DE102022204440A1

DE102022204440A1 - Batteriezelle sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022204440A1
Application number: DE102022204440.1A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2023-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse (1) mit einem positiven und einem negativen Zellterminal (23, 25). Erfindungsgemäß sind in dem Zellgehäuse (1) zumindest zwei Stapel (5) aus Elektroden (A, K) und zumindest einem Separator (S) angeordnet. Die Stapel (5) sind mit ihren Stapelableitern (11, 13) in Reihenschaltung zwischen den beiden Zellterminals (23, 25) elektrisch verschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle nach Anspruch 10.
Elektrische Verbraucher benötigen zum Betrieb eine bestimmte elektrische Spannung. Sobald die Batteriespannung unter einen Grenzwert sinkt, kann der elektrische Verbraucher nicht mehr betrieben werden. Selbst wenn die untere Spannungsgrenze der Batterie (2,5 V) noch nicht erreicht ist, kann sie die elektrische Last nicht betreiben. Lithium-lonen-Zellen weisen normalerweise eine Spannung von 3 - 4 V auf. Meistens beträgt die Nennspannung für die NMC-Kathode 3,7 V. Wenn zum Beispiel die elektrische Last 230 V benötigt, müssten daher 63 Zellen in Reihe geschaltet werden. Da die Spannung der Zellen nach geringer Nutzung bis auf 3 V sinken kann, reichen diese 63 Zellen in Reihe nicht aus. Das bedeutet, dass die elektrische Last nur für eine kurze Zeit arbeiten kann, bis der Schwellenwert erreicht ist.
Bei einer Reihenschaltung von Batteriezellen bestimmt die Zelle mit der geringsten elektrischen Kapazität die Kapazität der gesamten Reihenschaltung. Das bedeutet, dass die Reihenschaltung aller Zellen nur die Kapazität der schlechtesten Zelle liefern kann. Beispielhaft kann eine Zelle mit einer Kapazität von 7Ah nicht vollständig genutzt werden, da die Kapazität des gesamten Zellensystems 4Ah und 22V beträgt.
Der Trend bei Hochvoltbatterien geht zu höheren Spannungen wie 800 V, um die Ladezeit zu verkürzen, den Leistungsverlust zu verringern und auch den Kabeldurchmesser zu reduzieren. Das bedeutet, dass immer mehr Zellen in Reihe geschaltet werden müssen, um diese 800V-Marke zu erreichen. Gleichzeitig benötigt man einen hohen Strom für das Drehmoment, das heißt die Batterie sollte eine hohe Kapazität haben. Dies ist nur möglich, indem mehr Aktivmaterial eingesetzt wird und die Batterie vergrößert wird. Jedoch kann mit einer größeren Batterie nur die Kapazität erhöht werden, nicht jedoch die Spannung. Das bedeutet, dass im Stand der Technik entsprechend groß dimensionierte Zellen in Reihe geschaltet werden, um sowohl eine hohe Kapazität als auch eine hohe Spannung zu erreichen. Größer dimensionierte Zellen haben eine schlechtere Kühlung und sind anfälliger für thermisches Durchgehen. Der vermehrte Einsatz von Aktivmaterial vergrößert den Weg der Lithium-Ionen und erhöht damit auch den Innenwiderstand der Batterie.
Aus der DE 10 2011 012 631 B4 ist ein Energiespeicher bekannt. Aus der DE 11 2013 002 593 T5 ist eine Lithium-Ionen-Multizellenbatterie bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle bereitzustellen, mit der im Vergleich zum Stand der Technik in fertigungstechnisch einfacher Weise die Zellspannung erhöht werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß weist die Batteriezelle ein Zellgehäuse mit einem positiven Zellterminal und einem negativen Zellterminal auf. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 sind in dem Zellgehäuse zumindest zwei Stapel aus Elektroden und Separatoren angeordnet. Die Stapel sind mit ihren Stapelableitern in Reihenschaltung zwischen den beiden Zellterminals elektrisch verschaltet.
