DE102022132987A1

DE102022132987A1 - Battery cell, battery module with at least two battery cells and motor vehicle with a battery module

Info

Publication number: DE102022132987A1
Application number: DE102022132987.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schieler; Markus Thurmeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2024-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine als Feststoff-Batteriezelle ausgebildete Batteriezelle (1) mit einer elektrochemischen Einheit (2) und einem Gehäuse (6) zum Aufnehmen der elektrochemischen Einheit (2). Die elektrochemische Einheit (2) umfasst zumindest ein Elektrodenpaar und einen als Festkörper ausgebildeten Elektrolyten. Das Gehäuse (6) umfasst zumindest ein Ausdehnungselement (9, 10), welches ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit von einem Ladezustand der elektrochemischen Einheit (2) auszudehnen. Dabei erstreckt sich das zumindest eine Ausdehnungselement (9, 10) senkrecht zu einer jeweils vorbekannten, von dem Ladezustand abhängigen Hauptausdehnungsrichtung (R1, R2) der elektrochemischen Einheit (2) umlaufend um das Gehäuse (6). So kann beim Ausdehnen der elektrochemischen Einheit (2) in die jeweiligen Hauptausdehnungsrichtung (R1, R2) eine homogene Ausdehnung des Gehäuses (6) ermöglicht werden.

The invention relates to a battery cell (1) designed as a solid battery cell with an electrochemical unit (2) and a housing (6) for accommodating the electrochemical unit (2). The electrochemical unit (2) comprises at least one pair of electrodes and an electrolyte designed as a solid body. The housing (6) comprises at least one expansion element (9, 10) which is designed to expand depending on a charge state of the electrochemical unit (2). The at least one expansion element (9, 10) extends perpendicular to a respective previously known main expansion direction (R1, R2) of the electrochemical unit (2) which is dependent on the charge state, circumferentially around the housing (6). In this way, when the electrochemical unit (2) expands in the respective main expansion direction (R1, R2), a homogeneous expansion of the housing (6) can be made possible.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, umfassend eine elektrochemische Einheit und ein Gehäuse zum Aufnehmen der elektrochemischen Einheit. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul mit wenigstens zwei entsprechenden Batteriezellen und einem Modulgehäuse zum Aufnehmen der wenigstens zwei Batteriezellen. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Batteriemodul.The invention relates to a battery cell comprising an electrochemical unit and a housing for accommodating the electrochemical unit. The invention also relates to a battery module with at least two corresponding battery cells and a module housing for accommodating the at least two battery cells. Finally, the invention also relates to a motor vehicle with a corresponding battery module.

Es gibt Kraftfahrzeuge, sogenannte Elektrofahrzeuge oder HybridFahrzeuge, oder andere Anwendungen, die mittels eines elektrischen Antriebs betrieben werden können. Der elektrische Antrieb kann zum Beispiel einen Elektromotor und eine zugehörige Antriebsbatterie umfassen. Die Antriebsbatterie dient als Energiequelle oder Energieversorger für den Elektromotor. Umgekehrt gibt es zum Beispiel auch Betriebsformen, bei denen der Elektromotor als Energiequelle für die Antriebsbatterie dient, was insbesondere im Fahrzeugbereich als Rekuperation bezeichnet wird.There are motor vehicles, so-called electric vehicles or hybrid vehicles, or other applications that can be operated using an electric drive. The electric drive can, for example, comprise an electric motor and an associated drive battery. The drive battery serves as an energy source or energy supplier for the electric motor. Conversely, there are also operating modes in which the electric motor serves as an energy source for the drive battery, which is referred to as recuperation, particularly in the vehicle sector.

Die Antriebsbatterie kann aus einer oder mehreren Batteriezellen aufgebaut sein. Eine Batteriezelle ist ein an sich bekannter elektrochemischer Energiespeicher. Im fahrzeugbereich werden vorzugweise wiederaufladbare Batteriezellen, auch Akkumulatorzelle oder Sekundärbatterie (sonst: Primärzelle) genannt, eingesetzt. Mehrere Batteriezellen, beispielsweise 5 bis 10, können zu einem sogenannten Batteriemodul gruppiert oder verschaltet sein. Die Anzahl und Verschaltung der verwendeten Batteriezellen und/oder Batteriemodule hängt von einer zu speichernden Energiemenge und/oder einer gewünschten Nennspannung ab.The drive battery can be made up of one or more battery cells. A battery cell is a known electrochemical energy storage device. In the vehicle sector, rechargeable battery cells, also called accumulator cells or secondary batteries (otherwise: primary cells), are preferably used. Several battery cells, for example 5 to 10, can be grouped or connected to form a so-called battery module. The number and connection of the battery cells and/or battery modules used depends on the amount of energy to be stored and/or the desired nominal voltage.

In heutigen Batteriezellen, wie sie zum Beispiel im Fahrzeugbereich eingesetzt werden, wird eine elektrochemische Einheit mit einem flüssigen Elektrolyten eingesetzt. Mit der elektrochemischen Einheit ist vorliegend ein elektrochemisch aktiver Teil der Batteriezelle gemeint. Dieser gibt die Zellchemie vor. Wird ein flüssiger Elektrolyt verwendet, wird die elektrochemischen Einheit auch galvanische Einheit genannt. Die galvanische Einheit umfasst zum Beispiel die Elektroden (Anode, Kathode) den Elektrolyten und einen Separator. Eine Batteriezelle mit galvanischer Einheit wird auch als Redox-Batteriezelle oder galvanische Zelle bezeichnet.In today's battery cells, such as those used in vehicles, an electrochemical unit with a liquid electrolyte is used. The electrochemical unit here refers to an electrochemically active part of the battery cell. This determines the cell chemistry. If a liquid electrolyte is used, the electrochemical unit is also called a galvanic unit. The galvanic unit includes, for example, the electrodes (anode, cathode), the electrolyte and a separator. A battery cell with a galvanic unit is also called a redox battery cell or galvanic cell.

Bei solchen Redox-Batteriezellen kommt es bekanntermaßen abhängig von einem Ladezustand oder abhängig vom Alterungszustand zum sogenannten Swelling. Durch das Swelling verändert sich insbesondere mit jedem Ladezyklus, also beim Laden und Entladen, das Volumen oder die Zelldicke der galvanischen Einheit uns somit der Batteriezelle. Bei herkömmlichen Redox-Batteriezellen sind zum Beispiel Volumenänderungen von bis zu 5 Prozent möglich.With such redox battery cells, it is known that swelling occurs depending on the state of charge or the state of aging. Swelling causes the volume or cell thickness of the galvanic unit and thus of the battery cell to change with each charging cycle, i.e. when charging and discharging. With conventional redox battery cells, for example, volume changes of up to 5 percent are possible.

Diese Volumenänderung ist bei der Umsetzung eines Gehäuses für die Batteriezelle zu berücksichtigen. Das Gehäuse hält oder umschließt die galvanische Einheit. Für ein Gehäuse, das für Swelling ausgelegt ist, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt.This change in volume must be taken into account when implementing a housing for the battery cell. The housing holds or encloses the galvanic unit. Various options are known from the state of the art for a housing designed for swelling.

Zum Beispiel offenbart die DE 10 2009 010 146 A1 eine galvanische Zelle mit wenigstens zwei Gehäuseteilen, welche einen Elektrodenstapel zumindest teilweise umschließen. Die Gehäuseteile sind streckenweise durch eine dehnbar ausgestaltete Verbindungsnaht miteinander verbunden.For example, the EN 10 2009 010 146 A1 a galvanic cell with at least two housing parts which at least partially enclose an electrode stack. The housing parts are connected to one another in sections by an elastic connecting seam.

Die CN 107 160 744 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem flexiblen externen Gehäuse. Zwei Teile des Gehäuses sind mittels zwei flexiblen Puffermaterialien miteinander gekoppelt.The CN107 160 744 A1 discloses a battery cell with a flexible external housing. Two parts of the housing are coupled together by means of two flexible buffer materials.

Die DE 10 2011 005 681 A1 offenbart einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem in einem Gehäuse angeordneten Wickel, der aus zumindest einer Kathode, zumindest einer Anode und zumindest einem Separator und zumindest einem zwischen der Kathode und der Anode angeordneten nichtwässrigen Elektrolyten besteht. Ein Federelement des Akkumulators presst die Kathode, die Anode, den Separator sowie den Elektrolyten im normalen Betriebszustand des Akkumulators aneinander.The EN 10 2011 005 681 A1 discloses a lithium-ion accumulator with a winding arranged in a housing, which consists of at least one cathode, at least one anode and at least one separator and at least one non-aqueous electrolyte arranged between the cathode and the anode. A spring element of the accumulator presses the cathode, the anode, the separator and the electrolyte together in the normal operating state of the accumulator.

