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Die Erfindung betrifft eine Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie.
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Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, bei deren Entladung gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt wird. Im Kontext der Erfindung werden als Batterien sowohl sogenannte Primärbatterien, die nur für ein einmaliges Entladen und nicht für ein erneutes Laden vorgesehen sind, als auch sogenannte Sekundärbatterien beziehungsweise Akkumulatoren, die für ein mehrfaches Laden vorgesehen und entsprechend ausgelegt sind, verstanden. Ein Laden einer Sekundärbatterie stellt dabei die elektrolytische Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden elektrochemischen Redoxreaktion dar, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung realisiert wird.
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Eine Batterie umfasst eine oder, üblicherweise, mehrere Batterieelemente, die innerhalb einer Umhüllung, üblicherweise in einer Folienumhüllung (Pouch-Zelle) oder einem festen Gehäuse (prismatische-Zelle), angeordnet sind. Die Batterieelemente umfassen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator zur elektrischen Separierung der Elektroden und einen als lonenleiter dienenden Elektrolyten. Die zwei Elektroden eines Batterieelements unterschieden sich hinsichtlich eines umfassten Aktivmaterials, wodurch eine der Elektroden anodisch und die andere kathodisch wirksam ist (jeweils bezogen auf ein Entladen der Batteriezelle). Weiterhin umfasst eine Batterie üblicherweise zwei Batteriepole, die in die Umhüllung integriert sind und die innenseitig der Umhüllung über sogenannte Stromableiter mit den Elektroden elektrisch leitend verbunden sind. Dabei sind alle anodisch wirksamen Elektroden mit einem der Batteriepole und die kathodisch wirksamen Elektroden mit dem anderen der Batteriepole verbunden.
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Eine Ausgestaltung einer Batterie mit einem Gehäuse kann den Vorteil einer im Vergleich zu Batterien mit einer Folienumhüllung höheren strukturellen Belastbarkeit der Batterie aufweisen. Häufig wird ein Gehäuse einer Batterie aus einem Metall, insbesondere Aluminium, ausgestaltet, um eine ausreichend hohe strukturelle Festigkeit und damit Belastbarkeit bei gleichzeitig guter und kostengünstiger Herstellbarkeit in Verbindung mit einem relativ geringen Gewicht zu realisieren. Ein weiterer besonders wichtiger Vorteil einer prismatischen Zelle ist, dass diese bei einem thermischen Durchgehen („thermal runaway“) sicherer ist (kein Übertrag auf weitere Batterien) und definiert entgast werden kann.
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Üblicherweise wird im Rahmen der Herstellung einer Batterie mit Gehäuse ein Verbund, der das oder die Batterieelemente umfasst, in ein Grundgehäuse (sogenannter Gehäusebecher) eingebracht, das hierzu noch mindestens eine Gehäuseöffnung aufweist, die abschließend mittels eines Deckels des Gehäuses verschlossen wird. Bei einem Gehäuse aus Metall wird der mindestens eine Deckel üblicherweise mit dem Grundgehäuse verschweißt. Das Einbringen des Batterieelementeverbunds in den Gehäusebecher muss mit großer Genauigkeit und Sorgfalt erfolgen, um eine Beschädigung der empfindlichen Komponenten des Batterieelementeverbunds zu vermeiden.
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Die
DE 10 2010 050 040 A1 offenbart eine Anordnung eines Elektrodenstapels, der mindestens eine Anodenschicht, mindestens eine Kathodenschicht und mindestens eine Separatorschicht, die zwischen der mindestens einen Anodenschicht und der mindestens einen Kathodenschicht angeordnet ist, aufweist. Weiterhin ist mindestens eine Fixiereinrichtung vorgesehen, die mindestens zwei Schichten des Elektrodenstapels relativ zueinander fixiert.
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Die
US 10 283 806 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, bei dem mehrere Batterieelemente mit einer Umhüllung versehen werden.
