DE102022125203A1 - Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle - Google Patents

Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle Download PDF

Info

Publication number
DE102022125203A1
DE102022125203A1 DE102022125203.5A DE102022125203A DE102022125203A1 DE 102022125203 A1 DE102022125203 A1 DE 102022125203A1 DE 102022125203 A DE102022125203 A DE 102022125203A DE 102022125203 A1 DE102022125203 A1 DE 102022125203A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
energy storage
storage cell
support element
electrode assembly
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022125203.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Nina Zensen
Alexander Adam
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to DE102022125203.5A priority Critical patent/DE102022125203A1/de
Priority to PCT/EP2023/074456 priority patent/WO2024068213A1/de
Publication of DE102022125203A1 publication Critical patent/DE102022125203A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/44—Fibrous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0585—Construction or manufacture of accumulators having only flat construction elements, i.e. flat positive electrodes, flat negative electrodes and flat separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/103—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure prismatic or rectangular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/107—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure having curved cross-section, e.g. round or elliptic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H01M50/474—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by their position inside the cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H01M50/477—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by their shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/471—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof
    • H01M50/48—Spacing elements inside cells other than separators, membranes or diaphragms; Manufacturing processes thereof characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491—Porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle (10), umfassend ein einen Innenbereich (14) der Energiespeicherzelle (10) festlegendes Zellgehäuse (12), eine Elektrodenbaugruppe (16), die zusammen mit einem Elektrolyten (15) in dem Innenbereich (14) angeordnet ist, und ein zwischen einer Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) und zumindest einem Teil der Elektrodenbaugruppe (16) angeordnetes Stützelement (20), welches die Oberfläche (18) und den Teil der Elektrodenbaugruppe (16) kontaktiert, wobei das Stützelement (20) einen Trägerteil sowie von dem Trägerteil gehaltenes Füllmaterial (24) aufweist, und wobei das Stützelement (20) dazu eingerichtet ist, das Füllmaterial (24) zumindest teilweise an den Elektrolyten (15) abzugeben und sich dadurch in einer Richtung quer zu der Oberfläche (18) zu verkleinern. Ferner betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit der Energiespeicherzelle, ein Kraftfahrzeug mit der Energiespeicherzelle oder dem Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Herstellen der Energiespeicherzelle.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, einen Energiespeicher mit der Energiespeicherzelle, ein Kraftfahrzeug mit der Energiespeicherzelle oder dem Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Herstellen der Energiespeicherzelle.
  • Moderne Energiespeicherzellen für Kraftfahrzeug-Antriebsbatterien, beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren (in der Literatur auch als Lithium-Ionen Sekundärbatterien bezeichnet), weisen im Allgemeinen eine Elektrodenbaugruppe auf, die eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator umfasst und zusammen mit einem Elektrolyten in einem Zellgehäuse 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 Zellgehäuse, bei zylindrischen Energiespeicherzellen auch als Dose (engl. „Can“) bezeichnet, kann außenseitig mit einem Isolator beschichtet sein. Der Separator soll bestimmungemäß ionenleitend (insbesondere für Lithium-Ionen durchlässig) sein, die Anode aber ansonsten gegenüber der Kathode elektrisch isolieren.
  • Über die Lebensdauer derartiger Energiespeicherzellen kann die Elektrodenbaugruppe, insbesondere das anodenseitige Aktivmaterial, mit jedem Ladezyklus anschwellen. Die Größe des Zellgehäuses der Energiespeicherzelle wird daher regelmäßig so gewählt, dass für die Elektrodenbaugruppe Platz zum Anschwellen vorgehalten wird. Je weniger Raum die Elektrodenbaugruppe hingegen im Zellgehäuse einnimmt (d.h., je geringer das Packungsverhältnis der Energiespeicherzelle ist), desto eher kann es zur Abscheidung von Lithium-Metall als Schwamm oder Dendrite (sogenanntes „Lithium-Plating“) in der Elektrodenbaugruppe kommen.
  • Um möglichst wenig Lithium abzuscheiden, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die positive und/oder negative Elektrode einer Lithium-Zelle einer Korona-Behandlung zu unterwerfen. Hierzu offenbart beispielsweise das Dokument DE 10 2014 218 143 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle, bei dem auf eine Metallfolie ein partikelförmiges Aktivmaterial und eine ein Bindemittel enthaltende Beschichtungsmasse 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 Zellgehäuse ein flüssiger Elektrolyt zugegeben. Vor dem Benetzen mit dem flüssigen Elektrolyt wird die positive und/oder negative Elektrode der Korona-Behandlung unterworfen, damit der flüssige Elektrolyt in die Poren der Elektrode eindringt.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeicherzelle bereitzustellen, die sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet und Energie zuverlässig speichern kann. 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 zum Herstellen einer Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
  • Die Energiespeicherzelle ist bevorzugt für eine Fahrzeug-Antriebsbatterie, wie beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator (sogenannte Lithium-Ionen Sekundärbatterie), vorgesehen und umfasst ein einen Innenbereich der Energiespeicherzelle festlegendes Zellgehäuse, eine Elektrodenbaugruppe, die zusammen mit einem Elektrolyten in dem Innenbereich angeordnet ist, und ein zwischen einer Oberfläche der Energiespeicherzelle und zumindest einem Teil der Elektrodenbaugruppe angeordnetes Stützelement, welches die Oberfläche und den Teil der Elektrodenbaugruppe kontaktiert. Das Stützelement weist einen Trägerteil sowie von dem Trägerteil (zumindest zeitweise, insbesondere in einem Ausgangszustand des Stützelements) gehaltenes Füllmaterial auf. Ferner ist das Stützelement dazu eingerichtet, das Füllmaterial zumindest teilweise an den Elektrolyten abzugeben und sich dadurch in einer Richtung quer zu der Oberfläche zu verkleinern, d.h. in dieser Richtung zu schrumpfen. Bei der Richtung handelt es sich vorzugsweise um eine Radialrichtung der Energiespeicherzelle.
  • Das Stützelement kann sich mit anderen Worten zersetzen und dabei durch Abgabe eines Teils seiner eigenen Masse (respektive Verringerung seines Volumens) Raum im Innenbereich des Zellgehäuses für die Elektrodenbaugruppe freigeben, in den sich die Elektrodenbaugruppe betriebsbedingt hinein ausdehnen kann. Das Aufschwellen der Elektrodenbaugruppe kann somit kompensiert werden. Dementsprechend kann die Energiespeicherzelle mit einem initial relativ großen effektiven Packungsverhältnis von Stützelement und Elektrodenbaugruppe zu dem gesamten Innenvolumen des Zellgehäuses hergestellt werden, d.h., der Innenbereich kann bereits bei der Produktion der Energiespeicherzelle weitgehend ausgefüllt sein.