Die Zellchemie von Batteriezellen ist heutzutage Gegenstand intensiver Forschungen. Dadurch kommt es zur Weiterentwicklung von verschiedenen Batterietechnologien, so dass ständig neue Arten von Batteriezellen auf dem Markt erscheinen. Eine neue Art von Batterietechnologie stellt zum Beispiel die so genannte Solid State-Batterie oder Festkörper- oder Feststoff-Batterie dar. Hierbei wird eine Batteriezelle eingesetzt, deren Elektrolyt aus einem Feststoff anstatt wie bei galvanischen Zellen aus einer Flüssigkeit besteht. Solche Batteriezellen werden im Folgenden auch als Feststoffzellen bezeichnet.The cell chemistry of battery cells is the subject of intensive research these days. This leads to the further development of various battery technologies, so that new types of battery cells are constantly appearing on the market. One new type of battery technology is the so-called solid state battery. This uses a battery cell whose electrolyte consists of a solid rather than a liquid as in galvanic cells. Such battery cells are also referred to below as solid cells.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verschleißarmes Gehäuse für eine Feststoffzelle bereitzustellen.The object of the present invention is to provide a low-wear housing for a solid-state cell.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die abhängigen Patentansprüche, die Beschreibung sowie die Figuren.The object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous further developments of the invention result from the dependent patent claims, the description and the figures.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für Feststoffzellen die Toleranz oder Flexibilität des Gehäuses, wie sie für galvanische Zellen eingesetzt wird, nicht mehr ausreicht. Solche Feststoffzellen benötigen mehr Platz als galvanische Zellen, um sich ladezustandsabhängig auszudehnen (expandieren) und wieder zusammenziehen (komprimieren). Die einhergehende Volumenveränderung wird bei Feststoffzellen als Zellatmen bezeichnet. Im Gegensatz zum Swelling kann das Zellatmen eine Volumenveränderung von bis zu 25 % bewirken. Für herkömmliche Zellmaße kann dies einer Längenänderung von 1 cm bis 5 cm entsprechen, während beim Swelling die Längenänderungen beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm liegt.The invention is based on the realization that the tolerance or flexibility of the housing used for galvanic cells is no longer sufficient for solid-state cells. Such solid cells require more space than galvanic cells in order to expand and contract again (compress) depending on the state of charge. The associated volume change in solid cells is referred to as cell breathing. In contrast to swelling, cell breathing can cause a volume change of up to 25%. For conventional cell dimensions, this can correspond to a length change of 1 cm to 5 cm, while with swelling the length changes are between 1 mm and 5 mm, for example.

Vorliegend beziehen sich die Angaben insbesondere auf eine zerstörungsfreie und/oder reversible Volumenveränderung. Das heißt, die betroffene Zelle wird in ihrer Funktionsfähigkeit durch die Volumenveränderung nicht oder nicht messbar beeinträchtigt. Toleranzen im Zentimeterbereich können bisher bekannte Gehäuse für Batteriezellen nicht realisieren, ohne dass zur Beschädigung oder einem erhöhten Verscheiß der Zellen kommt.In this case, the information relates in particular to a non-destructive and/or reversible volume change. This means that the functionality of the affected cell is not impaired or not measurably impaired by the volume change. Tolerances in the centimeter range cannot be achieved by previously known battery cell housings without causing damage or increased wear to the cells.

Um das Gehäuse an die Feststoff-Technologie anzupassen, schlägt die Erfindung gemäß einem Aspekt eine Batteriezelle umfassend eine elektrochemische Einheit und ein Gehäuse zum Aufnehmen der elektrochemischen Einheit vor. Dabei ist die Batteriezelle als Feststoffzelle (kurz für Feststoff-Batteriezelle oder Festkörper-Akkumulator) ausgebildet. Das Gehäuse umfasst zumindest ein Ausdehnungselement, welches ausgebildet ist, sich und somit das Gehäuse, in Abhängigkeit von einem Ladungszustand der elektrochemischen Einheit auszudehnen. Das Ausdehnungselement ist somit Bestandteil des Gehäuses und kann sich beim Atmen der elektrochemischen Einheit, was zum Beispiel durch Laden und Entladen vorkommt, ausweiten oder vergrößern. Anders ausgedrückt, kann das Ausdehnungselement mehrere Gehäuseteile insbesondere stoffschlüssig miteinander verbinden. Das Ausdehnungselement ist dabei dehnbar oder flexibel oder elastisch ausgebildet. Somit ist auch das Gehäuse durch das Ausdehnungselement flexibel ausgestaltet. Beim Ausdehnen kann sich die Oberfläche des Gehäuses vergrößern.In order to adapt the housing to solid technology, the invention proposes, according to one aspect, a battery cell comprising an electrochemical unit and a housing for accommodating the electrochemical unit. The battery cell is designed as a solid cell (short for solid battery cell or solid-state accumulator). The housing comprises at least one expansion element which is designed to expand itself and thus the housing depending on a charge state of the electrochemical unit. The expansion element is thus part of the housing and can expand or enlarge when the electrochemical unit breathes, which occurs, for example, when charging and discharging. In other words, the expansion element can connect several housing parts to one another, in particular in a materially bonded manner. The expansion element is designed to be stretchable or flexible or elastic. The housing is thus also designed to be flexible thanks to the expansion element. When expanding, the surface of the housing can increase.

Das zumindest eine Ausdehnungselement erstreckt sich dabei senkrecht zu einer jeweils vorbekannten, von dem Ladungszustand abhängigen Hauptausdehnungsrichtung der elektrochemischen Einheit umlaufend um das Gehäuse. Eine Umlaufrichtung, in der sich das Ausdehnungselement um das Gehäuse herum erstreckt oder an dem Gehäuse angeordnet ist, verläuft somit senkrecht zu einer zugeordneten Hauptausdehnungsrichtung, in die sich die elektrochemische Einheit beim Laden und Entladen ausdehnt. Somit ist das Ausdehnungselement ausgebildet, beim Ausdehnen der elektrochemischen Einheit in die jeweilige Hauptausdehnungsrichtung eine homogene Ausdehnung des Gehäuses zu ermöglichen.The at least one expansion element extends perpendicularly to a respective known main expansion direction of the electrochemical unit, which depends on the charge state, all the way around the housing. A circumferential direction in which the expansion element extends around the housing or is arranged on the housing thus runs perpendicular to an associated main expansion direction in which the electrochemical unit expands during charging and discharging. The expansion element is thus designed to enable a homogeneous expansion of the housing when the electrochemical unit expands in the respective main expansion direction.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zellatmung, wie sie von Feststoffzellen bekannt ist, von dem Gehäuse aufgenommen werden kann. Insbesondere kann sich das Gehäuse so homogen, also gleichmäßig ausdehnen und dem ladezustandsabhängigen Ausdehnen der Feststoffzelle folgen. Dadurch kann vermieden werden, dass die Feststoffzelle an bestimmten Bereichen eingequetscht wird. Insgesamt wird somit ein verbessertes, verschleißarmes Gehäuse für eine Feststoffzelle bereitgestellt.This has the advantage that the cell respiration, as is known from solid-state cells, can be absorbed by the housing. In particular, the housing can expand homogeneously and evenly and follow the expansion of the solid-state cell depending on the state of charge. This can prevent the solid-state cell from being squeezed in certain areas. Overall, this provides an improved, low-wear housing for a solid-state cell.

Das Ausdehnungselement verläuft umlaufend um das Gehäuse herum. Umlaufend bedeutet hier, dass das Ausdehnungselement entlang von Gehäusewänden des Gehäuses einmal vollständig herum verläuft. Das heißt, alle Seiten oder Wänden des Gehäuses, die senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung liegen, umfassen zumindest einen Teil des Ausdehnungselements. In die Hauptausdehnungsrichtung ist somit die Ausdehnung des Gehäuses nach Art einer Ziehharmonika möglich. Mit einer homogenen Ausdehnung ist vorliegend insbesondere eine im Wesentlichen gleichmäßige Ausdehnung gemeint. Das heißt vorzugsweise, alle Seiten des Gehäuses werden bei der Ausdehnung um dieselbe Strecke ausgedehnt oder vergrößert.The expansion element runs all the way around the housing. Here, all the way around means that the expansion element runs completely along the housing walls. This means that all sides or walls of the housing that are perpendicular to the main expansion direction encompass at least part of the expansion element. In the main expansion direction, the housing can therefore expand in the manner of an accordion. In this case, a homogeneous expansion means in particular an essentially uniform expansion. This means that preferably all sides of the housing are expanded or enlarged by the same distance during the expansion.

Wie eingangs erwähnt, ist mit einer Feststoffzelle eine Batteriezelle gemeint, die ein Festelektrolyt statt einer Flüssigkeit als Elektrolyten umfasst. Ein Festelektrolyt kann aus einem anorganischen kristallinen Material oder aus einem festen Polymer oder einer Kombination davon bestehen. Beispiele für heute bekannte Festelektrolytmaterialien sind unter anderem Lithium-Aluminium, Titanphosphat oder Lithium-Germanium-Phosphorschwefel-Sulfid. Natürlich sind auch andere Elektrolytzusammensetzungen für den Festelektrolyten denkbar.As mentioned at the beginning, a solid cell is a battery cell that contains a solid electrolyte instead of a liquid as an electrolyte. A solid electrolyte can consist of an inorganic crystalline material or a solid polymer or a combination thereof. Examples of solid electrolyte materials known today include lithium aluminum, titanium phosphate or lithium germanium phosphorus sulfide. Of course, other electrolyte compositions for the solid electrolyte are also conceivable.

