverlässig nach innen verlagert werden mit den oben beschriebenen Vorteilen. Die obigen Ausführungen zum ersten Aspekt gelten gleichwohl für den zweiten Aspekt und umgekehrt. Bei der Verformung kann es sich insbesondere um eine Krümmung bzw. Wölbung handeln, eingebracht beispielsweise durch Bombieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders konkav ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders komplementär zu der Oberfläche der Anschlussstelle der entsprechenden Batteriezelle geformt. Komplementär heißt hier und im Folgenden, dass die Auflagefläche einen dem inneren Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle entsprechenden inneren Bereich sowie einen dem äußeren Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle entsprechenden äußeren Bereich aufweist, wobei zumindest der äußere Bereich eine Form aufweist, die der Form der Oberfläche des äußeren Abschnitts der Oberfläche der Anschlussstelle angepasst ist. Beispielhaft können sowohl der äußere Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle als auch der äußere Bereich der Auflagefläche des Zellverbinders gekrümmt ausgebildet sein. Ein Krümmungsradius des äußeren Abschnitt der Oberfläche der Anschlussstelle ist hierbei stets kleiner als ein Krümmungsradius des äußeren Bereichs der Auflagefläche des Zellverbinders, so dass sichergestellt ist, dass stets die Knickstelle(n) Auflagepunkt(e) bzw. Auflagekante(n) für den Zellverbinder bilden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt ist eine Krümmung des äußeren Abschnitts der jeweiligen der Batteriezelle abgewandten Oberfläche der Anschlussstelle größer ausgebildet als eine Krümmung der entsprechenden Auflagefläche des Zellverbinders. In andere Worten ist der Krümmungsradius des äußeren Abschnitts der Oberfläche der Anschlussstelle kleiner als der Krümmungsradius des äußeren Bereichs der Auflagefläche des Zellverbinders.
Gemäß eines dritten Aspekts wird ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds unter Verwendung des Systems gemäß dem zweiten Aspekt angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, insbesondere in der angegeben Reihenfolge:

- Bereitstellen und Anordnen der wenigstens einen Batteriezelle derart, dass die Anschlussstelle eine Oberseite der entsprechenden Batteriezelle bildet;
- Bereitstellen und Anordnen des Zellverbinders oberhalb der entsprechenden Batteriezelle derart, dass die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders den inneren Abschnitt der Anschlussstelle der jeweiligen Batteriezelle bedeckt, derart, dass der Zellverbinder an der Knickstelle der jeweiligen Batteriezelle aufliegt;
- Aufbringen einer Kraft auf den aufliegenden Zellverbinder, so dass der Zellverbinder an die Oberseite gepresst wird; und
- stoffschlüssiges Verbinden des Zellverbinders mit der Anschlussstelle an der Knickstelle der jeweiligen Batteriezelle.

Die obigen Ausführungen zum zweiten Aspekt gelten gleichwohl für den dritten Aspekt und umgekehrt. Die Batteriezellen werden derart angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel verlaufen. Hierbei ist es denkbar, mehrere Batteriezellen in einem Schritt bereitzustellen und den Zellverbinder in einem darauffolgenden Schritt aufzulegen und nachfolgend mit den Batteriezellen zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, jeweils einen Teil der zur Verbindung vorgesehenen Batteriezellen, z.B. lediglich eine einzige Batteriezelle, bereitzustellen und jeweils nacheinander mit dem Zellverbinder zu verbinden.
Die Kraft wird insbesondere parallel der Längsachse der Batteriezellen aufgebracht, beispielsweise je Batteriezelle mittig.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem dritten Aspekt wird der Zellverbinder mit der Anschlussstelle mittels eines Laserschweißprozesses im Bereich der Knickstelle verbunden.
