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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle nach dem Anspruch 1 und dem Anspruch 10.
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Beispielhaft weist eine prismatische Batteriezelle ein quaderförmiges, formstabiles Metall-Zellgehäuse auf, das zum Beispiel aus einem Zellbecher und einer Deckwandbaugruppe zusammengesetzt ist. Der Zellbecher kann einen Gehäuseboden sowie davon hochgezogene Flachseitenwände und Schmalseitenwände aufweisen. Die Oberseite des Zellbechers bildet eine Bestückungsöffnung, über die in einem Bestückungsprozess die Deckwandbaugruppe in den Zellbecher einsetzbar ist. Die Deckwandbaugruppe kann beispielhaft aus einer Gehäusedeckwand und einer daran befestigten Elektroden-/Separatoranordnung bestehen, in der die Elektroden- und Separatorlagen in bekannter Weise übereinander gestapelt sind. Es ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf die obige Zellgehäuse-Geometrie beschränkt ist, sondern vielmehr auf jegliche beliebige Zellgehäuse-Geometrie anwendbar ist.
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Zum Start des Bestückungsprozesses muss die Stirnseite der Elektroden-/Separatoranordnung in die Bestückungsöffnung des Zellbechers eingefädelt werden, ohne dass es für die stirnseitigen Elektrodenkanten der Elektroden-/Separatoranordnung zu einer mechanischen Belastung kommt, die gegebenenfalls zu einer nicht funktionsfähigen Batteriezelle führen kann. Somit ist beim Bestückungsprozess zwischen der Elektroden-/Separatoranordnung und dem Zellbecher eine hohe Ausrichtgenauigkeit erforderlich, und zwar aufgrund der großen Empfindlichkeit der Elektroden sowie der geringen Maßtoleranz zwischen der Elektroden-/Separatoranordnung und dem Zellbecher.
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Im Stand der Technik wird ein störkonturfreier Bestückungsprozess fertigungstechnisch aufwändig mittels Einführhilfen und/oder durch Überwachung mittels Kameratechnik durchgeführt.
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Aus der
KR 10 2021 0 109 714 A ist ein Batteriemodul mit einem Modulgehäuse bekannt, in dem ein Zellstapel aus einer Mehrzahl von Batteriezellen angeordnet ist. Im Batteriemodul ist zudem ein Block angeordnet, der bei einer Temperaturerhöhung innerhalb des Moduls sich ausdehnt. Die
EP 4 053 955 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Energiespeicherelements. Das Energiespeicherelement weist ein Gehäuse mit mindestens einem metallischen Gehäuseteil und einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Elektroden-Separator-Verbund auf. Ferner umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: Das metallische Gehäuseteil und der Elektroden-Separator-Verbund werden bereitgestellt, und das metallische Gehäuseteil wird unter Bewirkung einer Expansion des Gehäuseteils erwärmt, und der Elektroden-Separator-Verbund wird in das expandierte metallische Gehäuseteil eingebracht, und- das metallische Gehäuseteil wird zur Ausbildung des Gehäuses verschlossen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle bereitzustellen, bei dem der Bestückungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfacher durchführbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aus, in dem eine Elektroden-/Stapelanordnung eingehaust ist. Das Verfahren weist einen Bestückungsprozess auf, bei dem die Elektroden-/Stapelanordnung über eine Bestückungsöffnung des Zellgehäuses in das Gehäuseinnere einsetzbar ist. Im Hinblick auf einen störkonturfreien Bestückungsprozess weist das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 einen Heizprozess auf. Im Heizprozess erwärmt eine Heizeinheit das Zellgehäuse, insbesondere eine die Bestückungsöffnung umziehende Gehäusekante des Zellgehäuses, bis auf eine Prozesstemperatur. Dadurch weitet sich der Öffnungsquerschnitt der Bestückungsöffnung auf, so dass die Elektroden-/Separatoranordnung leichtgängig ohne mechanische Belastung der stirnseitigen Elektrodenkanten der Elektroden-/Separatoranordnung in die Bestückungsöffnung einführbar ist.