Die Hauptausdehnungsrichtung meint vorliegend insbesondere eine Richtung, in der die Batteriezelle, insbesondere die elektrochemische Einheit, eine maximale Ausdehnung abhängig vom Ladezustand erfährt. Die Hauptausdehnungsrichtung hängt insbesondere davon ab, wie die elektrochemische Einheit zusammengesetzt ist. Zum Beispiel kann die Hauptausdehnungsrichtung von einer Stapelrichtung der Elektroden oder einer Wicklung der Elektroden zu einem so genannten Wickel abhängen. Üblicherweise ist der Aufbau einer Batteriezelle so gewählt, dass die Hauptausdehnungsrichtung sich parallel zu den Seiten des Gehäuses erstreckt, an denen die Batteriepole ausgeführt sind, die als Schnittstelle zur Kontaktierung der Kathode und der Anode dienen.The main expansion direction here means in particular a direction in which the battery cell, in particular the electrochemical unit, experiences a maximum expansion depending on the state of charge. The main expansion direction depends in particular on how the electrochemical unit is composed. For example, the main expansion direction can depend on a stacking direction of the electrodes or a winding of the electrodes to form a so-called coil. The structure of a battery cell is usually selected such that the main expansion direction extends parallel to the sides of the housing on which the battery poles are designed, which are designed as Interface for contacting the cathode and the anode.

Die Batteriezelle ist vorliegend vorzugsweise eine geschlossene Zelle. Das heißt, das Gehäuse kann die galvanische Einheit vollständig umhüllen oder umschließen. Insbesondere kann die Batteriezelle als so genannte prismatische Batteriezelle oder Pouchzelle oder Rundzelle ausgebildet sein. Das heißt, die geometrische Form der Batteriezelle kann der Form eines Quaders oder einer Tasche oder eines Zylinders entsprechen. Insgesamt kann das Gehäuse somit senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung wenigstens zwei Seiten beziehungsweise zwei Kanten umfassen, die die Seiten des Gehäuses voneinander abtrennen.In the present case, the battery cell is preferably a closed cell. This means that the housing can completely enclose or surround the galvanic unit. In particular, the battery cell can be designed as a so-called prismatic battery cell or pouch cell or round cell. This means that the geometric shape of the battery cell can correspond to the shape of a cuboid or a pocket or a cylinder. Overall, the housing can thus comprise at least two sides or two edges perpendicular to the main direction of extension, which separate the sides of the housing from one another.

Die elektrochemische Einheit kann vorzugsweise direkt in das Gehäuse eingepasst sein. Das heißt, das Gehäuse, insbesondere dessen Gehäusewände können die elektrochemische Einheit zumindest in Hauptausdehnungsrichtung, bevorzugt von allen Seiten anliegend kontaktieren. Die Ausdehnung des Gehäuses hängt somit unmittelbar mit der Ausdehnung der elektrochemischen Einheit, also deren Ladezustand zusammen. Das heißt, die Ausdehnung der elektrochemischen Einheit bewirkt insbesondere unmittelbar eine Ausdehnung des Gehäuses.The electrochemical unit can preferably be fitted directly into the housing. This means that the housing, in particular its housing walls, can contact the electrochemical unit at least in the main direction of expansion, preferably from all sides. The expansion of the housing is therefore directly related to the expansion of the electrochemical unit, i.e. its state of charge. This means that the expansion of the electrochemical unit directly causes an expansion of the housing.

Mit „Ausdehnen“ ist vorliegend besonders bevorzugt ein Vergrößern und Verkleinern der Oberfläche oder des Volumens oder einer Seitenlänge gemeint. Vorzugsweise ist das Ausdehnelement somit reversibel ausdehnbar. Das bedeutet, dass das Ausdehnelement sowohl das Ausdehnen als auch das Zusammenziehen der elektrochemischen Einheit beim Atmen nachbilden kann. Dazu eignet sich insbesondere ein Ausdehnungselement aus einem elastischen Material.In the present case, "expansion" particularly preferably means an increase or decrease in the surface area or volume or a side length. The expansion element is therefore preferably reversibly expandable. This means that the expansion element can simulate both the expansion and the contraction of the electrochemical unit when breathing. An expansion element made of an elastic material is particularly suitable for this purpose.

Beim Ausdehnen kann die Batteriezelle insbesondere zwischen zumindest zwei Zuständen, nämlich einem (vollständig) ausgedehnten und einem (vollständig) unausgedehnten Zustand und umgekehrt wechseln. Der unausgedehnte Zustand kann ein Zustand sein, in dem die Batteriezelle vollständig entladen, also eine gespeicherte Energiemenge oder Kapazität von im Wesentlichen 0 Prozent aufweist. Der ausgedehnte Zustand kann ein Zustand sein, in dem die Batteriezellen vollständig geladen, also eine gespeicherte Energiemenge oder Kapazität von im Wesentlichen 100 Prozent aufweisen. Natürlich sind auch verschiedene Zwischenzustände vorzugsweise stufenlos zwischen den beiden Zuständen möglich.When expanding, the battery cell can in particular switch between at least two states, namely a (fully) expanded and a (fully) unexpanded state and vice versa. The unexpanded state can be a state in which the battery cell is completely discharged, i.e. has a stored energy quantity or capacity of essentially 0 percent. The expanded state can be a state in which the battery cells are completely charged, i.e. have a stored energy quantity or capacity of essentially 100 percent. Of course, various intermediate states are also possible, preferably continuously between the two states.

Mit dem ausgedehnten Zustand ist vorliegend eine Volumenvergrößerung gemeint, die das Gehäuse gerade noch aufnehmen kann, ohne dass es zu einer Beanspruchung oder zu Defekten im Material des Gehäuses kommt. Der ausgedehnte Zustand beschreibt somit die Ausdehnungsgrenze für das Ausdehnungselement. Im Vergleich dazu beschreibt der unausgedehnte Zustand sozusagen einen Ruhezustand des Ausdehnungselements.In this case, the expanded state means an increase in volume that the housing can just about accommodate without causing stress or defects in the housing material. The expanded state therefore describes the expansion limit for the expansion element. In comparison, the unexpanded state describes a resting state of the expansion element, so to speak.

Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes embodiments which provide additional advantages.

Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Ausdehnungselement ausgebildet, in einem vollständig ausgedehnten oder expandierten Zustand in der Seitenlänge des Gehäuses entlang der Hauptausdehnungsrichtung im Vergleich zu einem unausgedehnten Zustand oder Ruhezustand um 15 Prozent, insbesondere um 20 Prozent, vorzugsweise um 25 Prozent zu vergrößern.According to one embodiment, the at least one expansion element is designed to increase in a fully extended or expanded state in the side length of the housing along the main extension direction by 15 percent, in particular by 20 percent, preferably by 25 percent compared to an unexpanded state or rest state.

Bei Dimensionen, wie sie für heutige Feststoffzellen bekannt sind, ergibt sich somit eine Größenänderung im Bereich von einigen Zentimetern, zum Beispiel im Bereich von 2 bis 5 cm. So kann der notwendige Platz, den eine Feststoffzelle im Gehäuse benötigt, bereitgestellt werden.With dimensions such as those known for today's solid-state cells, this results in a change in size in the range of a few centimeters, for example in the range of 2 to 5 cm. This makes it possible to provide the necessary space that a solid-state cell requires in the housing.

