DE102022208963B4 - Method for producing a battery pouch cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle mit einem Zellgehäuse (2) aus Folienmaterial, das aus zwei Gehäuseteilen (1) aufgebaut ist, die an einer Faltkante (3) materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen, wobei die beiden Gehäuseteile (1) um die Faltkante (3) umgeschlagen sind und deren zugewandte Gehäuseteil-Ränder (5) aneinandergefügt sind. