DE102022132732A1

DE102022132732A1 - Batteriezelle für eine Fahrzeugbatterie oder andere Anwendungen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022132732A1
Application number: DE102022132732.9
Authority: DE
Inventors: Matthias Gutsche; Dominik Streibl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2024-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10), die ein Zellgehäuse (12) aufweist, ein an diesem angeordnetes Polterminal (18, 20), eine im Inneren (14) der Batteriezelle (10) angeordnete Elektrodenanordnung (22), die mindestens eine erste und zweite Elektrode umfasst, ein Ableiterkontaktelement (24, 30) und eine Stromkollektoreinrichtung (26, 34) mit einem elektrisch leitenden Ableiter (28, 32), der in einem ersten Kontaktierungsbereich (28a, 32a) des Ableiters (28, 32) über das Ableiterkontaktelement (24, 30) elektrisch leitend mit der ersten Elektrode der Elektrodenanordnung (22) verbunden ist und in einem zweiten Kontaktierungsbereich (28b, 32b) des Ableiters (28, 32) elektrisch leitend mit dem Polterminal (18, 20) verbunden ist. Dabei ist im Inneren (14) der Batteriezelle (10) ein elektrisch isolierendes Isolationselement (40, 40") zwischen zumindest zwei der folgenden Zellkomponenten angeordnet: einem vom ersten und zweiten Kontaktierungsbereich (28a, 32a, 28b, 32b) verschiedenen Ableiterbereich (28c, 32c, 28d, 32d) des Ableiters (28, 32), einem Oberflächenbereich (22a) einer Oberfläche der Elektrodenanordnung (22) und dem Zellgehäuse (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, wobei die Batteriezelle ein Zellgehäuse aufweist, welches ein Inneres der Batteriezelle von einer Umgebung der Batteriezelle separiert, ein am Zellgehäuse angeordnetes, an die Umgebung der Batteriezelle angrenzendes erstes Polterminal, eine im Inneren der Batteriezelle angeordnete Elektrodenanordnung, die mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, mindestens ein im Inneren der Batteriezelle angeordnetes erstes Ableiterkontaktelement, und eine im Inneren der Batteriezelle angeordnete erste Stromkollektoreinrichtung mit einem elektrisch leitenden ersten Ableiter, der in mindestens einem ersten Kontaktierungsbereich des Ableiters über das mindestens eine erste Ableiterkontaktelement elektrisch leitend mit der mindestens einen ersten Elektrode der Elektrodenanordnung verbunden ist und in mindestens einem zweiten Kontaktierungsbereich des Ableiters elektrisch leitend mit dem ersten Polterminal verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batteriezelle.
Bei der Elektrodenanordnung kann es sich zum Beispiel um einen Elektrodenstapel handeln. Typischerweise sind die Elektroden eines solchen Elektrodenstapels über jeweilige Ableiter mit dem Polterminal einer solchen Batteriezelle elektrisch leitend verbunden. Diese Ableiter können beispielsweise auch als Stromkollektoren bezeichnet werden. Die Kontaktierung zwischen einem solchen Ableiter und einer korrespondierenden Elektrode einer solchen Elektrodenanordnung beziehungsweise eines Elektrodenstapels kann über ein Ableiterkontaktelement erfolgen, welches zum Beispiel als eine Ableiterfahne ausgebildet sein kann. Eine solche Ableiterfahne steht beispielsweise an einer Seite des Zellstapels über diesen hinaus. Der mit der entsprechenden Elektrode kontaktierte Ableiter kann zu einer Zellseite des Zellgehäuses über das Polterminal elektrisch nach außen geführt sein. Mit anderen Worten kann der Ableiter mit einem korrespondierenden Polterminal elektrisch leitend verbunden sein, welches also entsprechend an die Umgebung der Batteriezelle angrenzt. Typischerweise weist eine Batteriezelle zwei solcher Polterminals auf. Zwischen diesen Polterminals kann entsprechend die Zellspannung der Batteriezelle abgegriffen werden.
Ein Batteriezellensystem und ein Verfahren zu dessen Herstellung sind beispielsweise in der US 2021/0184265 A1 beschrieben, in welcher der Aufbau und die Herstellung insbesondere einer Pouchzelle beschrieben werden.
Um einen zellinternen Kurzschluss zu vermeiden, sollten die beiden Elektroden der Elektrodenanordnung sicher voneinander separiert sein, was üblicherweise durch den zwischen den Elektroden angeordneten Separator gewährleistet wird. Außerdem sollte auch gewährleistet sein, dass der erste Ableiter keinen elektrischen Kontakt zur zweiten Elektrode hat oder mit anderen Bauteilen, die elektrisch leitend mit dieser zweiten Elektrode verbunden sind, wie zum Beispiel ein zweiter Ableiter über ein korrespondierendes zweites Ableiterkontaktelement. Normalerweise sind Batteriezellen so ausgelegt, dass eine solche elektrische Separation dieser zellinternen Bauteile, die auf unterschiedlichem Zellpotential liegen, auch gewährleistet ist. Im Falle eines Unfalls eines Kraftfahrzeugs kann es jedoch unter Umständen zu schweren Beschädigungen einer Kraftfahrzeugbatterie und den von dieser umfassten Batteriezellen kommen. Damit einhergehend besteht auch die Gefahr, dass bei sehr starken Deformationen solcher Batteriezellen sich die im Zellinneren befindlichen elektrisch leitenden Bauteile, die auf unterschiedlichem Potential liegen, berühren und somit einen zellinternen Kurzschluss auslösen. Durch einen solchen Kurzschluss kann wiederum ein Brand entstehen. Besonders schwere Deformationen bei sehr schweren Unfällen werden bislang bei der Zellauslegung nicht berücksichtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Batteriezelle und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Sicherheit einer solchen Batteriezelle vor allem in Situationen mit einer unfallbedingten externen Kraftbeaufschlagung einer solchen Batteriezelle zu steigern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezelle und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle, insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, weist dabei ein Zellgehäuse auf, welches ein Inneres der Batteriezelle von einer Umgebung der Batteriezelle separiert, ein am Zellgehäuse angeordnetes, an die Umgebung der Batteriezelle angrenzendes, erstes Polterminal, eine im Inneren der Batteriezelle angeordnete Elektrodenanordnung, die mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, mindestens ein im Inneren der Batteriezelle angeordnetes, erstes Ableiterkontaktelement und eine im Inneren der Batteriezelle angeordnete erste Stromkollektoreinrichtung mit einem elektrisch leitenden ersten Ableiter, der in mindestens einem ersten Kontaktierungsbereich des ersten Ableiters über das mindestens eine erste Ableiterkontaktelement elektrisch leitend mit der mindestens einen ersten Elektrode der Elektrodenanordnung verbunden ist und in mindestens einem zweiten Kontaktierungsbereich des ersten Ableiters elektrisch leitend mit dem ersten Polterminal verbunden ist. Dabei ist im Inneren der Batteriezelle mindestens ein von einer Folientüte verschiedenes, elektrisch isolierendes Isolationselement zwischen zumindest zwei der folgenden Zellkomponenten angeordnet: einem vom mindestens einen ersten und zweiten Kontaktierungsbereich verschiedenen Ableiterbereich des ersten Ableiters, dem Zellgehäuse, und einem Oberflächenbereich einer Oberfläche der Elektrodenanordnung.
Das mindestens eine Isolationselement kann also zwischen dem ersten Ableiter und dem Zellgehäuse angeordnet sein und/oder zwischen dem ersten Ableiter und der Elektrodenanordnung und/oder zwischen der Elektrodenanordnung und dem Zellgehäuse. Dabei kann das mindestens eine Isolationselement nicht nur zwischen den genannten Zellkomponenten angeordnet sein sondern auch direkt an einer oder mehreren der genannten Zellkomponenten.
Die Erfindung beruht dabei auf mehreren Erkenntnissen: Je nach Aufbau einer solchen Batteriezelle kann es sein, dass ein Ableiter, der typischerweise in Form eines schienenförmigen oder bandartigen elektrischen Leiters bereitgestellt ist, entlang der Oberfläche der Elektrodenanordnung mit einem Abstand zu dieser Elektrodenanordnung bis zum Polterminal geführt ist. Außerdem wird oftmals ein Separator der Elektrodenanordnung über die jeweiligen Elektroden nach außen hin überstehend ausgebildet. Der Ableiter kann damit im Normalfall nicht mit der Elektrode des anderen Potentials, vorliegend der zweiten Elektrode der Elektrodenanordnung, in Kontakt geraten. Insbesondere ist der Ableiter wie beschrieben in einem Abstand zur Elektrodenanordnung bis zum Polterminal geführt. Selbst wenn es zu einer Berührung dieses Ableiters und der Elektrodenanordnung käme, so würde der Ableiter typischerweise höchstens Teile des Separators berühren, was noch keinen elektrischen Kurzschluss verursacht. Bei sehr schweren externen Kraftbeaufschlagungen einer Zelle und bei sehr starken Deformationen einer solchen Batteriezelle kann jedoch gerade hier ein Kurzschluss entstehen, nämlich zwischen einem Teil des Ableiters und der zweiten Elektrode, die einem anderen elektrischen Potential zugeordnet ist. Auch gemäß internem Stand der Technik teilweise verwendete Folienbeutel, in die die Gesamtanordnung innerhalb der Zelle z.B. aufgenommen sein kann oder in der der Elektrodenstapel zum Zwecke des Zusammenhalts aufgenommen sein kann, werden bei solchen extremen Kraftbeaufschlagungen oft beschädigt und isolierend daher nicht zuverlässig unter solchen Extrembedingungen. Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Isolationselements im Inneren des Zellgehäuses, das also zwischen dem mindestens einen Ableiterbereich des Ableiters und dem Oberflächenbereich der Elektrodenanordnung angeordnet ist, kann nun vorteilhafterweise ein zusätzlicher Sicherheitsmechanismus vorgesehen werden, der einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ableiter und einem elektrisch leitfähigen Element, nämlich des Zellgehäuses und/oder der Elektrodenanordnung, insbesondere der zweiten Elektrode, umso unwahrscheinlicher macht. Dabei wird vor allem die Erkenntnis genutzt, dass die Robustheit und Sicherheit dadurch gesteigert werden kann, indem eine zusätzliche Isolierung von Bereichen des Ableiters gegenüber anderen leitenden oder stromführenden Bauteilen im Inneren der Zelle erfolgt, denn gerade im Bereich des Ableiters würde es bei einer extremen äußeren Krafteinwirkung zuerst zu einem mechanischen Kontakt mit anderen Komponenten im Inneren der Zelle kommen und ohne zusätzliche Gegenmaßnahme zu einem Kurzschluss kommen. Durch das zusätzliche Isolationselement kann dies nun deutlich effizienter vermieden werden. Auch ist es im Falle einer sehr starken äußeren Krafteinwirkung möglich, dass es zu einer Deformation des Zellgehäuses nach Innen in Richtung Elektrodenanordnung kommt, insbesondere auch in Bereichen, in denen die Ableiter nicht angeordnet sind. Daher ist ein Vorsehen eines Isolationselements auch zwischen diesen Komponenten, nämlich dem Zellgehäuse und der Elektrodenanordnung sehr vorteilhaft. Grundsätzlich handelt es sich bei den genannten Zellkomponenten, nämlich dem Zellgehäuse, dem Ableiter und der Elektrodenanordnung, um diejenigen Komponenten, die für den Fall, dass sie sich an ungeeigneten Stellen berühren, z.B. Stellen, die auf unterschiedlichem Potential liegen, einen Kurzschluss verursachen können. Durch das mindestens eine Isolationselement kann somit vorteilhafterweise die Gefahr eines solchen Kurzschlusses selbst bei extremen externen Krafteinwirkungen, z.B. starker unfallbedingter Kraftbeaufschlagung, deutlich reduziert werden. Dadurch lässt sich die Sicherheit im Zusammenhang mit Batteriezellen, vor allem in Situationen mit sehr starken, unfallbedingten externen Kraftbeaufschlagungen einer solchen Batteriezelle, deutlich steigern.
Bei der Batteriezelle kann es sich zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln. Diese ist bevorzugt für eine Kraftfahrzeugbatterie vorgesehen, beispielsweise als Teil einer Hochvoltbatterie für das Kraftfahrzeug. Die Batteriezelle kann dabei also in einer Batterie Anwendung finden, die z.B. Teil eines Kraftfahrzeugs ist. Es sind aber auch andere Anwendungsfälle, insbesondere Anwendungen bei anderen Fahrzeugen, denkbar, wie z.B. in einer Batterie eines E-Bikes, E-Rollers, usw. Auch Anwendungen bei Wasser- und/oder Luftfahrzeugen sollen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Insbesondere kann es sich bei der Batteriezelle um eine für eine Drohne, ein Flugtaxi, insbesondere E-Flugtaxi, oder ein anderes Fluggerät handeln, und auch ein solches Luftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle gehört zur Erfindung. Neben dem ersten Polterminal kann die Batteriezelle auch ein zweites Polterminal aufweisen. Das erste Polterminal kann einem ersten Zellpotential zugeordnet sein und das zweite Polterminal einem vom ersten verschiedenen zweiten Zellpotential. Das zweite Polterminal kann korrespondierend zum ersten Polterminal elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode der Elektrodenanordnung verbunden sein. Diese elektrisch leitende Verbindung kann ganz analog über einen zweiten Ableiter und ein zweites Ableiterkontaktelement erfolgen. Das zweite Ableiterkontaktelement kann dabei in einem korrespondierenden Kontaktierungsbereich des zweiten Ableiters angeordnet sein und diesen elektrisch leitend mit der zweiten Elektrode verbinden. Auch der zweite Ableiter kann einen weiteren Kontaktierungsbereich aufweisen, über welchen dieser mit dem zweiten Polterminal elektrisch leitend verbunden ist. Die nachfolgend noch näher erläuterten Ausführungsformen werden hauptsächlich mit Bezug auf das erste Polterminal, den ersten Ableiter und das erste Ableiterelement erläutert, können aber ganz analog auch für das zweite Polterminal der Zelle, den zweiten Ableiter und das zweite Ableiterelement umgesetzt sein.
Die Elektrodenanordnung kann als Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgebildet sein, wobei ein Elektrodenwickel einen gewickelten Elektrodenstapel darstellen kann. Die Elektroden sind dabei insbesondere als flächige Elektroden ausgebildet, z.B. in Form von Elektrodenschichten bzw. Elektrodenfolien. Insbesondere umfasst die Elektrodenanordnung zudem noch mindestens einen zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordneten Separator, der die erste und zweite Elektrode separiert. Auch dieser Separator ist bevorzugt flächig ausgeführt, z.B. als Separatorschicht bzw. Separatorfolie. Der Elektrodenstapel kann auch mehrere erste und mehrere zweite Elektroden aufweisen, die in alternierender Reihenfolge jeweils von einer Separatorschicht voneinander separiert zueinander angeordnet beziehungsweise gestapelt sein können. Die erste Elektrode kann zum Beispiel eine Anode darstellen und die zweite Elektrode eine Kathode oder umgekehrt. Die Anode kann zum Beispiel durch eine Anodenfolie bereitgestellt sein, die mit einem Anodenaktivmaterial beschichtet ist. Die Elektrode kann durch eine Elektrodenfolie bereitgestellt sein, die mit einem Elektrodenaktivmaterial beschichtet ist. Unter einer flächigen Elektrode soll insbesondere eine Elektrode verstanden werden, deren Dicke in einer ersten Richtung deutlich kleiner ist als deren Ausdehnung senkrecht dazu, wie dies zum Beispiel bei einer folienartigen Elektrode der Fall ist. Die Elektroden können entsprechend auch als Elektrodenschichten bezeichnet werden. Eine Elektrodenanordnung kann also beispielsweise dadurch bereitgestellt sein, indem eine Anodenschicht bereitgestellt wird, auf welcher ein Separator beziehungsweise eine Separatorschicht angeordnet wird, auf welcher wiederum eine Kathodenschicht angeordnet wird, auf welcher wiederum eine Separatorschicht angeordnet wird, auf welcher wieder eine Anodenschicht angeordnet wird, auf welcher wieder eine Separatorschicht angeordnet wird und so weiter. Dadurch können Elektrodenstapel bereitgestellt sein. Die äußersten Schichten des Elektrodenstapels sind bevorzugt durch eine Separatorschicht gebildet. Zur Bereitstellung eines Elektrodenwickels kann nunmehr dieser Elektrodenstapel zusammengerollt bzw. einfach oder mehrfach gefaltet werden. Die Separatorschichten können hinsichtlich ihrer Ausdehnung etwas größer ausgebildet sein als die Anodenschichten und Kathodenschichten, sodass die Separatorschichten seitlich über die Elektrodenschichten hinausstehen.