Gemäß eines vierten Aspekts wird ein Batteriezellverbund angegeben. Der Batteriezellverbund ist hergestellt nach einem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt. Die obigen Ausführungen zum dritten Aspekt gelten gleichwohl für den vierten Aspekt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematischer Aufbau einer prismatischen Batteriezelle - Ausschnitt im Bereich eines Zellpols;
2 System aus zwei prismatischen Batteriezellen gemäß 1 und einem Zellverbinder;
3 Auflagepunkte bei Verbindung jeweils einer prismatischen Batteriezelle gemäß 1 mit einem (v.l.n.r.) ebenen Zellverbinder; konkav gekrümmten Zellverbinder; unregelmäßig gekrümmten Zellverbinder; und konvex gekrümmten Zellverbinder;
4 schematischer Aufbau einer runden Batteriezelle - Ausschnitt im Bereich eines Zellpols;
5 und 6 System aus prismatischer Batteriezelle mit Knickstelle an Anschlussstelle und gekrümmtem Zellverbinder (5) und Detailansicht (6);
7 System gemäß 5 mit Lagetoleranzen zwischen Zellverbinder und Batteriezelle bezogen auf (v.l.n.r) Auflagewinkel; und Auflagewinkel sowie Position; und
8 Ablaufdiagramm zur Herstellung eines Batteriezellenverbunds unter Verwendung des Systems gemäß 5.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt einen beispielhaften Abschnitt einer prismatischen Batteriezelle 101. Die Batteriezelle 101 weist eine positive sowie eine negative Elektrode auf, die jeweils durch eine Vielzahl von Elektrodenschichten 1 gebildet sind, die in einem Gehäuse 2 der Batteriezelle 101 angeordnet sind. Das Gehäuse 2 weist eine zentrale Längsachse L sowie eine laterale Erstreckung senkrecht zur Längsachse L auf. An einer Oberseite des Gehäuses 2 ist eine Abdeckung 3 (engl. „cap plate“) angeordnet und mit dem Gehäuse 2 mittels eines Ultra-Schall- oder Laser-Schweißprozesses verbunden. Die entsprechende Schweißstelle ist mit dem Bezugszeichen 4 hervorgehoben.
Die Batteriezelle 101 weist ferner eine ebene Anschlussstelle 5 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 101 auf, die als Zellpol dient. Die Anschlussstelle 5 ist auf einer dem Gehäuseinneren abgewandten Seite der Abdeckung 3 angeordnet und durch eine zwischen der Abdeckung 3 und der Anschlussstelle 5 angeordnete Isolation 6 elektrisch von dem Gehäuse 2 getrennt.
Ins Gehäuseinnere erstreckt sich durch die Anschlussstelle 5 hindurch eine stempelförmige Durchkontaktierung 5a, welche die Anschlussstelle 5 über ein oder mehrere Ableiterfähnchen 7 der Elektrodenschichten 1 mit den Elektrodenschichten 1 elektrisch verbindet. Zwischen der Durchkontaktierung 5a und der Abdeckung 3 ist ferner eine elektrisch isolierende Dichtung 6a angeordnet. Die Durchkontaktierung 5a ist mittels eines Ultra-Schall- oder Laser-Schweißprozesses mit der Anschlussstelle 5 verbunden. Die entsprechende Schweißstelle ist mit dem Bezugszeichen 8 hervorgehoben.
Anhand 2 ist ein beispielhaftes System 100 aus zwei prismatischen Batteriezellen 101 a, 101b gemäß 1 sowie eines Zellverbinders 110 dargestellt, welcher Auflageflächen 111 a, 111b aufweist. Die Batteriezellen 101 a, 101b weisen einen Versatz d1 parallel der Längsachsen auf.
Die Anschlussstellen 5 sind jeweils quaderförmig ausgeführt; an ihrer Oberseite ist eine weitgehend ebene Kontaktfläche gebildet, vorbehaltlich Formtoleranzen. Der Zellverbinder 110 ist gleichwohl vorbehaltlich Formtoleranzen eben ausgebildet.
Bei Ausbildung eines Batteriezellverbunds wird das System 100 mit einer Kraft F beaufschlagt (dicker Pfeil) und der Zellverbinder 110 gegen die entsprechende Anschlussstelle 5 und/oder die Durchkontaktierung 5a gepresst und anschließend mit der entsprechenden Anschlussstelle 5 verschweißt (gestrichelter Pfeil). Hierzu kann eine Position einer Schweißnaht S vorgegeben sein, wobei die Position eines jeweiligen Auflagepunkts A1, A2 (vgl. 3) bzw. ein entsprechender minimal möglicher Schweißspalt je nach Toleranz und/oder Form des Zellverbinders 110 deutlich schwankt, wie im Folgenden anhand der 3 näher erläutert.