Gemäß einer Ausführungsform weist das zumindest eine Ausdehnungselement einen Faltbereich auf. Dabei ist der Faltbereich in einem unausgedehnten Zustand des Ausdehnungselements gefaltet an dem Gehäuse angeordnet. In einem ausgedehnten Zustand des Ausdehnungselements ist der Faltbereich entfaltet an dem Gehäuse angeordnet. Das heißt, das Ausdehnungselement kann durch einen Materialüberschuss des Gehäuses gebildet sein. Dieser kann sich wie der Balg einer Ziehharmonika abhängig von dem Ladezustand falten oder entfalten. Bevorzugt kann das Ausdehnungselement nach Art eines Faltenbalgs ausgebildet sein. Eine Form, in welcher das Ausdehnungselement in dem Faltbereich gefaltet ist, kann frei wählbar sein. Beispiele für verschiedene Formen sind unter anderem eine Sägezahnform, eine Dreiecksform, eine Schlangenform, eine U-Form und/oder Kombinationen hiervon oder eine andere beliebige geometrische Form.According to one embodiment, the at least one expansion element has a folding region. In an unexpanded state of the expansion element, the folding region is arranged folded on the housing. In an expanded state of the expansion element, the folding region is arranged unfolded on the housing. This means that the expansion element can be formed by excess material from the housing. This can fold or unfold like the bellows of an accordion depending on the state of charge. The expansion element can preferably be designed in the manner of a bellows. A shape in which the expansion element is folded in the folding region can be freely selected. Examples of different shapes include a sawtooth shape, a triangular shape, a snake shape, a U-shape and/or combinations thereof or any other geometric shape.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das zumindest eine Ausdehnungselement mehrere Segmente. Diese sind entlang der Hauptausdehnungsrichtung das Gehäuse umlaufend versetzt zueinander angeordnet. Anders ausgedrückt, können jeweils zwei der Segmente entlang der Hauptausdehnungsrichtung, also senkrecht zur Umlaufrichtung zueinander verschoben positioniert sein. Die Enden der Segmente brauchen sich somit nicht berühren. Ein Umlauf des Ausdehnungselements senkrecht zur Umlaufrichtung ist folglich unterbrochen. Das heißt, die Segmente brauchen nicht unmittelbar miteinander verbunden oder kontaktiert sein. Je Seite des Gehäuses kann zum Beispiel genau ein Segment vorgesehen sein. Durch den Versatz können die Segmente entlang der Hauptausdehnungsrichtung an unterschiedlichen Positionen an jeder Seite angeordnet sein.According to one embodiment, the at least one expansion element comprises several segments. These are arranged offset from one another along the main expansion direction around the housing. In other words, two of the segments can be positioned offset from one another along the main expansion direction, i.e. perpendicular to the direction of rotation. The ends of the segments therefore do not need to touch one another. A rotation of the expansion element perpendicular to the direction of rotation is therefore interrupted. This means that the segments do not need to be directly connected or contacted with one another. For example, exactly one segment can be provided on each side of the housing. The offset allows the segments to be arranged at different positions on each side along the main expansion direction.

Im Gegensatz dazu ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Ausdehnungselement einteilig ausgebildet ist und sich ununterbrochen umlaufend um das Gehäuse herum erstreckt. Das heißt, das Ausdehnungselement verläuft am Stück entlang des Gehäuses. Eine Segmentierung erfolgt vorzugsweise nicht.In contrast, according to one embodiment, the expansion element is designed as a single piece and extends continuously around the housing. This means that the expansion element runs in one piece along the housing. Segmentation is preferably not carried out.

Gemäß einer Ausführungsform sind das zumindest eine Ausdehnungselement und das Gehäuse einstückig aus demselben Material gefertigt. Das Ausdehnungselement kann somit integraler Bestandteil des Gehäuses sein. Das Ausdehnungselement kann beispielsweise durch Biegen oder Falten eines Teils des Gehäuses gebildet werden. Das Gehäuse kann zum Beispiel als Tiefziehkörper aus Aluminium ausgebildet sein. Das Ausdehnungselement kann dabei plastisch ausgebildet sein. Das Ausdehnen ist somit irreversibel, insbesondere nicht selbstständig rückstellbar zumindest ohne externe Krafteinwirkung.According to one embodiment, the at least one expansion element and the housing are made in one piece from the same material. The expansion element can thus be an integral part of the housing. The expansion element can be formed, for example, by bending or folding a part of the housing. The housing can, for example, be designed as a deep-drawn body made of aluminum. The expansion element can be plastic. The expansion is therefore irreversible, in particular cannot be reversed independently, at least without the application of external force.

Im Gegensatz dazu ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Ausdehnungselement aus einem Material mit einem geringeren Elastizitätsmodul als einem Material des Gehäuses ausgebildet ist. Das heißt, das Ausdehnungselement ist elastischer als das Material des übrigen Gehäuses. Das Ausdehnungselement kann somit nachträglich mit dem übrigen Gehäuse verbunden werden. Zum Verbinden kann das Ausdehnungselement zum Beispiel angeklebt, verschweißt oder verlötet werden. Alternativ kann zum Beispiel ein Fügeverfahren angewendet werden, um das Ausdehnungselement an dem übrigen Gehäuse anzubringen.In contrast, according to one embodiment, the expansion element is made of a material with a lower modulus of elasticity than a material of the housing. This means that the expansion element is more elastic than the material of the rest of the housing. The expansion element can thus be subsequently connected to the rest of the housing. For connection, the expansion element can be glued, welded or soldered, for example. Alternatively, a joining process can be used, for example, to attach the expansion element to the rest of the housing.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse zwei Ausdehnungselemente. Ein erstes der Ausdehnungselemente erstreckt sich dabei umlaufend um das Gehäuse senkrecht zu einer ersten Hauptausdehnungsrichtung der elektrochemischen Einheit. Ein zweites der Ausdehnungselemente erstreckt sich umlaufend um das Gehäuse senkrecht zu einer von der ersten unterschiedlichen zweiten Hauptausdehnungsrichtung der elektrochemischen Einheit. According to one embodiment, the housing comprises two expansion elements. A first of the expansion elements extends circumferentially around the housing perpendicular to a first main expansion direction of the electrochemical unit. A second of the expansion elements extends circumferentially around the housing perpendicular to a second main expansion direction of the electrochemical unit that is different from the first.

Somit kann ein Gehäuse realisiert werden, welches sich in Abhängigkeit von dem Ladezustand in mehrere Richtungen, vorzugsweise in einer Ebene, ausdehnen kann. Die erste und zweite Hauptausdehnungsrichtung können zum Beispiel in einer Ebene senkrecht zueinander ausgerichtet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Ebene um eine Ebene, die parallel zu der Seite verläuft, an der die Batteriepole ausgeführt sind.In this way, a housing can be realized which can expand in several directions, preferably in a plane, depending on the state of charge. The first and second main expansion directions can, for example, be aligned perpendicular to one another in a plane. The plane is preferably a plane that runs parallel to the side on which the battery poles are located.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Batteriemodul mit wenigstens zwei Batteriezellen, wie sie zuvor beschrieben worden sind. Vorzugsweise umfasst das Batteriemodul mehr als zwei, insbesondere fünf oder zehn Batteriezellen. Das Batteriemodul kann auch als Batteriepack bezeichnet werden. Das Batteriemodul umfasst außerdem ein Modulgehäuse, in dem die wenigstens zwei Batteriezellen in einer vorgegebenen Stapelrichtung nebeneinander angeordnet sind. Das heißt, das Modulgehäuse nimmt die wenigstens zwei Batteriezellen auf.According to one aspect, the invention also relates to a battery module with at least two battery cells, as described above. The battery module preferably comprises more than two, in particular five or ten battery cells. The battery module can also be referred to as a battery pack. The battery module also comprises a module housing in which the at least two battery cells are arranged next to one another in a predetermined stacking direction. This means that the module housing accommodates the at least two battery cells.

Um die zuvor beschriebene Ausdehnung der jeweiligen elektrochemischen Einheit der Batteriezellen zu realisieren, ist das Modulgehäuse analog zu dem Gehäuse der jeweiligen Batteriezelle ausgebildet. Das heißt, das Modulgehäuse umfasst zumindest ein Modulausdehnungselement, welches ausgebildet ist, sich und somit das Modulgehäuse, in Abhängigkeit von dem Ladezustand der elektrochemischen Einheit der wenigstens zwei Batteriezellen auszudehnen. Das zumindest eine Modulausdehnungselement erstreckt sich dabei senkrecht zu einer jeweils vorbekannten, von dem Ladezustand abhängigen Hauptausdehnungsrichtung der elektrochemischen Einheit umlaufend um das Modulgehäuse. Somit ist das Ausdehnungselement ausgebildet, beim Ausdehnen der elektrochemischen Einheiten in die jeweilige Hauptausdehnungsrichtung eine homogene Ausdehnung des Modulgehäuses zu ermöglichen.In order to realize the previously described expansion of the respective electrochemical unit of the battery cells, the module housing is designed analogously to the housing of the respective battery cell. This means that the module housing comprises at least one module expansion element which is designed to expand itself and thus the module housing depending on the state of charge of the electrochemical unit of the at least two battery cells. The at least one module expansion element extends perpendicularly to a respective known main expansion direction of the electrochemical unit, which depends on the state of charge, all the way around the module housing. The expansion element is thus designed to enable a homogeneous expansion of the module housing when the electrochemical units expand in the respective main expansion direction.

In Bezug auf die Ausgestaltungen des Modulgehäuses und des Batteriemoduls sowie des Modulausdehnungselements wird auf das zur Batteriezelle Gesagte verwiesen.With regard to the designs of the module housing and the battery module as well as the module expansion element, reference is made to what has been said about the battery cell.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriemodul, wie es zuvor beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug ein Elektrofahrzeug oder ein HybridFahrzeug sein, welches das Batteriemodul zur elektrischen Energieversorgung zum Beispiel für einen Antrieb des Kraftfahrzeugs nutzt. Dabei kann das Batteriemodul zum Beispiel als Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie oder als Starterbatterie für das Kraftfahrzeug eingesetzt werden oder ein Teil der Antriebsbatterie sein.According to one aspect, the invention also relates to a motor vehicle with a battery module as described above. The motor vehicle is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck or as a passenger bus or motorcycle. In particular, the motor vehicle can be an electric vehicle or a hybrid vehicle which uses the battery module to supply electrical energy, for example for driving the motor vehicle. The battery module can be used, for example, as a drive battery or traction battery or as a starter battery for the motor vehicle or can be part of the drive battery.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits in Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Batteriemoduls und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the battery module according to the invention and of the motor vehicle according to the invention, which have features as already described in connection with the further developments of the battery module according to the invention. Battery cell have been described. For this reason, the corresponding developments of the battery module according to the invention and the motor vehicle according to the invention are not described again here.

