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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-lonen-Batteriezelle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Speziell Feststoff-Zellen mit Lithiummetallanoden weisen in jedem Zyklus eine große Volumenänderung (Atmen) auf, benötigen aber auch einen hohen Druck, damit die Lithiumanode einwandfrei funktioniert und sich keine Dendriten ausbilden. Will man das Zellgehäuse nach außen volumenkonstant halten, braucht die Zelle intern ein Volumenausgleichselement bzw. ein Kompressionspad, welches auch für den hohen Innendruck sorgt. Bei der Einhausung funktioniert kein klassisches Reinschieben in den Zellbecher (das heißt dem Zellgehäuseteil), da an den Becherinnenwänden und dem Stapel (inklusive Volumenausgleichselement) unter Druckzu viel Reibung entsteht.
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Eine Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem zumindest ein Elektrodenstapel angeordnet ist, der mit den Zellterminals elektrisch verbunden ist. Der Elektrodenstapel kann optional in der Stapelrichtung in zwei Teilstapel unterteilt sein, zwischen denen zumindest ein elastisch nachgiebiges Kompressionspad angeordnet ist. Das Kompressionspad drückt die beiden Teilstapel mit Vorspannung gegen Zellgehäusewände. Dadurch ist gewährleistet, dass die beiden Teilstapel über die Zellgehäusewände eine thermische Anbindung nach gehäuseaußen aufweisen, um die Teilstapel im Ladebetrieb beziehungsweise im Entladebetrieb zu kühlen beziehungsweise zu erwärmen. Alternativ dazu kann im Zellgehäuse der Batteriezelle auch nur ein einzelner Elektrodenstapel angeordnet sein, der vom Kompressionspad gegen die Zellgehäusewand gedrückt wird.
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Ein gattungsgemäßer Zusammenbau einer solchen Batteriezelle kann wie folgt durchgeführt werden: So können die beiden Teilstapel mit zwischengeordnetem Kompressionspad im noch nicht in das Zellgehäuse eingesetzten Zustand mit Hilfe eines Hilfswerkzeugs in der Stapelrichtung verspannt werden. Dadurch wird das Kompressionspad komprimiert, und zwar unter Aufbau einer Vorspannung. Anschließend werden in einem Schweißschritt die anodenseitigen Ableiterfahnen und die kathodenseitigen Ableiterfahnen des Elektrodenstapels an einer Verbindungsstelle mit den jeweiligen Stromschienen verschweißt, die mit den Zellterminals elektrisch verbunden sind. Danach folgt ein Einlege-Prozess, bei dem der Elektrodenstapel mitsamt damit verschweißten Stromschienen in das Zellgehäuse eingelegt wird.
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Im Stand der Technik ist der Einlege-Prozess aus folgendem Grund problematisch: Vor Durchführung des Einlege-Prozesses ist es erforderlich, das Hilfswerkzeug vom Elektrodenstapel zu entfernen. Dadurch wirkt eine elastische Rückstellkraft des Kompressionspads auf die Verbindungsstellen, an denen die Ableiterfahnen des Elektrodenstapels mit den Stromschienen verschweißt sind. Dies kann zu einer Beschädigung der Verbindungsstellen führen. Außerdem führt die Reibung zwischen Stapelaußenseite und Gehäuse zu Beschädigungen, also zum Beispiel Kratzer, Risse etc.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle bereitzustellen, mit deren Hilfe ein beschädigungsfreier Zusammenbau der Batteriezelle im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise gewährleistet ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Zusammenbau einer Batteriezelle aus, in deren Zellgehäuse zumindest ein Elektrodenstapel und zumindest ein elastisch nachgiebiges Kompressionspad angeordnet ist. Im zusammengebauten Zustand drückt das Kompressionspad den Elektrodenstapel mit Vorspannung gegen eine Zellgehäusewand. Das Verfahren weist die folgenden Prozessschritte auf: einen Einlegeschritt, bei dem der Elektrodenstapel und das Kompressionspad in ein Gehäuseteil des Zellgehäuses eingelegt werden, und einen Montageschritt, bei dem ein Gehäusedeckel auf dem Gehäuseteil montiert wird, um das Zellgehäuseinnere zu schließen. Erfindungsgemäß wird im Einlegeschritt das Kompressionspad im unverformten Zustand in das Gehäuseteil eingelegt. Im Montageschritt wird der Gehäusedeckel mit einer Anpresskraft gegen den Elektrodenstapel oder gegen das Kompressionspad gedrückt, wodurch das Kompressionspad unter Aufbau der Vorspannung komprimiert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Beschädigung des Elektrodenstapels, zum Beispiel aufgrund von Reibung zwischen Stapelaußenseite und dem Gehäuse, verhindert werden.