  • In der Folge kann die Elektrodenbaugruppe derart im Zellgehäuse aufgenommen sein, dass eine Anode, ein Separator und eine Kathode der Elektrodenbaugruppe vergleichsweise großflächig aneinander anliegen. Auf synergetische Art und Weise kann somit das Risiko für Lithium-Plating reduziert und die Lebensdauer der Energiespeicherzelle verlängert werden. Ein konstanter Anpressdruck kann helfen, das Gas aus der Elektrodenbaugruppe herauszuleiten (d.h., sicherzustellen, dass möglichst wenig Gasblasen zwischen den Elektroden bleiben). Da das Stützelement dazu ausgelegt ist, in der genannten Richtung zu schrumpfen, gibt es de facto nach, sodass das Zellgehäuse über die Lebensdauer selbst bei anschwellender Elektrodenbaugruppe weniger auswärts gespannt werden („aufschwellen“) kann. Daher kann die Energiespeicherzelle ihre äußeren Abmessungen vorteilhafterweise länger beibehalten, sodass sie besser und dauerhafter in einem Energiespeicherzellenmodulgehäuse bzw. in einem Energiespeichergehäuse aufgenommen bleiben kann.
  • Die Elektrodenbaugruppe umfasst vorzugsweise eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten (ein- der mehrteiligen) Separator. Die Anode bzw. Kathode umfasst vorzugsweise eine jeweilige metallische Elektrode (anodenseitig beispielsweise Kupfer; kathodenseitig beispielsweise Aluminium), die mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Vorteilhafterweise enthält ein Material der Anode der Elektrodenbaugruppe Silizium, insbesondere Siliziumoxid oder ein Silizium-Kohlenstoffkomposit. Dies ermöglicht, die Energiedichte der Energiespeicherzelle effektiv zu steigern. Die Elektrodenbaugruppe kann gewickelt (als sogenannte Jelly-Roll) oder gestapelt (beispielsweise als sogenannter Z-Stack) ausgebildet sein. Insbesondere, aber nicht nur, in letzterem Fall können die Anode, die Kathode und/oder der Separator bevorzugt jeweils mehrteilig ausgebildet sein.
  • Das Stützelement ist bevorzugt nicht Teil der Elektrodenbaugruppe. Insbesondere kann das Stützelement weder eine Elektrode noch ein Separator der Elektrodenbaugruppe sein. Vielmehr handelt es sich bei dem Stützelement vorzugsweise um ein separates Bauteil, das insbesondere separat von der Elektrodenbaugruppe und/oder dem Zellgehäuse ausgebildet sein kann. Das Stützelement kann in seinem Ausgangszustand, in dem das Füllmaterial Teil des Stützelements und somit am Trägerteil gehalten ist, nicht zu elektrochemischen Reaktionen der Energiespeicherzelle beitragen, d.h., elektrochemisch passiv sein.
  • Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „Füllmaterial“ allgemein ein Material (also einen chemischen Stoff, insbesondere einen Reinstoff oder ein Gemisch), mit dem ein Teil des Stützelements zumindest teilweise befüllt ist. Das Füllmaterial kann dabei grundsätzlich in einer beliebigen Phase vorliegen. Bevorzugt ist das Füllmaterial fest (insbesondere pulverförmig) oder flüssig. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung ist mit dem Wort „Füllmaterial“ (sofern nichts Anderslautendes angegeben ist) das gesamte Füllmaterial des Stützelements gemeint. Dieses kann mehrere Teile enthalten, die jeweils als eine bestimmte chemische Substanz vorliegen.
  • Das Stützelement ist vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig zwischen dem genannten Teil der Elektrodenbaugruppe und der Oberfläche der Energiespeicherzelle in der Energiespeicherzelle eingebaut. Wenn das Stützelement formschlüssig eingebaut ist, kann definitionsgemäß (im Wesentlichen) keine Normalkraft in der genannten Richtung zwischen dem Stützelement und der Oberfläche der Energiespeicherzelle wirken. Die kraftschlüssige Variante hingegen setzt voraus, dass das Stützelement zwischen (und somit mittels) der Oberfläche der Energiespeicherzelle und dem/des zumindest einen Teil(s) der Elektrodenbaugruppe eingespannt ist. Diese letztere Variante setzt somit die Normalkraft zwischen dem Stützelement und der Elektrodenbaugruppe voraus. Die Kraft kann homogen über die Kontaktoberflächen verteilt sein.
  • Der Lastpfad verläuft hierbei von der Oberfläche der Energiespeicherzelle über das Stützelement, weiter über eine Grenze zwischen dem Stützelement und der Elektrodenbaugruppe zu einer der das Stützelement kontaktierende Oberfläche der Energiespeicherzelle gegenüberliegenden weiteren Oberfläche der Energiespeicherzelle, wobei diese weitere Oberfläche vorzugsweise ebenfalls eine Wand des Zellgehäuses ist. Mit anderen Worten stützt sich die Elektrodenbaugruppe an der weiteren Oberfläche ab, ist (geringfügig) vorgespannt und drückt das (ebenfalls geringfügig vorgespannte) Stützelement gegen die das Stützelement kontaktierende Oberfläche der Energiespeicherzelle. Im Ausgangszustand kann das Stützelement in der Richtung R 0,5 mm bis 3 mm dick sein.
  • Um die genannte Einbausituation vorteilhaft wiederholbar realisieren zu können, ist das Zellgehäuse vorzugsweise starr (fest) ausgebildet. Dementsprechend ist die Energiespeicherzelle bevorzugt als prismatische Zelle oder zylindrische Zelle ausgebildet. Vorzugsweise ist die Energiespeicherzelle also insbesondere keine Pouch-Zelle. Die von dem Stützelement kontaktierte Oberfläche der Energiespeicherzelle kann bevorzugt flächig auf einer dem Teil der Elektrodenbaugruppe entgegengesetzten Seite des Stützelements anliegen. Die das Stützelement kontaktierende Oberfläche der Energiespeicherzelle kann eine Innenfläche des Zellgehäuses, insbesondere eine innere Oberfläche der Zellgehäusewand der Energiespeicherzelle, sein.
  • Bei Betrachtung des Stützelements in der genannten Richtung kann eine Kontur des Stützelements der Kontur der Elektrodenbaugruppe entsprechen. Wenn die Energiespeicherzelle als prismatische Zelle ausgebildet ist, kann die Zellgehäusewand vorzugsweise eine Längswand des Zellgehäuses sein (d.h., diejenige Zellgehäusewand, die die größte Abmessung (Länge) aufweist). Mit anderen Worten kann sich die Elektrodenbaugruppe in diesem Fall über das Stützelement an der Längswand des Zellgehäuses abstützen. Dementsprechend ist eine erste Kontaktfläche zwischen dem Stützelement, insbesondere dem Trägerteil, und der Innenfläche in diesem Fall vorzugsweise im Wesentlichen eben (plan). Auf einer der ersten Kontaktfläche entgegengesetzten, der Elektrodenbaugruppe zugewandten zweiten Seite des Stützelements ist eine zweite Kontaktfläche zwischen dem Stützelement und der Elektrodenbaugruppe vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen eben. Die Ausgestaltung dieser zweiten Kontaktfläche wird vorzugsweise von der Oberflächengeometrie einer dem Stützelement zugewandten Endfläche der Elektrodenbaugruppe festgelegt; diese Endfläche ist bevorzugt steifer als das Stützelement an der zweiten Kontaktfläche.