Erfindungsgemäß besteht also die Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, aus einer Anzahl von Unterzellen (das heißt einer Anzahl von Elektroden-/Separatorstapeln), die innerhalb der Zelle in Reihe geschaltet sind, um eine Batteriezelle mit hoher Spannung zu bilden. Wenn zum Beispiel zwei Unterzellen in einer Batteriezelle in Reihe geschaltet sind, beträgt die kombinierte Nennspannung dieser Zelle 3,7 x 2 = 7,4 V. Zwar halbiert sich dadurch die elektrische Kapazität, jedoch wird die Spannung der Zelle erhöht. Wenn vier Zellen in der Zelle in Reihe geschaltet sind, beträgt die kombinierte Nennspannung der Pouch-Zelle 14,8 Volt, sofern eine Unterzelle eine Nennspannung von 3, 7V aufweist. Die Erfindung kann beispielhaft auf eine Pouchzelle oder auf andere Zellentypen angewendet werden, wie prismatische und zylindrische Zellen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht auch in der einfachen Prozessführung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle. Nachfolgend wird gezeigt, wie eine solche Zelle ohne zusätzliche Prozesse hergestellt werden kann. Am wichtigsten ist die interne Reihenschaltung, die innerhalb der Zelle vorgenommen werden muss. Nachfolgend werden verschiedene Möglichkeiten aufgezeigt, wie man Zellen in Reihe schalten kann. Insbesondere kann ein Pluspol (Minuspol) einer Teilzelle mit dem Minuspol (Pluspol) einer anderen Teilzelle in einfacher Weise elektrisch verbunden werden. Verschiedene Anschlussmöglichkeiten sind möglich: Zum Beispiel kann der Anschluss mittels eines Kupfer- oder Aluminiumverbinders (nachfolgend allgemein als Stromschiene bezeichnet) erfolgen, der sich im Inneren der Zelle befindet und zum Beispiel durch Ultraschallschweißen mit dem Stromabnehmer verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft den Sachverhalt, wie die Unterzellen innerhalb einer großen Zelle in Reihe geschaltet werden können, um eine höhere Spannung zu erhalten. Die Zelle wird daher eine entsprechend geringere Kapazität aufweisen. Das bedeutet, dass die Erfindung bei Einsatzfällen anwendbar ist, bei denen eine hohe Spannung und ein niedrige Strom erforderlich ist. Wenn man sowohl eine hohe Spannung als auch einen hohen Strom benötigt, muss diese Zelle mit anderen Zellen parallel geschaltet werden.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle werden die Stromschienen mit verschiedenen Verfahren mit der Innenseite des Zellgehäuses verbunden, zum Beispiel durch Kleben oder durch Ultraschallschweißen. Andere Verfahren sind ebenfalls möglich: Etwa ein Aufsprühen von Kupfer- oder Aluminiumpartikeln durch Kaltstrahltechnik mit De Laval- oder Ventury-Düsen auf die Innenseite des Zellgehäuses. Hier werden Kupfer- und Aluminiumpartikel mit Bindemittel und Klebstoff vermischt, die nach dem Auftreffen auf das Zellgehäuse sehr fest an diesem haften. Nach erfolgter Klebstoff-Aushärtung sind die Stromschienen durch Klebtechnik verbunden. Hierbei werden leitfähige Klebstoffe verwendet. Die Stromschienen sind entweder direkt mit einem Gehäuseteil des Zellgehäuses verbunden. Alternativ werden diese zuerst mit den Unterzellen verschweißt und dann in das tiefgezogenen Gehäuseteil eingesetzt. Das bedeutet, dass die Stromschienen - wie auch die Zellterminals - mit den Stapel-Stromabnehmer verbunden sind, um die Elektroden-/Separatorstapel in Reihe zu schalten. Anschließend kann die geschweißte Baugruppe in das Gehäuseteil eingesetzt werden.
In einer Fertigungsvariante können die Elektroden-/Separatorstapel, die Stromschienen und die Zellterminal separat von dem Zellgehäuse miteinander zu einer Baueinheit verbunden werden. Auf diese Weise kann auch ein Schweißverfahren, wie das Laserschweißen, verwendet werden, da bei der Fertigung der Baueinheit nicht die Gefahr einer thermischen Beschädigung des Zellgehäuses besteht. Alternativ dazu kann als Fügeverfahren auch ein Ultraschallschweißen oder ein Kleben eingesetzt werden. Es ist dabei wichtig, einen leitfähigen Klebstoff zu verwenden.