Umfasst die Elektrodenanordnung mehrere Schichten der ersten Elektrode, die nicht elektrisch miteinander kontaktiert sind, zumindest dann ist bevorzugt pro Elektrodenschicht ein eigenes erstes Ableiterkontaktelement vorgesehen. Mit anderen Worten kann nicht nur ein erstes Ableiterkontaktelement mit der Elektrodenanordnung, insbesondere mit der mindestens einen ersten Elektrode kontaktiert sein, sondern es können vielzählige solcher ersten Ableiterkontaktelemente vorgesehen sein. Diese können beispielsweise auch als Teile der ersten Elektrode selbst ausgeführt sein, zum Beispiel als hervorstehende Laschen oder ähnliches, oder als separate Tabs beziehungsweise Fahnen ausgebildet sein, die zum Beispiel an die Elektrode angeschweißt sein können. In beiden Fällen steht also das Ableiterkontaktelement seitlich über die Elektrodenanordnung und insbesondere auch über die Separatorschichten hinaus. An dieser Ableiterkontaktelementanordnung oder im Allgemeinen an dem mindestens einen Ableiterkontaktelement kann nunmehr elektrisch leitend der Ableiter der Stromkollektoreinrichtung angeordnet sein, zum Beispiel ebenfalls angeschweißt sein. Diese Kontaktierung erfolgt dabei in mindestens einem ersten Kontaktierungsbereich. Je nach Anzahl und Verteilung der ersten Ableiterkontaktelemente kann der Ableiter aber auch mehrere solcher ersten Kontaktierungsbereiche aufweisen, über welche der Ableiter mit den jeweiligen Bereichen der Ableiterkontaktelemente elektrisch leitend verbunden ist. Der Ableiter, der also einen elektrischen Leiter darstellt und beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet sein kann, ist dann entsprechend zum ersten Polterminal geführt. Diese Anordnung ist dabei zudem in einem Elektrolyten angeordnet, der sich im Zellinneren befindet, das heißt innerhalb des Zellgehäuses. Mit anderen Worten ist sowohl die Elektrodenanordnung, die erste Stromkollektoreinrichtung mit dem ersten Ableiter, sowie das mindestens eine Ableiterkontaktelement, insbesondere alle von der Batteriezelle umfassten Ableiterkontaktelemente, in diesen Elektrolyten eingetaucht.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolationselement als Teil der Stromkollektoreinrichtung ausgebildet und auf dem zumindest einen Ableiterbereich des ersten Ableiters angeordnet.
Insbesondere können in diesem Fall der erste Ableiter und das Isolationselement alle Bestandteile der ersten Stromkollektoreinrichtung darstellen. Mit anderen Worten ist die erste Stromkollektoreinrichtung durch den ersten Ableiter und das auf dem Ableiterbereich angeordnete Isolationselement gebildet. Die Anordnung auf dem Ableiter gestaltet sich dabei besonders einfach und ist zudem besonders effektiv. Damit kann vor allem der Ableiter zuverlässig vom Elektrodenstapel, vor allem im Falle einer sehr starken Deformation der Batteriezelle, isoliert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Ableiterbereich des ersten Ableiters zumindest teilweise dem Oberflächenbereich der Elektrodenanordnung beabstandet gegenüber. Wie oben bereits beschrieben, wird der Ableiter bevorzugt ausgehend vom ersten Kontaktierungsbereich bis zum ersten Polterminal entlang der Oberfläche der Elektrodenanordnung mit einem Abstand zu dieser geführt. Der Ableiterbereich, auf welchem das Isolationselement angeordnet ist, stellt dann entsprechend bevorzugt einen Bereich dar, der der Elektrodenanordnung zugewandt und nicht abgewandt ist. Bei einer zellexternen Kraftbeaufschlagung, die zu einer Deformation der Batteriezelle führt, besteht gerade für solche Bereiche des Ableiters, die dem Elektrodenstapel zugewandt sind, die Gefahr eines elektrischen Kontakts. Dies kann vorteilhafterweise durch das Vorsehen des Isolationselements gerade in diesem Bereich zuverlässig verhindert werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolationselement als eine Beschichtung, insbesondere als eine Lackbeschichtung, ausgebildet, insbesondere als eine Beschichtung auf dem ersten Ableiter und/der Zellgehäuse. Die Bereitstellung des Isolationselements als eine Beschichtung ist besonders einfach und kostengünstig. Vor allem lässt sich dadurch eine besonders einfache elektrische Isolierung des Ableiters nach außen hin bereitstellen. Dieser kann zum Beispiel einfach in den gewünschten elektrisch zu isolierenden Ableiterbereich mit einer solchen Beschichtung versehen werden. Im Allgemeinen kann auch eine auf dem Ableiterbbereich aufgebrachte Folie als Beschichtung aufgefasst werden, oder die Beschichtung kann von einer auf dem Ableiterbereich aufgebrachten Folie verschieden sein. Eine solche Beschichtung, z.B. mit einem elektrisch isolierenden Lack, kann dabei insbesondere in den gewünschten Bereichen aufgetragen werden, die nicht als erster und zweiter Kontaktierungsbereich fungieren, oder die Beschichtung kann zusätzlich auch in diesen Bereichen aufgetragen werden und dann in den Bereichen, die letztendlich dann als der erste und zweite Kontaktierungsbereich dienen sollen, wieder abgetragen werden, zum Beispiel durch einen Ätzprozess. Ebenso kann auch eine Beschichtung auf dem Zellgehäuse oder Teilen davon bereitgestellt werden, wie dies später näher erläutert wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Isolationselement auf der gesamten, vom mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kontaktierungsbereich des ersten Ableiters verschiedenen Oberfläche des ersten Ableiters angeordnet ist, insbesondere als die Beschichtung. Mit anderen Worten ermöglicht es ein Beschichtungsverfahren sogar, den Ableiter nach außen hin sogar vollständig elektrisch isoliert auszuführen, indem auf den Ableiter eine solche Beschichtung aufgetragen wird. Das Auftragen kann wiederum lediglich in denjenigen Bereichen erfolgen, die von den ersten und zweiten Kontaktierungsbereichen verschieden sind, oder auch auf diesen Bereichen und nachträglich, insbesondere vor dem Kontaktieren mit dem korrespondierenden Polterminal und dem entsprechenden Ableiterkontaktelement, wieder abgetragen werden, zum Beispiel durch einen Ätzprozess. Auf diese Weise wird die Sicherheit auch in sehr extremen Crashsituationen deutlich gesteigert, da ein elektrischer Kontakt zwischen Bereichen des Ableiters und einer zweiten Elektrode der Elektrodenanordnung nahezu ausgeschlossen werden kann. Hierfür müsste nunmehr die Deformation der Batteriezelle so stark sein, dass es zu einer Beschädigung einer solchen Isolationsschicht kommt.