  • Wenn es sich bei der Energiespeicherzelle hingegen um eine zylindrische Zelle handelt, ist die Innenfläche vorzugsweise die (gesamte) Innenumfangsfläche des Zellgehäuses. Das Stützelement ist bei dieser Variante vorzugsweise im Wesentlichen als hohlzylindrischer Körper ausgebildet. Die (gewickelte) Elektrodenbaugruppe kann hierbei zumindest abschnittsweise im Inneren des hohlzylindrischen Körpers angeordnet sein. Eine Außenumfangsfläche der Elektrodenbaugruppe liegt somit an einer Innenumfangsfläche des hohlzylindrischen Körpers an. Dementsprechend kann sich das Stützelement mit seiner Außenumfangsfläche an einer Innenumfangsfläche des Zellgehäuses abstützen und mittels einer Innenumfangsfläche des Stützelements die Elektrodenbaugruppe radial einwärts spannen (komprimieren). Vorteilhafterweise werden somit Anode, Kathode und Separator aufeinander gedrückt.
  • Alternativ kann die von dem Stützelement kontaktierte Oberfläche der Energiespeicherzelle eine Oberfläche des Separators der Elektrodenbaugruppe sein. In diesem Fall ist das Stützelement vorzugsweise zwischen einem ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt der Elektrodenbaugruppe vorgesehen, insbesondere eingespannt. Der genannte Teil der Elektrodenbaugruppe kann bei dieser Variante somit der zweite Abschnitt der Elektrodenbaugruppe sein. Eine jeweils von dem Stützelement abgewandte Oberfläche des ersten beziehungsweise zweiten Abschnitts der Elektrodenbaugruppe steht vorzugsweise mit der Wand des Zellgehäuses in (unmittelbarem) Kontakt. Auch bei dieser Alternative kann die Energiespeicherzelle zylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein.
  • Bevorzugt ist das Füllmaterial am oder im Stützelement eingekapselt oder eingehüllt. Das Stützelement kann insbesondere als mit mindestens einem Teil des Füllmaterials (zumindest teilweise) befüllte Kapsel ausgestaltet sein. D.h., der Trägerteil kann mindestens eine Hülle aufweisen, die (jeweils) einen Innenraum begrenzt, wobei das Füllmaterial zumindest teilweise in dem Innenraum enthalten ist. Der Innenraum kann dabei wiederum in mehrere separate (d.h., nicht miteinander verbundene) Kammern, insbesondere eine erste Kammer, eine zweite Kammer und/oder eine dritte Kammer, unterteilt sein. Eine Trennung bzw. Trennungen zwischen benachbarten Kammern kann/können aus demselben Material ausgebildet sein wie die Hülle. Jede der Trennungen kann als Membran (sogenannte Berstmembran) ausgebildet sein. Vorteilhafterweise verlaufen Hauptflächen der Kammern im Wesentlichen parallel zu der das Stützelement kontaktierenden Oberfläche der Energiespeicherzelle. Das Füllmaterial kann jeweils zumindest teilweise in der ersten Kammer, der zweiten Kammer und/oder dritten Kammer enthalten sein. Mit anderen Worten können ein erster Teil des Füllmaterials in der ersten Kammer, ein zweiter Teil des Füllmaterials in der zweiten Kammer und/oder ein dritter Teil des Füllmaterials in der dritten Kammer enthalten sein.
  • Die Hülle ist bevorzugt als Membran (Film) ausgebildet. Die Membran kann für das Füllmaterial durchlässig sein; sie ist jedoch bevorzugt für das Füllmaterial undurchlässig. Vorzugsweise ist die Membran nachgiebig, insbesondere elastisch deformierbar. Somit kann sich das Stützelement infolge einer Ausdehnung der Energiespeicherzelle in der genannten Richtung quer zu der Oberfläche verkleinern und gleichzeitig in einer anderen Richtung ausdehnen. In ersterem Fall kann das Füllmaterial durch die mindestens eine Hülle hindurch zumindest teilweise an den Elektrolyten abgegeben werden. Das Stützelement kann hierbei praktisch wie ein Schwamm ausgepresst werden. Diese Funktionalität lässt sich auch realisieren, indem der Trägerteil zumindest abschnittsweise porös ausgebildet wird. Das Füllmaterial kann somit zumindest teilweise in Poren des Trägerteils eingelagert sein. Der Trägerteil ist bei dieser Ausgestaltung bevorzugt eine poröse Matrix, insbesondere eine Polymermatrix. Der Trägerteil, insbesondere der Basisabschnitt des Trägerteils bzw. die Polymermatrix, kann aus einem Polymer ausgebildet sein. Das Polymer kann beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polyetheretherketon (PEEK) umfassen oder sein.
  • In dem zweiten oben genannten Fall kann das Ausdehnen der Hülle in der anderen Richtung bewirken, dass sich die Hülle (vorzugsweise irreversibel) öffnet, insbesondere über ihre Streckgrenze hinweg gedehnt wird und somit aufreißt (d.h., zwischen der genannten Oberfläche der Energiespeicherzelle und der Elektrodenbaugruppe zerquetscht wird). In der Folge kann das ursprünglich am Trägerteil gehaltene Füllmaterial aus dem Innenraum entweichen und an den Elektrolyten abgegeben werden. Dem Elektrolyten kann somit (selbst lange nach der Formierung der Energiespeicherzelle) nützliches, weiter unten genauer beschriebenes Füllmaterial zugeführt werden. Gleichzeitig kann sich das Stützelement vorteilhafterweise in der genannten Richtung quer zu der Oberfläche auf synergetische Art und Weise verkleinern, damit die Energiespeicherzelle weniger dazu tendiert, sich aufzublähen.
  • Wenn das Stützelement die erste und zweite Kammer aufweist, kann der Trägerteil dazu ausgebildet sein, dass sich die erste Kammer zur unmittelbaren Umgebung des Stützelements hin bei einem geringeren Druck, den der Teil der Elektrodenbaugruppe auf das Stützelement ausübt, öffnet als die zweite Kammer. Mit anderen Worten kann sich die erste Kammer bei Überschreiten eines ersten Druck-Schwellenwerts für einen Druck, mit dem das Stützelement zwischen der Oberfläche der Energiespeicherzelle und dem Teil der Elektrodenbaugruppe eingespannt wird, öffnen, ohne dass die zweite Kammer geöffnet wird. Dies kann zu einer vorübergehenden Reduktion der Spannung des Stützelements führen. Infolge einer weiteren Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe kann sich die auf das Stützelement einwirkende Druckkraft (Spannung) mit dem weiteren Betrieb der Energiespeicherzelle wieder erhöhen. Die zweite Kammer kann sich sodann nach Überschreiten eines zweiten Druck-Schwellenwerts, der höher ist als der erste Druck-Schwellenwert, öffnen. Sofern das Stützelement auch die dritte Kammer umfasst, kann sich die dritte Kammer (analog infolge einer weiteren Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe) nach Überschreiten eines dritten Druck-Schwellenwerts öffnen, der größer als der erste Druck-Schwellenwert und/oder der zweite Druck-Schwellenwert ist.