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Die
DE 10 2015 222 201 B3 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Zelle, deren Gehäuse elastisch verformbar ist. Dazu wird mindestens ein Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel und ein Elektrolyt in ein Gehäuse eingebracht, welches mit Gas befüllt wird, so dass ein Überdruck in dem Gehäuse erzeugt wird, durch welchen mindestens eine Gehäusewand des Gehäuses nach außen gewölbt wird. Das Gehäuse wird gasdicht versiegelt, so dass der Überdruck im Gehäuse und die Wölbung der mindestens einen Gehäusewand aufrechterhalten bleiben. Alternativ wird mindestens ein elastisches Element an mindestens einem Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel angeordnet und in das Gehäuse eingebracht, so dass das mindestens eine elastische Element zwischen dem Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel und mindestens einer Gehäusewand des Gehäuses liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Herstellung einer Batterie mit einem Gehäuse zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe ist bei einer Batterie gemäß dem Patentanspruch 1, die durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 10 herstellbar ist, gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Batterie und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehene Batterie einen Batterieelementeverbund mit mindestens einem Batterieelement oder, vorzugsweise, mehreren Batterieelementen, und ein Gehäuse. Der Batterieelementeverbund ist vollständig in einem Aufnahmeraum des Gehäuses aufgenommen. Dabei grenzt eine Außenseite des Batterieelementeverbunds an eine Innenseite des Gehäuses an. Gekennzeichnet ist eine solche Batterie dadurch, dass mindestens ein Führungselement zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Außenseite des Batterieelementeverbunds angeordnet und an der Außenseite des Batterieelementeverbunds fixiert, d.h. unbeweglich mit dieser verbunden, ist, wobei das Führungselement den Batterieelementeverbund nur teilweise (außenseitig) umgibt. Die Fixierung des Führungselements an dem Batterieelementeverbund kann vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben, realisiert sein.
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Das Führungselement dient im Rahmen einer erfindungsgemäßen Montage einer solchen Batterie dazu, eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und dem Batterieelementeverbund zu führen, um zu vermeiden, dass insbesondere der Batterieelementeverbund bei dieser Relativbewegung infolge eines ungewollten oder zu starken Kontakts mit dem Gehäuse beschädigt wird. Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieelementeverbund mit daran fixiertem Führungselement über eine Gehäuseöffnung in das Gehäuse eingebracht wird, wobei das Führungselement an der Innenseite des Gehäuses gleitet. Die Gehäuseöffnung kann dabei vorzugsweise innerhalb eines Grundgehäuses des Gehäuses ausgebildet sein, wobei die Gehäuseöffnung nach dem Einbringen des Batterieelementeverbunds mittels eines separaten Gehäusedeckels des Gehäuses verschlossen wird. Vorzugsweise kann der Aufnahmeraum vollständig innerhalb des Grundgehäuses ausgebildet sein.
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Um vorteilhaft die Führungsfunktion erfüllen zu können, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Führungselement starr ausgestaltet ist. Ein Führungselement wird dabei als „starr“ angesehen, wenn sich dieses bei den Belastungen, die darauf im Rahmen einer vorgesehenen Nutzung wirken, nicht in einem relevanten (d.h. erkennbaren und die Funktion beeinflussenden) Maße verformt.
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Das Gehäuse wird vorzugsweise formstabil ausgestaltet. Als „formstabil“ gilt dabei ein Gehäuse, wenn dessen dreidimensionale Form ohne externe Belastung nicht infolge der eigenen Gewichtskraft kollabiert. Vorzugsweise kann ein solches Gehäuse derart formstabil ausgestaltet sein, dass dieses bei einer Belastung durch externe Kräfte, die bei einer normalen Nutzung der Batterie auftreten, nicht kollabiert und, besonders bevorzugt, auch nicht in einem relevanten Maße deformiert wird (d.h. starre Ausgestaltung des Gehäuses).
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse teilweise oder vollständig aus mindestens und vorzugsweise exakt einem Metall, beispielsweise Aluminium, ausgestaltet ist. Dadurch kann relativ kostengünstig ein relativ hoch belastbares Gehäuse erhalten werden.
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Das Gehäuse einer erfindungsgemäßen Batterie kann vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass dieses abschließend gasdicht verschlossen ist, was sich positiv hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Betriebssicherheit der Batterie auswirken kann.