Allerdings besteht nicht nur die Möglichkeit, das Isolationselement auf dem Ableiter anzuordnen, und auch nicht nur die Möglichkeit, das Isolationselement als eine Beschichtung auszuführen, sondern das Isolationselement kann auch von einer Beschichtung verschieden sein und insbesondere auch auf der Elektrodenanordnung oder Bereichen davon aufgebracht oder an dieser angeordnet sein, oder auch Bereichen der Innenseite des Zellgehäuses, die z.B. dem Ableiter gegenüberliegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolationselement zum Beispiel als ein Spritzgussbauteil ausgebildet und/oder als zumindest bereichsweise Umspritzung des ersten Ableiters und/oder zumindest eines Teils des Zellgehäuses ausgebildet. Das Spritzgussbauteil kann dabei separat gefertigt und anschließend auf dem Ableiterbereich angeordnet und daran befestigt werden oder das Anordnen am Ableiterbereich und die Fertigung als Spritzgussbauteil können in einem gemeinsamen Verfahrensschritt ausgeführt sein, in dem der erste Ableiter mit dem Spritzgussmaterial, z.B. einem Kunststoff, umspritzt wird. Es sind aber auch andere Fertigungsverfahren denkbar. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Isolationselement, nämlich in diesem Fall die Umspritzung bzw. das Spritzgussbauteil, auf der gesamten, vom mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kontaktierungsbereich des ersten Ableiters verschiedenen Oberfläche des ersten Ableiters angeordnet ist. Damit kann der Ableiter vollständig elektrisch isoliert werden, d.h. bis auf die Flächen bzw. Stellen, die mit dem Ableiterkontaktelement und dem Polterminal elektrisch kontaktiert sind. Ebenso kann auch ein Spritzgussbauteil am Zellgehäuse angeordnet werden und/oder das Isolationselement durch eine Umspritzung zumindest eines Teils des Zellgehäuses bereitgestellt werden, wie dies ebenfalls später näher erläutert wird.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Spritzgussbauteil nicht am Ableiter zu befestigen sondern als eine Art Kunststoffeinleger an der gewünschten Stelle zwischen dem Ableiter und dem Zellgehäuse und/oder dem Elektrodenstapel zu positionieren. Denkbar wäre zudem auch eine bereichsweise Anordnung am Elektrodenstapel direkt, z.B. an einem dem Ableiterbereich des ersten Ableiters zugewandten Oberflächenbereich des Elektrodenstapels. Das Spritzgussbauteil kann druckfest und/oder formstabil gefertigt sein und ist damit deutlich robuster als beispielsweise eine Folientüte bzw. ein Folienbeutel. Nichtsdestoweniger ist es dennoch möglich zur weiteren Steigerung der Robustheit zusätzlich zum Isolationselement eine Folie, insbesondere eine Folienumhüllung des Elektrodenstapels bzw. einen Folienbeutel vorzusehen.
Bei einer sehr vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Batteriezelle als ein zweites Isolationselement eine Folie. Diese kann ebenso positioniert sein, wie zum Isolationselement bereits beschrieben, z.B. zwischen dem Ableiter und dem Zellgehäuse und/oder dem Elektrodenstapel. Die Folie ist also als eine elektrisch isolierende Folie bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Kunststofffolie handeln. Eine solche Folie kann zum Beispiel ebenfalls auf dem Ableiterbereich aufgebracht werden, um diesen nach außen hin elektrisch zu isolieren. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung einer solchen Folie zur elektrischen Isolierung beziehungsweise zusätzlichen elektrischen Isolierung des Elektrodenstapels.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das die Folie im Oberflächenbereich der Oberfläche der Elektrodenanordnung angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung kann also zusätzlich mit einer vorzugsweise als Folie ausgebildeten Isolierung nach außen hin versehen werden. Besonders einfach ist ein solches zweites Isolationselement im Oberflächenbereich der Elektrodenanordnung anordenbar, wenn das Isolationselement zum Beispiel als Folie ausgebildet ist, mit welcher die Elektrodenanordnung umwickelt wird. Dabei muss die Elektrodenanordnung insbesondere nicht allseitig von dieser Folie umgeben sein. Beispielsweise können die Bereiche, in denen die ersten und/oder zweiten Ableiterkontaktelemente, angeordnet sind, freigehalten werden.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Elektrodenanordnung eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, die sich bezüglich einer ersten Richtung gegenüberliegen und die Elektrodenanordnung beidseitig bezüglich der ersten Richtung begrenzen, eine dritte Seite und eine vierte Seite aufweist, die sich bezüglich einer zweiten Richtung gegenüberliegen und die Elektrodenanordnung beidseitig bezüglich der zweiten Richtung begrenzen, und eine fünfte und eine sechste Seite aufweist, die sich bezüglich einer dritten Richtung gegenüberliegen und die Elektrodenanordnung beidseitig bezüglich der dritten Richtung begrenzen, wobei die Folie als eine Umhüllung der Elektrodenanordnung ausgebildet ist, sodass zumindest vier der sechs Seiten vom Isolationselement bedeckt sind, oder auch fünf Seiten oder auch alle sechs Seiten. Die Elektrodenanordnung kann also zum Beispiel einfach mittels einer solchen elektrisch isolierenden Folie umwickelt sein, wodurch vier der oben beschriebenen sechs Seiten von dieser elektrisch isolierenden Folie überdeckt werden. Die beiden nicht bedeckten Seiten der Elektrodenanordnung können dann entsprechend dazu verwendet werden, die elektrische Kontaktierung mit den jeweiligen Ableitern der ersten und zweiten Stromkollektoreinrichtung zu realisieren. Mit anderen Worten können dort die jeweiligen ersten und zweiten Ableiterkontaktelemente angeordnet sein. Die erste Richtung steht dabei vorzugsweise zur zweiten Richtung, und die zweite Richtung steht senkrecht zur dritten Richtung, und die dritte Richtung steht zusätzlich auch senkrecht zur ersten Richtung.
Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, wenn das erste Ableiterkontaktelement an der ersten Seite der Elektrodenanordnung angeordnet ist und die Batteriezelle ein zweites Ableiterkontaktelement aufweist, das an der zweiten Seite der Elektrodenanordnung angeordnet ist, wobei zumindest die dritte, vierte, fünfte und sechste Seite von der Folie vollständig bedeckt sind. Dies lässt sich durch ein Umwickeln der Elektrodenanordnung besonders einfach realisieren. Optional können auch Teile der ersten und zweiten Seite von der Folie bedeckt sein, was jedoch herstellungstechnisch schwieriger auszuführen ist.
Weiterhin stellt es eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das erste Polterminal an einer Zellgehäuseseite des Zellgehäuses angeordnet ist, die einer der Seiten der Elektrodenanordnung gegenüberliegt, an welcher kein Ableiterkontaktelement, insbesondere weder das mindestens eine noch das mindestens eine zweite Ableiterkontaktelement, angeordnet ist. Mit anderen Worten kommen die Vorteile der Erfindung und ihrer Ausführungsformen besonders zur Geltung, wenn diese bei einer Batteriezelle Anwendung finden, bei welcher der Ableiter vom mindestens einen ersten Kontaktbereich bis zum ersten Polterminal zumindest zum Teil um die Elektrodenanordnung im Inneren des Zellgehäuses herum geführt werden muss. Ist also der Ableiter, wie oben beschrieben, an der ersten Seite der Elektrodenanordnung angeordnet, so wird dieser nicht direkt aus der dieser ersten Seite der Elektrodenanordnung gegenüberliegenden Zellgehäuseseite aus dem Zellgehäuse über das betreffende Polterminal hinausgeführt, sondern wird im Inneren des Zellgehäuses zu einer anderen Seite der Elektrodenanordnung geführt, zum Beispiel zur dritten, vierten, fünften oder sechsten Seite und dort mit dem entsprechenden Polterminal kontaktiert, welches an der Zellgehäuseseite angeordnet ist, die also entsprechend der dritten, vierten, fünften oder sechsten Seite der Elektrodenanordnung gegenüberliegt. Gerade das Herumführen des Ableiters teilweise um die Elektrodenanordnung hat den Vorteil, dass deutlich mehr Flexibilität bezüglich der Anordnung der Polterminals gegeben ist. Durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen lässt sich gerade in diesem Fall dennoch eine besonders zuverlässige elektrische Trennung zwischen dem Ableiter und der Elektrodenanordnung selbst bei sehr schweren Crashfällen gewährleisten.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolationselement, insbesondere in Form einer Beschichtung oder eines Spritzgussbauteils und/oder Umspritzung, auf einem Oberflächenbereich des Zellgehäuses im Inneren der Batteriezelle angeordnet. Demgemäß kann also das elektrische Isolationselement auch am Zellgehäuse direkt angerordnet sein, und zwar zumindest im Zellinneren, d.h. also an einer Innenseite des Zellgehäuses. Kommt es im Zuge eines schweren Crashs zu einer Deformation des Zellgehäuses nach innen, so kann auch hierdurch vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass das metallische Zellgehäuse ein anderes leitfähiges oder stromführendes Bauteil im Zellinneren kontaktiert, reduziert werden.