In 3 sind beispielhafte Auflagepunkte A1, A2 bei Verbindung jeweils einer prismatischen Batteriezelle gemäß 1 mit verschiedenen Zellverbindern 110a-110d dargestellt, wobei die Zellverbinder 110a-11 0d zur besseren Übersichtlichkeit jeweils nur im Bereich einer Batteriezelle 101 dargestellt sind.
Der Zellverbinder 110a (1. von links) weist eine ebene Auflagefläche auf, wird aber z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen schief auf der ebenen Oberfläche der entsprechenden Anschlussstelle angeordnet. Ein erster Auflagepunkt A1 mit minimal möglichem Schweißspalt entsteht an der Kante der Anschlussstelle (durch gestrichelte Linie angedeutet). An der Kante der Anschlussstelle steht nur wenig Material für den Schweißprozess zur Verfügung, wodurch eine Schweißverbindung an dieser Position eine potentiell unzureichende Festigkeit und/oder Leitfähigkeit aufweisen kann.
Der Zellverbinder 110b (2. von links) weist eine konkav gekrümmte Auflagefläche auf. Ein erster Auflagepunkt A1 mit minimal möglichem Schweißspalt entsteht wiederum an der Kante der Anschlussstelle. Beispielsweise zusätzlich entsteht ein zweiter Auflagepunkt A2 (ebenfalls durch gestrichelte Linie angedeutet) an einer gegenüberliegenden zweiten Kante der Anschlussstelle. Es ergeben sich die gleichen Probleme wie bei Zellverbinder 110a.
Der Zellverbinder 110c (3. von links) weist eine unregelmäßig gekrümmte Auflagefläche auf. Ein erster Auflagepunkt A1 mit minimal möglichem Schweißspalt entsteht wiederum an der Kante der Anschlussstelle. Beispielsweise zusätzlich entsteht ein zweiter Auflagepunkt A2 an einer bezüglich der gegenüberliegenden zweiten Kante eingerückten Position der Anschlussstelle. Bezüglich des ersten Auflagepunkts A1 ergeben sich die gleichen Probleme wie bei Zellverbindern 110a und 110b. Am zweiten Auflagepunkt A2 wäre ein Schweißprozess prinzipiell möglich, aufgrund der Formtoleranzen liegt der zweite Auflagepunkt A2 jedoch an einer unbestimmten, relativ beliebigen Position.
Der Zellverbinder 110d (4. von links) weist eine konvex gekrümmte Auflagefläche auf. Ein erster Auflagepunkt A1 mit minimal möglichem Schweißspalt entsteht an einer bezüglich der Kante der Anschlussstelle eingerückten Position. Analog zu Zellverbinder 110c wäre am erstem Auflagepunkt A1 ein Schweißprozess prinzipiell möglich, aufgrund der Formtoleranzen liegt der erste Auflagepunkt A1 jedoch an einer unbestimmten, relativ beliebigen Position.
Zu beachten ist ferner, dass das oben beschriebene Verhalten gleichwohl im Dreidimensionalen zur mechanisch bestimmten Lagerung üblicherweise noch zu einem dritter Auflagepunkt führt (nicht dargestellt). Der dritte Auflagepunkt entsteht analog zu obigen Ausführungen mit den gleichen Nachteilen.
Anhand 4 ist ein beispielhafter Ausschnitt einer CT-Aufnahme einer zylindrischen Batteriezelle 102 („Rundzelle“) gezeigt. Die Batteriezelle 102 weist eine positive sowie eine negative Elektrode auf, die jeweils durch eine Vielzahl z.B. aufgewickelterer Elektrodenschichten 1 gebildet sind, die in einem Gehäuse 2 der Batteriezelle 101 angeordnet sind. Das Gehäuse 2 weist eine zentrale Längsachse L sowie eine laterale Erstreckung senkrecht zur Längsachse L auf. An einer Oberseite des Gehäuses 2 ist eine Abdeckung 3 angeordnet und mit dem Gehäuse 2 mittels eines Ultra-Schall- oder Laser-Schweißprozesses verbunden. Die entsprechende Schweißstelle ist mit dem Bezugszeichen 4 hervorgehoben.