  • In einer Variante kann der Trägerteil faserverstärkt sein. Der Trägerteil kann ferner zumindest abschnittsweise als Textil, insbesondere als Gewebe oder als Vliesstoff, ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Trägerteil mehrere der genannten Hüllen auf, wobei jede Hülle mit dem darin enthaltenen Teil des Füllmaterials eine Kapsel bildet. Diese Kapseln können zwischen Fasern des Textils in dem Textil eingelagert und somit von dem Textil gehalten sein. Alternativ können die Kapseln/Hüllen stoffschlüssig miteinander sowie optional mit einem Basisabschnitt des Trägerteils verbunden sein. Der Basisabschnitt kann dabei starr sein, um dem Stützelement Steifigkeit zu verleihen. Dementsprechend kann der Basisabschnitt im Fall der prismatischen Zelle eine starre Platte beziehungsweise im Fall der zylindrischen Zelle ein starrer Hohlzylinder sein. Die Platte kann dabei auf einer der genannten, das Stützelement kontaktierenden Oberfläche der Energiespeicherzelle zugewandten Seite der Hüllen/Kapseln angeordnet sein.
  • Die Kapseln können die oben beschriebenen Merkmale der Kammern aufweisen und somit Kammern im Sinne der obigen Beschreibung bilden. Die Kapseln können als Bläschen ausgebildet sein. D. h., der Trägerteil kann mehrere erste Hüllen, mehrere zweite Hüllen und/oder mehrere dritte Hüllen aufweisen, in denen der erste Teil des Füllmaterials, der zweite Teil des Füllmaterials beziehungsweise der dritte Teil des Füllmaterials enthalten ist. Jede der Hüllen bildet dabei zusammen mit dem von ihr eingehüllten Teil des Füllmaterials eine entsprechende (erste/zweite/dritte) Kapsel aus. Vorzugsweise sind die ersten Kapseln (volumenmäßig, insbesondere hinsichtlich deren Innendurchmesser) größer als die zweiten Kapseln und/oder kleiner als die dritten Kapseln. Höchstvorzugsweise sind alle ersten Kapseln gemäß einem ersten Gitter mit regelmäßigen ersten Abständen zueinander angeordnet. Entsprechendes kann für die zweiten und dritten Kapseln gelten, die somit gemäß einem zweiten beziehungsweise dritten Gitter mit regelmäßigen zweiten beziehungsweise dritten Abständen angeordnet sind. Diese Anordnung kann auch mittels der oben beschriebenen faserverstärkten Variante des Trägerteils realisiert sein. Vorzugsweise unterscheiden sich der erste Teil des Füllmaterials und der zweite Teil des Füllmaterials voneinander. Wenn der dritte Teil des Füllmaterials vorhanden ist, kann sich dieser dritte Teil des Füllmaterials ebenfalls von dem ersten Teil des Füllmaterials und/oder von dem zweiten Teil des Füllmaterials unterscheiden.
  • Das (gesamte) Füllmaterial ist bevorzugt zumindest teilweise in dem Elektrolyten löslich. Höchstvorzugsweise weist das Füllmaterial, insbesondere der erste Teil des Füllmaterials, der zweite Teil des Füllmaterials und/oder der dritte Teil des Füllmaterials, ein (flüssiges oder festes) Elektrolytadditiv (für die Anode und/oder die Kathode), ein Lithium-Leitsalz, einen Scavenger und/oder einen Reaktionsunterdrücker auf. Das Elektrolytadditiv kann einen oder mehrere der nachfolgenden Stoffe enthalten: Fluorethylencarbonat (FEC), Vinylencarbonat (VC), Dimethylvinylencarbonat-OCF3 (DMVC-OCF3), Allyl-Ethyl-Carbonat (AEC), Tetrachloroethylen (TCE), 2-Vinylpyriden (VP), Butylen-Sulfit (BS), 1 ,3-propan sulton (PS). Ferner kommen als Elektrolytadditiv ionische Additive, Isocyanat-basierte Additive, Borate und/oder Boroxine in Frage. Das Lithium-Leitsalz kann eine oder mehrere der folgenden Substanzen umfassen: LiPF6, LiBF4, LiTFSi, lithium bis(oxalato)borat (LiBOB), LiMOB, LiF. Ferner kann das Lithium-Leitsalz aufweisen: Phosphate, Borate, Imide, Heterozyklische Anionen und/oder Aluminate.
  • Der Scavenger (Abfänger) kann definitionsgemäß eine chemische Substanz sein, die einem Gemisch zugesetzt wird, um Verunreinigungen und unerwünschte Reaktionsprodukte wie Sauerstoff zu entfernen oder zu deaktivieren, um damit sicherzustellen, dass sie keine unerwünschten Reaktionen eingehen. Der Scavenger bzw. der Reaktionsunterdrücker kann einen HF-Scavenger (z.B. DMVC-OTMS) enthalten. Zum Schutz vor Überladung (an der Kathode bzw. der Anode) kann das Füllmaterial bzw. der erste, zweite und/oder dritte Teil des Füllmaterials eine oder mehrere der folgenden Substanzen enthalten: Phenothiazin, TEMPO, künstl. Interface, Polyacrylsäure (PAA), Polyvinylalkohol (PVA). Die Substanzen können die Lebensdauer der Energiespeicherzelle verlängern.
  • 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 mindestens eine, bevorzugt mehrere, vorstehend im Detail beschriebene Energiespeicherzelle(n). Die Energiespeicherzellen sind vorzugsweise derart nebeneinander im Speichergehäuse aufgenommen, dass deren Stützelemente im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Somit kann ermöglicht werden, dass die Energiespeicherzellen dauerhaft im Speichergehäuse verbleiben. Der Energiespeicher kann ferner mehrere baulich getrennte Speichermodule aufweisen, die jeweils einen Satz von mehreren der Energiespeicherzellen enthalten. Dabei kann jedes Speichermodul von einem Modulgehäuse umschlossen sein.
  • Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug handeln. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist den vorstehend beschriebenen Energiespeicher auf. Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Flachspeicher ausgebildet. Er kann insbesondere zwischen zwei benachbarten Achsen (insbesondere einer Vorderachse und einer Hinterachse) des Kraftfahrzeuges im Unterflurbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet sein.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren ist zum Herstellen einer Energiespeicherzelle, insbesondere der vorstehend im Detail beschriebenen Energiespeicherzelle, vorgesehen und umfasst die folgenden Schritte, die vorzugsweise in der nachstehenden Reihenfolge durchgeführt werden: Bereitstellen des Zellgehäuses; Anordnen, insbesondere Einführen, der Elektrodenbaugruppe in den Innenbereich der Energiespeicherzelle; Anordnen, insbesondere Einführen, des Stützelements zwischen der Oberfläche der Energiespeicherzelle und dem zumindest einen Teil der Elektrodenbaugruppe derart, dass das Stützelement mit der Oberfläche und dem Teil der Elektrodenbaugruppe in Kontakt steht; und Formieren der Energiespeicherzelle.