Die Hauptunterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sind die folgenden: Die Zelle besteht aus kleineren Unterzellen, die durch dünne Kupfer- oder Aluminiumverbinder (das heißt Stromschienen) in Reihe geschaltet sind. Der Zellgehäuse-Innenraum ist nicht nur einen einziger Hohlraum, wie bei einer herkömmlichen Zelle, sondern besteht dieser au seiner Mehrzahl von Hohlräumen, die durch dünne Trennwände von etwa 2-3 mm getrennt sind. Auf diese Weise sind alle Unterzellen zwar in einem Zellgehäuse, jedoch voneinander getrennt. Innerhalb der Zelle ist eine Reihenschaltung der Elektroden-/Separatorstapel mit Hilfe der Stromschienen realisiert, die der Zelle eine höhere Spannung verleihen. Zudem kann die Batteriezelle in Zellverbund mit weiteren Batteriezellen durch externe Stromschienen parallel geschaltet werden, um eine hohe Kapazität zu erhalten. Die Stromschienen befinden sich im Inneren des Zellgehäuses, so dass die Zelle von außen gut isoliert ist. Die Anschlüsse können entweder aus einem dünnen Metallstreifen oder aus aufgesprühten Metallpartikeln auf der Oberfläche des Beutels bestehen. Zwar weist die erfindungsgemäße Zelle weniger Kapazität auf al seine herkömmliche Zelle, wenn die Spannung erhöht wird. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Energie der Zelle gleich bleibt. Eine Hochspannungszelle hilft, den Leistungsverlust zu verringern und die Zelle schneller aufzuladen. Die Stromschienen können entweder durch Ultraschallschweißen oder durch Kleben verbunden werden. Es ist dabei wichtig, leitfähige Kleber zu verwenden. Die Stromschienen können auch durch Kleben mit der Zellgehäuse-Innenseite verbunden werden, wobei ein nicht leitender Klebstoff verwendet werden muss. Man kann zudem Kanäle im Inneren des Zellgehäuses bereitstellen, in denen die Stromschienen ortsfest verlegt sind. Dies ist wichtig, um zu verhindern, dass sich die Anschlüsse aufgrund von Vibrationen verschieben.
Die beiden Gehäuseteile des Zellgehäuses können im Falle einer Pouchzelle nicht nur am Rand, sondern auch an den Trennwänden, die die Hohlräume voneinander trennen, heißversiegelt sein. Auf diese Weise ist jeder Hohlraum unabhängig von den anderen, während die darin platzierten Elektroden-/Separatorstapel durch die Stromschienen miteinander verbunden sind.
Die Vorteile der Erfindung sind nachfolgend stichpunktartig aufgelistet: Es kann eine Hochspannungs-Zelle mit wenigen Unterzellen bereitgestellt werden. Zwar ist die elektrische Kapazität der erfindungsgemäßen Zelle geringer, jedoch ist die erfindungsgemäße Zelle ideal für eine Last, die eine hohe Spannung sowie einen niedrigen Dauerstrom benötigt. Die Unterzellen werden in Reihe geschaltet, wobei die Batteriezelle in einem Zellverbund parallel geschaltet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die schwächste Unterzelle in der Reihenschaltung nicht die Gesamt-Kapazität bestimmt. Die Herstellung von Modulen, bei denen alle Zellen parallel geschaltet sind, ist viel einfacher, da sich alle Anoden auf einer Seite und alle Kathoden auf einer Seite des Moduls befinden. Da in der Batteriezelle eine Anzahl von n Unterzellen (das heißt Elektroden-/Separatorstapel) eingebaut sind, kann eine n-fach größere Spannung als bei einer herkömmlichen Batteriezelle bereitgestellt werden. Die Batteriezelle kann daher im Vergleich zum Stand der Technik schneller geladen werden und weist einen geringeren Leistungsverlust auf. Die Stromschienen zur Verschaltung der Elektroden-/Separatorstapel können durch Kleben oder Schweißen an die Innenseite des Zellgehäuses angebunden werden. Alternativ können die Stromschienen durch Kaltstrahltechniken angebunden werden. Auf diese Weise wird nur eine geringe Menge an Kupfer- oder Aluminiummaterial bei der Herstellung der Stromschienen benötigt.