Die Batteriezelle 102 weist ferner eine ebene Anschlussstelle 5 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 102 auf, die als Zellpol dient und üblicherweise scheibenartig ausgebildet ist. Die Anschlussstelle 5 ist beispielsweise mittig durch Material der Abdeckung 3 geformt und durch eine zwischen der Abdeckung 3 und dem Gehäuse 2 angeordneten, elektrisch isolierenden Dichtung 6a elektrisch von dem Gehäuse 2 getrennt.
Unterhalb der Abdeckung 3 ist ein Stromkollektor 5b (engl. „current collector“) angeordnet, welcher die Anschlussstelle 5 über eine Scheibe 9 und ein oder mehrere Ableiterfähnchen 7 (in 4 nicht dargestellt) der Elektrodenschichten 1 mit den Elektrodenschichten 1 elektrisch verbindet. Je nach Kontakt kann es sich bei der Scheibe 9 um eine Anoden- oder Kathodenscheibe handeln, die entsprechend mit eine Anode oder Kathode der Elektrodenschichten 1 über das bzw. die Ableiterfähnchen 7 verbinden. Die jeweils andere, also Kathoden- oder Anodenscheibe ist beispielhaft an einer (nicht näher dargestellten) Unterseite der Batteriezelle 102 angeordnet. Der Stromkollektor 5b ist mittels eines Ultra-Schall- oder Laser-Schweißprozesses mit der Abdeckung 3 verbunden. Die entsprechende Schweißstelle ist mit dem Bezugszeichen 8 hervorgehoben.
Entsprechend den in 3 dargestellten Auflagepunkten A1, A2 bei der quaderförmigen Anschlussstelle 5 ergibt sich für die scheibenartige Anschlussstelle 5 der Rundzelle eine vergleichbare Problematik bezüglich Festigkeit bzw. Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit der Schweißstellen.
Wie anhand 5 dargestellt wird im Folgenden eine Batteriezelle 103 mit gewölbter bzw. geknickter Oberfläche der Anschlussstelle 5 vorgeschlagen. Bei der Batteriezelle 103 handelt es sich wie dargestellt beispielsweise um eine prismatische Batteriezelle mit einer Anschlussstelle 5 von rechteckiger, z.B. quadratischer lateraler Erstreckung ähnlich der Batteriezelle 101 gemäß 1, oder um eine zylindrische Batteriezelle mit einer Anschlussstelle 5 von kreisförmiger lateraler Erstreckung ähnlich der Batteriezelle 102 gemäß 4. Die Batteriezelle 103 unterscheidet sich hierbei darin, dass lediglich ein bezüglich der zentralen Längsachse L innerer Abschnitt 5-I einer der Batteriezelle 103 abgewandten Oberfläche der Anschlussstelle 5 eben ausgebildet ist, während ein oder mehrere bezüglich der zentralen Längsachse L äußere(r) Abschnitt(e) 5-A bezüglich der Ebene abfällt, so dass am Übergang von äußerem zu innerem Abschnitt eine Knickstelle 10 gebildet ist. Eine derartig ausgeprägte Kante kann zur reproduzierbaren Erzeugung eines geringsten Schweißspaltes an festgelegter Position beitragen, wie im Folgenden näher erläutert: So kann ein erster geometrische Auflagepunkts A1 nach innen, hin zu der zentralen Längsachse L, an die Position der Knickstelle 10 verlegt sein, sodass sichergestellt ist, dass ausreichend Material der Anschlussstelle 5 für einen Schweißprozess an dieser Stelle vorhanden ist. Bei symmetrischer Ausführung der Knickstelle 10 ergibt sich ein zweiter/dritter Auflagepunkt A2 ebenfalls an einer definierten und schweißbaren Stelle. Die abfallende Oberfläche im äußeren Abschnitt 5-A kann hierbei gerade oder gekrümmt verlaufen. Insbesondere kann vorgesehen sein, die Auflagefläche des Zellverbinders 110 komplementäre zu der abfallenden Oberfläche im äußeren Abschnitt 5-A zu formen, beispielsweise zu krümmen.