Auch hierbei ist es besonders einfach umzusetzen, wenn das Isolationselement dabei als eine Beschichtung, z.B. in Form einer Lackierung und/oder Kunststoffbeschichtung in Form eines Spritzgussbauteils und/oder einer Umspritzung ausgeführt ist. Gerade eine Umspritzung ist dann geeignet, wenn das Zellgehäuse mehrteilig ausgeführt ist, so dass ein oder auch mehrere Teile des Zellgehäuses vor dem Zusammenbau zum Zellgehäuse mit Kunststoff umspritzt werden können, um das Isolationselement bereitzustellen.
Entsprechend ist es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Zellgehäuse mehrteilig ausgeführt ist, eine Gehäusehülle mit mindestens einer Öffnung umfasst, und mindestens einen Gehäusedeckel, der die Öffnung verschließend an der Gehäusehülle angeordnet ist, wobei zumindest das erste Polterminal am Gehäusedeckel, insbesondere diesen durchdringend, angeordnet ist, und wobei der Oberflächenbereich, auf dem das Isolationselement angeordnet ist, durch den Gehäusedeckel bereitgestellt ist, insbesondere wobei das Isolationselement dabei zumindest auf dem gesamten, im Zellinneren befindlichen Teil des Gehäusedeckels angeordnet ist. Eine elektrische Isolierung in Form des Isolationselements lässt sich an einem solchen Gehäusedeckel besonders einfach umsetzen. Aber auch andere Teile des Gehäuses können den Oberflächenbereich darstellen, insbesondere nicht nur alternativ sondern auch zusätzlich zur vorgesehenen Isolierung am Gehäusedeckel.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der gesamte Gehäusedeckel von einer elektrischen Isolierung als das Isolationselement umgeben ist, z.B. einer Lackierung und/oder einer Kunststoffumspritzung. Auch dies ist herstellungstechnisch sehr einfach umzusetzen, da keine nicht zu isolierenden Bereiche des Gehäusedeckels freigehalten werden müssen. Das den Deckel durchdringende Polterminal kann nachträglich, d.h. nach dem Herstellen der elektrischen Isolierhülle um den Deckel an diesem angeordnet werden. Diese Ausführung hat zudem den Vorteil, dass hierdurch gleichzeitig eine elektrische Isolierung zum Polterminal und nach außen bereitgestellt werden kann.
Dabei gibt es grundsätzlich zwei bevorzugte Varianten, wie das Zellgehäuse aufgebaut sein kann: Zum einen kann das Zellgehäuse als Gehäusehülle einen Zellbecher umfassen, der nur eine Öffnung aufweist, und nur einen Gehäusedeckel zum Verschließen dieser Öffnung. In diesem Fall sind beide Polterminals am gleichen Gehäusedeckel angeordnet. Zum anderen kann die Gehäusehülle als eine Art Band oder Vierkantrohr oder Manschette ausgebildet sein und entsprechen zwei gegenüberliegende Öffnungen aufweisen. In diesem Fall kann das Zellgehäuse zwei Gehäusedeckel aufweisen.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Gehäusehülle zwei gegenüberliegende Öffnungen aufweist und das Zellgehäuse zwei Gehäusedeckel aufweist, von denen jeder eine jeweilige der zwei Öffnungen verschließend an der Gehäusehülle angeordnet ist, wobei das erste Polterminal an einem ersten der zwei Gehäusedeckel angeordnet ist und das zweite Polterminal an einem zweiten der zwei Gehäusedeckel angeordnet ist. In diesem Fall sind die Polterminals also an unterschiedlichen, und einander gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses angeordnet.
In diesem Fall können beide Gehäusedeckel mit einer Isolierung in Form des Isolationselements versehen sein, insbesondere wie oben bereits mit Bezug auf den mindestens einen Gehäusedeckel beschrieben. Denkbar ist jedoch prinzipiell auch, dass nur einer der beiden Deckel nach innen hin elektrisch isoliert durch das Isolationselement ausgeführt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Oberflächenbereich, auf dem das Isolationselement angeordnet ist, durch die Gehäusehülle bereitgestellt, insbesondere wobei das Isolationselement dabei zumindest auf einer dem Zellinneren zugewandten Innenseite und/oder auf einer dem Zellinneren abgewandten Außenseite der Gehäusehülle angeordnet ist. Damit kann also nicht nur der mindestens eine Deckel des Zellgehäuses mit einer Isolierung versehen sein, sondern zusätzlich oder alternativ auch die Gehäusehülle. Auch diese kann nur bereichsweise oder vollständig bezogen auf ihre Innenseite und/oder Außenseite elektrisch isoliert durch das angeordnete Isolationselement ausgeführt sein. Insbesondere ist es möglich das gesamte Zellgehäuse nach innen und/oder nach außen elektrisch isoliert auszuführen, z.B. indem jedes der genannten Zellgehäusebauteile des mehrteiligen Zellgehäuses, also der mindestens eine Gehäusedeckel und die Gehäusehülle mit einer diese Bauteile vollständig umgebenden, elektrisch isolierenden Beschichtung, z.B. einer Lackierung und/oder einer Kunststoffumspritzung als das Isolationselement ausgebildet werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer ihrer Ausführungsformen. Die Batterie kann zum Beispiel als eine Hochvoltbatterie ausgebildet sein. Insbesondere kann die Hochvoltbatterie auch mehrere Batteriemodule umfassen, die wiederum jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule können dabei in einem Batteriegehäuse der Hochvoltbatterie angeordnet sein. Grundsätzlich können dabei die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen, Rundzellen oder Pouchzellen ausgebildet sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer ihrer Ausgestaltungen.
Des Weiteren umfasst die Erfindung auch ein E-Bike und einen E-Roller und ein elektrisches Wasser- und/oder Luftfahrzeug, insbesondere eine Drohne und ein Flugtaxi, jeweilig mit einer erfindungsgemäßen Batterie oder einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer ihrer Ausgestaltungen.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder einer ihrer Ausgestaltungen.
Dabei wird ein elektrisch isolierendes Isolationselement derart angeordnet, dass sich dieses im hergestellten Zustand der Batteriezelle zwischen zumindest zwei der folgenden Zellkomponenten befindet: einem von mindestens einem und zweiten Kontaktierungsbereich verschiedenen Ableiterbereich des ersten Ableiters, einem Oberflächenbereich einer Oberfläche der Elektrodenanordnung, und dem Zellgehäuse.
Beispielsweise kann zur Bereitstellung des Isolationselements der erste Ableiter und/oder eine Innenseite des Zellgehäuses mit einer elektrischen Isolierung beschichtet werden oder mit einer Kunststoffumspritzung ausgebildet werden, insbesondere vor dem Zusammenbau der Batteriezelle und insbesondere auch vor der Kontaktierung des Ableiters mit der Elektrodenanordnung, zumindest für den Fall, dass der Ableiter beschichtet wird. Zusätzlich oder alternativ kann vor dem Zusammenbau der Batteriezelle auch die Elektrodenanordnung partiell mit einem solchen Isolationselement versehen werden, zum Beispiel mit einer Folie umwickelt werden, wie oben beschrieben.