Die Zellmontage, die Elektrolyteinspritzung und viele andere Prozesse bleiben unverändert. Das bedeutet, dass die erfindungsgemäßen Hochspannungszellen problemlos in derselben Zellfertigungslinie hergestellt werden können. Die Herstellung von Elektroden mit geringer Länge in Unterzellen ist viel effektiver als die Herstellung von Elektroden mit großer Länge. Je größer die Oberfläche der Elektrode, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Oberflächenfehlers. Daher hat eine Elektrode mit geringer Oberfläche weniger Oberflächenfehler. Selbst wenn die Zelle eine höhere Kapazität, aber eine niedrigere Spannung als für die Last erforderlich aufweist, kann die Last nicht betrieben werden. Andererseits gilt: Wenn die Spannung hoch, jedoch die Kapazität niedrig ist, dann kann der Verbraucher zumindest betrieben werden. Jedoch wird der Verbraucher mit einem niedrigen Drehmoment laufen, da der Strom geringer ist. Diese Zelle ist sehr vorteilhaft für Verbraucher, die keinen kontinuierlichen hohen Strom, aber eine kontinuierliche hohe Spannung benötigen (zum Beispiel Brandmeldeanlage, Magnetventil, Starterbatterie, Schrittmotor usw.). Die Größe der stromführenden Kabel im Akkupack verringert den Spannungsanstieg. Dadurch wird das Gewicht des Akkupacks reduziert.
Nachfolgend sind relevante Aspekte der Erfindung nochmals im einzelnen wiedergegeben: So kann ein in der Reihenschaltung erster Stapel mit seinem positiven Stapelableiter am zugeordneten positiven Zellterminal angeschlossen sein. In gleicher Weise kann ein in der Reihenschaltung letzter Stapel mit seinem negativen Stapelableiter am zugeordneten negativen Zellterminal angeschlossen sein. Die im Zellgehäuse angeordneten Stapel können mit ihren Stapelableitern entweder unmittelbar oder über zumindest eine Stromschiene elektrisch miteinander verbunden sein. In diesem Fall ist jeweils ein positiver Stapelableiter des einen Stapels mit einem negativen Stapelableiter des in der Reihenschaltung folgenden, anderen Stapels elektrisch verbunden. Die Stromschiene kann dabei bevorzugt innerhalb des Zellgehäuses angeordnet sein. Der Innenraum des Zellgehäuses kann zudem mittels Trennwände in Teilräume unterteil sein. In denen jeweils ein Stapel angeordnet ist.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann die Batteriezelle eine Pouchzelle sein, deren Zellgehäuse aus zwei Gehäuseteilen aufgebaut ist, die in einem Tiefziehprozess hergestellt werden können. Jedes Gehäuseteil ist wannenförmig mit einem rechteckigen Gehäuseteilboden und mit davon hochgezogenen Seitenwänden ausgebildet, von denen nach außen Fügeflansche abgewinkelt sind. Die Fügeflansche der beiden Gehäuseteile werden in einem Fügeprozess an einer Fügeebene miteinander zum Beispiel in einem Heißsiegelverfahren verbunden. Zudem können die beiden Gehäuseteile an einer Faltkante materialeinheitlich ineinander übergehen.
Nach dem Tiefziehprozess erfolgt ein Bestückungsprozess, in dem die Stapel in eines der beiden Gehäuseteile eingelegt werden. Zudem wird ein Verschaltungsprozess durchgeführt, in dem die Stapel zwischen den beiden Zellterminals verschaltet werden.
Bevorzugt ist es, wenn die Stromschiene in der Fügeebene zwischen den einander zugewandten Fügeflanschen der Gehäuseteile angeordnet ist. Die Stromschiene kann vor Durchführung des Bestückungsprozesses als ein separates Bauteil durch Haftmittel und/oder durch ein Ultraschallschweißen am Zellgehäuse, und zwar insbesondere an den Fügeflanschen des Gehäuseteils, angebunden werden. Bevorzugt ist die Stromschiene in einer rinnenartigen Vertiefung des Fügeflansche geführt, die im Tiefziehprozess hergestellt sind. Alternativ dazu kann ein Beschichtungsprozess durchgeführt werden, in dem eine Stromschienen-Ausgangskomponente unter Bildung der Stromschiene auf dem Zellgehäuse, insbesondere auf die Fügeflansche des Gehäuseteils, aufgetragen wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Verschaltungsprozess separat vom Zellgehäuse, das heißt vor dem Bestückungsprozess erfolgen. Im Verschaltungsprozess können die Stapel, die Zellterminals und die Stromschienen zu einer Baueinheit zusammengefügt werden. Anschließend startet der Bestückungsprozess, in dem die Baueinheit in das Zellgehäuse, bevorzugt in das Gehäuseteil eingelegt wird.