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Das mindestens eine Batterieelement des Batterieelementeverbunds einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herzustellenden Batterie umfasst (jeweils) zwei Elektroden, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator zur elektrischen Separierung der Elektroden und einen als lonenleiter dienenden Elektrolyten. Dieser Elektrolyt kann flüssig oder fest ausgestaltet sein und, insbesondere bei einer festen Ausgestaltung, auch als Separator fungieren. Eine erfindungsgemäße oder erfindungsgemäß herzustellende Batterie kann weiterhin einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol umfassen, wobei die Batteriepole zur elektrischen Anbindung der Batterie an einen externen Stromkreis vorgesehen sind. Dazu können die Batteriepole derart in das Gehäuse integriert sein, dass ein erster Abschnitt davon außerhalb des Gehäuses angeordnet und dadurch für eine Anbindung an den externen Stromkreis zugänglich ist, während ein zweiter, innerhalb der Umhüllung liegender Abschnitt einer elektrischen Verbindung mit dem Batterieelement oder den Batterieelementen dient. Dabei ist eine erste Elektrode des (jedes) Batterieelement(s) mit dem ersten Batteriepol und eine zweite Elektrode des (jedes) Batterieelement(s) mit dem zweiten Batteriepol elektrisch verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herzustellenden Batterie kann vorgesehen sein, dass der Batterieelementeverbund eine das mindestens eine Batterieelement umgebene Umhüllung umfasst. Die Umhüllung kann einerseits dazu dienen, den Batterieelementeverbund insbesondere bei dem Einbringen in das Gehäuse zu schützen. Weiterhin kann die Umhüllung auch eine elektrisch isolierende Funktion aufweisen und hierzu zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise demselben Material, aus dem auch der mindestens eine Separator ausgestaltet ist, hergestellt sein. Die Umhüllung kann vorzugsweise in Form einer Wicklung ausgebildet sein, bei der ein leicht deformierbares Umhüllungsmaterial, insbesondere in Form einer Folie, in einer Umfangsrichtung um das mindestens eine Batterieelement gelegt und sich überlappende Abschnitte davon miteinander verbunden, vorzugsweise stoffschlüssig verbunden (beispielsweise verklebt) werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass sich das Führungselement über mindestens 50% oder mindestens 75% oder 100% der Innenseite des Gehäuses und/oder der Außenseite des Batterieelementeverbunds erstreckt. Damit ist das Verhältnis der von dem Führungselement maximal beziehungsweise umfangseitig eingeschlossen Flächengröße gegenüber der Flächengröße der Innenseite des Gehäuses beziehungsweise der Außenseite des Batterieelementeverbunds gemeint. Dadurch kann eine sichere Funktion zur Führung des Batterieelementeverbunds beim Einbringen in das Gehäuse gewährleistet werden.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Führungselement die Innenseite des Gehäuses und/oder die Außenseite des Batterieelementeverbunds nur teilweise überdeckt. Als „überdeckt“ gilt dabei eine Fläche der Innenseite des Gehäuses beziehungsweise der Außenseite des Batterieelementeverbunds, an die Material des Führungselements angrenzt. Eine von der Erstreckung abweichende (geringere) Überdeckung des Führungselements hinsichtlich der Innenseite des Gehäuses und/oder der Außenseite des Batterieelementeverbunds kann darin begründet sein, dass das Führungselement Freiräume beziehungsweise Durchgangsöffnungen aufweist, die im Bereich von Abschnitten der Innenseite des Gehäuses und/oder der Außenseite des Batterieelementeverbunds gelegen sind, so dass diese Abschnitte zwar innerhalb der Erstreckung des Führungselements gelegen, von diesem jedoch nicht abgedeckt sind.
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Das Führungselement einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herzustellenden Batterie kann weiterhin bevorzugt eine erste Kontaktfläche, mit der dieses die Außenseite des Batterieelementeverbunds kontaktiert, und eine zweite Kontaktfläche, die für einen Kontakt mit der Innenseite des Gehäuses vorgesehen ist, ausbilden, wobei die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche kleiner als die jeweils zugeordnete Innenseite des Gehäuses oder Außenseite des Batterieelementeverbunds ist/sind. Weiterhin bevorzugt kann auch vorgesehen sein, dass die erste Kontaktfläche größer als die zweite Kontaktfläche ist. Die relativ große erste Kontaktfläche kann eine gute Fixierung an der Außenseite des Batterieelementeverbunds gewährleisten, während die relativ kleine zweite Kontaktfläche einen relativ geringen reibungsbedingten Bewegungswiderstand bei einem Kontakt mit der Innenseite des Gehäuses beim Einbringen in das Gehäuse ermöglicht.