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.The invention also includes combinations of the features of the described embodiments. The invention therefore also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, provided that the embodiments have not been described as mutually exclusive.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle mit einem Ausdehnungselement gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 eine schematische Darstellung für verschiedene beispielhafte Formen für das Ausdehnungselement.

Exemplary embodiments of the invention are described below.

1 a schematic representation of a battery cell with an expansion element according to an embodiment; and
2 a schematic representation of various exemplary shapes for the expansion element.

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.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the components of the embodiments described each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and which also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure should also include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by other features of the invention already described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, identical reference symbols designate functionally identical elements.

1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Batteriezelle 1. Die Batteriezelle 1 ist ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher. Die Batteriezelle 1 kann somit auch als Akkumulator bezeichnet werden. Die Batteriezelle 1 umfasst eine elektrochemische Einheit 2 und ein Gehäuse 6 zum Aufnehmen der elektrochemischen Einheit 2. Wie in 1 gezeigt, ist die elektrochemische Einheit 2 dazu vollständig von dem Gehäuse 6 umhüllt oder eingeschlossen. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a battery cell 1. The battery cell 1 is a rechargeable electrochemical energy storage device. The battery cell 1 can therefore also be referred to as an accumulator. The battery cell 1 comprises an electrochemical unit 2 and a housing 6 for accommodating the electrochemical unit 2. As in 1 As shown, the electrochemical unit 2 is completely enclosed or surrounded by the housing 6.

In 1 ist beispielhaft eine sogenannte prismatische Zelle als die Batteriezelle 1 dargestellt. Das heißt, die Batteriezelle 1 weist eine Quaderform oder Rechteckform auf. Insgesamt weist die Batteriezelle 1 sechs Seiten auf. In der perspektivischen Darstellung der Batteriezelle 1 in 1 sind eine Vorderseite 6a, eine rechte Seite 6b und eine Oberseite 6c sichtbar. Die übrigen drei Seiten sind eine der Vorderseite 6a gegenüberliegende Rückseite, eine der rechten Seite 6b gegenüberliegende linke Seite und eine der Oberseite 6c gegenüberliegende Unterseite. Natürlich sind auch andere geometrische Formen für die Batteriezelle 1, wie sie an sich bekannt sind, denkbar. Zum Beispiel kann die Batteriezelle 1 als Pouchzelle (taschen- oder beutelförmig) oder als zylindrische Zelle ausgebildet sein.In 1 A so-called prismatic cell is shown as the battery cell 1 by way of example. This means that the battery cell 1 has a cuboid or rectangular shape. In total, the battery cell 1 has six sides. In the perspective view of the battery cell 1 in 1 a front side 6a, a right side 6b and a top side 6c are visible. The remaining three sides are a back opposite the front side 6a, a left side opposite the right side 6b and a bottom opposite the top side 6c. Of course, other geometric shapes for the battery cell 1, as are known per se, are also conceivable. For example, the battery cell 1 can be designed as a pouch cell (bag-shaped or pouch-shaped) or as a cylindrical cell.

Die elektrochemische Einheit 2 ist der elektrochemisch aktive Teil der Batteriezelle 1. Das heißt, die elektrochemische Einheit 2 gibt die Zellchemie vor und kann zum Speichern oder Bereitstellen von elektrischer Energie in an sich bekannter Weise elektrische in chemische Energieumwandeln und umgekehrt. Vorliegend ist die Batteriezelle 1 als Feststoff-Batteriezelle oder Feststoffzelle ausgebildet. Das heißt, die elektrochemische Einheit weist keine flüssigen Bestandteile auf. Insbesondere ein Elektrolyt der elektrochemischen Einheit 2 ist als Festkörper ausgebildet.The electrochemical unit 2 is the electrochemically active part of the battery cell 1. This means that the electrochemical unit 2 determines the cell chemistry and can convert electrical energy into chemical energy and vice versa in a manner known per se in order to store or provide electrical energy. In the present case, the battery cell 1 is designed as a solid battery cell or solid cell. This means that the electrochemical unit has no liquid components. In particular, an electrolyte of the electrochemical unit 2 is designed as a solid body.

1 zeigt beispielhaft, die Komponenten oder Bestandteilen aus denen die elektrochemische Einheit 2 aufgebaut sein kann. Zum einen umfasst die elektrochemische Einheit 2 eine Anode 3 und eine Kathode 4. Die Anode 3 und Kathode 4 bilden die Elektroden der elektrochemischen Einheit 2. Die Anode 3 und Kathode 4 können zum Beispiel als Folien oder Platten aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. Hierzu eignen sich besonders Metalle zum Beispiel auf Basis von Lithium. Die Anode 3 kann zum Beispiel aus Lithiumtitanphosphat bestehen, während die Kathode zum Beispiel als Lithiumvanadiumphosphat besteht, um hier nur ein Beispiel zu nennen. Zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 ist ein Festkörperelektrolyt 5 angeordnet. Der Festkörperelektrolyt 5 ist aus einem Feststoff, wie zum Beispiel aus einem anorganischen kristallinen Material oder einem festen Polymer oder einer Kombination davon, gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Festkörperelektrolyt zum Beispiel aus Lithiumaluminiumtitanphosphat gebildet sein. 1 shows, by way of example, the components or parts from which the electrochemical unit 2 can be constructed. Firstly, the electrochemical unit 2 comprises an anode 3 and a cathode 4. The anode 3 and cathode 4 form the electrodes of the electrochemical unit 2. The anode 3 and cathode 4 can, for example, be designed as foils or plates made of an electrically conductive material. Metals, for example based on lithium, are particularly suitable for this. The anode 3 can, for example, consist of lithium titanium phosphate, while the cathode consists of lithium vanadium phosphate, for example, to name just one example. A solid electrolyte 5 is arranged between the anode 3 and the cathode 4. The solid electrolyte 5 is formed from a solid, such as an inorganic crystalline material or a solid polymer or a combination thereof. In the present exemplary embodiment, the solid electrolyte can, for example, be formed from lithium aluminum titanium phosphate.

Wie in 1 gezeigt, sind die Anode 3, die Kathode 4 und der Festkörperelektrolyt 5 gestapelt, also in einer Sandwich-Bauweise nebeneinander oder benachbart angeordnet. Anders als in der Darstellung in 1 kann die elektrochemische Einheit 2 zum Beispiel aus mehreren solchen Stapeln aus Anode 3, Kathode 4 und Festkörperelektrolyt 5 zusammengesetzt sein. Eine alternative Bauform kann ein sogenannter Zellwickel sein, bei dem die Bauteile der elektrochemischen Einheit 2 aufgerollt sind.As in 1 As shown, the anode 3, the cathode 4 and the solid electrolyte 5 are stacked, i.e. arranged next to each other or adjacent to each other in a sandwich construction. Unlike in the illustration in 1 The electrochemical unit 2 can, for example, be composed of several such stacks of anode 3, cathode 4 and solid electrolyte 5. An alternative design can be a so-called cell coil, in which the components of the electrochemical unit 2 are rolled up.

Das Gehäuse 6 kann zum Beispiel aus einem Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumverbindung hergestellt sein. An dem Gehäuse sind an der Oberseite 6c zwei Batteriepole, nämlich ein Minus-Pol 7 und ein Plus-Pol 8 ausgeführt. Die Batteriepole 7, 8 können auch als elektrischer Anschluss oder elektrischer Kontakt für die Batteriezelle 1. Das heißt, über die Batteriepole 7, 8 kann die Batteriezelle 1 zur elektrischen Energieversorgung an einen Verbraucher oder zum Beispiel mit anderen gleichartigen Batteriezellen zusammengeschlossen werden. Der Minus-Pol 7 ist mit der Anode 3 der elektrochemischen Einheit elektrisch verbunden. Der Plus-Pol 8 ist mit der Kathode 4 der elektrochemischen Einheit 2 verbunden. An den Batteriepolen 7, 8 ist eine Zellspannung der Batteriezelle 1 abgreifbar. Das heißt, über die Batteriepole 7, 8 kann die Batteriezelle 1, insbesondere die elektrochemische Einheit 2, mit elektrischer Energie versorgt, also geladen werden oder elektrische Energie bereitstellen, also entladen werden.The housing 6 can be made, for example, from a metal such as aluminum or an aluminum compound. Two battery poles, namely a negative pole 7 and a positive pole 8, are designed on the top side 6c of the housing. The battery poles 7, 8 can also be used as an electrical connection or electrical contact for the battery cell 1. This means that the battery cell 1 can be connected via the battery poles 7, 8 to supply electrical energy to a consumer or, for example, to other similar battery cells. The negative pole 7 is electrically connected to the anode 3 of the electrochemical unit. The positive pole 8 is connected to the cathode 4 of the electrochemical unit 2. A cell voltage of the battery cell 1 can be tapped at the battery poles 7, 8. This means that the battery cell 1, in particular the electrochemical unit 2, can be supplied with electrical energy, i.e. charged, or can provide electrical energy, i.e. discharged, via the battery poles 7, 8.