Wie anhand des vergrößerten Ausschnitts X in 6 zu sehen ist hierbei die Krümmung der abfallenden Oberfläche im äußeren Abschnitt 5-A stets größer auszuführen, als die des Zellverbinders 110, d.h. der entsprechende Krümmungsradius R1 der abfallenden Oberfläche im äußeren Abschnitt 5-A ist stets kleiner zu wählen als der Krümmungsradius R2 der Auflagefläche, so dass sichergestellt ist, dass eine minimale Spaltgeometrie stets an der Knickstelle 10 entsteht. Bei symmetrischer Ausführung kann auch im Dreidimensionalen sichergestellt sein, dass ein dritter Auflagepunkt entlang der entsprechenden Knickstelle liegt, und ein insgesamt vergleichsweise geringer Spalt entsteht. In vorteilhafter Weise kann so zu einer statistisch und prozessual sichereren bzw. besser schweißbaren Positionierung des minimal möglichen Schweißspalts und somit höherer Festigkeit und Leitfähigkeit der Verbindung beigetragen werden.
Wie anhand 7 dargestellt können Lagetoleranzen zwischen Zellverbinder 110 und Anschlussstelle 5 sowie Fertigungstoleranzen besser kompensiert werden. Auch bei schrägem (links) oder versetztem (Versatz d, rechts) Aufbringen des Zellverbinders 110b sind die Auflagepunkte A1, A2 an vorgegebener, eingerückter Position mit den oben beschriebenen Vorteilen gebildet.
Im Ablaufdiagramm der 8 sind Verfahrensschritte zur Herstellung eines Zellverbunds unter Verwendung mehrerer vorgeschlagener Batteriezellen 103 sowie des konvex gekrümmten Zellverbinders 110b dargestellt.
Zunächst (S11, links) werden die Batteriezellen 103 derart bereitgestellt und angeordnet, dass die zu verbindenden Anschlussstellen 5 parallel nebeneinander ausgerichtet sind.
Daraufhin (S12, links) wird der Zellverbinder 110b auf die Anschlussstellen 5 derart aufgesetzt, dass der Zellverbinder 110b an den Knickstellen 10 der Batteriezellen 103 aufliegt.
Im Anschluss (S13, links) wird der Zellverbinder 110b auf die Anschlussstellen 5 gepresst und an vorgegebenen Positionen entsprechend den Knickstellen 10 der Batteriezellen 103 mit der Anschlussstelle 5 verschweißt (S14, links). Alternativ wird in Schritt S11 nur ein Teil der zu verbindenden Batteriezellen 103 bereitgestellt (S21, rechts) und die Schritte S11 bis S14 jeweils für einen Teil der zu verbinden Batteriezellen 103 iterativ durchlaufen (S21 bis S24, rechts).
Bezugszeichenliste

1: Elektrodenschichten
2: Gehäuse
3: Abdeckung
4: Schweißstelle
5: Anschlussstelle
5a: Durchkontaktierung
5b: Stromkollektor
6: Isolation
6a: Dichtung
7: Ableiterfähnchen
8: Schweißnaht
9: Scheibe
10: Knickstelle
100: System
101-103, 101a, 101b: Batteriezelle
110, 110a-d: Zellverbinder
F: Kraft
L: Längsachse
S: Schweißnaht
A1, A2: Auflagepunkt
5-A, 5-I: Abschnitte
R1, R2: Krümmungsradien
X: vergrößerter Ausschnitt
d: Versatz
S11-S24: Verfahrensschritte

Claims

Batteriezelle (103), umfassend eine Anschlussstelle (5) zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle (103) mittels eines Zellverbinders (110), wobei - eine der Batteriezelle (103) abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle (5) einen inneren Abschnitt (5-I), einen äußeren Abschnitt (5-A) sowie eine Knickstelle (10) aufweist, an der der innere Abschnitt (5-I) in den äußeren Abschnitt (5-A) übergeht, wobei der äußere Abschnitt (5-A) der Oberfläche bezüglich der Knickstelle (10) abfällt.