  • Ferner ist es denkbar, das Stützelement gleichzeitig mit der Elektrodenbaugruppe in den Innenbereich einzuführen. Vorzugsweise ist das Stützelement vor dem Formieren im Wesentlichen formschlüssig zwischen der genannten Oberfläche und dem Teil der Elektrodenbaugruppe aufgenommen. Höchstvorzugsweise wird das Stützelement während des Formierens zwischen der Oberfläche der Energiespeicherzelle und dem Teil der Elektrodenbaugruppe eingespannt. Dementsprechend kann das Stützelement nach dem Formieren stärker zwischen der genannten Oberfläche und dem Teil der Elektrodenbaugruppe eingespannt sein als vor dem Formieren.
  • In dem Energiespeicher, im Kraftfahrzeug 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 einer Energiespeicherzelle werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen erläutert, wobei
    • 1 eine Variante einer Energiespeicherzelle in einer Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement der Energiespeicherzelle in seinem Ausgangszustand befindet, in dem das Füllmaterial vollständig am Trägerteil gehalten ist;
    • 2 die Energiespeicherzelle aus 1 mit dem Stützelement im Ausgangszustand in einer Detailansicht zeigt;
    • 3 die Energiespeicherzelle aus 1 in einer Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement in seinem verkleinerten Zustand nach teilweiser Abgabe des Füllmaterials an den Elektrolyten befindet;
    • 4 die Energiespeicherzelle aus 1 mit dem Stützelement im verkleinerten Zustand gemäß 3 in einer Detailansicht zeigt;
    • 5 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer detaillierten Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement der Energiespeicherzelle in seinem Ausgangszustand befindet;
    • 6 die Energiespeicherzelle aus 5 mit dem Stützelement im verkleinerten Zustand zeigt;
    • 7 ein Stützelement mit mehreren Kammern gemäß einer weiteren Variante einer Energiespeicherzelle in einer detaillierten Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement in seinem Ausgangszustand befindet;
    • 8 ein Stützelement mit mehreren Kapseln gemäß einer weiteren Variante einer Energiespeicherzelle in einer detaillierten Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement in seinem Ausgangszustand befindet;
    • 9 ein Stützelement mit mehreren, von einem Gewebe gehalten Kapseln gemäß einer weiteren Variante einer Energiespeicherzelle in einer detaillierten Querschnittsansicht zeigt, wobei sich das Stützelement in seinem Ausgangszustand befindet;
    • 10 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer detaillierten Querschnittsansicht zeigt, wobei das Stützelement zwischen zwei Abschnitten der Elektrodenbaugruppe angeordnet ist;
    • 11 die Energiespeicherzelle aus 1 in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
    • 12 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer perspektivischen Ansicht zeigt, wobei die Energiespeicherzelle als zylindrische Zelle ausgebildet ist;
    • 13 einen Energiespeicher mit mehreren Energiespeicherzellen gemäß einer der 1 bis 12 in einer Schnittansicht zeigt;
    • 14 ein Kraftfahrzeug mit dem Energiespeicher aus 13 zeigt; und
    • 15 ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle zeigt.
  • Die 1 bis 4 zeigen eine Energiespeicherzelle 10, die zum Einbau in einen Energiespeicher 100 für ein in 14 gezeigtes Kraftfahrzeug 300 (hier: Personenkraftwagen) vorgesehen ist. Die Energiespeicherzelle 10 ist hier beispielhaft als prismatische Zelle (siehe 11) ausgebildet und enthält ein starres Zellgehäuse 12. Die Längsseiten (Längswände) des Zellgehäuses 12 verlaufen parallel zueinander und in den 1 bis 4 senkrecht zur Blattebene, sodass die Blickrichtung aus den 1 bis 4 die Längsrichtung ist. Eine Hauptebene (Mittellängsebene) der prismatischen Zelle verläuft parallel zu diesen Längsseiten.
  • Das Zellgehäuse 12 begrenzt einen Innenbereich 14 der Energiespeicherzelle 10 und dichtet diesen für einen in dem Innenbereich 14 befindlichen Elektrolyten 15 gegenüber der Umgebung der Energiespeicherzelle 10 ab. Zusammen mit dem Elektrolyten 15 und einem nachstehend näher erläuterten Stützelement 20 ist eine Elektrodenbaugruppe 16 der Energiespeicherzelle 10 in dem Innenbereich 14 vorgesehen. Die Elektrodenbaugruppe 16 ist hier beispielhaft gestapelt ausgebildet. Die vorliegende Offenbarung gilt jedoch entsprechend auch für gewickelte Elektrodenbaugruppen 16. Die Elektrodenbaugruppe 16 umfasst einen mehrteiligen Separator 50 sowie eine mehrteilige Anode 52 und eine mehrteilige Kathode 54, wobei sich jeweils zwischen einem Abschnitt der Anode 52 und dem zu ihm benachbarten Abschnitt der Kathode 54 ein Abschnitt des Separators 50 befindet. Die Abschnitte der Anode 52, der Kathode 54 und des Separators 50 sind flächig ausgebildet und im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Der Separator 50 liegt entsprechend flächig am Stützelement 50 an. Die Anode 52 kann ein Silizium-Kohlenstoffkomposit enthalten. Alternativ dazu kann die Anode 52 Graphit enthalten.
  • Das Stützelement 20 hat einen Trägerteil 22 und zumindest im in den 1 und 2 dargestellten Ausgangszustand des Stützelements 20 von dem Trägerteil 22 gehaltenes Füllmaterial 24. Das Stützelement 20 ist dabei zwischen einer Oberfläche 18 der Energiespeicherzelle 10 und der Elektrodenbaugruppe 16 angeordnet, insbesondere eingespannt, und plattenförmig ausgebildet. Die Oberfläche 18 ist eine Innenoberfläche einer der Längswände (in der Ansicht aus den 1 bis 4 der linken Längswand). Umgekehrt ausgedrückt weist das Stützelement 20 eine erste Kontaktfläche auf, mit der es sich an der Oberfläche 18 abstützt und die Elektrodenbaugruppe 16 gegen eine der Oberfläche 18 gegenüberliegende Innenoberfläche des Zellgehäuses 12 (zweite Kontaktfläche) presst, solange das Stützelement 20 mit dem Füllmaterial 24 versehen ist.
  • Der Trägerteil 22 des Stützelements 20 ist im vorliegenden Fall (im Ausgangszustand) eine Hülle, insbesondere eine elastische Membran, die einen Innenraum des Trägerteils 22 begrenzt. Die Hülle ist für das Füllmaterial 24 undurchlässig, solange sie intakt (geschlossen) ist und sich das Stützelement 20 in seinem Ausgangszustand befindet. Darüber hinaus ist die Hülle nachgiebig und kann sich durch den von der Elektrodenbaugruppe 16 ausgeübten Druck öffnen / reißen. Außerdem ist bei der Variante aus 1 das gesamte Füllmaterial 24 in dem Innenraum vorhanden, also von der Hülle umschlossen, solange sich das Stützelement 20 in seinem Ausgangszustand befindet; in den anderen, nachfolgend beschriebenen Varianten können mehrere Hüllen zusammen den Trägerteil 22 des Stützelements 20 bilden und jeweils einen Teil des Füllmaterials 24 umhüllen.