In einer Pouchzelle können die Stapel bevorzugt nebeneinander angeordnet sein. Demgegenüber können in einer prismatischen Zelle die Stapel in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet sein.
In einer weiteren konkreten Ausführungsvariante kann jeder der Stapel nach Art einer Monozelle ausgebildet sein. Diese kann dreilagig aus einer Kathodenlage, einer Anodenlage und einer zwischengeordneten Separatorlage aufgebaut sein. Eine bauraumgünstige sowie fertigungstechnisch einfach herstellbare Reihenschaltung kann wie folgt bereitgestellt werden: So kann der Stapel-Reihenschaltung eine gemeinsame Separatorlage zugeordnet sein. In einer Längserstreckungsrichtung der Separatorlage können benachbarte Monozelle zueinander gegenpolig ausgebildet sein. In diesem Fall sind auf jeder Seite der Separatorlage in Längserstreckungsrichtung Anoden- und Kathodenlagen der Monozellen angeordnet. Diese sind pro Seite jeweils hintereinander alternierend sowie beabstandet voneinander positioniert. Die benachbarten Anoden- und Kathodenlage an jeder Seite der Separatorlage können über Stromschienen miteinander verbunden sein.
Bevorzugt ist jede der Elektrodenlagen, das heißt die Anodenlage und die Kathodenlage, aus einem Substrat sowie aus einem Aktivmaterial aufgebaut. Das Substrat kann unmittelbar auf die Separatorlage beschichtet sein, während das Aktivmaterial auf die Substrat-Außenseite beschichtet sein kann. Bevorzugt kann das Elektrodensubstrat eine poröse sowie inhomogene Materialstruktur aufweisen, um eine lonen-Durchlässigkeit zu gewährleisten.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 5 unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Batteriezelle.

In der 1 ist eine fertiggestellte Batteriepouchzelle gezeigt, die in einem Stromkreis mit einer elektrischen Last 2 eingebunden ist. Die Batteriepouchzelle weist ein Zellgehäuse 1 aus einem Folienmaterial auf. Das Zellgehäuse 1 ist aus zwei Gehäuseteilen 3 aufgebaut, von denen das obere Gehäuseteil 3 in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich gestrichelt angedeutet ist. Im Zellgehäuse-Inneren sind insgesamt vier Elektroden-/Separatorstapel 5 angeordnet. Diese sind nebeneinander positioniert und identisch ausgebildet. In jedem Elektroden-/Separatorstapel 5 sind in einer Stapelrichtung übereinander alternierend Separatorlagen, Kathodenlagen und Anodenlagen gestapelt. Vom Stapel 5 ragen gemäß der 1 seitlich jeweils kathodenseitige Ableiterfahnen 7 und anodenseitige Ableiterfahnen 9 ab. Diese sind jeweils zu einem kathodenseitigen Stapelableiter 11 und zu einem anodenseitigen Stapelableiter 13 zusammengefügt. Die beiden Gehäuseteile 3 des Zellgehäuses 1 sind in einem Tiefziehprozess aus einem Folienmaterial tiefgezogen. Jedes der beiden Gehäuseteile 3 ist gemäß der 2 wannenförmig mit einem rechteckförmigen Gehäuseteilboden 15 und davon hochgezogenen Seitenwänden 17 ausgebildet, von denen Fügeflansche 19 nach außen abgewinkelt sind. Die beiden Gehäuseteile 3 sind über eine Faltkante 21 miteinander materialeinheitlich und einstückig in Verbindung. Im Zusammenbauzustand (1) sind die Fügeflansche 19 beider Gehäuseteile 3 an einer Fügeebene miteinander zum Beispiel im Heißsiegelverfahren verbunden. Zwischen einander zugewandten Fügeflanschen 19 ist an beiden gegenüberliegenden Batteriezellen-Seiten jeweils ein positiver Zellterminal 23 und ein negativer Zellterminal 25 nach gehäuseaußen geführt. Der Zellgehäuse-Innenraum ist gemäß der 5 mittels Trennwände 27 (1 oder 2) in insgesamt vier Teilräume unterteilt, in denen jeweils ein Stapel 5 angeordnet ist. Die Trennwände werden während des Tiefziehprozesses aus dem Gehäuseteilboden 15 geformt.