Bei Feststoffzellen tritt beim Laden oder Entladen der Effekt der sogenannten Zellatmung auf. Damit ist gemeint, dass sich ein Volumen der elektrochemischen Einheit 2 abhängig vom Ladezustand, also der gespeicherten oder aufgenommenen Menge an Energie, verändert. Insbesondere vergrößert sich das Zellvolumen, wenn die Zelle geladen ist oder geladen wird und das Zellvolumen verkleinert sich, wenn die Zelle entladen ist oder entladen wird.In solid-state cells, the effect of so-called cellular respiration occurs when charging or discharging. This means that the volume of the electrochemical unit 2 changes depending on the state of charge, i.e. the amount of energy stored or absorbed. In particular, the cell volume increases when the cell is charged or is being charged and the cell volume decreases when the cell is discharged or is being discharged.

Das Atmen bei Feststoffzellen erfolgt üblicherweise homogen. Das heißt, die die Volumenänderung erfolgt entlang einer jeweiligen Hauptausdehnungsrichtung R1, R2 gleichmäßig über eine Seiten verteilt. Im Gegensatz dazu bauchen galvanischen Zellen (Batteriezelle mit flüssigem Elektrolyten) aus, wobei in einem mittleren Bereich mehr Volumen zugelegt wird als in einem Randbereich. Das Ausbauchen wird bei galvanischen Zellen als Swelling bezeichnet.Breathing in solid cells is usually homogeneous. This means that the volume change occurs along a respective main expansion direction R1, R2, evenly distributed over one side. In contrast, galvanic cells (battery cells with liquid electrolytes) bulge, with more volume being added in the middle area than in the edge area. In galvanic cells, the bulging is called swelling.

Ein weiterer Unterschied zum Swelling besteht bei der Zellatmung von Feststoffzellen darin, dass die Volumenänderung sehr viel größer ist. Während bei galvanischen Zellen die Volumenänderung im Bereich von 1 bis 2 Prozent liegt, kann die Volumenänderung bei Feststoff-Zellen im Bereich von 10 bis 25 Prozent liegen. Das heißt, im ausgedehnten Zustand kann sich die Seitenlänge der Feststoffzelle im Vergleich zu einem unausgedehnten Zustand oder Ruhezustand um 15 Prozent, insbesondere um 20 Prozent, vorzugsweise um 25 Prozent vergrößern oder verändern. Bei typischen Abmessungen, wie sie Batteriezellen aufweisen, die heutzutage zum Beispiel im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden, kann diese Volumenveränderung einer Längenänderung im Zentimeterbereich, also zum Beispiel zwischen 0,5 und 2,5 cm entsprechen.Another difference to swelling in the cell respiration of solid cells is that the volume change is much greater. While the volume change in galvanic cells is in the range of 1 to 2 percent, the volume change in solid cells can be in the range of 10 to 25 percent. This means that in the expanded state, the side length of the solid cell can increase or change by 15 percent, in particular by 20 percent, preferably by 25 percent compared to an unexpanded state or resting state. With typical dimensions such as those of battery cells used today in the automotive sector, for example, this volume change can correspond to a length change in the centimeter range, for example between 0.5 and 2.5 cm.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beispielhaft zwei Hauptausdehnungsrichtungen R1, R2 für die elektrochemische Einheit 2 dargestellt. Die beiden Hauptausdehnungsrichtungen R1, R2 verlaufen senkrecht zueinander in einer Ebene parallel zu der Oberseite 6c, an der die Batteriepole 7, 8 ausgeführt sind. Eine erste Hauptausdehnungsrichtung R1 verläuft dabei zwischen der Vorderseite 6a und der gegenüberliegenden Rückseite. Eine zweite Hauptausdehnungsrichtung R2 verläuft senkrecht dazu zwischen der rechten Seite 6b und der linken Seite. Wie viele Hauptausdehnungsrichtungen es gibt und wie diese verlaufen ist beispielsweise abhängig von einem Aufbau der elektrochemischen Einheit 2.In the present embodiment according to 1 Two main expansion directions R1, R2 are shown as examples for the electrochemical unit 2. The two main expansion directions R1, R2 run perpendicular to each other in a plane parallel to the top side 6c, on which the battery poles 7, 8 are located. A first main expansion direction R1 runs between the front side 6a and the opposite rear side. A second main expansion direction R2 runs perpendicular to this between the right side 6b and the left side. How many main expansion directions there are and how they run depends, for example, on the structure of the electrochemical unit 2.

1 zeigt die Batteriezelle 1 im unausgedehnten Zustand, also zum Beispiel im Ruhezustand. Dabei weist die Batteriezelle 1 entlang der ersten Hauptausdehnungsrichtung R1 die Länge L1 auf. Befindet sich die elektrochemische Einheit 2 hingegen im ausgedehnten Zustand, also ist entlang der ersten Hauptausdehnungsrichtung R1 ausgedehnt, weist die Batteriezelle 1 die Länge L1' auf. Die Länge L1' kann zum Beispiel der Länge L1 + 20 Prozent entsprechen. Analog dazu weist die Batteriezelle 1 entlang der zweiten Hauptausdehnungsrichtung R2 im unausgedehnten Zustand der elektrochemischen Einheit 2 die Länge L2 auf. Im ausgedehnten Zustand kann die Batteriezelle 1 hingegen die Länge L2` aufweisen. Die Länge L2` kann zum Beispiel der Länge L2 + 20 Prozent entsprechen. 1 shows the battery cell 1 in the unexpanded state, for example in the resting state. The battery cell 1 has the length L1 along the first main expansion direction R1. If, however, the electrochemical unit 2 is in the expanded state, i.e. is expanded along the first main expansion direction R1, the battery cell 1 has the length L1'. The length L1' can, for example, correspond to the length L1 + 20 percent. Similarly, the battery cell 1 has the length L2 along the second main expansion direction R2 in the unexpanded state of the electrochemical unit 2. In the expanded state, however, the battery cell 1 can have the length L2`. The length L2` can, for example, correspond to the length L2 + 20 percent.

Bei mehr als einer Hauptausdehnungsrichtung, können die Längenänderungen der Batteriezelle 1 in die jeweilige Hauptausdehnungsrichtung verschieden voneinander sein. Bei dem in 1 gezeigten Aufbau kann zum Beispiel die Ausdehnung, also die Längenänderung entlang der Hauptausdehnungsrichtung R1 kleiner sein, als die Längenänderung entlang der Hauptausdehnungsrichtung R2 oder umgekehrt. Alternativ zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise eine Ausdehnung und somit eine Volumenveränderung entlang nur einer Hauptausdehnungsrichtungen, hier zum Beispiel R2 oder R1, denkbar.If there is more than one main extension direction, the length changes of the battery cell 1 in the respective main extension direction can be different from each other. 1 For example, in the structure shown, the expansion, i.e. the change in length along the main expansion direction R1, can be smaller than the change in length along the main expansion direction R2 or vice versa. As an alternative to the 1 In the embodiment shown, for example, an expansion and thus a volume change along only one main expansion direction, here for example R2 or R1, is conceivable.

Eine Volumenänderung von 5 Prozent oder mehr kann ein herkömmliches Gehäuse, wie es bisher für galvanische Zellen eingesetzt wird, in der Regel nicht zerstörungsfrei umsetzen. Solche Volumenveränderungen können zum Defekt oder zur Zerstörung des Gehäuses führen. Deshalb ist für Feststoffzellen ein flexibleres Gehäuse sinnvoll. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse 6 für eine Feststoffzelle, welches eine Ausdehnung oder Volumenvergrößerung in diesem Bereich kompensieren kann.A conventional housing, such as that currently used for galvanic cells, cannot usually handle a volume change of 5 percent or more without causing damage. Such volume changes can lead to the housing becoming defective or destroyed. A more flexible housing is therefore advisable for solid-state cells. 1 shows an example of a housing 6 for a solid cell, which can compensate for any expansion or volume increase in this area.

