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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Bipolarbatteriestapel, umfassend
- - eine obere und eine untere Deckplatte,
- - eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung zwischen den Deckplatten gestapelten Bipolarelektroden, jeweils umfassend eine elektrisch leitfähige, beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichteten Trägerfolie, wobei zwischen je zwei benachbarten Bipolarelektroden ein mit einem Elektrolyten gefüllter Zwischenraum liegt,
- - eine der Anzahl von Zwischenräumen entsprechende Mehrzahl von in besagten Zwischenräumen angeordneten, ionenpermeablen und im Übrigen elektrisch nicht-leitenden, flächigen Separatoren und
- - eine die Zwischenräume randständig vollumfänglich gegen Entweichen des Elektrolyten abdichtende, elektrisch nicht-leitende Siegelwandung, in welche die Ränder der Trägerfolien sowie die Ränder der Separatoren eingebettet sind.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Aufbau eines Bipolarbatteriestapels, umfassend die folgenden Verfahrenselemente:
- - Bereitstellen einer unteren und einer oberen Deckplatte,
- - Aufstapeln, in sich wiederholender Reihenfolge auf der unteren Deckplatte, je eines ionenpermeablen und im Übrigen elektrisch nicht-leitenden, flächigen Separators und einer Bipolarelektrode, umfassend eine elektrisch leitfähige, beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichtete Trägerfolie,
- - Auflegen der oberen Deckplatte auf die aufgestapelten Separatoren und Bipolarelektroden,
- - Ausbilden einer die Bipolarelektroden und Separatoren randständig vollumfänglich umgebenden, dauerelastischen und elektrisch nicht-leitenden Siegelwandung,
- - Füllen von Zwischenräumen zwischen den Bipolarelektroden mit einem flüssigen oder pastösen Elektrolyten,
- - Verspannen der Deckplatten gegeneinander.
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Stand der Technik
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Im Rahmen der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen gewinnen Traktionsbatterien hoher Leistungsdichte zunehmend an Bedeutung. Auch in anderen Technikbereichen sind kompakte Hochleistungs-Batterien gefragt. Hier hat sich insbesondere das Konzept des sogenannten Bipolarbatteriestapels, vereinfachend auch als Stapelbatterie bezeichnet, bewährt. Es erlaubt eine deutlich gesteigerte Leistungsdichte gegenüber herkömmlichen Batterien, die derzeit noch vorwiegend Einsatz finden. Eine Stapelbatterie umfasst einen zwischen zwei Deckplatten gefassten Stapel aus Bipolarelektroden. Bei einer Bipolarelektrode handelt es sich um eine elektrisch leitende, folienartige Trägerschicht, die beidseitig mit einem Aktivmaterial belegt ist, welches innerhalb der Batterie die Elektroden, d. h. die Anode bzw. die Kathode, benachbarter Zellen darstellt. Die für die Anode einerseits und die Kathode andererseits verwendeten Aktivmaterialien sind, je nach speziell gewähltem Batterietyp, unterschiedlich, sollen hier aber gemeinsam als Elektrodenmaterial angesprochen werden. Derartige Bipolarelektroden werden so gestapelt, dass jeweils eine Anode und eine Kathode über einen Zwischenraum hinweg einander zugewandt sind. In diesem Zwischenraum ist ein elektrisch nicht-leitender, d. h. elektrisch isolierender, allerdings iononpermeabler Separator, oft in Form eines Keramikvlieses oder einer ionenpermebalen Kunststofffolie, angeordnet, der eine direkte Kontaktierung der Elektroden zuverlässig verhindert. Der Zwischenraum ist im Endprodukt mit einem Elektrolyten gefüllt, der zusammen mit der an ihn angrenzenden Anode und Kathode eine Batteriezelle, d. h. eine funktionale Zelle der Stapelbatterie bildet, wobei die Stapelbatterie insgesamt aus einer Vielzahl solcher, zueinander in Reihe geschalteter Batteriezellen besteht. Die spezielle Materialwahl für das Elektrolytmaterial ist ebenso wie das Elektrodenmaterial vom jeweiligen Batterietyp abhängig. Häufig finden wegen ihrer besonderen Anschmiegsamkeit an die Elektroden und der damit verbundenen Kontaktoptimierung flüssige oder pastöse Elektrolyte Einsatz.