Batteriezelle (103) nach Anspruch 1, wobei der innere Abschnitt (5-I) der Oberfläche in einer Ebene angeordnet ist.
Batteriezelle (103) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die der Batteriezelle (103) abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle (5) wenigstens zwei Knickstellen (10) aufweist, die den inneren Abschnitt (5-I) der Oberfläche lateral begrenzen.
Batteriezelle (103) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Knickstelle (10) den inneren Abschnitt (5-I) der Oberfläche lateral umschließt.
Batteriezelle (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Knickstelle (10) oder mehrere Knickstellen in einer Ebene verlaufend ausgebildet ist/sind.
Batteriezelle (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der äußere Abschnitt (5-A) der Oberfläche gerade abfallend oder gekrümmt abfallend bezüglich der Knickstelle (10) ausgebildet ist.
Batteriezelle (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Durchkontaktierung (5a), welche sich mittig durch die Anschlussstelle (5) ins Innere der Batteriezelle (103) erstreckt, wobei eine der Batteriezelle (103) abgewandte Seite der Durchkontaktierung (5a) die der Batteriezelle (103) abgewandte Oberfläche der Anschlussstelle (5) an der Knickstelle (10) nicht überragt.
Batteriezelle (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anschlussstelle (5) eine laterale Erstreckung vorgegebener Breite B aufweist, und der äußere Abschnitt (5-A) der Oberfläche eine laterale Erstreckung zwischen B/16 und B/4 aufweist, insbesondere B/8.
System (100), umfassend wenigstens eine Batteriezelle (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche sowie einen Zellverbinder (110b), wobei der Zellverbinder (110b) je Batteriezelle (103) jeweils eine Auflagefläche zur elektrischen Kontaktierung der entsprechenden Batteriezelle (103) aufweist, und die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders (110b) eine von einer Ebene vorgegeben abweichende Verformung aufweist.
System (100) nach Anspruch 9, wobei die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders (110b) konkav ausgebildet ist.
System (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders (110b) komplementär zu der Oberfläche der Anschlussstelle (5) der entsprechenden Batteriezelle (103) geformt ist.
System (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Krümmung des äußeren Abschnitts (5-A) der jeweiligen der Batteriezelle (103) abgewandten Oberfläche der Anschlussstelle(5) größer ausgebildet ist als eine Krümmung der entsprechenden Auflagefläche des Zellverbinders (110b).
Verfahren zur Herstellung eines Batteriezellverbunds unter Verwendung des Systems (100) nach einem der Ansprüche 9-12, mit den Schritten - Bereitstellen und Anordnen der wenigstens einen Batteriezelle (103) derart, dass die jeweilige Anschlussstelle (5) eine Oberseite der entsprechenden Batteriezelle (103) bildet; - Bereitstellen und Anordnen des Zellverbinders (110) oberhalb der entsprechenden Batteriezelle (103) derart, dass die jeweilige Auflagefläche des Zellverbinders (110b) den inneren Abschnitt (5-I) der Anschlussstelle (5) der jeweiligen Batteriezelle (103) bedeckt, derart, dass der Zellverbinder (110b) an der Knickstelle (10) der jeweiligen Batteriezelle (103) aufliegt; - Aufbringen einer Kraft (F) auf den aufliegenden Zellverbinder (110b), so dass der Zellverbinder (110b) an die Oberseite gepresst wird; und - stoffschlüssiges Verbinden des Zellverbinders (110b) mit der Anschlussstelle (5) an der Knickstelle (10) der jeweiligen Batteriezelle (103).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Zellverbinder (110b) mit der Anschlussstelle (5) mittels eines Laserschweißprozesses im Bereich der Knickstelle (10) verbunden wird.
Batteriezellverbund, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14.