Insbesondere lassen sich die beschriebenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise miteinander kombinieren. Mit anderen Worten können auch mehrere verschiedene Isolationselemente vorgesehen sein, die zum Beispiel einerseits am Ableiter, beziehungsweise an den Ableitern, angeordnet sind, sowie auch am Zellgehäuse angeordnet sind, und/oder die am Elektrodenstapel beziehungsweise an der Elektrodenanordnung im Allgemeinen angeordnet sind.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Ableiters für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Ableiters für eine Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Zellgehäuses mit den daran angeordneten Polterminals für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelldeckels des Zellgehäuses aus 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelldeckels des Zellgehäuses aus 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Batteriezelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezelle 10 ist in diesem Beispiel als eine Pouchzelle oder eine prismatische Batteriezelle ausgebildet. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse 12 auf. Dieses separiert ein Inneres 14 der Batteriezelle 10 von einer Umgebung 16 der Batteriezelle 10. Am Zellgehäuse 12 sind zwei Polterminals 18, 20 der Batteriezelle 10 angeordnet. Diese grenzen an einer Umgebung 16 der Batteriezelle 10 an und führen in das Zellinnere 14. Die Terminals 18, 20 können zum Beispiel durch eine Durchbrechung im Zellgehäuse 12 durch dieses hindurch geführt sein. Eines dieser beiden Zellpole 18, 20 ist dabei einem positiven Zellpotential und das andere einem negativen Zellpotential zugeordnet. Im Inneren der Batteriezelle 10 befindet sich eine Elektrodenanordnung 22, die auch als Zellstack bezeichnet werden kann und zum Beispiel einen Elektrodenstapel darstellen kann. Ein solcher Elektrodenstapel 22 kann dabei auch gewickelt ausgeführt sein, das heißt als Elektrodenwickel 22 ausgeführt sein. Ein solcher Elektrodenwickel 22 kann auch als Jelly Role bezeichnet werden. Typischerweise besteht eine solche Elektrodenanordnung 22 aus mehreren Anoden- und Kathodenschichten, die jeweils voneinander durch entsprechende Separatorschichten voneinander elektrisch separiert sind. Im Allgemeinen kann die Elektrodenanordnung 22 eine oder mehrere erste Elektroden aufweisen, die mit dem ersten Polterminal 18 elektrisch leitend verbunden sind, und eine oder mehrere zweite Elektroden, die mit dem zweiten Polterminal 20 elektrisch leitend verbunden sind. Diese elektrisch leitende Verbindung ist dabei wie folgt realisiert: Die Batteriezelle 10 weist dazu zum einen eines oder mehrere erste Ableiterkontaktelemente 24 auf. Diese können zum Beispiel in Form von Laschen oder Fahnen ausgebildet sein, die elektrisch leitend mit den jeweiligen ersten Elektroden der Elektrodenanordnung 22 verbunden sind. Diese können unter Umständen auch als Teil dieser ersten Elektroden, insbesondere als Teil einer entsprechenden ersten Elektrodenfolie, ausgebildet sein. Sie können auch separat ausgebildet sein und an die ersten Elektroden angeschweißt sein. Das eine oder die mehreren ersten Ableiterkontaktelemente 24 sind dabei aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Aluminium oder Kupfer.
Weiterhin weist die Batteriezelle 10 eine erste Stromkollektoreinrichtung 26 auf, die einen elektrisch leitenden Ableiter 28 umfasst. Der Ableiter 28 kann dabei ebenfalls aus Aluminium oder Kupfer gefertigt sein und besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie das eine oder mehrere erste Ableiterkontaktelement 24. Der Ableiter 28 kann schienenartig oder bandartig ausgeführt sein. Der Ableiter 28 verbindet das mindestens eine Ableiterkontaktelement 24 elektrisch leitend mit dem ersten Polterminal 18.
Außerdem weist die Batteriezelle 10 in korrespondierender Weise auch mindestens ein zweites Ableiterkontaktelement 30 auf, welches elektrisch leitend mit einem zweiten Ableiter 32 einer zweiten Stromkollektoreinrichtung 34 der Batteriezelle 10 verbunden ist. Der zweite Ableiter 32 verbindet das zweite Ableiterelement 30 elektrisch leitend mit dem zweiten Polterminal 20. Das zweite Ableiterelement 30 beziehungsweise die zweiten Ableiterelemente 30 sind dabei elektrisch leitend mit den jeweiligen zweiten Elektroden der Elektrodenanordnung 22 verbunden. Der zweite Ableiter 32 ist bevorzugt aus dem gleichen Material gefertigt wie das mindestens eine zweite Ableiterkontaktelement 30. Das Material des zweiten Ableiterkontaktelements 30 unterscheidet sich dabei bevorzugt vom Material des ersten Ableiterkontaktelements 24. Mit anderen Worten kann eines aus Kupfer und das andere aus Aluminium oder umgekehrt sein.
Der erste Ableiter 28 weist einen ersten Kontaktierungsbereich 28a auf, in welchem er mit dem mindestens einen ersten Ableiterkontaktelement 24 elektrisch leitend kontaktiert ist, zum Beispiel angeschweißt ist, und einen zweiten Kontaktierungsbereich 28b, über welchen dieser elektrisch leitend am ersten Polterminal 18 angebunden ist. In korrespondierender Weise weist der zweite Ableiter 32 einen ersten Kontaktierungsbereich 32a auf, über welchen der zweite Ableiter 32 elektrisch leitend mit dem zweiten Ableiterkontaktelement 30 verbunden ist, und einen zweiten Kontaktierungsbereich 32b, über welchen der zweite Ableiter 32 elektrisch leitend mit dem zweiten Polterminal 20 verbunden ist. Alle übrigen Freiräume oder Zwischenräume im Inneren 14 der Batteriezelle 10 können zudem mit einem Elektrolyten 38 befüllt sein. Außerdem kann diese Anordnung im Inneren 14 der Zelle 10 optional noch von einer Isolationshülle 36 umhüllt sein, die insbesondere den Elektrodenstapel 22, die Ableiterkontaktelemente 24, 30 und die daran angeordneten Ableiter 28, 32 einschließt. Lediglich die Polterminals 18, 20 können durch diese Umhüllung 36 heraus geführt sein.
Gerade im Falle eines Unfalls eines Kraftfahrzeugs kann es zu extrem starken Krafteinwirkungen auf die Kraftfahrzeugbatterie und die von dieser umfassten Batteriezellen kommen. In sehr seltenen Fällen können dabei enorm starke Deformationen dieser Batteriezellen 10 auftreten. Bei einer solchen Deformation können sich bei herkömmlichen Zellen im Zellinneren elektrisch leitende Bauteile berühren und somit einen zellinternen Kurzschluss auslösen. Dieser kann wiederum zu einem Batteriebrand führen.
Die Erfindung und ihre Ausführungsformen ermöglichen es nun vorteilhafterweise, für zusätzliche Sicherheit in einem solchen Extremfall zu sorgen, indem zum Beispiel durch eine druckfeste, elektrische Isolation entweder am Current Collector, nämlich den Ableitern 28, 32, und/oder eine Isolation als Umhausung, zum Beispiel Tüte, des Zellstacks 22 beziehungsweise der Jelly Role 22 bereitgestellt wird. Diese Isolation berücksichtigt damit diese im Crashfall zu erwartenden Zelldeformationen und erhöht somit die Intrusionsrobustheit.
Im Allgemeinen weist nunmehr die Batteriezelle 10 mindestens ein Isolationselement auf, das im Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit 40 bezeichnet ist, und in diesem Beispiel an den jeweiligen Ableitern 28, 32 angeordnet ist. Insbesondere kann dieses Isolationselement 40 in diesem Beispiel als Teil der Stromkollektoreinrichtungen 26, 34 aufgefasst werden. Im Allgemeinen kann dieses Isolationselement 40 auf verschiedenste Arten und Weisen ausgeführt sein, zum Beispiel als Beschichtung oder auch als Oberflächenbehandlung der jeweiligen Ableiter 28, 32, zum Beispiel als eine Oxidationsschicht, die elektrisch isolierend ist oder als Kunststoffumspritzung bzw. Spritzgussbauteil.