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In einer technischen Umsetzung kann nach erfolgtem Einlegeschritt das Kompressionspad oder der Elektrodenstapel einen Öffnungsrand des Gehäuseteils mit einem Überstand überragen. Im anschließenden Montageschritt wird der Gehäusedeckel unter Aufbrauch dieses Überstands sowie unter Aufbau der Vorspannung bis in Anlage mit dem Öffnungsrand des Gehäuseteils gedrückt und daran befestigt.
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Erfindungsgemäß ist der Elektrodenstapel in Stapelrichtung in zumindest zwei Teilstapel unterteilt, zwischen denen das zumindest eine Kompressionspad angeordnet ist. In diesem Fall drückt das zwischengeordnete Kompressionspad jeden der Teilstapel mit Vorspannung gegen eine angrenzende Zellgehäusewand. Im Einlegeschritt werden die beiden Teilstapel unter Zwischenlage des noch unverformten Kompressionspads in das Gehäuseteil des Zellgehäuses eingelegt. Der zuletzt eingelegte Teilstapel überragt den Öffnungsrand des Zellgehäuseteils mit dem Überstand. Anschließend folgt der oben beschriebene Montageschritt.
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Erfindungsgemäß ist in der Batteriezelle jeder Teilstapel Bestandteil eines Teilstapel-Halbzeugs. In jedem Teilstapel-Halbzeug ist der Teilstapel an anodenseitigen und kathodenseitigen Verbindungsstellen an Teilstromschienen angeschlossen, die in elektrischer Verbindung mit den Zellterminals sind.
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Ausgehend von dem Spezialfall, dass einzelne Komponenten, wie zum Beispiel der Feststoffseparator, nicht beliebig groß gefertigt werden können, bietet sich eine Zellsegmentierung an. Dabei kann ein Rahmen beispielhaft aus mit Kunststoff umspritzten Metallstromschienen gefertigt sein und in diesen die Zellstapel eingebracht sein. Dieserkann in einen Teil des Zellbechers eingebracht werden. Der Zellbecher (das heißt das Zellgehäuseteil) weist im Bereich der Zellterminals eine Aussparung für die spätere Kontaktierung/Terminalausbildung. Dann wird zwischen Stromschiene und Gehäuse eine wärmeleitfähige Masse eingespritzt („Gapfiller“). Auf dieses Ensemble wird nun das Volumenausgleichselementaufgelegt, zum Beispiel ein Schaum. Vorteilhafterweise hat der Kunststoffrahmen eine Ausformung, die eine genaue Positionierung vereinfacht, zum Beispiel Stufen. Darauf wird nun ein weiterer Rahmen mit Stacks (das heißt Teilstapel) aufgebracht. Dann wird der Zelldeckel darauf gelegt und das Gesamtpaket zusammengedrückt, wobei das Volumenausgleichselementverpresstwird, wodurch dernotwendige Zellinnendruck entsteht. Nun wird das Gehäuse gefügt, zum Beispiel durch Schweißen.
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Vorteilhafterweise sind die beiden Rahmenelemente so gefertigt, dass diese ineinander verhaken und/oderdie Positionierung durch entsprechende Ausformungen, Wellen etc. vereinfacht wird. Um den Gapfiller auch im Bereich der zweiten Stromschiene applizieren zu können, bietet es sich an, den Deckel ebenfalls als Wanne auszulegen. Dann wird die Stromschiene in diese Deckelwanne eingelegt, Gapfiller appliziert und anschließend dieses Konstrukt auf den Zellbecher mit Stromschiene und Gapfiller und Schaum aufgedrückt und dann das Gehäuse verschweißt.
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Abschließend werden die Stromschienen mit den Terminals gefügt und die Zelle dicht verschlossen. Hierfür gibt es verschiedene Varianten: Gemäß einer ersten Ausführungsvariante sind die Stromschienen im Rahmen von Anfang so geformt, dass sie über das Gehäuse hinausstehen. Beim Zusammendrücken rasten sie somit in das Gehäuse ein und stehen hervor. Das bringtzusätzlichen Bauraum in derZelle, um die Stromschienen mit dem Terminal zu vernieten. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante werden anstelle eines Nietprozesses extrem gekühlte Bolzen eingebracht, welche beim Erwärmen eine formschlüssige Verbindung ergeben. Sofern der Kunststoffrahmen mit den Stromschienen in sich genug Steifigkeit aufweist, kann auch von außen Druck in Richtung der Zelle aufgebrachtwerden, was zum Beispiel Schweißen etc. erlaubt. Besonders bei einer Auswölbung derStromschienen im Terminalbereich und Ineinanderverzahnung der beiden Rahmen sollte das möglich sein, da die Druckkräfte so auf das Gehäuse umgeleitet werden, die empfindlichen Zellstapel also nicht negativ beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß ist in jedem Teilstapel-Halbzeug die Teilstromschienen in einem Stromschienenrahmen integriert, der den jeweiligen Teilstapel umzieht. Der Stromschienenrahmen ist als ein Kunststoffrahmen realisiert, in dem die metallischen Teilstromschienen mit Kunststoff umspritzt sind, und zwar unter Freilassung von elektrischen Kontaktstellen an den metallischen Teilstromschienen.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Batteriezelle als eine segmentierte Batteriezelle ausgeführt sein. Bei der segmentierten Batteriezelle kann ein von dem Stromschienenrahmen begrenzter Rahmeninnenraum mittels zumindest einer Trennstrebe in zumindest zwei Teilräume aufgeteilt sein. In jedem dieser Teilräume ist jeweils ein Teilstapel einsetzbar. In Abkehr vom Stand der Technik, wonach jedem Elektrodenstapel genau ein Einzelgehäuse zugeordnet ist, sind somit einer Anzahl von gehäuselosen Elektrodenstapel ein gemeinsames Zellgehäuse zugeordnet, wodurch der Materialaufwand sowie der Bauteilaufwand bei der Herstellung eines Batteriesystems reduziert ist.
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Eine einwandfreie Positionierung der beiden Teilstapel-Halbzeuge im Zellgehäuse ist für eine betriebssichere Funktion der Batteriezelle von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund können die beiden, in Stapelrichtung übereinander liegenden Stromschienenrahmen mittels einer Formschlußverbindung, zum Beispiel einer Rastverbindung, miteinander verbindbar sein. Zudem können die beiden, in Stapelrichtung übereinanderliegenden Stromschienenrahmen an ihren einander zugewandten Rahmenseiten jeweils Positionierhilfen, zum Beispiel Ausformungen oder ein Wellenprofil aufweisen. Mittels der Positionierhilfen kann eine lagerichtige Positionierung der beiden Teilstapel-Halbzeuge im Zellgehäuse vereinfacht werden.
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Im Hinblick auf eine thermische Kopplung nach gehäuseaußen ist es bevorzugt, wenn innerhalb des Zellgehäuses zwischen den Stromschienen und den Zellgehäusewänden eine wärmeleitfähige Masse eingebracht wird.
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Der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Batteriezelle wird in einem nachfolgend beschriebenen Prozessablauf durchgeführt: in einem ersten Prozessschritt werden die beiden Teilstapel-Halbzeuge sowie das Kompressionspad bereitgestellt. Anschließend folgt ein zweiter Prozessschritt, bei dem die beiden Teilstapel-Halbzeuge unter Zwischenlage des noch unverformten Kompressionspads in ein wannenförmiges Gehäuseteil des Zellgehäuses (das heißt Zellbecher) eingelegt werden. Dabei sind die Teilstapel-Halbzeuge noch nicht vom Kompressionspad druckbeaufschlagt. Das zuletzt eingelegte Teilstapel-Halbzeug überragt daher einen Öffnungsrand des Zellgehäuseteils mit einem Überstand. In einem folgenden dritten Prozessschritt wirkt ein Gehäusedeckel des Zellgehäuses als ein Anpresselement, mit dem der Halbzeug-Stapel unter Aufbrauch des Stapel-Überstands in das Zellgehäuseteil gedrückt wird, bis der Gehäusedeckel in Anlage mit dem Zellgehäuseteil kommt. Im dritten Prozessschritt wird das Kompressionspad unter Aufbau der Vorspannung daher zusammengedrückt. Dabei ist es von Bedeutung, dass im jeweiligen Teilstapel-Halbzeug es zu keiner Relativbewegung zwischen dem Teilstapel und den Stromschienen (das heißt dem Stromschienenrahmen) kommt. Eine solche Relativbewegung würde nämlich zu einer mechanischen Belastung der Verbindungstellen und damit gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Verbindungsstellen führen. Abschließend wird ein vierter Prozessschritt durchgeführt, bei dem der Gehäusedeckel am Zellgehäuseteil, insbesondere durch Schweißverbindung, befestigt wird.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Batteriezelle im zusammengebauten Zustand;
- 2a und 2b jeweils Einzelkomponenten der Batteriezelle;
- 3 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer ein Prozess zum Zusammenbau der Batteriezelle veranschaulicht ist;
- 6 bis 9 jeweils Ansichten, die einen Prozess zum Zusammenbau einer Batteriezelle gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel veranschaulichen.
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Für eine einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst Bezug auf die 6 bis 9 genommen, die eine Batteriezelle gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel zeigen. Gemäß der 6 weist die Batteriezelle einen Elektrodenstapel 1 mit wechselweise übereinander geschichteten Anoden, Kathoden und Separatoren auf. Der Elektrodenstapel 1 ist in der Stapelrichtung in zwei Teilstapel 3 unterteilt, zwischen denen ein elastisch nachgiebiges Kompressionspad 5 angeordnet ist. Der Elektrodenstapel 1 ist in einem Zellgehäuse 6 angeordnet.
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Wie aus der 6 weiter hervorgeht, sind die anodenseitigen Ableiterfahnen 7 der Teilstapel 3 an einer Verbindungsstelle 9 mit einer Anoden-Stromschiene 11 verschweißt, während die kathodenseitigen Ableiterfahnen 13 an einer Verbindungsstelle 15 mit einer Kathoden-Stromschiene 17 verschweißt sind. Die beiden Stromschienen 11, 17 sind in einem Stromschienenrahmen 19 aus Kunststoff eingebettet. Dieser umzieht einen RahmenInnenraum, in dem der Elektrodenstapel 1 angeordnet ist. In der 6 ist die Anoden-Stromschiene 11 über ein Anschlußelement 43 mit einem Zellterminal 21 in elektrischer Verbindung, während die Kathoden-Stromschiene 17 über ein Anschlußelement 47 mit einem Zellterminal 23 in elektrischer Verbindung ist.
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Der Zusammenbau der in der 6 gezeigten Batteriezelle wird wie folgt durchgeführt: Zunächst werden die beiden Teilstapel 3 mit dem zwischengeordneten, noch unverformten Kompressionspad 5 bereitgestellt und zu einem Halbzeug übereinander gestapelt, wie es in der 7 angedeutet ist. Das Halbzeug wird mittels eines Hilfswerkzeugs 25 (7 und 8) in Stapelrichtung mit einer Anpresskraft FA beaufschlagt, wodurch das Kompressionspad 5 unter Spannungsaufbau komprimiert wird, wie es in der 8 gezeigt ist. Anschließend folgt ein Schweißschritt, bei dem die anodenseitigen Ableiterfahnen 7 an der Verbindungsstelle 9 mit der Anoden-Stromschiene 11 des Stromschienenrahmens 19 verschweißt wird. In gleicher Weise werden die kathodenseitigen Ableiterfahnen 13 an der Verbindungsstelle 15 mit der Kathoden-Stromschiene 17 des Stromschienenrahmens 19 verschweißt. Das mittels des Hilfswerkzeugs 25 verspannte Halbzeug (8) wird in einem Einlege-Prozess (9) in ein wannenförmiges Zellgehäuseteil 27 eingelegt. Danach wird das Zellgehäuseteil 27 mit einem Gehäusedeckel 29 verschweißt.
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Beim oben beschriebenen Zusammenbau ist der Einlege-Prozess aus folgendem Grund problematisch: Vor Durchführung des Einlege-Prozesses (9) ist es erforderlich, das Hilfswerkzeug 25 vom Elektrodenstapel 1 zu entfernen. Dadurch werden die beiden Verbindungstellen 9, 15 mit der elastischen Rückstellkraft des komprimierten Kompressionspads 5 belastet. Es besteht daher ein Risiko, dass die Verbindungsstellen 9, 15 reißen oder es zu einer sonstigen Beschädigung an den Verbindungsstellen 9, 15 kommt. Außerdem führt die Reibung zwischen Stapelaußenseite und Gehäuse zu Beschädigungen, also zum Beispiel Kratzer, Risse etc.
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Nach erfolgtem Einlege-Prozess (9) wird die nach oben offene Gehäuseöffnung des wannenförmigen Zellgehäuseteils 27 mit dem Gehäusedeckel 29 geschlossen, der zum Beispiel am Öffnungsrand des wannenförmigen Zellgehäuseteils 27 verschweißt werden kann. Abschließend werden die Zellterminals 21, 23 montiert. Wie aus der 9 in Verbindung mit 1 hervorgeht, weist jeder Zellterminal 21, 23 einen Kontaktbolzen 49 auf, der durch Bolzenöffnungen im Zellgehäuseteil 27 und im jeweiligen Anschlußelement 43, 47 geschoben wird.
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Eine Beschädigung des Elektrodenstapels 1 während des Zusammenbaus kann durch den nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Zellaufbau vermieden werden. Funktionsgleiche Komponenten der Batteriezelle sind in den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie im vorangegangenen Vergleichsbeispiel.
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Wie aus der 1 hervorgeht, ist der Elektrodenstapel 1 ebenfalls in zwei Teilstapel 3 unterteilt, zwischen denen das elastisch nachgiebige Kompressionspad 5 angeordnet ist. Im Unterschied zum vorangegangenen Vergleichsbeispiel ist in der 1 jeder Teilstapel 3 Bestandteil eines Teilstapel-Halbzeugs 31, 33. In jedem der Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 ist der Teilstapel 3 an einer anodenseitigen Verbindungsstelle 9 an eine Anoden-Teilstromschiene 35 angeschlossen und an einer kathodenseitigen Verbindungsstelle 15 an eine Kathoden-Teilstromschiene 37 angeschlossen. In jedem Teilstapel-Halbzeug 31, 33 sind die Teilstromschienen 35, 37 in einem Stromschienenrahmen 19 aus Kunststoff integriert.
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Wie aus der 2 hervorgeht, handelt es sich bei der Batteriezelle um eine segmentierte Batteriezelle, bei der ein von dem Stromschienenrahmen 19 begrenzter Rahmeninnenraum mit Hilfe von drei Trennstreben 39 in insgesamt vier Teilräume 41 aufgeteilt ist. In jedem dieser Teilräume 41 ist ein Teilstapel 3 einsetzbar.
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In der 1 sind die beiden Anoden-Teilstromschienen 35 der Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 jeweils in elektrischer Verbindung mit einem Anoden-Anschlusselement 43. Die Anoden-Anschlusselemente 43 der beiden Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 sind in der 1 zueinander überlappt, sodass Bolzenöffnungen in den Anschlußelementen 43 in Flucht ausgerichtet sind. In gleicher Weise sind die Kathoden-Anschlusselemente 47 der beiden Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 zueinander überlappt. Die am jeweiligen Zellterminal 21, 23 ausgebildeten Kontaktbolzen 49 sind in der 1 durch Bolzenöffnungen im Zellgehäuseteil 27 und durch die Bolzenöffnungen in den Anschlußelementen 43, 47 geführt.
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Nachfolgend wird ein Zusammenbau der in der 1 gezeigten Batteriezelle beschrieben: So werden in einem ersten Prozessschritt (3) zunächst die beiden Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 sowie das noch unverformte Kompressionspad 5 bereitgestellt. In einem zweiten Prozessschritt (4) werden die beiden Teilstapel-Halbzeuge 31, 33 unter Zwischenlage des noch unverformten Kompressionspads 5 in ein wannenförmiges Zellgehäuseteil 27 eingelegt. Dabei überragt der zuletzt eingelegte Teilstapel-Halbzeug 31 einen Öffnungsrand 53 des Zellgehäuseteils 27 mit einem Überstand Δz. In einem dritten Prozessschritt wird der Gehäusedeckel 29 des Zellgehäuses 3 mit der Anpresskraft FA (4 oder 5) auf das obere Teilstapel-Halbzeug 31 gedrückt, bis der Gehäusedeckel 29 in Anlage mit dem Zellgehäuseteil 27 kommt. Auf diese Weise wird das Kompressionspad 5 unter Aufbau einer Vorspannung zusammengedrückt. In einem abschließenden vierten Prozessschritt wird der Gehäusedeckel 29 am Zellgehäuseteil 27 verschweißt.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Elektrodenstapel
- 2
- Zellterminal
- 3
- Teilstapel
- 4
- Zellterminal
- 5
- Kompressionspad
- 6
- Zellgehäuse
- 7
- Anoden-Ableiterfahnen
- 9
- Anoden-Verbindungsstelle
- 11
- Anoden-Stromschiene
- 13
- Kathoden-Ableiterfahne
- 15
- Kathoden-Verbindungsstelle
- 17
- Kathoden-Stromschiene
- 19
- Stromschienenrahmen
- 21
- Zellterminal
- 23
- Zellterminal
- 25
- Hilfswerkzeug
- 27
- wannenförmiges Zellgehäuseteil
- 29
- Gehäusedeckel
- 31, 33
- Teilstapel-Halbzeuge
- 35
- Anoden-Teilstromschiene
- 37
- Kathoden-Teilstromschiene
- 39
- Trennstreben
- 41
- Teilräume
- 43
- Anoden-Anschlusselemente
- 45
- Zellgehäusewand
- 47
- Kathoden-Anschlusselemente
- 49
- Kontaktbolzen
- 53
- Öffnungsrand
- Δz
- Überstand
- FA
- Anpresskraft