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die zweite Kontaktfläche sich in einer ersten Dimensionsrichtung (Länge oder Breite des Führungselements) vollständig entlang der angrenzenden Innenseite des Gehäuses erstreckt und in einer zweiten Dimensionsrichtung (Breite oder Länge des Führungselements) nur teilweise entlang der angrenzenden Innenseite des Gehäuses erstreckt. Die erste Dimensionsrichtung kann dabei vorzugsweise derjenigen Richtung entsprechen, in der eine Relativbewegung zwischen dem Batterieelementeverbund und dem Gehäuse beim Einbringen vorliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herzustellenden Batterie kann die Außenseite des Batterieelementeverbunds und/oder die Innenseite des Gehäuses (jeweils) eine Flachseite sein. Als „Flachseite“ wird dabei ein Abschnitt einer räumlichen Struktur verstanden, der vollständig oder im Wesentlichen in einer (nicht gekrümmten) Ebene verläuft. Bei der innenseitigen Flachseite des Gehäuses kann die Flachseite insbesondere eine entsprechende Innenfläche des Gehäuses sein, wobei nicht ausgeschlossen sein soll, dass in dieser Innenfläche des Gehäuses eine Abweichung in Form einer Öffnung, eine Vertiefung oder auch ein Vorsprung vorgesehen ist. Vergleichbar dazu kann die außenseitige Flachseite des Batterieelementeverbunds eine äußere Begrenzung des Batterieelementeverbunds sein, die einer Außenfläche, insbesondere an einer Großseite, einer Komponente des Batterieelementeverbunds entspricht. Ebenso kann die außenseitige Flachseite des Batterieelementeverbunds durch jeweils eine Außenfläche mehrerer Komponenten des Batterieelementeverbunds in Kombination ausgebildet sein. Bei einer Anordnung mehrerer Batterieelemente in einem quaderförmigen Stapel kann die äußere Begrenzung des Batterieelementeverbunds beispielsweise einer der Seiten des Quaders entsprechen, die in der Stapelrichtung verläuft, so dass die äußere Begrenzung durch eine Vielzahl von Endflächen der Komponenten der gestapelten Batterieelemente definiert ist, wobei diese Endflächen in etwa in einer Ebene angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß herzustellenden Batterie kann vorgesehen sein, dass der Batterieelementeverbund außenseitig und das Gehäuse zumindest innenseitig (und damit auch der Aufnahmeraum), vorzugsweise auch außenseitig, quaderförmig ausgestaltet sind, wobei das mindestens eine Führungselement an einer der Großseiten oder einer der Längsseiten oder einer der Stirnseiten des Batterieelementeverbunds und des Gehäuses angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung einer Batterie ermöglicht eine hinsichtlich des benötigten Platzbedarfs vorteilhafte Anordnung des Batterieelementeverbunds in dem Gehäuse sowie eine ebenfalls hinsichtlich des benötigten Platzbedarfs vorteilhafte Nutzung der Batterie insgesamt.
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Ein Quader und damit auch ein quaderförmiges Gehäuse und ein quaderförmiger Batterieelementeverbund weist eine Länge, Breite und Höhe auf, wobei erfindungsgemäß die Länge die größte, die Breite die mittlere und die Höhe die kleinste der (Kanten-)Abmessungen ist (sofern entsprechende Unterschiede vorliegen). Ein Quader umfasst dann zwei Großseiten, die durch die Länge und die Breite aufgespannt werden, zwei Längsseiten, die durch die Länge und die Höhe aufgespannt werden, sowie zwei Stirnseiten, die durch die Breite und die Höhe aufgespannt werden. Batteriepole der Batterie können dabei vorzugsweise in nur eine oder in beide der Stirnseiten integriert sein.
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Eine Quaderform des Batterieelementeverbunds kann sich insbesondere daraus ergeben, dass die Komponenten des mindestens einen Batterieelements (Elektroden und Separatoren) selbst quaderförmig (insbesondere mit relativ geringer Dicke) ausgestaltet und über ihre Großseiten gestapelt sind, wobei randseitig nur relativ (im Vergleich zu den Flächen der Großseiten) sehr kleine Überstände zwischen den Schichten des Stapels vorliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:
- 1: eine erfindungsgemäße Batterie in einer Querschnittsdarstellung;
- 2: den in der 1 mit II gekennzeichneten Abschnitt in einer vergrößerten Darstellung;
- 3: die Kombination eines Batterieelementeverbunds und zweier Führungselemente der Batterie gemäß den 1 und 2;
- 4: den Batterieelementeverbund in einer ersten perspektivischen Ansicht;
- 5: den Batterieelementeverbund in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
- 6: einen Batterieelementeverbund für eine erfindungsgemäße Batterie gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
- 7: einen Batterieelementeverbund für eine erfindungsgemäße Batterie gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
- 8 einen Batterieelementeverbund für eine erfindungsgemäße Batterie gemäß einer dritten Ausgestaltungsform.
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Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Batterie 1 in Querschnittsdarstellungen. Die Batterie 1 umfasst ein Gehäuse 2 und einen Batterieelementeverbund 3, der innerhalb eines Aufnahmeraums 4 des Gehäuses 2 aufgenommen ist. Weiterhin umfasst die Batterie 1 zwei Führungselemente 5, die jeweils zwischen einer Innenseite des Gehäuses 1 und einer Außenseite des Batterieelementeverbunds 3 angeordnet sind.
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Das Gehäuse 2 ist innenseitig und außenseitig quaderförmig ausgestaltet und umfasst ein rohrförmiges Grundgehäuse 6 (mit rechteckigen Querschnittsflächen der Gehäusewände), das die Großseiten und die Längsseiten des Gehäuses 2 und damit auch den Aufnahmeraum 4 des Gehäuses 2 ausbildet, sowie zwei Gehäusedeckel (nicht sichtbar), die jeweils eine der Stirnseiten des Gehäuses 2 ausbilden und die nach einem Einbringen des Batterieelementeverbunds 3 in den Aufnahmeraum 4 des Gehäuses 2 beziehungsweise des Grundgehäuses 6 mit dem Grundgehäuse 6 verbunden werden, wodurch stirnseitige Gehäuseöffnungen des Grundgehäuses 6 verschlossen werden. In die Gehäusedeckel ist jeweils ein Batteriepol (nicht sichtbar) der Batterie 1 integriert.
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Der Batterieelementeverbund 3, der ebenfalls eine außenseitige Quaderform aufweist, umfasst mehrere Batterieelemente, die als sogenannter Elektroden-Separatoren-Verbund (ESV) 7 in Form eines quaderförmigen Stapels vorliegen, sowie eine den ESV 7 an dessen Großseiten und Längsseiten umgebende Umhüllung 8. Optional kann der Batterieelementeverbund 3 zusätzlich mindestens ein Deformationselement (nicht dargestellt) umfassen, das vorzugsweise plattenförmig, d.h. quaderförmig mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr kleiner Höhe, ausgebildet und an einer der Großseiten des Batterieelementeverbunds 3 angeordnet sein kann. Dabei kann das Deformationselement die entsprechende Großseite vorzugsweise vollständig oder größtenteils (größer 50%) überdecken und dieses kann zwischen dem ESV 7 und der Umhüllung 8 oder außenseitig von der Umhüllung 8 angeordnet sein. Vorzugsweise kann jeweils ein solches Deformationselement an jeder der Großseiten des Batterieelementeverbunds 3 angeordnet sein. Das Deformationselement oder die Deformationselemente ist/sind (primär oder ausschließlich) dafür vorgesehen, unterschiedliche Ausdehnungen des Batterieelementeverbunds 3 einerseits und des Gehäuses 2 andererseits durch eine Deformation auszugleichen. Dies ermöglicht, den Batterieelementeverbund 3 stets spielfrei innerhalb des Gehäuses 2 zu positionieren und gleichzeitig eine relativ große Ausdehnung des Batterieelementeverbunds 7 im Vergleich zu dem Gehäuse 2, die während einer Nutzung der Batterie 1 auftreten kann, zu ermöglichen.
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Die Dimensionierung des Aufnahmeraums 4 und des Batterieelementeverbunds 3 ist derart gewählt, dass bezüglich der Höhe entweder ein nur geringes oder kein Übermaß oder sogar ein geringes Untermaß des Aufnahmeraums 4 im Vergleich zu dem Batterieelementeverbund 3 vorgesehen ist, um eine möglichst spielfreie Aufnahme des Batterieelementeverbunds 3 in dem Aufnahmeraums 4 des Gehäuses 2 zu gewährleisten und um gleichzeitig zu ermöglichen, den Batterieelementeverbund 3 über eine der Gehäuseöffnungen in das Grundgehäuse 6 einzubringen. Kein Übermaß oder ein Untermaß kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn der Batterieelementeverbund 3 mindestens ein Deformationselement umfasst, das beim Einbringen des Batterieelementeverbunds 3 in das Gehäuse 2 entsprechend deformiert wird. Bezüglich der Breite ist der Aufnahmeraum 4 derart größer als der Batterieelementeverbund 3 dimensioniert, dass die Führungselemente 5 im Wesentlichen spielfrei zwischen dem Grundgehäuse 6 und dem Batterieelementeverbund 3 angeordnet sind.
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Der ESV 7 weist in abwechselnder Reihenfolge plattenförmige Elektroden 9 und elektrisch isolierende, plattenförmige Separatoren 10 auf, Die Elektroden 9 sind wiederum abwechselnd in Ausgestaltungen und Anordnungen, die vorgesehenen Verwendungen als Anoden 9a und Kathoden 9b, jeweils bezogen auf ein Entladen der Batterie 1, entsprechen, in dem Stapel angeordnet. Die plattenförmigen Elektroden 9 und Separatoren 10 weisen rechteckige Großflächen auf, wodurch sich in Verbindung mit der Stapelung die Quaderform des ESV 7 ergibt. Die Großflächen der Elektroden 9 und Separatoren 10 verlaufen dabei in der Längsrichtung und der Querrichtung des ESV 7, während die Hochrichtung des ESV 7 der Stapelrichtung, d.h. der Richtung, entlang der die einzelnen Schichten des gestapelten ESV 7 aneinander angrenzend angeordnet sind, entspricht.
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Der ESV 7 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Stromableitern (nicht sichtbar), die jeweils elektrisch leitend mit einer der Elektroden 9 verbunden sind. Die Stromableiter können dabei mit den Elektroden 9 integral ausgestaltet sein, indem jeweils ein flächiges Substrat 11 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einer Metallfolie, in einem rechteckigen Abschnitt, der Teil der jeweiligen Elektrode 9 ist, einseitig oder beidseitig mit einem anodisch oder kathodisch wirksamen Aktivmaterial 12 beschichtet ist, während ein unbeschichteter Abschnitt des Substrats 11 den zu der jeweiligen Elektrode 9 gehörenden Stromableiter darstellt. Die Stromableiter sämtlicher der Elektroden 9, die als Anoden 9a vorgesehen sind, sind an einer ersten der Stirnseiten des ESV 7 und die als Kathoden 9b vorgesehenen Stromableiter an der zweiten der Stirnseiten des ESV 7 angeordnet. Die Stromableiter werden im Rahmen der Herstellung der Batterie 1 mit dem jeweils an die entsprechende Seite des ESV 7 angrenzenden und in das Gehäuse 2 und konkret in jeweils einen der Gehäusedeckel integrierten Batteriepol elektrisch leitend verbunden.
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Die Führungselemente 5 sind jeweils an einer der Längsseiten des Batterieelementeverbunds 3 und konkret der Umhüllung 8 davon fixiert. Dabei erstrecken sich die Führungselemente 5 über die gesamte Länge der jeweiligen Längsseite (entspricht der Länge des Batterieelementeverbunds 3) und über die gesamte Breite der jeweiligen Längsseite (entspricht der Höhe des Batterieelementeverbunds 3). Die Führungselemente 5 erstrecken sich demnach über 100% der jeweiligen Längsseite des Batterieelementeverbunds 7. In Längsrichtung überragen die Führungselemente 5 die Längsseiten des Batterieelementeverbunds 3 zusätzlich um eine definierte Distanz und bilden jeweils endseitig einen Anschlag 13 aus, der als abgewinkelter Flächenabschnitte des jeweiligen Führungselements 5 einen Abschnitt der jeweils angrenzenden Stirnseite des Batterieelementeverbunds 7 überdeckt. Die Anschläge 13 gewährleisten eine in Längsrichtung zentrierte Positionierung des Batterieelementeverbunds 13 innerhalb des Grundgehäuses 6, indem diese beziehungsweise deren außen liegenden Kontaktflächen bündig mit oder jeweils in einem (demselben) definierten Abstand zu den stirnseitigen Enden des Grundgehäuses 6 positioniert werden. Dadurch können die Anschläge 13 beziehungsweise deren Kontaktflächen auch zur Anlage der Gehäusedeckel genutzt werden, wodurch deren Positionierung, insbesondere für ein Verbinden mit dem Grundgehäuse 6 vereinfacht werden kann. Das Verbinden des Grundgehäuses 6 mit den Gehäusedeckeln kann vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen erfolgen.
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Während sich die Führungselemente 5 über 100% der jeweils angrenzenden Längsseite des Batterieelementeverbunds 3 und der entsprechenden Innenseite des Gehäuses 2 erstrecken, werden diese Seiten des Batterieelementeverbunds 3 und des Gehäuses 2 von den Führungselementen 5 nur teilweise überdeckt, da diese schienenartig ausgestaltet sind. Hierzu umfassen die Führungselemente 5 jeweils zwei Längsabschnitte 5a, die sich jeweils in Längsrichtung der Führungselemente 5 und damit auch der angrenzenden Längsseiten des Batterieelementeverbunds 3 und des Gehäuses 2 beziehungsweise des Aufnahmeraums 4 des Gehäuses 2 erstrecken, sowie mehrere über der Länge der Führungselemente 5 verteilt angeordnete Querabschnitte 5b, die die Längsabschnitte 5a miteinander verbinden, wobei zwischen benachbarten Querabschnitten 5b relativ große Durchgangsöffnungen 5c ausgebildet sind. Im Bereich dieser Durchgangsöffnungen 5c überdecken die Führungselemente 5 die angrenzenden Längsseiten des Batterieelementeverbunds 3 und des Gehäuses 2 nicht. Die Führungselemente 5 weisen auf der dem Batterieelementeverbund 3 zugewandten Seite eine erste Kontaktfläche 5d für einen Kontakt mit dem Batterieelementeverbund 3 auf, die sowohl die Längsabschnitte 5a als auch die Querabschnitte 5b der Führungselemente 5 umfasst. Eine (zweigeteilte) zweite Kontaktfläche 5e für einen Kontakt mit der innenseitigen Längsseite des Gehäuses 2 ist dagegen lediglich im Bereich der Längsabschnitte 5a der Führungselemente 5 ausgebildet, wobei diese zweite Kontaktfläche 5e zudem deutlich kleiner ist als der (zweiteilige) Abschnitt der ersten Kontaktfläche 5d, der von den Längsabschnitten 5a der Führungselemente 5 ausgebildet ist. Demnach ist die den Batterieelementeverbund 3 kontaktierende erste Kontaktfläche 5d jedes der Führungselemente 5 deutlich größer als die für einen Kontakt mit der innenseitigen Längsseite des Gehäuses 2 vorgesehene zweite Kontaktfläche 5e. Die relativ großen ersten Kontaktflächen 5d der Führungselemente 5 können jeweils eine sichere stoffschlüssige Fixierung der Führungselemente 5 an dem Batterieelementeverbund 3 gewährleisten, während die relativ kleinen zweiten Kontaktflächen 5e zu einem nur relativ geringen Bewegungswiderstand beim Einbringen des Batterieelementeverbunds 3 in das Grundgehäuse 6 führen.
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Die schienenartige Ausgestaltung der Führungselemente 5 führt einerseits zu einem relativ geringen Gewicht von diesen und damit der Batterie 1 insgesamt. Weiterhin ermöglichen die von den Führungselementen 5 ausgebildeten Durchgangsöffnungen 5c eine gute Verteilung eines flüssigen Elektrolyten, der nach dem Einbringen des Batterieelementeverbunds 3 in das Grundgehäuse 6 und dem Verschließen der Gehäuseöffnungen durch das Anbringen der Gehäusedeckel über eine Einfüllöffnung (nicht sichtbar) des Gehäuses 2 eingebracht wird. Die Separatoren 10 des Batterieelementeverbunds 3 sollen dabei vollständig mit dem Elektrolyten getränkt werden. Für einen Übertritt des Elektrolyten ist zudem die Umhüllung 8 im Bereich der Längsseiten des Batterieelementeverbunds 3 mit mehreren Durchgangsöffnungen 8a versehen (vgl. 4 und 5). An einer dieser Längsseiten bildet die Umhüllung 8 eine relativ große, rechteckige Durchgangsöffnung 8a aus, die in Überdeckung mit einer Durchgangsöffnung 5c des dortigen Führungselements 5 sowie mit einer Durchgangsöffnung in dem Grundgehäuse 6 (nicht sichtbar) angeordnet ist. Diese Durchgangsöffnung in dem Grundgehäuse 6, die auch als Einfüllöffnung für den Elektrolyten dienen kann, ist im fertig hergestellten Zustand der Batterie 1 mit einer Folie (nicht sichtbar) überdeckt, die als Berstventil wirkt, das definiert versagt, wenn sich innerhalb des Aufnahmeraums 4 ein unzulässig hoher Druck ausbildet.
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Die 6 zeigt einen Batterieelementeverbund 3 für eine erfindungsgemäße Batterie 1 gemäß einer ersten Ausgestaltungsform. Der Batterieelementeverbund 3 umfasst einen Stapel aus Elektroden 9 und Separatoren 10, d.h. einen ESV 7, wie er bereits grundsätzlich beschrieben wurde. Erkennbar ist, dass die als Anoden 9a zu nutzenden Elektroden 9 geringfügig breiter und länger als die als Kathoden 9b zu nutzenden Elektroden 9 ausgebildet sein können und die Separatoren 10 die größten Abmessungen bezüglich der Länge und Breite aufweisen können. Der Batterieelementeverbund 3 umfasst weiterhin eine Umhüllung 8, die als Wicklung ausgestaltet ist, wobei ein folienartiges Umhüllungsmaterial, das dem Material, aus dem die Separatoren 10 ausgebildet sind, entsprechen oder davon abweichen kann, um den ESV 7 gewickelt und sich überlappende Abschnitt davon miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Hierfür kann das folienartige Umhüllungsmaterial bereits vor dem Umwickeln des ESV 7 mit einer entsprechenden Klebeschicht 8b versehen sein. Die Umhüllung 8 kann vorzugsweise die Großseiten und die Längsseiten, nicht jedoch die Stirnseiten des ESV 7 umgeben beziehungsweise überdecken. Durch das Umwickeln des ESV mit dem Umhüllungsmaterial können die Überstände der Separatoren 10 umgeknickt werden, wodurch sich diese zwischen die Elektroden 9 und die Umhüllung 8 legen. Dadurch können diese Überstände der Separatoren 10 als zusätzlicher Schutz für die Längsseiten der Elektroden 9 wirken.
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Die 7 zeigt einen Batterieelementeverbund 3 für eine erfindungsgemäße Batterie 1 gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform. Auch dieser Batterieelementeverbund 3 umfasst einen Stapel aus Elektroden 9 und Separatoren 10, d.h. einen ESV 7, wie er grundsätzlich bereits beschrieben wurde. Die Separatoren 10 sind bei diesem Batterieelementeverbund 3 jedoch von einem durchgängigen Band aus dem Separatormaterial ausgebildet, das mäanderförmig beziehungsweise in Schlaufen gelegt ist und sich dabei zwischen benachbarten Elektroden 9 erstreckt. Ein Endabschnitt dieses Bands aus dem Separatormaterial ist zudem um den ESV 7 gewickelt und bildet so eine Umhüllung 8 des Batterieelementeverbunds 3 aus. Fixiert wird diese Umhüllung 8 durch mehrere Klebestreifen 14, von denen einige eine Überlappung der Umhüllung 8, die an einer der Großseiten des Batterieelementeverbunds 3 angeordnet ist, fixiert und andere in Stapelrichtung entlang der Stirnseiten des Batterieelementeverbunds 3 verlaufen.
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Die 8 zeigt einen Batterieelementeverbund 3 für eine erfindungsgemäße Batterie 1 gemäß einer dritten Ausgestaltungsform. Auch bei diesem Batterieelementeverbund 3 sind die Separatoren 10 Abschnitte von in diesem Fall zwei Bändern aus demselben Separatormaterial, wobei diese zwei Bänder in Stapelrichtung abwechselnd die Separatoren 10 des ESV 7 ausbilden. Bei diesem Batterieelementeverbund 3 können vorzugsweise sämtliche der als Anoden 9a zu nutzenden Elektroden 9 bereits vor der Ausbildung des ESV 7 an definierten Positionen an einem der Bänder und sämtliche der als Kathoden 9b zu nutzenden Elektroden 9 in entsprechender Weise an dem anderen der Bänder fixiert sein, so dass der ESV 7 in der dargestellten Form ausgebildet wird, indem die Anoden 9a und Kathoden 9b abwechselnd gestapelt und dabei die zugehörigen Bänder aus dem Separatormaterial gefaltet werden. Auch bei diesem Batterieelementeverbund 3 gemäß der 8 kann von einem oder von beiden der Bänder aus dem Separatormaterial eine Umhüllung (nicht dargestellt) ausgebildet werden, wie dies bei dem Batterieelementeverbund 3 gemäß der 7 vorgesehen ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Batterie
- 2
- Gehäuse
- 3
- Batterieelementeverbund
- 4
- Aufnahmeraum des Gehäuses
- 5
- Führungselement
- 5a
- Längsabschnitt des Führungselements
- 5b
- Querabschnitt des Führungselements
- 5c
- Durchgangsöffnung des Führungselements
- 5d
- erste Kontaktfläche des Führungselements
- 5e
- zweite Kontaktfläche des Führungselements
- 6
- Grundgehäuse
- 7
- Elektroden-Separatoren-Verbund (ESV)
- 8
- Umhüllung
- 8a
- Durchgangsöffnung der Umhüllung
- 8b
- Klebeschicht der Umhüllung
- 9
- Elektrode
- 9a
- Anode
- 9b
- Kathode
- 10
- Separator
- 11
- Substrat
- 12
- Aktivmaterial
- 13
- Anschlag
- 14
- Klebestreifen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010050040 A1 [0006]
- US 10283806 B1 [0007]
- DE 102015222201 B3 [0008]