Im Allgemeinen ist dieses Isolationselement 40 derart angeordnet, dass es sich zumindest zwischen einem Ableiterbereich 28c, 28d des ersten Ableiters 28 bzw. einem entsprechenden Ableiterbereich 32c, 32d des zweiten Ableiters 32 und einem Oberflächenbereich 22a des Zellstacks 22 und/oder dem Zellgehäuse 12 befindet. Vor allem vorteilhaft ist es einerseits, wenn sich das Isolationselement 40 in oder an einem Ableiterbereich 28c, 32c befindet, der Teil einer dem Zellstack 22 zugewandten Seite des Ableiters 28 beziehungsweise 32 darstellt. Aber auch auf einer der Elektrodenanordnung 22 abgewandten Seite des Ableiters 28, 32 kann ein solches Isolationselement 40 angeordnet sein, zum Beispiel auch im weiteren Ableiterbereich 28d, 32d, um eine Isolation bzw. zusätzliche Isolation gegenüber dem Zellgehäuse 12 bereitzustellen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der gesamte Ableiter 28, 32 nach außen hin durch dieses Isolationselement 40 elektrisch isoliert ist, das heißt bis auf die Kontaktierungsbereiche 28a, 28b, 32a, 32b, über welche die entsprechenden Ableiter 28, 2 mit dem mindestens einen Ableiterkontaktelement 24, 30 einerseits und den Polterminals 18, 20 andererseits kontaktiert sind. Dies lässt sich zum Beispiel einfach durch eine Beschichtung oder Umspritzung der jeweiligen Ableiter 28, 32 erreichen. Beispielsweise können diese vor dem Zusammenbau der Batteriezelle 10 und der Kontaktierung mit den Polen 18, 20 und den Ableiterkontaktelementen 24, 30 mit einem elektrisch isolierenden Lack beschichtet worden sein beziehungsweise beschichtet werden oder mit einem Kunststoff umspritzt werden. Dieser stellt dann entsprechend die elektrische Isolierung 40 bereit.
2 zeigt weiterhin eine schematische Darstellung einer Stromkollektoreinrichtung 26, 34 in einer Draufsicht auf den ersten und insbesondere auch zweiten Kontaktierungsbereich 28a, 28b. Dargestellt ist also die Draufsicht in oder entgegen der in 1 dargestellten x-Richtung auf die entsprechende Stromkollektoreinrichtung 26, 34. Die Stromkollektoreinrichtung 26, 34 kann bis auf die genannten Kontaktierungsbereiche 28a, 28b mit der elektrischen Isolierung 40 versehen sein.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Stromkollektoreinrichtung 26, 34, die in diesem Beispiel zwei erste Kontaktierungsbereiche 28a umfasst, zur elektrisch leitenden Kontaktierung zweier Bereiche mit jeweils einem oder mehreren ersten Ableiterkontaktelementen 24 beziehungsweise zweiten Ableiterkontaktelementen 30. Mit anderen Worten können auch mehrere solcher ersten Kontaktierungsbereiche 28a vorgesehen sein. Diese sind entsprechend von der elektrischen Isolierung 40 freizuhalten, ebenso wie die zweiten Kontaktierungsbereiche 28b.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezelle 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere kann die Batteriezelle 10 wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede bzw. Ergänzungen, die sich mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinieren lassen.
In diesem Beispiel ist ein zweites elektrisches Isolationselement mit 40` bezeichnet und als eine partielle oder vollständige Umhüllung der Elektrodenanordnung 22 ausgeführt. Beispielsweise kann das zweite Isolationselement 40` als eine elektrisch isolierende Folie ausgebildet sein, mit welcher der Zellstack 22 umwickelt ist. In diesem Beispiel ist das zweite elektrische Isolationselement 40' also als Umhüllung oder Tüte ausgeführt. Dabei können die Seiten des Zellstacks 22, an welchen die mindestens einen ersten und zweiten Ableiterkontaktelemente 24, 30 angeordnet sind, freigehalten sein. Mit anderen Worten kann im Allgemeinen die Elektrodenanordnung 22 eine erste Seite 22b und eine gegenüberliegende zweite Seite 22c aufweisen, die den Zellstapel 22 insbesondere in und entgegen x-Richtung begrenzen. An dieser ersten und zweiten Seite 22b, 22c sind jeweils die beschriebenen Ableiterkontaktelemente 24, 30 angeordnet. Der Elektrodenstapel 22 kann weiterhin eine dritte Seite 22d, 22e aufweisen, die sich bezüglich der z-Richtung gegenüberliegen und den Elektrodenstapel 22 in und entgegen z-Richtung begrenzen. Außerdem kann der Zellstapel 22 noch zwei weitere nicht dargestellte Seiten aufweisen, die den Zellstapel 22 in und entgegen y-Richtung begrenzen. Im vorliegenden Fall können also die beiden nicht dargestellten Seiten des Zellstapels 22 sowie die dritte und vierte Seite 22e, 22d von der Folie 40' umhüllt sein, während die erste und zweite Seite 22b, 22c von dieser Folie 40' freigehalten sind oder die Folie 40' kann ebenfalls, wie in 4 dargestellt, zumindest teilweise auch an der ersten und zweiten Seite 22b, 22c des Elektrodenstapels 22 angeordnet sein. Im Falle einer gewickelten Ausführung des Elektrodenstapels 22 können die Seiten 22b, 22c zu den offenen Enden des Wickels korrespondieren, mit anderen Worten ist der Zellstapel 22 um eine Wickelachse gewickelt, die parallel zur x-Achse ausgebildet ist. Somit können die Ableiterkontaktelemente 24, 30 sehr einfach mit den entsprechenden Elektrodenschichten kontaktiert werden und aus dem Elektrodenstapel 22 herausgeführt werden.
Grundsätzlich ist also eine Isolation 40, 40` um die Ableiter 28, 32 denkbar und/oder eine Isolation 40, 40`, welche um den Zellstack 22 beziehungsweise die Jelly Role realisiert wird. Diese Ausführungsformen sind beliebig miteinander kombinierbar. Die zusätzliche Isolierung 40, 40` kann zum Beispiel als Isolationslack ausgeführt sein oder als Spritzgussteil, Folie, Tüte und so weiter.
5 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Zellgehäuses 12 mit den daran angeordneten Polterminals 18, 20 für eine Batteriezelle 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei kann die Batteriezelle 10, deren Zellgehäuse 12 vorliegend dargestellt ist, wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede: Diese beziehen sich hauptsächlich auf die Ausbildung des Zellgehäuses 12 und der Anordnung der Polterminals 18, 20 am Zellgehäuse12. Das Zellgehäuse 12 ist mehrteilig ausgeführt, was insbesondere in den zuvor beschriebenen Beispielen ebenfalls der Fall sein kann, nur dass das Zellgehäuse gemäß diesem Beispiel nicht nur einen Gehäusedeckel sondern zwei Gehäusedeckel 42, 44 umfasst und eine Gehäusehülle 46, die zwei Öffnungen 48, 50 die sich bezüglich der dargestellten x-Richtung gegenüberliegen. Am ersten Gehäusedeckel 42 ist das erste Polterminal 18 angeordnet, insbesondere so dass dieses von außerhalb des Gehäuses 12 in das Innere 14 der Zelle 10 dringt und somit den Gehäusedeckel 42 durchdringt. Der erste Gehäusedeckel 42 ist derart an der Gehäusehülle 46 angeordnet, dass die erste Öffnung 48 durch den Deckel 42 verschlossen ist. Am zweiten Gehäusedeckel 44 ist das zweite Polterminal 20 angeordnet, insbesondere so dass dieses von außerhalb des Gehäuses 12 in das Innere 14 der Zelle 10 dringt und somit den zweiten Gehäusedeckel 44 durchdringt. Der zweite Gehäusedeckel 44 ist derart an der Gehäusehülle 46 angeordnet, dass die zweite Öffnung 50 durch den zweiten Deckel 44 verschlossen ist.
Das Innenleben der Batteriezelle 10 kann wie zuvor beschrieben ausgestaltet sein. Darüber hinaus weist die Batteriezelle 10 auch in diesem Fall ein Isolationselement auf, welches in diesem Beispiel innenseitig am Zellgehäuse 12 angeordnet ist, und zwar bevorzugt an mindestens einem der Deckel 42, 44 oder beiden Deckeln 42, 44, wie in 6 und 7 dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zellgehäusedeckels 42, 44 des Zellgehäuses 12 aus 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ebenfalls dargestellt ist hierbei das am Gehäusedeckel 42, 44 angeordnete Polterminal 18, 20. Das von der Batteriezelle 10 umfasste Isolationselement ist hierbei mit 40" bezeichnet und ist am Gehäusedeckel 42, 44 angeordnet, und zwar an der dem Inneren 14 der Zelle 10 zugewandten Innenseite 52 bzw. der innenseitigen Oberfläche 52 des Gehäusedeckels 42, 44. Dabei kann die Innenseite 52 nur bereichsweise und nicht vollständig von dem Isolationselement 40" bedeckt sein oder vollständig wie hier dargestellt. Das Isolationselement 40" an sich kann dabei wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, z.B. als Beschichtung, Lack bzw. Lackierung, als Spritzgussbauteil, usw..