Die vier Elektroden-/Separatorstapel 5 sind mit ihren Stapelableitern 11, 13 in Reihenschaltung zwischen den beiden Zellterminals 23, 25 elektrisch verschaltet. Hierzu ist in der 1 ein in der Reihenschaltung erster Stapel 5 mit seinem positiven Stapelableiter 11 am zugeordneten positiven Zellterminal 23 angeschlossen, während ein in der Reihenschaltung letzter Stapel 5 mit seinem negativen Stapelableiter 13 am zugeordneten negativen Zellterminal 25 angeschlossen ist. Die Stapel 5 sind zudem mit ihren Stapelableitern 11, 13 über Stromschienen 29 elektrisch miteinander verbunden. Hierzu ist jeweils ein positiver Stapelableiter 11 des einen Stapels 5 über die Stromschiene 29 mit einem negativen Stapelableiter 13 des in der Reihenschaltung folgenden, anderen Stapels 5 elektrisch verbunden.
Gemäß der 1 verlaufen die Stromschienen 29 im Zusammenbaustand in der Fügeebene zwischen den einander zugewandten Fügeflanschen 19 der Gehäuseteile 3.
Gemäß einer ersten Fertigungsvariante (2) können die Stromschienen 29 jeweils als separate Bauteile bereitgestellt sein. In diesem Fall können die Stromschienen 29, die Stapel 5 sowie die Zellterminals 23, 25 separat vom Zellgehäuse 1 in einem Verschaltungsprozess zum Beispiel durch Ultraschallschweißen oder Laserschweißen zu einer Baueinheit 31 zusammengefügt werden. Nach erfolgtem Verschaltungsprozess wird ein Bestückungsprozess durchgeführt, bei dem die Baueinheit 31 in eines der beiden Gehäuseteile 3 eingesetzt wird. Anschließend folgt ein Zusammenbauprozess, bei dem das nicht bestückte Gehäuseteil 3 um die Faltkante 21 umgeschlagen wird und die einander zugewandten Fügeflansche 19 beider Gehäuseteile 3 in einem Fügeprozess (zum Beispiel Heißsiegelverfahren) miteinander verbunden werden. Dabei bleibt noch eine Gehäuseöffnung zwischen den Fügeflanschen 19 sowie eine Überströmöffnung an den Trennwänden 27 offen, um eine Elektrolytbefüllung zu ermöglichen, bei der ein Elektrolyt durch die Gehäuseöffnung in das Gehäuseinnere gefüllt wird. Nach der Elektrolytbefüllung wird die Gehäuseöffnung mittels einer weiteren Siegelnaht geschlossen.
In einem weiteren Fertigungsprozess können die Stromschienen 29 als separate Bauteile bereits vor dem Bestückungsprozess zum Beispiel durch Haftmittel und/oder durch Ultraschallschweißen an den Fügeflanschen 19 des Gehäuseteils 3 angebunden werden. Alternativ dazu kann auch ein Beschichtungsprozess erfolgen, wie er in der 3 und 4 gezeigt ist. Demnach wird eine Stromschienen-Ausgangskomponente über eine Beschichtungsdüse 33 auf die Fügeflansche 19 des Gehäuseteils 3 aufgetragen, und zwar unter Bildung der Stromschienen 29. Anschließend folgt der Bestückungsprozess, bei dem die Stapel 5 in den jeweils zugeordneten Teilraum 28 des Gehäuseteils 3 eingelegt werden. Im weiteren Prozessverlauf wird der Verschaltungsprozess durchgeführt, bei dem die Stapelableiter 11, 13 jeweils mit den Zellterminals 23, 25 beziehungsweise mit den Stromschienen 29 verbunden werden.
In der 4 ist eine Prozessanordnung angedeutet, mittels der der oben erwähnte Beschichtungsprozess durchführbar ist. Demnach wird eine Mischung 41 aus Kupfer-Partikel und Bindemittel in einer Mischereinheit 43 zu einem homogenen Gemisch vermischt. Diesem Gemisch wird Klebstoff 45 zugesetzt. Trockene Luft oder Helium 47 wird verwendet, um die das homogene Gemisch in Richtung der Beschichtungsdüse 33 zu fördern, die zum Beispiel eine De Laval-Düse oder Ventury-Düse ist. Die Heizung 49 dient zur Erzeugung trockener Luft. Mit einem Kompressor wird die trockene Luft oder das Helium unter Druck gesetzt. Die Beschichtungsdüse 33 wandelt Druck und Wärme in Geschwindigkeit um. Auf diese Weise wird das Gemisch mit hoher Geschwindigkeit auf das Gehäuseteil 3 des Zellgehäuses 1 geschleudert und verbinden diese sich dann durch den Klebstoff und die kinetische Energie fest mit der Oberfläche des Gehäuseteils 3. Die so gebildete Stromschiene 29 kann im Wesentlichen eine Kupferschicht mit einer Schichtdicke von etwa 200 Mikrometer sein.
In den 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem jeder der Stapel 5 nach Art einer Monozelle ausgebildet ist, die dreilagig aus einer Kathodenlage K, einer Anodenlage A und einer zwischengeordneten Separatorlage S aufgebaut ist. In der, in der 7 gezeigten Stapel-Reihenschaltung sind die Elektroden A, K jeweils mit Stromschienen 29 verbunden. Der Stapel-Reihenschaltung ist dabei eine gemeinsame Separatorlage S zugeordnet, wobei in einer Längserstreckungsrichtung der Separatorlage S die einander benachbarten Monozellen zueinander gegenpolig ausgerichtet sind. Auf diese Weise sind auf jeder Seite der gemeinsamen Separatorlage S in Längserstreckungsrichtung betrachtet die Monozellen hintereinander angeordnet, und zwar mit Anoden- und Kathodenlagen A, K, die pro Separatorlagen-Seite zueinander alternieren und voneinander beabstandet sind. Jede der Elektrodenlagen A, K ist aus einem Substrat 35 und einem Aktivmaterial 37 aufgebaut. Das Substrat, das heißt Aluminium- oder Kupfermaterial, ist auf der gemeinsamen Separatorlage S beschichtet, während das Aktivmaterial 37 auf der Substrat-Außenseite beschichtet ist. Das Elektrodensubstrat 35 weist dabei eine poröse sowie inhomogene Materialstruktur auf, um während des Zellbetriebs eine lonendurchlässigkeit zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Zellgehäuse
2: elektrische Last
3: Gehäuseteile
5: Elektroden-/Separatorstapel
7,9: Ableiterfahnen
11, 13: Stapelableiter
15: Gehäuseteilboden
17: Seitenwände
19: Fügeflansche
21: Faltkante
23, 25: Zellterminals
27: Trennwände
29: Stromschiene
31: Baueinheit
33: Beschichtungsdüse
35: Substrat
37: Aktivmaterial
41: Mischung aus Kupfer-Partikel und Bindemittel
43: Mischereinheit
45: Klebstoff
47: trockene Luft oder Helium
49: Heizung
A: Anodenlage
K: Kathodenlage
S: Separatorlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011012631 B4 [0005]
DE 112013002593 T5 [0005]

Claims

Batteriezelle mit einem Zellgehäuse (1) mit einem positiven und einem negativen Zellterminal (23, 25), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zellgehäuse (1) zumindest zwei Stapel (5) aus Elektroden (A, K) und zumindest einen Separator (S) angeordnet sind, und dass die Stapel (5) mit ihren Stapelableitern (11, 13) in Reihenschaltung zwischen den beiden Zellterminals (23, 25) elektrisch verschaltet sind.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Reihenschaltung erster Stapel (5) mit seinem positiven Stapelableiter (11) am zugeordneten positiven Zellterminal (23) angeschlossen ist und ein in der Reihenschaltung letzter Stapel (5) mit seinem negativen Stapelableiter (13) am zugeordneten negativen Zellterminal (25) angeschlossen ist, und/oder dass die Stapel (5) mit ihren Stapelableitern (11, 13) entweder unmittelbar oder über zumindest eine Stromschiene (29) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei jeweils ein positiver Stapelableiter (11) des einen Stapels (5) mit einem negativen Stapelableiter (13) des in der Reihenschaltung folgenden, anderen Stapels (5) elektrisch verbunden ist.
Batteriezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (29) innerhalb des Zellgehäuses (1) angeordnet ist, und/oder dass der Innenraum des Zellgehäuses (1) mittels Trennwände (27) in Teilräume (28) unterteilt ist, in denen jeweils ein Stapel (5) angeordnet ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle bevorzugt eine Pouchzelle ist, deren Zellgehäuse (1) aus zwei Gehäuseteilen (3) aufgebaut ist, die in einem Tiefziehprozess herstellbar sind, und dass jedes Gehäuseteil (3) wannenförmig mit einem Gehäuseteilboden (15) und mit davon hochgezogenen Seitenwänden (17) übergeht, von denen nach außen Fügeflansche (19) abragen, und dass die Fügeflansche (19) der beiden Gehäuseteile (3) in einem Fügeprozess an einer Fügeebene miteinander verbindbar sind, und/oder dass insbesondere die Zellterminals (23, 25) zwischen den einander zugewandten Fügeflanschen (19) aus dem Zellgehäuse (1) geführt sind, und/oder dass insbesondere die beiden Gehäuseteile (3) an einer Faltkante (21) materialeinheitlich ineinander übergehen, und/oder dass insbesondere nach dem Tiefziehprozess ein Bestückungsprozess erfolgt, in dem die Stapel (5) in eines der Gehäuseteile (3) einlegbar sind, und/oder dass in einem Verschaltungsprozess die Stapel (5) zwischen den beiden Zellterminals (23, 25) in Reihenschaltung verschaltbar sind.
Batteriezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromschiene (29) in der Fügeebene zwischen den einander zugewandten Fügeflanschen (19) der Gehäuseteile (3) angeordnet ist, und dass insbesondere die Stromschiene (29) vor dem Bestückungsprozess als separates Bauteil durch Haftmittel und/oder durch Ultraschallschweißen am Zellgehäuse (1), insbesondere an den Fügeflanschen (19) des Gehäuseteils (3) anbindbar ist, oder dass ein Beschichtungsprozess erfolgt, in dem eine Stromschienen-Ausgangskomponente unter Bildung der Stromschiene (29) auf dem Zellgehäuse (1), insbesondere auf die Fügeflansche (19) des Gehäuseteils (3), aufgetragen wird.
Batteriezelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschaltungsprozess separat vom Zellgehäuse (1), insbesondere vor dem Bestückungsprozess erfolgt, und dass im Verschaltungsprozess die Stapel (5), die Zellterminals (23, 25) und gegebenenfalls die Stromschiene (29) zu einer Baueinheit (31) zusammenfügbar ist, und dass nach erfolgtem Verschaltungsprozess der Bestückungsprozess durchführbar ist, in dem die Baueinheit (31) in das Zellgehäuse (1), insbesondere das Gehäuseteil (3), einsetzbar ist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Pouchzelle die Stapel (5) nebeneinander angeordnet sind, oder dass in einer prismatischen Zelle die Stapel (5) in einer Stapelrichtung übereinander angeordnet sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stapel-Reihenschaltung jeder der Stapel (5) nach Art einer Monozelle ausgebildet ist, die dreilagig aus einer Kathodenlage (K), einer Anodenlage (A) und einer zwischengeordneten Separatorlage (S) aufgebaut ist.
Batteriezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel-Reihenschaltung eine gemeinsame Separatorlage (S) zugeordnet ist, und dass die in der Stapel-Reihenschaltung aufeinander folgenden Monozellen alternierend zueinander gegenpolig ausgerichtet sind, so dass auf jeder Seite der Separatorlage (S) hintereinander alternierend sowie beabstandet voneinander Anoden- und Kathodenlagen (A, K) der Monozellen angeordnet sind, und dass an jeder Separator-Seite die in Reihenschaltung aufeinander folgenden Anoden- und Kathodenlagen (A, K) an jeder Seite der Separatorlage (S) über Stromschienen (29) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.