Dazu umfasst das Gehäuse 6 vorliegend beispielhaft zwei Ausdehnungselemente 9, 10. Ein erstes Ausdehnungselement 9 erstreckt sich dabei senkrecht zu der ersten Hauptausdehnungsrichtung R1 umlaufend um das Gehäuse 6. Das heißt, eine Umlaufrichtung U1 des ersten Ausdehnungselements 9 verläuft senkrecht zur ersten Hauptausdehnungsrichtung R1. Ein zweites Ausdehnungselement 10 erstreckt sich senkrecht zur zweiten Hauptausdehnungsrichtung R2 umlaufend um das Gehäuse 6. Das heißt, eine Umlaufrichtung U2 des zweiten Ausdehnungselements 10 verläuft senkrecht zur zweiten Hauptausdehnungsrichtung R2. Mit umlaufend ist hier gemeint, dass das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 einmal vollständig um das Gehäuse herum verläuft. Das heißt, das erste Ausdehnungselement 9 verläuft im vorliegenden Ausführungsbeispiel vollständig entlang der rechten Seite 6b, der Oberseite 6c, der linken Seite und der Unterseite. Analog dazu verläuft das zweite Ausdehnungselement 10 vollständig entlang der Umlaufrichtung U2 entlang der Vorderseite 6a, der Oberseite 6c, der Rückseite und der Unterseite.For this purpose, the housing 6 in the present example comprises two expansion elements 9, 10. A first expansion element 9 extends perpendicular to the first main expansion direction R1, circumferentially around the housing 6. This means that a circumferential direction U1 of the first expansion element 9 runs perpendicular to the first main expansion direction R1. A second expansion element 10 extends perpendicular to the second main expansion direction R2, circumferentially around the housing 6. This means that a circumferential direction U2 of the second expansion element 10 runs perpendicular to the second main expansion direction R2. By circumferentially is meant here that the respective expansion element 9, 10 runs completely around the housing once. This means that in the present embodiment, the first expansion element 9 runs completely along the right side 6b, the top side 6c, the left side and the bottom. Analogously, the second expansion element 10 extends completely along the circumferential direction U2 along the front side 6a, the top side 6c, the back side and the bottom side.

Wie in 1 beispielhaft dargestellt, ist das erste Ausdehnungselement 9 in mehrere Segmente unterteilt oder aufgeteilt. In 1 ist an der Oberseite 6c zum Beispiel ein Segment 9a sichtbar, während an der rechten Seite 6b ein Segment 9b sichtbar ist. Die Unterseite und linke Seite können natürlich ebenfalls ein entsprechendes Segment umfassen. Dabei sind die Segmente 9a, 9b in ihrem Verlauf entlang der Hauptausdehnungsrichtung R1 senkrecht versetzt zueinander am Gehäuse 6 umlaufend angeordnet. In 1 ist dieser Versatz besonders gut an der Kante zwischen rechter Seite 6b und Oberseite 6c zu sehen. Das Segment 9b endet oder mündet an einem Ende an der Kante und auch das Segment 9a endet oder mündet mit seinem Ende an der Kante. Entlang der Kante ist das Segment 9b jedoch zur Rückseite der Batteriezelle 1 verschoben, während das Segment 9a relativ dazu in Richtung der Vorderseite verschoben ist.As in 1 As shown by way of example, the first expansion element 9 is divided or split into several segments. In 1 For example, a segment 9a is visible on the top side 6c, while a segment 9b is visible on the right side 6b. The bottom and left side can of course also include a corresponding segment. The segments 9a, 9b are arranged vertically offset from one another along the main extension direction R1 on the housing 6. In 1 This offset is particularly clearly visible at the edge between the right side 6b and the top side 6c. The segment 9b ends or flows at one end at the edge and the segment 9a also ends or flows at its end at the edge. Along the edge, however, the segment 9b is shifted towards the rear of the battery cell 1, while the segment 9a is shifted relative to it towards the front.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann somit beispielhaft auf jeder Seite der Batteriezelle 1 genau ein Segment des Ausdehnungselements 9 zugeordnet sein. Alternativ ist natürlich auch denkbar, dass jede Seite zum Beispiel mehrere, also zwei oder mehr solcher versetzter Segmente 9a, 9b umfasst. Die Segmente 9a, 9b sind somit an der Kante nicht unmittelbar miteinander verbunden. Der Umlauf des Ausdehnungselements 9 ist somit entlang der ersten Hauptausdehnungsrichtung R1, aber nicht entlang der Umlaufrichtung U1 unterbrochen.In the present exemplary embodiment, for example, exactly one segment of the expansion element 9 can be assigned to each side of the battery cell 1. Alternatively, it is of course also conceivable that each side comprises, for example, several, i.e. two or more such offset segments 9a, 9b. The segments 9a, 9b are therefore not directly connected to one another at the edge. The circulation of the expansion element 9 is thus interrupted along the first main expansion direction R1, but not along the circulation direction U1.

Im Gegensatz dazu ist das zweite Hauptausdehnungselement 10 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet. Das heißt, das Ausdehnungselement 10 erstreckt sich ununterbrochen oder am Stück umlaufend um das Gehäuse 6 herum.In contrast, the second main expansion element 10 in the present embodiment is formed in one piece. This means that the expansion element 10 extends continuously or in one piece around the housing 6.

Die Ausdehnungselemente 9, 10 können zum Beispiel integraler Bestandteil des Gehäuses 6 sein. Das heißt, die Ausdehnungselemente 9, 10 können zum Beispiel einstückig aus demselben Material gefertigt sein, wie das Gehäuse, hier zum Beispiel aus Aluminium. Alternativ können die Ausdehnungselemente 9, 10 aus einem Material mit einem geringeren Elastizitätsmodul als das Material des Gehäuses 6 gebildet sein. Hierbei eignet sich zum Beispiel ein Kunststoff mit elastischen Eigenschaften, ein Elastomer oder insbesondere ein thermoplastisches Elastomer. Das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 kann in der Herstellung dabei nachträglich mit dem Rest des Gehäuses 6 verbunden werden. Das kann zum Beispiel durch einen Fügeprozess, durch Kleben, Verschweißen oder Verlöten erfolgen.The expansion elements 9, 10 can, for example, be an integral part of the housing 6. This means that the expansion elements 9, 10 can, for example, be made in one piece from the same material as the housing, here for example from aluminum. Alternatively, the expansion elements 9, 10 can be made from a material with a lower modulus of elasticity than the material of the housing 6. A plastic with elastic properties, an elastomer or, in particular, a thermoplastic elastomer is suitable for this. The respective expansion element 9, 10 can be subsequently connected to the rest of the housing 6 during production. This can be done, for example, by a joining process, by gluing, welding or soldering.

Das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 kann sich zum Kompensieren der Volumenvergrößerung in Abhängigkeit von dem Ladezustand der elektrochemischen Einheit 2 ausdehnen, also ausweiten oder vergrößern. Dadurch kann das Gehäuse selbst sein Volumen beziehungsweise seine Oberfläche oder Seitenlänge vergrößern und somit an das Volumen der elektrochemischen Einheit 2 angepasst werden. Dadurch dass die Ausdehnungselemente 9, 10 umlaufend um das Gehäuse 6 angeordnet sind, kann beim Ausdehnen der elektrochemischen Einheit 2 in die jeweilige Hauptausdehnungsrichtung R1, R2 eine homogene Ausdehnung des Gehäuses 6 ermöglicht werden.The respective expansion element 9, 10 can expand, i.e. expand or enlarge, depending on the charge state of the electrochemical unit 2 to compensate for the increase in volume. This allows the housing itself to increase its volume or its surface or side length and thus be adapted to the volume of the electrochemical unit 2. Because the expansion elements 9, 10 are arranged all the way around the housing 6, a homogeneous expansion of the housing 6 can be made possible when the electrochemical unit 2 expands in the respective main expansion direction R1, R2.

Wenn die Ausdehnungselemente 9,10 aus einem elastischen Material gebildet sind, kann das Gehäuse 6 kann auch bei der Volumenverkleinerung der elektrochemischen Einheit 2, also beim Zusammenziehen, mit zusammengezogen werden. Dazu können die Ausdehnungselemente 9, 10 zum Beispiel nach Art einer Feder eine gewisse Federkraft oder Rückstellkraft aufweisen, um von dem ausgedehnten Zustand in den unausgedehnten Zustand rückstellen zu können. Das Gehäuse 6 kann somit die Volumenveränderung der elektrochemischen Einheit 2 nachahmen.If the expansion elements 9, 10 are made of an elastic material, the housing 6 can also be contracted when the volume of the electrochemical unit 2 is reduced, i.e. when it is contracted. For this purpose, the expansion elements 9, 10 can have a certain spring force or restoring force, for example in the manner of a spring, in order to be able to return from the expanded state to the unexpanded state. The housing 6 can thus imitate the volume change of the electrochemical unit 2.