7 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Zelldeckels des Zellgehäuses aus 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gehäusedeckel 42, 44 bzw. die Anordnung aus Gehäusedeckel 42, 44, Polterminal 18, 20 und Isolationselement 40" kann dabei wie zu 6 beschrieben ausgebildet sein, bis auf den Unterschied, dass nunmehr das Isolationselement 40" auch an einer Außenseite 54, die der Umgebung 16 der Zelle 10 zugewandt ist, angeordnet ist. Insbesondere kann der Gehäusedeckel 42, 44 allseitig von dem Isolationselement 40" umgeben sein, z.B. allseitig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet, lackiert sein oder mit Kunststoff umspritzt sein, usw.
Kommt es im Zuge eines schweren Crashs zu einer Deformation des Zellgehäuses 12 nach innen, so kann auch hierdurch vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit, dass das metallische Zellgehäuse 12 ein anderes leitfähiges oder stromführendes Bauteil im Zellinneren 14 kontaktiert, z. B. den Elektrodenstapel 22 und/oder einen der Ableiter 28, 32, reduziert werden.
Insbesondere ist es möglich, das gesamte Zellgehäuse 12 nach innen und/oder nach außen elektrisch isoliert auszuführen, z.B. indem jedes der genannten Zellgehäusebauteile 42, 44, 46 des mehrteiligen Zellgehäuses 12, also der mindestens eine Gehäusedeckel42, 44 und die Gehäusehülle 46 mit einer diese Bauteile 42, 44, 46 vollständig umgebenden, elektrisch isolierenden Beschichtung, z.B. einer Lackierung und/oder einer Kunststoffumspritzung, als das Isolationselement 40" ausgebildet werden bzw. sind.
Auch diese Ausführungsformen des Isolationselements 40", das am Zellgehäuse 12 angeordnet ist, lassen sich in beliebiger Weise mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit weiteren Isolationselemente 40, z.B. an den Ableitern 28, 32 kombinieren.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein zellinterner Kurzschluss bei Zelldeformation deutlich zuverlässiger und mit höherer Wahrscheinlichkeit verhindert werden kann. Die Intrusionsrobustheit wird also entsprechend erhöht. Außerdem kann Gewicht eingespart werden und das Sicherheitsniveau steigt. Insgesamt kann auch eine geringere Brandgefahr besonders im Falle eines Unfalls bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20210184265 A1 [0003]

Claims

Batteriezelle (10), insbesondere für eine Fahrzeugbatterie, wobei die Batteriezelle (10) aufweist: - ein Zellgehäuse (12), welches ein Inneres der Batteriezelle (10) von einer Umgebung (16) der Batteriezelle (10) separiert; - ein am Zellgehäuse (12) angeordnetes, an die Umgebung (16) der Batteriezelle (10) angrenzendes erstes Polterminal (18, 20); - eine im Inneren (14) der Batteriezelle (10) angeordnete Elektrodenanordnung (22), die mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, - mindestens ein im Inneren (14) der Batteriezelle (10) angeordnetes erstes Ableiterkontaktelement (24, 30), und - eine im Inneren (14) der Batteriezelle (10) angeordnete erste Stromkollektoreinrichtung (26, 34) mit einem elektrisch leitenden ersten Ableiter (28, 32), der in mindestens einem ersten Kontaktierungsbereich (28a, 32a) des ersten Ableiters (28, 32) über das mindestens eine erste Ableiterkontaktelement (24, 30) elektrisch leitend mit der mindestens einen ersten Elektrode der Elektrodenanordnung (22) verbunden ist und in mindestens einem zweiten Kontaktierungsbereich (28b, 32b) des ersten Ableiters (28, 32) elektrisch leitend mit dem ersten Polterminal (18, 20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren (14) der Batteriezelle (10) mindestens ein von einer Folientüte verschiedenes, elektrisch isolierendes Isolationselement (40, 40") zwischen zumindest zwei der folgenden Zellkomponenten angeordnet ist: - einem vom mindestens einen ersten und zweiten Kontaktierungsbereich (28a, 32a, 28b, 32b) verschiedenen Ableiterbereich (28c, 32c, 28d, 32d) des ersten Ableiters (28, 32); - einem Oberflächenbereich (22a) einer Oberfläche der Elektrodenanordnung (22); und - dem Zellgehäuse (12).
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40) als Teil der ersten Stromkollektoreinrichtung (26, 34) ausgebildet ist und auf dem zumindest einen Ableiterbereich (28c, 32c, 28d, 32d) des ersten Ableiters (28, 32) angeordnet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40, 40") als eine Beschichtung (40, 40"), insbesondere als eine Lackbeschichtung (40, 40"), auf dem ersten Ableiter (28, 32) und/oder dem Zellgehäuse (12) ausgebildet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40, 40") als ein Spritzgussbauteil (40, 40") ausgebildet ist und/oder als zumindest bereichsweise Umspritzung (40, 40") des ersten Ableiters (28, 32) und/oder zumindest eines Teils (42, 44, 46) des Zellgehäuses (12) ausgebildet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40) auf der gesamten, vom mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kontaktierungsbereich (28a, 32a, 28b, 32b) des ersten Ableiters (28, 32) verschiedenen Oberfläche (28c, 32c, 28d, 32d) des ersten Ableiters (28, 32) angeordnet ist, insbesondere als die Beschichtung (40) und/oder Umspritzung (40) und/oder Spritzgussbauteil (40).
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40"), insbesondere in Form einer Beschichtung oder eines Spritzgussbauteils und/oder Umspritzung, auf einem Oberflächenbereich des Zellgehäuses (12) im Inneren (14) der Batteriezelle (10) angeordnet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (12) mehrteilig ausgeführt ist, eine Gehäusehülle (46) mit mindestens einer Öffnung (48, 50) umfasst, und mindestens einen Gehäusedeckel (42, 44), der die Öffnung (48, 50) verschließend an der Gehäusehülle (46) angeordnet ist, wobei zumindest das erste Polterminal (18, 20) am Gehäusedeckel (42, 44), insbesondere diesen durchdringend, angeordnet ist, und wobei der Oberflächenbereich, auf dem das Isolationselement (40") angeordnet ist, durch den Gehäusedeckel (42, 44) bereitgestellt ist, insbesondere wobei das Isolationselement (40") dabei zumindest auf dem gesamten, im Zellinneren (14) befindlichen Teil des Gehäusedeckels (42, 44) angeordnet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Gehäusedeckel (42, 44) von einer elektrischen Isolierung als das Isolationselement (40") umgeben ist, z.B. einer Lackierung und/oder einer Kunststoffumspritzung.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehülle (46) zwei gegenüberliegende Öffnungen (48, 50) umfasst und das Zellgehäuse (12) zwei Gehäusedeckel (42, 44) aufweist, von denen jeder eine jeweilige der zwei Öffnungen (48, 50) verschließend an der Gehäusehülle (46) angeordnet ist, wobei das erste Polterminal (18, 20) an einem ersten der zwei Gehäusedeckel (42, 44) angeordnet ist und das zweite Polterminal (20, 18) an einem zweiten der zwei Gehäusedeckel (42, 44) angeordnet ist.
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich, auf dem das Isolationselement (40") angeordnet ist, durch die Gehäusehülle (46) bereitgestellt ist, insbesondere wobei das Isolationselement (40") dabei zumindest auf einer dem Zellinneren (14) zugewandten Innenseite und/oder auf einer dem Zellinneren (14) abgewandten Außenseite der Gehäusehülle (46) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisch isolierendes Isolationselement (40, 40") derart angeordnet wird, so dass sich dieses im hergestellten Zustand der Batteriezelle (10) zwischen zumindest zwei der folgenden Zellkomponenten befindet: - einem vom mindestens einen ersten und zweiten Kontaktierungsbereich (28a, 32a) verschiedenen Ableiterbereich (28c, 32c, 28d, 32d) des ersten Ableiters (28, 32); - einem Oberflächenbereich (22a) einer Oberfläche der Elektrodenanordnung (22); und - dem Zellgehäuse (12).