  • Wenn sich die Elektrodenbaugruppe 16 betriebsbedingt in einer in 2 eingezeichneten Richtung R quer, insbesondere senkrecht, zu der Oberfläche 18 ausdehnt, kann das Stützelement 20 in der Richtung R komprimiert werden, d. h. die auf das Stützelement 20 einwirkende Spannkraft (Druck) steigt. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe 16 in der Richtung R beziehungsweise eines vorbestimmten Druck-Schwellenwerts, mit dem das Stützelement in der Richtung R komprimiert wird, öffnet sich der Trägerteil 22 und das Füllmaterial 24 wird an den Elektrolyten 15 abgegeben. Dieses Öffnen wird dadurch erreicht, dass sich das Stützelement 20 senkrecht zu der Richtung R, also entlang der Oberfläche 18, ausdehnt. Bei Bedarf kann hierfür wie in 1 dargestellt ein Teilbereich des Innenbereichs 14 jenseits eines (in 1 obigen) Endes der Elektrodenbaugruppe 16 vorgehalten werden. Beim Öffnen der Hülle kann eine Streckgrenze der Hülle überschritten werden. Ferner sind sowohl eine allmähliche Zersetzung sowie eine katalysierte Zersetzung (durch Temperatur/Druck/entstehende Nebenprodukte während der Zyklisierung der Energiespeicherzelle) denkbar.
  • Infolge der Abgabe des Füllmaterials 24 an den Elektrolyten 15 verkleinert sich das Stützelement 20 in der Richtung R und gelangt so in seinen in den 3 und 4 dargestellten verkleinerten Zustand. Der in den Figuren schematisch dargestellte, an den Elektrolyten 15 abgegebene Teil des Füllmaterials 24 kann sich mit dem Elektrolyten 15 vermischen (beispielsweise darin lösen) und fortan den elektrochemischen Reaktionen der Energiespeicherzelle 10 zur Verfügung stehen. Je weiter sich die Elektrodenbaugruppe 16 in der Richtung R ausdehnt, desto mehr von dem Füllmaterial 24 wird aus dem Stützelement 20 entfernt. Vorteilhafterweise ist das Füllmaterial 24 hierbei ein Lithium-Salz, wenngleich es alternativ einen Scavenger und/oder einen Reaktionsunterdrücker aufweisen kann.
  • In einer Modifikation ist es denkbar, dass sich die Hülle nicht öffnet, sondern für das Füllmaterial 24 permeabel (durchlässig) ist. In diesem Fall kann das Füllmaterial 24 somit zumindest teilweise infolge der Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe 16 durch die Hülle, insbesondere außerhalb der zweiten Kontaktfläche, hindurch gepresst („gequetscht“) werden.
  • Eine weitere Energiespeicherzelle 10 aus den 5 und 6 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus den 1 bis 4, dass der Trägerteil 22 mehrere Poren 36 aufweist (d.h., porös ausgebildet ist). Dabei ist das Füllmaterial 24 in den Poren 36 des Trägerteils 22 eingelagert. Bei dieser Ausgestaltung ist der Trägerteil 22 insbesondere als eine Polymermatrix (hier aus Polyethylenterephthalat) ausgebildet. Die Poren 36 weisen an deren Innenoberflächen Hüllen mit den oben beschriebenen Merkmalen auf. In 5 befindet sich das Stützelement 20 in seinem Ausgangszustand und in 6 befindet sich das Stützelement 20 in seinem verkleinerten Zustand. Wenn die Elektrodenbaugruppe 16 also in der Richtung R (vgl. 2) wächst, wird das Füllmaterial 24 sukzessive aus den Poren 36 unter Reißen der Hüllen herausgepresst, um in den Elektrolyten 15 zu gelangen. Darüber hinaus weist die Energiespeicherzelle 10 aus den 5 und 6 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus den 1 bis 4 auf.
  • Bei weiteren Energiespeicherzellen 10, deren Stützelemente 20 in den 7 bis 9 dargestellt sind, umfasst das (gesamte) Füllmaterial 24 mehrere Teile. Die Teile des Füllmaterials 24 sind mit unterschiedlichen chemischen Substanzen ausgebildet. D.h., dass Füllmaterial 24 kann einen ersten Teil in Form einer ersten chemischen Substanz, einen zweiten Teil in Form einer zweiten chemischen Substanz und einen dritten Teil in Form einer dritten chemischen Substanz umfassen. Beispielsweise kann der erste Teil des Füllmaterials 24 ein Lithium-Salz umfassen. Der zweite Teil des Füllmaterials 24 kann ein Elektrolyt-Additiv umfassen (wobei das gleiche Elektrolyt-Additiv auch im Elektrolyten enthalten sein kann, wenn sich das jeweilige Stützelement 20 in seinem Ausgangszustand befindet). Der dritte Teil des Füllmaterials 24 kann einen Scavenger enthalten.
  • In der Variante aus 7 ist der Trägerteil 22 (insbesondere der Innenraum) in mindestens eine erste Kammer 30, eine zweite Kammer 32 und eine dritte Kammer 34 unterteilt. Der erste Teil des Füllmaterials 24 ist in der ersten Kammer 30 enthalten. Der zweite Teil des Füllmaterials 24 ist in der zweiten Kammer 32 enthaltenden. Der dritte Teil des Füllmaterials 24 ist in der dritten Kammer 34 enthalten. Die zweite Kammer 32 kann sich ab einem zweiten Druck-Schwellenwert öffnen, der größer ist als ein erster Druck-Schwellenwert, bei dem sich die erste Kammer 30 öffnet, und/oder der kleiner ist als ein dritter Druck-Schwellenwert, bei dem sich die dritte Kammer 34 öffnet.
  • In der Variante aus 8 umfasst der Trägerteil 22 einen als starrere Platte ausgebildeten Basisabschnitt 38, mit dem mehrere Kapseln (bevorzugt stoffschlüssig) verbunden sind, auf die das Füllmaterial 24 verteilt ist. Bei dieser Variante können die Kapseln erste Kapseln 42, zweite Kapseln 44 und dritte Kassen 46 umfassen. Ähnlich zu der Variante aus 7 können der erste Teil des Füllmaterials 24 in der Gesamtheit der ersten Kapseln 42, der zweite Teil des Füllmaterials 24 in der Gesamtheit der zweiten Kapseln 44 und/oder der dritte Teil des Füllmaterials 24 in der Gesamtheit der dritten Kapseln 46 enthalten sein. Die zweiten Kapseln 44 können ein geringeres Innenvolumen aufweisen als die ersten Kapseln 42 und/oder ein größeres Innenvolumen aufweisen als die dritten Kapseln 46.