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Erfindungsgemäß wird also, bevor die Elektroden-/Separatoranordnung in das Zellgehäuse eingeführt wird, die Gehäusekante durch die Einbringung thermischer Energie erwärmt. Dadurch dehnt sich das Zellgehäuse-Material aus. Durch die Vergrößerung der Abmaße des Gehäuses besteht eine größere Toleranz bezüglich der notwendigen Ausrichtungsgenauigkeit. Dabei sollte die Temperatur des aufgeweiteten Gehäuseteils während des Heizprozesses eine Grenztemperatur, zum Beispiel 80°C, nicht überschreiten, da ab dieser Temperatur die Laminationsfähigkeit des Separators reaktiviert wird, wodurch ein starker Einfluss auf vorgelagerte Prozesse genommen werden würde.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die (beim Bestückungsvorgang) der Elektroden-/Separatoranordnung zugewandte offene Gehäusekante durch Wärmeleitung ausgehend von einem Heizelement auf ein definiertes Temperatur-Niveau erwärmt werden. Dabei müssen die Heizelemente von außen so angelegt werden, dass eine umlaufende Erwärmung der Gehäusekante erfolgen kann.
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Ein innerer Kern, bestehend aus Führungsbacken, kann dafür eingesetzt werden, die entstehende Ausdehnung in eine bestimmte Richtung zu führen. Das erzielte Temperatur-Niveau darf dabei keine schädlichen Auswirkungen auf den Elektrodenstapel ausüben, womit die maximal zu nutzende Temperatur unterhalb der Schmelztemperaturen des Separators sowie der Schutzfolie des Elektrodenstapels liegen muss.
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Von einer Entfestung oder Gefügeveränderung des Gehäuse-Werkstoffes ist in den erhitzten Bereichen nicht auszugehen. Mögliche Gefügeänderungen mit resultierenden Änderungen der Werkstoffeigenschaften entstehen bereits bei der Herstellung der verwendeten Aluminium-Legierung. Darüber hinaus ist eine Entfestung des Werkstoffes ebenfalls auf diesem Temperatur-Niveau erst ab 12 Stunden auf diesem Niveau zu erwarten.
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Um weiterhin Eigenspannungen aufgrund inhomogener Zuführung thermischer Energie auf ein Minimum zu beschränken, ist es bevorzugt, wenn die Leistung der Heizelemente direkt proportional zur stirnseitigen Querschnittsfläche des Gehäuses sein. Um eine irreversible Verformung durch äußere Kräfte zu unterbinden, ist es zudem bevorzugt, wenn die äußeren Heizelemente beweglich entlang der Normalachse zur Auflagefläche gelagert sind. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der Bereich des Gehäuses, der durch den Wärmestrom beeinflusst wird, entlang der Mittelachse ebenfalls flexibel gelagert sein.
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Nachdem durch den von außen zugeführten Wärmestrom eine definierte Temperatur (das heißt Prozesstemperatur) erreicht ist, werden die Führungsbacken aus dem Innenraum des Gehäuses entfernt, so dass die Elektroden-/Separatoranordnung in das Gehäuse eingeführt werden kann. Die Wärmezufuhr stoppt, sobald sich die Stirnseite des Elektrodenstapels im Gehäuse befindet.
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Um eine direkte Gefährdung des Werkers aufgrund von erhitzten Bauteilen zu unterbinden, können optional Kühlelemente hinzugefügt werden. Hierbei ist ebenfalls zu beachten, dass entstehende Eigenspannungen die Streckgrenze des Werkstoffes nicht überschreiten.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Zufuhrrichtung des Wärmestroms geändert werden, indem Wärme von innen in die Gehäusekante eingebracht wird. In diesem Fall ist eine Funktionsintegration der Heizelemente in die Führungsbacken möglich. Alternativ dazu kann die Wärme auch stirnseitig in die Gehäusekante des Zellgehäuses eingeleitet werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Zufuhr des Wärmestromes von außen erfolgt, da so das Problem der begrenzten Verarbeitungszeit durch das Abkühlen aufgrund freier Konvektion umgangen wird. Darüber hinaus müsste bei einer Zufuhr des Wärmestroms von innen die Wärmequelle vor dem Einhausen entfernt werden, was zu einer zusätzlichen Handhabungsaktion während des Kernprozesses führt.