Um die gewünschte Flexibilität des Gehäuses 6 zu erreichen, weisen die Ausdehnungselemente 9, 10 gemäß 1 beispielhaft einen jeweiligen Faltbereich 11 auf. In dem Faltbereich ist das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 in einem unausgedehnten Zustand gefaltet an dem Gehäuse 6 angeordnet. In einem ausgedehnten Zustand ist das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 entfaltet an dem Gehäuse angeordnet. Das heißt, die Ausdehnungselemente 9, 10 sind durch einen Materialüberschuss am Gehäuse gebildet. In 1 sind die Ausdehnungselemente 9, 10 dazu nach Art eines Faltenbalgs ausgebildet. Dieser kann wie bei einer Ziehharmonika je nach Ladezustand der elektrochemischen Einheit 2 zusammengezogen, also gefaltet, oder auseinandergezogen und somit entfaltet werden. In 1 sind die Ausdehnungselemente 9, 10 im gefalteten Zustand dargestellt, da sich die elektrochemische Einheit 2 im unausgedehnten Zustand befindet.In order to achieve the desired flexibility of the housing 6, the expansion elements 9, 10 have 1 for example, a respective folding area 11. In the folding area, the respective expansion element 9, 10 is arranged folded on the housing 6 in an unexpanded state. In an expanded state, the respective expansion element 9, 10 is unfolded arranged on the housing. This means that the expansion elements 9, 10 are formed by an excess of material on the housing. In 1 The expansion elements 9, 10 are designed in the form of a bellows. This can be contracted, i.e. folded, or pulled apart and thus unfolded, like an accordion, depending on the charge level of the electrochemical unit 2. In 1 the expansion elements 9, 10 are shown in the folded state, since the electrochemical unit 2 is in the unexpanded state.

Durch die Nutzung von einem oder mehreren Ausdehnungselementen 9, 10 für Feststoffzellen ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass das Zellmaterial durch ein homogenes Ausdehnen nicht partiell mit Spannungsspitzen (mechanische Spannung) beaufschlagt wird.The use of one or more expansion elements 9, 10 for solid cells results in the particular advantage that the cell material is not partially subjected to stress peaks (mechanical stress) due to homogeneous expansion.

Die in 1 gezeigte Batteriezelle 1 kann zum Beispiel mit einer oder mehreren weiteren Batteriezellen derselben Art in einem Batteriemodul oder Batteriepack eingesetzt werden. Zum Beispiel können 5 bis 10 Batteriezellen 1 ein Batteriemodul bilden. Das Batteriemodul umfasst dabei ein Modulgehäuse, um die Batteriezellen 1 in einer vorgegebenen Stapelrichtung nebeneinander in dem Modulgehäuse aufzunehmen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Stapelrichtung zum Beispiel der ersten Hauptausdehnungsrichtung R1 entsprechen. Um nun auch auf Modulebene die Zellatmung zu ermöglichen, kann das Modulgehäuse analog zu dem Gehäuse 6 der einzelnen Batteriezellen 1 ausgebildet sein.In the 1 The battery cell 1 shown can, for example, be used with one or more other battery cells of the same type in a battery module or battery pack. For example, 5 to 10 battery cells 1 can form a battery module. The battery module comprises a module housing in order to accommodate the battery cells 1 next to one another in the module housing in a predetermined stacking direction. In the present exemplary embodiment, the stacking direction can, for example, correspond to the first main extension direction R1. In order to enable cell respiration at the module level as well, the module housing can be designed analogously to the housing 6 of the individual battery cells 1.

Ein solches Batteriemodul kann zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Dabei kann das Batteriemodul zum Beispiel für einen elektrischen Antrieb, also als Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie verwendet werden. Alternativ kann das Batteriemodul eine Starterbatterie ausbilden.Such a battery module can be used in a motor vehicle, for example. The battery module can be used for an electric drive, i.e. as a drive battery or traction battery. Alternatively, the battery module can form a starter battery.

Für das jeweilige Ausdehnungselement 9,10 sind verschiedene Formen denkbar, um das Falten zu ermöglichen. 2 zeigt einige Beispiele für solche Formen. Dabei sind die Ausdehnungselemente 9, 10 gemäß 1 in einer Schnittdarstellung entlang einer Schnittachse A-A dargestellt. In der Schnittdarstellung sind die Beispiele für die Form der Ausdehnungselemente 9, 10 somit in einer Seitansicht zu sehen. Gemäß einem ersten Beispiel kann das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 zum Beispiel im gefalteten Zustand eine Dreiecksform 12a ausbilden. Alternativ kann zum Beispiel eine Sägezahnform 12b vorgesehen sein. Die Sägezahnform 12b entspricht dabei im Wesentlichen der Form eines Faltenbalgs. Ein weiteres Beispiel für eine Form der Ausdehnungselemente 9, 10 besteht in einer geschwungenen Rechteckform 12c. Hierbei kann das jeweilige Ausdehnungselement in dem Faltbereich 11 eine rechteckförmige Erhebung aufweisen, die zwischen zwei U-förmigen Aussparungen angeordnet ist. Ein weiteres Beispiel für eine Form der Ausdehnungselemente 9, 10 in dem Faltbereich 11 besteht in einer Rechteckform 12d.Different shapes are conceivable for the respective expansion element 9,10 to enable folding. 2 shows some examples of such shapes. The expansion elements 9, 10 are arranged according to 1 in a sectional view along a cutting axis AA. In the sectional view, the examples of the shape of the expansion elements 9, 10 can thus be seen in a side view. According to a first example, the respective expansion element 9, 10 can, for example, form a triangular shape 12a in the folded state. Alternatively, a sawtooth shape 12b can be provided, for example. The sawtooth shape 12b essentially corresponds to the shape of a bellows. Another example of a shape of the expansion elements 9, 10 is a curved rectangular shape 12c. The respective expansion element can have a rectangular elevation in the folding area 11, which is arranged between two U-shaped recesses. Another example of a shape of the expansion elements 9, 10 in the folding area 11 is a rectangular shape 12d.

2 zeigt nur einige Beispiele für verschiedene Formen für ein Ausdehnungselement. Natürlich sind auch andere als die gezeigten Formen denkbar. Insbesondere kann die Form für das jeweilige Ausdehnungselement 9, 10 frei wählbar sein. So kann die Form zum Beispiel an den Bauraum der Batteriezelle 1 im Batteriemodul oder im Kraftfahrzeugbereich angepasst sein. 2 shows only a few examples of different shapes for an expansion element. Of course, shapes other than those shown are also conceivable. In particular, the shape for the respective expansion element 9, 10 can be freely selected. For example, the shape can be adapted to the installation space of the battery cell 1 in the battery module or in the motor vehicle sector.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine Batteriezelle mit Ausdehnungselement realisiert werden kann, um eine homogene Ausdehnung eines Gehäuses zu ermöglichen.Overall, the examples show how a battery cell can be realized with an expansion element to enable a homogeneous expansion of a housing.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009010146 A1 [0007]
CN107160744A1 [0008]
DE 102011005681 A1 [0009]

Claims

Battery cell (1) comprising an electrochemical unit (2) and a housing (6) for accommodating the electrochemical unit (2), characterized in that the battery cell (1) is designed as a solid-state battery cell, and the housing (6) comprises at least one expansion element (9, 10) which is designed to expand depending on a state of charge of the electrochemical unit (2), wherein the at least one expansion element (9, 10) extends circumferentially around the housing (6) perpendicular to a respectively known main expansion direction (R1, R2) of the electrochemical unit (2) dependent on the state of charge, in order to enable a homogeneous expansion of the housing (6) when the electrochemical unit (2) expands in the respective main expansion direction (R1, R2).

Battery cell (1) after Claim 1 , wherein the at least one expansion element (9, 10) is designed to increase a side length (L) of the housing (6) along the main expansion direction (R1, R2) in a fully expanded state by at least 15%, in particular by at least 20%, preferably by at least 25%, compared to an unexpanded state.

Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one expansion element (9, 10) has a folding region (11), wherein the folding region (11) is arranged folded on the housing (6) in an unexpanded state of the expansion element (9, 10) and is arranged unfolded on the housing (6) in an expanded state of the expansion element (9, 10).

Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one expansion element (9, 10) comprises a plurality of segments (9a, 9b) which are arranged circumferentially around the housing (6) in an offset manner relative to one another along the main expansion direction (R1, R2).

Battery cell (1) according to one of the preceding Claims 1 or 2 , wherein the at least one expansion element (9, 10) is formed in one piece and extends continuously around the housing (6).

Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one expansion element (9, 10) and the housing (6) are made in one piece from the same material.

Battery cell (1) according to one of the preceding Claims 1 until 4 , wherein the expansion element (9, 10) is formed from a material having a lower modulus of elasticity than a material of the housing (6).

Battery cell (1) according to one of the preceding claims, wherein the housing (6) comprises two expansion elements (9, 10), wherein a first of the expansion elements (9) extends circumferentially around the housing (6) perpendicular to a first main expansion direction (R1) of the electrochemical unit (2) and a second of the expansion elements (10) extends circumferentially around the housing (6) perpendicular to a second main expansion direction (R2) of the electrochemical unit (2) that is different from the first.

Battery module with at least two battery cells (1) according to one of the preceding claims, and a module housing, wherein the at least two battery cells (1) are arranged next to one another in the module housing in a predetermined stacking direction, wherein the module housing comprises at least one module expansion element which is designed to expand depending on the state of charge of the electrochemical units (2) of the at least two battery cells (1), wherein the at least one module expansion element extends circumferentially around the module housing perpendicular to a respectively known main expansion direction (R1, R2) of the electrochemical units (2) dependent on the state of charge in order to enable a homogeneous expansion of the module housing when the electrochemical units (2) expand in the respective main expansion direction (R1, R2).

Motor vehicle with a battery module according to Claim 9 .