  • Die Variante des Stützelements 20 aus 9 unterscheidet sich von dem Stützelement 20 aus 8 dadurch, dass sein Trägerteil 22 faserverstärkt ist. Der Basisabschnitt 38 ist dabei nicht als starrere Platte, sondern als Textil 40 (Gewebe) ausgebildet ist. Die Fasern dieses Gewebes erstrecken sich zwischen den ersten, zweiten und/oder dritten Kapseln 42, 44, 46 hindurch. Dies ermöglicht, dem Stützelement 20 Steifigkeit zu verleihen.
  • Darüber hinaus weisen die Energiespeicherzellen 10 mit den Stützelementen 20 gemäß den 7 bis 9 sämtliche Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 1 auf.
  • Eine weitere, in 10 dargestellte Energiespeicherzelle 10 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 1, dass die Oberfläche 18 der Energiespeicherzelle 10 nicht die Zellgehäusewand, sondern eine Oberfläche des Separators 50 ist. Dementsprechend ist die Elektrodenbaugruppe 16 in zwei Abschnitte aufgeteilt, die sich (transversal) außenseitig jeweils unmittelbar an der Innenoberfläche des Zellgehäuses 12 abstützen. Innenseitig ist das Stützelement 20 zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Elektrodenbaugruppe 16 eingespannt. Dementsprechend verläuft die Mittellängsebene der prismatischen Zelle durch das Stützelement 20 hindurch. Darüber hinaus weist die Energiespeicherzelle 10 aus 10 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 1 auf. Die Energiespeicherzelle 10 aus 10 kann außerdem beliebige Merkmale der Energiespeicherzellen 10 aus den 5 bis 9 aufweisen.
  • Die Energiespeicherzelle 10 aus 12 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus 1 (und 11), dass sie als zylindrische Zelle ausgebildet ist. Die zylindrische Form dieser Energiespeicherzelle legt die Geometrie der Elektrodenbaugruppe 16 und des Stützelements 20 fest. Dementsprechend ist das Stützelement 20 vorliegend als hohlzylindrischer Körper ausgebildet. Die Oberfläche 18 der Energiespeicherzelle 10 ist die (vorzugsweise gesamte) Innenumfangsfläche des Zellgehäuses 12. D.h., das Stützelement 20 ist zwischen einer Außenumfangsfläche der Elektrodenbaugruppe 16 und der Innenumfangsfläche des Zellgehäuses 12 eingespannt. Wenn die Energiespeicherzelle 10 als prismatische Zelle ausgebildet und die Elektrodenbaugruppe 16 gewickelt ist (sogenannte Jelly-Roll), kann das Stützelement 20 ebenfalls als im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper ausgebildet sein und an der Außenumfangsfläche der Elektrodenbaugruppe 16 anliegen. Darüber hinaus weist die Energiespeicherzelle 10 aus 12 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus 1 auf. Die Energiespeicherzelle 10 aus 10 kann außerdem ebenfalls beliebige Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus den 5 bis 9 aufweisen.
  • Ein in 13 stark vereinfacht gezeigter Energiespeicher 100 umfasst mehrere Energiespeicherzellen 10 gemäß einer der 1 bis 12. Die Energiespeicherzellen 10, insbesondere die Stützelemente 20, können parallel zueinander ausgerichtet sein. Darüber hinaus können die Energiespeicherzellen 10 in mehrere, jeweils ein Speichermodul bildende Gruppen von Energiespeicherzellen zusammengefasst sein. Der Energiespeicher 100 kann in dem in 14 vereinfacht dargestellten Kraftfahrzeug 200 im Unterflurbereich zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse des Kraftfahrzeuges 200 montiert sein.
  • Die Energiespeicherzelle 10 kann mittels eines in 15 vereinfacht dargestellten Verfahrens 300 hergestellt werden. Zunächst wird dabei das Zellgehäuse 12 in einem ersten Schritt 302 bereitgestellt. Sodann werden in einem Schritt 304 die Elektrodenbaugruppe 16 und in einem Schritt 306 das Stützelement 20 in dem Innenbereich der Energiespeicherzelle 10 angeordnet. Dabei können die Elektrodenbaugruppe 16 und das Stützelement 20 zusammen oder (in beliebiger Reihenfolge) nacheinander in das Zellgehäuse 12 eingebracht werden. Der Schritt 306 kann also alternativ zumindest teilweise vor dem Schritt 304 erfolgen. Vorzugsweise sind das Stützelement 20 und die Elektrodenbaugruppe 16 in der Richtung R zusammen kürzer als der Innenbereich 14, sodass sie in letzteren hineinpassen, ohne verspannt zu werden. Im weiteren Schritt 308 wird die Energiespeicherzelle 10 formiert. Hierbei kann sich die Elektrodenbaugruppe 16 (geringfügig) in der Richtung R ausdehnen, ohne dass ein vom Stützelement 20 gehaltenes Füllmaterial 24 abgegeben wird. Vorteilhafterweise verbleibt das Stützelement 20 dabei in seinem Ausgangszustand. Das Stützelement 20 bietet somit eine weitere synergetische Zusatzfunktion, indem es die Montage der Elektrodenbaugruppe 16 erleichtert. Die Energiespeicherzelle 10 kann daher nicht nur effizient hergestellt sondern auch länger effizient betrieben werden. Das Stützelement 20 muss nach der Formierung nicht wieder entnommen werden.
  • Somit kann ein nachträgliches Öffnen der Energiespeicherzelle 10 sowie eine Verschiebung der Elektroden vermieden 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. das/ein Stützelement, etc.) so ist gleichzeitig auch seine Mehrzahl mit offenbart (z.B. das mindestens eine Stützelement, d.h., das eine Stützelement oder die mehreren Stützelemente). Zumindest abschnittsweise/teilweise bedeutet vorliegend abschnittsweise/teilweise 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
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014218143 A1 [0004]

Claims (12)

  1. Energiespeicherzelle (10), umfassend ein einen Innenbereich (14) der Energiespeicherzelle (10) festlegendes Zellgehäuse (12), eine Elektrodenbaugruppe (16), die zusammen mit einem Elektrolyten (15) in dem Innenbereich (14) angeordnet ist, und ein zwischen einer Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) und zumindest einem Teil der Elektrodenbaugruppe (16) angeordnetes Stützelement (20), welches die Oberfläche (18) und den Teil der Elektrodenbaugruppe (16) kontaktiert, wobei das Stützelement (20) einen Trägerteil (22) sowie von dem Trägerteil (22) gehaltenes Füllmaterial (24) aufweist, und wobei das Stützelement (20) dazu eingerichtet ist, das Füllmaterial (24) zumindest teilweise an den Elektrolyten (15) abzugeben und sich dadurch in einer Richtung (R) quer zu der Oberfläche (18) zu verkleinern.
  2. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Stützelement (20) zwischen der Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) und dem zumindest einen Teil der Elektrodenbaugruppe (16) eingespannt ist.
  3. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Trägerteil (22) mindestens eine Hülle aufweist, die einen Innenraum begrenzt, und das Füllmaterial (24) zumindest teilweise in dem Innenraum enthalten ist.