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Anstelle eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ist auch jede andere Wärmeübertragungsart anwendbar, etwa eine freie oder erzwungene Wärmekonvektion oder eine Wärmestrahlung durch eine Lichtquelle (etwa Laser). Die oben angedeutete Änderung der Wärmeübertragungsart bringt jedoch Nachteile mit sich: Konvektion eignet sich bei der Erwärmung nur für die Erwärmung kompletter Bauteile. Die Wärmestrahlung etwa mittels Laser gestaltet sich ebenfalls als schwierig, da der Emissionsgrad von Aluminium sehr klein ist. So würden 90 % der eingebrachten Energie reflektiert. Die Wärmeeinbringung über Induktion ist für die gezielte Erwärmung bestimmter Bereiche geeignet. Dennoch sind die entstehenden Streufelder im Umfeld der Induktionsspule als potentielle Wechselwirkungsquelle bezüglich anderer Schaltkreise zu beachten. Aus diesen genannten Gründen sollte die Wärmeeinbringung über berührende Bauteile (das heißt durch Wärmeleitung) geschehen. Um eine optionale Kühlung ebenfalls zu integrieren, können für die Wärmeeinbringung Peltier-Elemente eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung nochmals einzeln hervorgehoben: Erfindungsgemäß wird ausschließlich der Bereich der Gehäusekante des Zellgehäuses bis auf die Prozesstemperatur erwärmt. Demgegenüber wird der verbleibende Rest des Zellgehäuses nicht aktiv von der Heizeinheit erwärmt, sondern bildet dieser lediglich eine Wärmeeinflusszone, die sich aufgrund von Wärmeleitung erwärmt.
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Es ist von Bedeutung, während des Heizprozesses den Aufbau von Eigenspannungen innerhalb des Zellgehäuses möglichst gering zu halten. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die Heizeinheit die Gehäusekante in Umfangsrichtung komplett durchgängig bis auf die Prozesstemperatur erwärmt. Zudem ist es bevorzugt, wenn die thermische Verformung im Heizprozess zielgerichtet erfolgt, das heißt zum Bespiel eine nachteilige wellenförmige Ausbildung der Gehäuseseitenwände des Zellgehäuses vermieden wird. Vor diesem Hintergrund können der Heizeinheit Führungsbacken zugeordnet sein, die gehäuseinnen positionierbar sind. Die Führungsbacken können während des Heizprozesses mit einer vordefinierten Vorspannkraft die Zellgehäusewand zumindest im Bereich der Gehäusekante nach außen drücken. Auf diese Weise wird die thermisch bedingte Ausweitung in vordefinierten Richtungen quer zur Bestückungsrichtung geführt. Bei einem prismatischen Zellformat kann das Zellgehäuse beispielhaft quaderförmig mit rechtwinklig verlaufender Gehäusekante ausgebildet sein. In diesem Fall kann an jeder der vier Innenecken des Zellgehäuses jeweils ein Führungsbacken nach außen drücken.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Prozessabfolge beschrieben: Demnach sind die Führungsbacken vom Start des Heizprozesses bis zum Erreichen der Prozesstemperatur im Zellgehäuse bzw. in der Gehäusekante aktiv, das heißt die Führungsbacken drücken das Zellgehäuse nach außen. Mit dem Erreichen der Prozesstemperatur oder nach dem Erreichen der Prozesstemperatur werden die Führungsbacken aus dem Zellgehäuse entnommen. Anschließend startet der Bestückungsprozess. Der dem Bestückungsprozess vorgelagerte Heizprozess kann dabei zu einem Prozesszeitpunkt enden, zu dem eine Stirnseite der Elektroden-/Stapelanordnung bereits in die Bestückungsöffnung des Zellgehäuses eingeführt ist. Im weiteren Verlauf des Bestückungsprozesses bleibt der Heizprozess deaktiviert. Die im Heizprozess erreichbare Prozesstemperatur ist dabei kleiner bemessen als eine Grenztemperatur, aber der eine thermische Beschädigung der Elektroden-/Separatoranordnung zu befürchten ist.
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Bevorzugt kann die Wärmebeaufschlagung durch Wärmeleitung erfolgen, bei der das Heizelement in Anlage mit einer Kontaktfläche einer Zellgehäusewand ist. In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn das Heizelement entlang der Normalachse zur Kontaktfläche beweglich gelagert ist. Dadurch kann beim Ausweiten der Gehäusekante eine Ausweichbewegung erfolgen, um eine Verformung des Zellgehäuses zu vermeiden.
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Je nach technischer Realisierung kann die Wärmebeaufschlagung von zellgehäuseinnen und/oder von zellgehäuseaußen erfolgen. Bei einer Wärmebeaufschlagung von zellgehäuseinnen können gemäß einer weiteren Option die Führungsbacken in Doppelfunktion zusätzlich auch als Heizelemente wirken.
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Zur Vermeidung von irreversiblen Verformungen während des Heizprozesses ist es bevorzugt, wenn die Heizeinheit so ausgelegt ist, dass die im Heizprozess eingebrachte Heizleistung in Gehäusekanten-Umfangsrichtung homogen verteilt ist, um den Aufbau von Eigenspannungen im Zellgehäuse zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß vorgeschlagen ist ferner ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse, in dem eine Elektroden-/Stapelanordnung eingehaust ist, mit einem Bestückungsprozess, bei dem die Elektroden-/Stapelanordnung über eine Bestückungsöffnung des Zellgehäuses in das Gehäuseinnere eingesetzt wird, wobei für einen störkonturfreien Bestückungsprozess das Verfahren einen Heizprozess aufweist, bei dem eine Heizeinheit das Zellgehäuse, bis auf eine Prozesstemperatur erwärmt, so dass sich der Öffnungsquerschnitt der Bestückungsöffnung aufweitet, wodurch die Elektroden-/Separatoranordnung leichtgängig in die Bestückungsöffnung einführbar ist, und wobei die Heizeinheit Führungsbacken aufweist, die gehäuseinnen positioniert sind, und wobei die Führungsbacken während des Heizprozesses mit einer Vorspannkraft die Zellgehäusewand zumindest im Bereich der Gehäusekante nach außen drücken, um die thermisch bedingte Ausweitung in vordefinierte Richtungen zu führen.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer ein Bestückungsprozess veranschaulicht ist.
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Anhand der 1 bis 5 wird ein Bestückungsprozess beschrieben, wie er bei der Fertigung bei einer prismatischen Batteriezelle durchführbar ist. Die prismatische Batteriezelle weist ein quaderförmiges, formstabiles Metall-Zellgehäuse 1 aus zum Beispiel einer Aluminiumlegierung auf. Das Metall-Zellgehäuse 1 ist in den Figuren beispielhaft aus einem Zellbecher 3 und einer Deckwandbaugruppe 5 zusammengebaut. Der Zellbecher 3 weist einen Gehäuseboden 7 sowie davon hochgezogene Flachseitenwände 9 und Schmalseitenwände 11 auf. Die Oberseite des Zellbechers 3 bildet eine Bestückungsöffnung 13 (2 oder 3), über die während des Bestückungsprozesses die Deckwandbaugruppe 5 in den Zellbecher 3 einsetzbar ist. Die Deckwandbaugruppe 5 besteht gemäß der 3 aus einer Gehäusedeckwand 15 sowie einer daran befestigten Elektroden-/Separatoranordnung 17, bei der die Elektrodenlagen sowie die Separatorlagen in bekannter Weise übereinandergestapelt sind.
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Die Bestückungsöffnung 13 ist in der 2 oder 3 von einer rechtwinklig verlaufenden Gehäusekante 19 umzogen. Um einen störkonturfreien Bestückungsprozess zu ermöglichen, ist in den 2, 3 und 5 eine Heizeinheit 21 bereitgestellt, die je Seitenwand 9, 11 ein Heizelement 23 aufweist. Mittels der Heizelemente 23 kann während eines Heizprozesses die Gehäusekante 19 des Zellgehäuses 1 bis auf eine Prozesstemperatur Tp (4) erwärmt werden. Dies führt zu einer Aufweitung des Öffnungsquerschnittes der Bestückungsöffnung 13 um einen Querversatz Δy (5), und zwar mit Bezug auf den verbleibenden Zellgehäuse-Rest 25, der nicht aktiv von den Heizelementen 23 erwärmt wird, sondern lediglich eine Wärmeeinflusszone bildet, die sich aufgrund von Wärmeleitung erwärmt.
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Wie aus den 2, 3 oder 5 weiter hervorgeht, sind die Heizelemente 21 gehäuseaußen in wärmeleitender Anlage mit Kontaktflächen einer Zellgehäusewand. Die Heizelemente 21 sind in Richtung einer Normalachse zur Kontaktfläche beweglich gelagert, wie es in der 5 durch Doppelpfeile angedeutet ist. Auf diese Weise wird beim Ausweiten der Gehäusekante 19 eine Verformung des Zellgehäuses 1 vermieden, wie sie zum Beispiel bei ortsfest positionierten Heizelementen 23 auftreten kann. In der 2 sind der Heizeinheit 21 zudem Führungsbacken 27 zugeordnet. Gegen jede der Innenecken 29 des Zellgehäuses 1 drückt jeweils eine der Führungsbacken 27 mit einer vordefinierten Vorspannkraft Fv nach außen. Auf diese Weise kann die im Heizprozess erfolgende thermisch bedingte Ausweitung der Gehäusekante 19 in vordefinierten Richtungen durchgeführt werden. Die Prozesstemperatur TP ist dabei kleiner bemessen als eine Grenztemperatur, ab der eine thermische Beschädigung der Elektroden-/Separatoranordnung 17 zu befürchten ist.
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Nachfolgend wird anhand des Temperatur-Zeit-Diagramms gemäß der 4 eine bevorzugte Prozessabfolge beschrieben: Demnach startet der Heizprozess zu einem Zeitpunkt tHS. Während des Heizprozesses wird die Temperatur an der Gehäusekante 19 rampenförmig erhöht bis die Prozesstemperatur TP erreicht ist, die beispielhaft bei 80°C liegen kann. Die Führungsbacken 27 sind ab dem Startzeitpunkt tHS des Heizprozesses aktiviert, das heißt sie drücken mit der Vorspannkraft Fv die Gehäuse-Innenecken 29 nach außen, um zwar bis zu einem Entnahmezeitpunkt tE. Zum Entnahmezeitpunkt tE werden die Führungsbacken 27 aus dem Gehäuseinneren entnommen. Gemäß der 4 ist zum Entnahmezeitpunkt tE bereits die Prozesstemperatur TP erreicht. Nach Entnahme der Führungsbacken 27 startet der Bestückungsprozess (Zeitpunkt tBS), bei dem die Elektroden-/Separatoranordnung 17 mit ihrer Stirnseite 31 in die Bestückungsöffnung 13 des Zellgehäuses 1 eingeführt wird. Sobald dies erfolgt ist, endet der Heizprozess (Endzeitpunkt tHE), während der Bestückungsprozess bis zu einem Endzeitpunkt tBE fortgesetzt wird, zu dem die Deckwandbaugruppe 5 vollständig in den Zellbecher 1 eingesetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zellgehäuse
- 3
- Zellbecher
- 5
- Deckwandbaugruppe
- 7
- Gehäuseboden
- 9
- Flachseitenwand
- 11
- Schmalseitenwand
- 13
- Bestückungsöffnung
- 15
- Gehäusedeckwand
- 17
- Elektroden-/Separatoranordnung
- 19
- Gehäusekante
- 21
- Heizeinheit
- 23
- Heizelemente
- 25
- Zellgehäuse-Rest
- 27
- Führungsbacken
- 29
- Gehäuse-Innenecken
- 31
- Stirnseite der Elektroden-/Separatoranordnung
- Fv
- Vorspannkraft
- Δy
- Querversatz
- tHS
- Heizprozess-Startzeitpunkt
- tHE
- Heizprozess-Endzeitpunkt
- tBS
- Bestückungsprozess-Startzeitpunkt
- tBE
- Bestückungsprozess-Startzeitpunkt
- tE
- Entnahmezeitpunkt
- TP
- Prozesstemperatur