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Ein derartiger Stapel von Batteriezellen wird in Stapelrichtung beidseitig von je einer Deckplatte begrenzt. Die Deckplatten werden hier als „obere“ und „untere“ Deckplatte angesprochen, unabhängig von der tatsächlichen Ausrichtung der Stapelbatterie in ihrer Montageendstellung und in der definitorischen Annahme eines in einer Stapelrichtung von unten nach oben aufgebauten Stapels. Der Fachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass mit dieser Formulierung keine substantielle Einschränkung des Erfindungsgegenstandes in Bezug auf die räumliche Ausrichtung der Stapelbatterie verbunden ist. Die Deckplatten sind deutlich steifer als die Trägerschichten der einzelnen Batteriezellen und dienen zum einen der mechanischen Begrenzung des Stapels und zum anderen der elektrischen Ableitung der im Stapel erzeugten elektrischen Energie. Die mechanische Begrenzung des Stapels stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da nämlich die einzelnen Batteriezellen, insbesondere deren Elektrodenmaterial, dazu tendieren, sich je nach Betriebszustand unterschiedlich auszudehnen. Ohne eine solide mechanische Begrenzung in Stapelrichtung droht somit ein „Atmen“ des gesamten Stapels, was zu Rissbildungen in der äußeren Siegelwandung, Schwankungen im elektrischen Verhalten und zu Problemen bei der mechanischen Fixierung der Stapelbatterie, beispielsweise in einem Fahrzeug, führen kann. Üblicherweise werden die beiden Deckplatten über randständige Klammern gegeneinander verspannt, sodass die gestapelten Batteriezellen zwischen ihnen geklemmt sind. Dies setzt jedoch, insbesondere bei großflächigen Bipolarelektroden, eine erhebliche Steifigkeit der ebenso großflächigen Deckplatten voraus, was bei diesen mit einer erheblichen Materialstärke und -dichte und daher mit einem erheblichen Gewicht einhergeht. Typische Abmessungen bekannter Bipolarbatteriestapel betragen etwa 1,80 m x 1,00 m in der Fläche und ca. 2 bis 3 cm in der Höhe zwischen den Deckplatten, was in etwa einer Anordnung von ca. 100 einzelnen Batteriezellen entspricht.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße Bipolarbatteriestapel und Verfahren zu deren Herstellung derart weiterzubilden, dass die Bipolarbatteriestapel bei im Übrigen gleichwertigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften ein geringeres Gewicht aufweisen können.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass besagter Bipolarbatteriestapel einen in Stapelrichtung durchgängigen Kanal aufweist, der von einem elektrisch isolierten und mit an den Außenseiten der Deckplatten kraftbeaufschlagt anliegenden Flanschen versehenen Bolzen durchsetzt ist, wobei die Kanalwandung des Kanals zwischen je zwei Bipolarelektroden vollumfänglich von einem stoffschlüssig mit besagten Bioplarelektroden verbundenen, dauerelastischen und elektrisch nicht-leitenden Dichtmaterial gebildet ist.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10 dadurch gelöst, dass jede Deckplatte, jeder Separator und jede Bipolarelektrode eine zentrale Durchgangsöffnung aufweisen und das Aufstapeln derart erfolgt, dass die zentralen Durchgangsöffnungen dieser Bauteile zur Ausbildung eines den resultierenden Stapel durchsetzenden Kanals bündig zueinander positioniert werden, wobei jeder Separator vor dem Auflegen der nächsten Bipolarelektrode und jede Bipolarelektrode vor dem Auflegen des nächsten Separators im unmittelbaren Umgebungsbereich ihrer jeweiligen zentralen Durchgangsöffnung vollumfänglich mit einer Raupe eines extrudierbaren, dauerelastisch aushärtbaren und elektrisch nicht-leitenden Dichtmaterials belegt werden und wobei der Kanal mit einem Bolzen durchsetzt wird, der endständig mit an den Außenseiten der Deckplatten anliegenden, gegeneinander kraftbeaufschlagbaren Flanschen versehen ist oder wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Grundidee der Erfindung liegt darin, die beiden Deckplatten eines Bipolarbatteriestapels alternativ oder zusätzlich zu einer randständigen Verklammerung mittels eines oder mehrerer zentral angeordneter Zuganker gegeneinander zu verspannen. Bei der Umsetzung dieser Grundidee treten insbesondere zwei Probleme auf, die erfindungsgemäß gelöst werden. Zum einen nämlich darf der den Elektrodenstapel durchsetzende Bolzen keinen Kurzschluss zwischen den einzelnen Batteriezellen erzeugen. Zum anderen darf der Kanal, in welchem der Bolzen geführt ist, kein Leck für den zwischen den einzelnen Bipolarelektroden gespeicherten Elektrolyten bilden. Die Erfindung sieht daher vor, besagte Durchgangsöffnung als einen abgedichteten Kanal zu gestalten, in welchem der Bolzen geführt ist, wobei ein den Kanal auskleidendes bzw. seine Wände bildendes Dichtmaterial elektrisch nicht-leitend ausgebildet ist. Der Bolzen selbst kann aus elektrisch leitendem oder elektrisch nicht-leitendem Material gefertigt sein. Auch ein Komposit aus leitenden und nicht-leitenden Bereichen ist denkbar. Beispielsweise können die Flansche aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet oder mit einem solchen ummantelt sein oder sie können über Isolierscheiben an den Deckplatten anliegen, während der Bolzen selbst aus Gründen der Festigkeit aus einem Metall gefertigt ist. In jedem Fall bietet ein solcher aus einem Bolzen und an den Deckplatten anliegenden Flanschen aufgebauter Zuganker in einem flüssigkeitsdicht und elektrisch isolierenden Kanal ein probates Mittel, die Deckplatten auch bei betriebsbedingter Ausdehnung der einzelnen Zellen positionstreu zu fixieren.
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Bevorzugt weist die Trägerfolie jeder Bipolarlelektrode in ihrem den Kanal bzw. ihre Durchgangsöffnung unmittelbar umgebenden Bereich beidseitig eine von Elektrodenmaterial freie, stoffschlüssig mit dem Dichtmaterial verbundene Ringfläche auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bei der Herstellung der Bipolarelektroden entsprechende Bereiche der Trägerfolie gar nicht erst mit Elektrodenmaterial beschichtet werden, oder dadurch, dass gleichmäßig mit Elektrodenmaterial beschichtete Folien in den entsprechenden Bereichen nachträglich durch subtraktive Verfahren, beispielsweise mittels Laserablation, wieder von besagtem Elektrodenmaterial befreit werden. Im Zentralbereich dieses vom Elektrodenmaterial freien bzw. befreiten Gebietes ist in jedem Fall ein Loch vorgesehen, welches im Montageendzustand einen kleinen Axialabschnitt des Kanals darstellt. Dabei ist es weitgehend unerheblich, ob besagtes Loch vor oder nach der selektiven Beschichtung mit bzw. der Befreiung von dem Elektrodenmaterial in die Trägerfolie eingebracht wird. Der Fachmann kann sogar zwischen Varianten wählen, bei denen besagtes Loch in der Trägerfolie bereits vor dem Aufbau des Elektrodenstapels in jede einzelne Trägerfolie eingebracht wird oder erst nach Fertigstellung eines Bipolarbatteriestapels, d. h. eines Stapels aus Batteriezellen mitsamt Deckplatten - gemeinsam für sämtliche Elemente. Bevorzugte Herstellungsvarianten werden weiter unten noch diskutiert.
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Günstigerweise ist das Dichtmaterial stoffschlüssig mit dem Bolzen verbunden. Mit anderen Worten ist der Bolzen also mit den Kanalwänden und über diese mit dem Elektrodenstapel verklebt. Dies ist in Bezug auf die mechanische Stabilität des Gesamtsystems vorteilhaft. Denkbar ist, dass die stoffschlüssigen Verbindungen des Dichtmaterials, nämlich in jedem Fall mit den Bipolarelektroden, insbesondere deren Trägerfolien, und gegebenenfalls mit den Bolzen, über einen zusätzlichen Klebstoff erfolgt. In diesen Fällen kann das Dichtmaterial beispielsweise in Form von eingeklebten Dichtringen oder in Form einer Hülse vorliegen. Als verfahrenstechnisch günstiger wird derzeit jedoch angesehen, wenn die stoffschlüssigen Verbindungen des Dichtmaterials als Adhäsion des ursprünglich flüssigen oder pastösen und dann dauerelastisch ausgehärteten Dichtmaterials selbst mit seinen jeweiligen Verbindungspartnern ausgestaltet ist. Hierzu kann beim Aufbau des Elektrodenstapels das Dichtmaterial dort, wo es im fertigen Bipolarbatteriestapel die Kanalwände bilden soll, in flüssiger oder pastöser Form aufgetragen werden. Während oder nach dem Aufbau des gesamten Stapels erfolgt dann eine Aushärtung zu einer dauerelastischen Kanalwand.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfüllt der Bolzen eine Doppelfunktion als Bestandteil des erfindungsgemäßen Zugankers einerseits und als Kühlelement andererseits. Hierzu ist vorgesehen, dass der Bolzen von Kühlmittel durchströmbar ist, indem er hohl ausgebildet und mit endständigen Anschlüssen zum Anschließen von Kühlmittelleitungen versehen ist. Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Bipolarbatteriestapels in dessen Innerem anfallende Wärme kann auf diese Weise über die Wandung des hohlen Bolzens an das ihn durchströmende Kühlmittel abgeführt werden. Bei geeigneter Verteilung derart doppelfunktionaler Bolzen über die Gesamtfläche des Bipolarbatteriestapels kann eine sichere mechanische Begrenzung des Stapels und eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden, die mittels rein peripher ansetzender Kühlmittel nicht erzielbar wäre.
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Die Zugankerwirkung kann insbesondere nach dem Prinzip einer Verschraubung oder einer Vernietung erfolgen. Im erstgenannten Fall ist vorgesehen, dass der Bolzen an seinem ersten Ende ein Außengewinde trägt, welches eine Öffnung des zugeordneten Flansches durchsetzt, welcher mittels einer Schraubenmutter an die Außenseite der zugeordneten Deckplatte angepresst ist. Diese Ausführungsform soll ausdrücklich zwei Varianten umfassen, nämlich eine erste Variante, bei der Flansch und Schraubenmutter als separate Elemente gestaltet sind und eine zweite Variante, bei der Flansch und Schraubenmutter als ein integriertes Element gestaltet sind. Der Fachmann wird die notwendigen Anpassungen in Bezug auf eine elektrische Isolierung der zugeordneten Deckplatte leicht auf Basis seines Fachwissens vornehmen können. Das zweite Ende des Bolzens kann eine gleichartige Schraubverbindung tragen. Der Bolzen kann aber auch an seinem zweiten Ende fest mit dem zugeordneten Flansch verbunden sein. Bei einer Realisierung des Zugankers nach dem Prinzip der Nietverbindung ist hingegen vorgesehen, dass der Bolzen an seinen beiden Enden fest mit dem jeweils zugeordneten Flansch verbunden ist.
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Zur Fixierung des gesamten Bipolarbatteriestapels in einer größeren Einheit, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Bolzen an wenigstens einem seiner Enden, eine Koppelstruktur aufweist, mittels derer er an externen Halteelementen fixierbar ist. Eine solche Koppelstruktur kann beispielsweise in Form eines Ringes oder Hakens ausgestaltet sein. Auch ist die Ausbildung eines Schuhs denkbar, der formschlüssig in eine externe Halteschiene eingreifen kann.
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Gemäß dem bevorzugten Verfahren zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Bipolarbatteriestapels werden zunächst eine untere und eine obere Deckplatte bereitgestellt. Im Anschluss erfolgt ein Aufstapeln je eines Separators und einer Bipolarelektrode in sich wiederholender Reihenfolge auf der unteren Deckplatte. Die Deckplatten und die Separatoren und Bipolarelektroden weisen jeweils, wie oben beschrieben, eine zentrale Durchgangsöffnung auf und werden beim Aufstapeln so zueinander ausgerichtet, dass die zentralen Durchgangsöffnungen aller Elemente zur Ausbildung eines den resultierenden Stapel durchsetzenden Kanals bündig zueinander positioniert werden. Dies kann erfolgen, indem besagte Elemente mit ihren zentralen Durchgangsöffnungen auf einen in Stapelrichtung bereits an der unteren Deckplatte fixierten Bolzen aufgefädelt werden. Es ist auch möglich, besagte Elemente frei zu stapeln und den Bolzen erst nachträglich in den Kanal einzuführen. In jedem Fall werden die Separatoren und Bipolarelektroden vor dem Auflegen des jeweils nächsten Stapelelementes im unmittelbaren Umgebungsbereich ihrer jeweiligen Zentralöffnung vollumfänglich mit einer Raupe eines extrudierbaren, dauerelastisch aushärtbaren und elektrisch nicht-leitenden Dichtmaterials belegt. Diese Raupen bilden später, im ausgehärteten Zustand die dauerelastische, elektrisch isolierende Wandung des Kanals.
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Das Aufstapeln wird mit dem Auflegen der oberen Deckplatte abgeschlossen. Der Bolzen ist bzw. wird mit oben bereits beschriebenen Flanschen versehen, die, außen an den Deckplatten anliegend, beispielsweise nach dem Schraub- oder Nietprinzip gegeneinander verspannt werden und dabei zugleich die Deckplatten gegeneinander verspannen. Durch diese Kraftbeaufschlagung in Stapelrichtung werden die zwischen den Deckplatten befindlichen Batteriezellen verpresst. Das noch nicht ausgehärtete Dichtmaterial im unmittelbaren Umgebungsbereich der zentralen Durchgangsöffnungen quillt in den Kanal hinein, kontaktiert den dort befindlichen Bolzen und füllt den Ringspalt um den Bolzen aus. Der Bolzen wir auf diese Weise zuverlässig verklebt und gegen die Batteriezellen elektrisch isoliert. An welcher Stelle im Rahmen dieses Verfahrens der Elektrolyt in die Zwischenräume zwischen den Bipolarelektroden eingebracht wird, hängt u. a. vom speziellen Elektrolytmaterial ab. Insbesondere im Fall eines flüssigen oder pastösen Elektrolyten empfiehlt es sich, diesen nach dem Aushärten von Kanal- und Siegelwandung durch temporär in letztere eingebrachte Kanäle einzubringen, vorzugsweise noch vor dem Verpressen des Stapels.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
- 1: eine schematisierte Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Bipolarbatteriestapel sowie
- 2: eine schematisierte Draufsicht auf eine Bipolarelektrode.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Bipolarbatteriestapel 10. Der Bipolarbatteriestapel 10 umfasst eine untere Deckplatte 12 und eine obere Deckplatte 14, zwischen denen Bipolarelektroden 16 und Separatoren 18 in abwechselnder Reihenfolge gestapelt sind, ohne dass diese in 1 zeichnerisch differenziert wären. Dem Fachmann ist jedoch der grundsätzliche Aufbau von Bipolarbatteriestapeln bekannt.
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Randständig ist der Stapel aus Bipolarelektroden 16 und Separatoren 18 von einer dauerelastischen Siegelwandung 20 umgeben, die den Stapel nach außen abdichtet und ein Austreten eines zwischen jeweils zwei Bipolarelektroden 16 angeordneten Elektrolyten nach außen sowie ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der umgebenden Luft verhindert.
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Der Aufbau jeder einzelnen Bipolarelektrode 16 ist in der schematischen Darstellung von 2 skizziert. Jede Bipolarelektrode 16 besteht aus einer Trägerfolie 160, die beidseitig (in 2 nur eine Seite sichtbar) mit einem Elektrodenmaterial 162 beschichtet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein umlaufender Siegelrand 163 nicht mit Elektrodenmaterial beschichtet. Der Siegelrand 163 dient als Angriffsfläche für eine stoffschlüssige Ankopplung der Siegelwandung 20 an die Trägerfolien 161 bzw. die Bipolarelektroden 16. Im Montageendzustand ist der Siegelrand 163 in die Siegelwandung 20 eingebettet.
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Jede Deckplatte 12, 14, jede Bipolarelektrode 16 und jeder Separator 18 weist bei der dargestellten Ausführungsform zwei zentral positionierte Durchgangsöffnungen 221 auf, die in dem in 1 gezeigten Montageendzustand bündig zueinander ausgerichtet sind, sodass sich zwei den Bipolarbatteriestapel 10 in Stapelrichtung durchsetzende Kanäle 22 bilden. 2 zeigt die Durchgangsöffnungen 221 in den Bipolarelektroden 16. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Durchgangsöffnungen 221 vollumfänglich von einem elektrodenmaterialfreien Dichtrand 222 umgeben. Zur Herstellung derartiger Bipolarelektroden sind unterschiedliche Vorgehensweisen möglich. So kann bei einer ersten Verfahrensvariante zunächst die Trägerfolie 161 beidseitig mit Elektrodenmaterial 162 beschichtet und es können sodann die Durchgangsöffnungen 221 eingebracht werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird im Anschluss das Elektrodenmaterial 162 im Bereich des Dichtrandes 222 entfernt. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, die Durchgangsöffnungen 221 mittels Laserschneidens einzubringen und auch das Elektrodenmaterial 162 im Bereich des Dichtrandes mittels eines (vorzugsweise desselben) Lasers zu entfernen. Der Fachmann wird die hierzu erforderlichen Einstellungen des Lasers, insbesondere im Hinblick auf Wellenlänge und Fluenz, in Ansehung der jeweils durch Materialwahl, Materialdicke etc. vorgegebenen Randbedingungen leicht aufzufinden wissen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Trägerfolie in gemusterter Weise mit dem Elektrodenmaterial beschichtet wird und die elektrodenmaterialfreien Bereich rings um die (vorher oder nachher einzubringenden) Durchgangsöffnungen herum als Teil dieses Musters aufgedruckt werden.
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Die von den Durchgangsöffnungen 221 im Montageendzustand gebildeten Kanäle 22 sind, wie in 1 dargestellt, jeweils von einem Bolzen 24 durchsetzt. In 1 sind aus reinen Illustrationsgründen zwei unterschiedliche Bolzenformen gezeigt. Beide Bolzen 24 weisen an ihrem in 1 unteren Ende einen einstückig mit ihrem Schaft verbundenen, festen Flansch 241 auf, der an der Außenseite der unteren Deckplatte 12 anliegt. Der in 1 linke Bolzen 24 weist an seinem oberen Ende ein Gewinde 242 auf, auf welches eine Schraubenmutter 243 aufgeschraubt ist. Diese stützt sich bei der dargestellten Ausführungsform über einen beweglichen Flansch 244, beispielsweise in Form einer Unterlegscheibe, gegen die Außenseite der oberen Deckplatte 14 ab. Durch Anziehen der Schraubenmutter 243 können der feste Flansch 241 und der bewegliche Flansch 244 und damit die Deckplatten 12, 14 gegeneinander verspannt werden, wobei dadurch auch die Bipolarelektroden 16 und Separatoren 18 entsprechend verspannt werden. Der in 1 rechts dargestellte Bolzen 24 weist auch an seinem oberen Ende einen festen Flansch 241 auf. Mittels eines Nietverfahrens können die beiden festen Flansche 241 ähnlich der Verspannung von festem Flansch 241 und beweglichem Flansch 242 beim linken Bolzen 24 gegeneinander verspannt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform des rechten Bolzens 24 ist dessen oberes Ende noch mit einer Koppelstruktur 26 in Form eines Fixierungsrings versehen, der eine Fixierung des Bipolarbatteriestapels 10 an externen Strukturen erleichtert.
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Durch die zentrale Anordnung eines oder mehrerer Bolzen 24 in der in 1 dargestellten Weise ist es möglich, die Deckplatten 12, 14 mit über die Fläche weitgehend gleichförmiger Kraft gegeneinander zu verspannen, ohne dass eine besonders große Stabilität der Deckplatten 12, 14 selbst erforderlich wäre. Diese können daher dünner und leichter ausgebildet werden, als dies erforderlich wäre, wenn die Spannkraft lediglich rein randständig ansetzen würde. Auch bei Betrieb des Bipolarbatteriestapels 10 kann auf diese Weise mit vergleichsweise dünnen Deckplatten 12, 14 ein „Atmen“ des Stapels in Stapelrichtung unterbunden werden.
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Wie in 1 erkennbar, sind die Wände des Kanals 22 mit einem dauerelastischen Dichtmaterial 223 ausgekleidet. Dieses Dichtmaterial verhindert, vergleichbar der Siegelwandung 22, ein Austreten von Elektrolyt aus den Zwischenräumen zwischen den Bipolarelektroden 16 ins Innere des Kanals 22. Zugleich kann das Dichtmaterial 223 der Kanalwandung eine elektrische Isolierung zwischen dem Bolzen 24 und den Bipolarelektroden 16 darstellen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Bolzen 24 selbst aus elektrisch nicht-leitendem Material ausgebildet oder mit einem solchen beschichtet sein.
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Zum Aufbau eines Bipolarbatteriestapels 10, wie in 1 dargestellt, wird günstigerweise zunächst die untere Deckplatte 12 bereitgestellt, durch deren Durchgangsöffnung 221 die Bolzen 24 von unten hindurchgeführt werden, sodass deren untere Flansche 241 an der Außenseite der unteren Deckplatte 12 anliegen. Im Anschluss werden abwechselnd Bipolarelektroden 16 und Separatoren 18 mit ihren jeweiligen Durchgangsöffnungen 221 auf die Bolzen 24 aufgefädelt und so in abwechselnder Reihenfolge aufeinandergestapelt. Dabei wird nach dem Auflegen jeder Bipolarelektrode 16 deren äußerer Siegelrand 163 und deren die Durchgangsöffnungen 221 umgebender Dichtrand 222 mit einer Raupe eines flüssigen oder pastösen, dauerelastisch aushärtbaren Dicht- bzw. Siegelmaterial belegt. Vergleichbares kann auch nach dem Auflegen jedes Separators erfolgen, sofern dieser nicht aus einem beispielsweise netzartigen, von dem flüssigen oder pastösen Dichtmaterial durchdringbaren Separatorenmaterial gefertigt ist. Auf diese Weise werden die Siegelwand 20 und die dichtende Kanalwandung 223 während des Stapelns der Bipolarelektroden 16 und der Separatoren 18 sukzessive aufgebaut. Im Anschluss wird dann die obere Deckplatte 14 auf die Bolzen 24 aufgefädelt und - je nach Ausgestaltung der Bolzen 24 - die oben beispielshaft geschilderte Verspannung der Deckplatten gegeneinander vorgenommen. Zu irgendeinem günstigen, vom Fachmann zu wählenden Zeitpunkt während dieses Verfahrens sind die Zwischenräume zwischen den Bipolarelektroden mit einem Elektrolyten zu füllen. Der Zeitpunkt und die Vorgehensweise beim Füllen der Zwischenräume hängt stark von der Konsistenz des Elektrolyten ab. So ist es beispielsweis möglich, flüssigen Elektrolyten durch temporäre Kanäle in der Siegelwand einzubringen. Alternativ ist es auch möglich, festen oder pastösen Elektrolyten schichtweise während des Stapelns zwischen den Bipolarelektroden anzuordnen.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere die Materialwahl für Trägerfolien 161, Elektrodenmaterial 162 und den Elektrolyten hängt stark von der gewählten Batteriechemie ab. Entsprechend sind auch die Materialien der übrigen Elemente vom Fachmann in Ansehung der Umstände des Einzelfalls geeignet zu wählen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bipolarbatteriestapel
- 12
- untere Deckplatte
- 14
- obere Deckplatte
- 16
- Bipolarelektrode
- 161
- Trägerfolie
- 162
- Elektrodenmaterial
- 163
- Siegelrand
- 18
- Separator
- 20
- Siegelwandung
- 22
- Kanal
- 221
- Durchgangsöffnung
- 222
- Ringfläche / Dichtrand
- 223
- Kanalwandung
- 24
- Bolzen
- 241
- fester Flansch
- 242
- Außengewinde
- 243
- Schraubenmutter
- 244
- beweglicher Flansch / Unterlegscheibe
- 26
- Koppelstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018201693 A1 [0003]
- DE 102018204522 A1 [0003]