  4. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Hülle als elastische Membran ausgebildet ist, und/oder wobei die mindestens eine Hülle dazu ausgelegt ist, sich infolge einer Ausdehnung der Elektrodenbaugruppe (16) in der Richtung (R) quer zu der Oberfläche (18) zu öffnen, und/oder wobei das Stützelement (20) dazu eingerichtet ist, das Füllmaterial (24) durch die mindestens eine Hülle hindurch oder durch Öffnen der mindestens einen Hülle zumindest teilweise an den Elektrolyten (15) abzugeben, um sich in der Richtung (R) quer zu der Oberfläche (18) zu verkleinern, und/oder wobei der Innenraum in mindestens eine erste Kammer (30) und eine zweite Kammer (32) unterteilt und das Füllmaterial (24) jeweils zumindest teilweise in der ersten und/oder der zweiten Kammer (30, 32) enthalten ist.
  5. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerteil (22) zumindest abschnittsweise porös ausgebildet ist, und/oder wobei das Füllmaterial (24) zumindest teilweise in Poren (36) des Trägerteils (22) eingelagert ist.
  6. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerteil (22) faserverstärkt ist, und/oder wobei der Trägerteil (22) zumindest abschnittsweise als Textil (40), insbesondere als Gewebe oder als Vliesstoff, ausgebildet ist.
  7. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial (24) zumindest teilweise in dem Elektrolyten (15) löslich ist, und/oder wobei das Füllmaterial (24) ein flüssiges oder festes Elektrolytadditiv, ein Lithium-Leitsalz, einen Scavenger und/oder einen Reaktionsunterdrücker aufweist.
  8. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) eine Innenfläche des Zellgehäuses (12) oder eine Oberfläche eines Separators (50) der Elektrodenbaugruppe (16) ist, und/oder wobei die Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) flächig auf einer dem Teil der Elektrodenbaugruppe (16) entgegengesetzten Seite des Stützelements (20) anliegt.
  9. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zellgehäuse (12) starr ist, und/oder wobei die Energiespeicherzelle (10) eine prismatische Zelle oder eine zylindrische Zelle ist, und/oder wobei ein Anodenmaterial der Elektrodenbaugruppe (16) Silizium, insbesondere Siliziumoxid oder ein Silizium-Kohlenstoffkomposit, enthält.
  10. Energiespeicher (100), umfassend mindestens eine Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Kraftfahrzeug (200) mit einer Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem Energiespeicher (100) nach dem vorhergehenden Anspruch.
  12. Verfahren (300) zum Herstellen einer Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte: Bereitstellen (302) des Zellgehäuses (12); Anordnen (304) der Elektrodenbaugruppe (16) in dem Innenbereich (14) der Energiespeicherzelle (10); Anordnen (306) des Stützelements (20) zwischen einer Oberfläche (18) der Energiespeicherzelle (10) und zumindest einem Teil der Elektrodenbaugruppe (16) derart, dass das Stützelement (20) mit der Oberfläche (18) und dem Teil der Elektrodenbaugruppe (16) in Kontakt steht; und Formieren (306) der Energiespeicherzelle (10).
DE102022125203.5A 2022-09-29 2022-09-29 Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle Pending DE102022125203A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022125203.5A DE102022125203A1 (de) 2022-09-29 2022-09-29 Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle
PCT/EP2023/074456 WO2024068213A1 (de) 2022-09-29 2023-09-06 Energiespeicherzelle, energiespeicher, kraftfahrzeug und verfahren zum herstellen einer energiespeicherzelle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022125203.5A DE102022125203A1 (de) 2022-09-29 2022-09-29 Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022125203A1 true DE102022125203A1 (de) 2024-04-04

Family

ID=88060553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022125203.5A Pending DE102022125203A1 (de) 2022-09-29 2022-09-29 Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022125203A1 (de)
WO (1) WO2024068213A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014218143A1 (de) 2014-09-10 2016-03-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle
DE102021202715A1 (de) 2021-03-19 2022-09-22 Volkswagen Aktiengesellschaft Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2962261B1 (fr) * 2010-07-02 2013-08-02 Saft Groupe Sa Batterie de generateurs electrochimiques comprenant une mousse comme materiau de remplissage entre generateurs
DE102018209661A1 (de) * 2018-06-15 2019-12-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrochemische energiespeichervorrichtung und verfahren zum herstellen einer solchen
US20220021046A1 (en) * 2018-07-30 2022-01-20 Cadenza Innovation, Inc. Housing for Rechargeable Batteries
DE102020211764A1 (de) * 2020-09-21 2022-03-24 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrischer Energiespeicher, Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014218143A1 (de) 2014-09-10 2016-03-10 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer Lithium-Zelle
DE102021202715A1 (de) 2021-03-19 2022-09-22 Volkswagen Aktiengesellschaft Pouchzelle für ein Hochvolt-Batteriesystem

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024068213A1 (de) 2024-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010052397A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen einer elektrochemischen Zelle
DE2838857A1 (de) Metalloxid/lanthannickelhydrid- akkumulator
DE102015100109A1 (de) Lithiumionensekundärbatterie und verfahren des herstellens derselben
DE102010041131A1 (de) Element zur Regelung des Gasinnendrucks in Li-Ionen Zellen
DE102011015830A1 (de) Elektrochemische Zelle zum Speichern elektrischer Energie
DE112020003246T5 (de) Alkalische sekundärbatterie und alkalisches sekundärbatteriemodul
DE102018209661A1 (de) Elektrochemische energiespeichervorrichtung und verfahren zum herstellen einer solchen
EP3143652A2 (de) Batterieeinheit mit einer mehrzahl von elektrochemischen zellen sowie batteriemodul mit einer mehrzahl von batterieeinheiten
DE102009051315A1 (de) Batteriezelle mit Gasreservoir
DE102022125203A1 (de) Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicherzelle
DE102022001429A1 (de) Batteriezelle für eine Batterie, Batterie oder Batteriemodul, sowie Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle
DE212021000437U1 (de) Sekundärbatterie und Vorrichtung mit derselben
WO2022079169A1 (de) Verfahren zur bereitstellung einer batteriezelle und verwendung einer solchen
DE1471747A1 (de) Alkalische Nickel-Cadmium-Akkumulatorzelle
EP2606522A1 (de) Elektrochemische zelle mit wenigstens einer druckentlastungsvorrichtung
DE112019004822T5 (de) Verfahren zur herstellung einer energiespeichereinrichtung und energiespeichereinrichtung
DE102022109570A1 (de) Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle
DE102021131513A1 (de) Stützvorrichtung, Stützsystem, Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, Energiespeicherzelle und Fahrzeug
DE102018216523A1 (de) Batteriezelle mit zumindest einer elektrochemischen Zelle und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102018221714A1 (de) Batteriezelle, Herstellung und Verwendung derselben
WO2012072796A1 (de) Batterie und deckel hierfür
EP3555937A1 (de) Verfahren und system zur herstellung einer batteriezelle
DE102021103172A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Lithiumionenbatterie sowie Lithiumionenbatterie
DE102016210838A1 (de) Anode für eine Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Anode und Batteriezelle
DE102013201888A1 (de) Elektrolytbehälter, Batteriezelle, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified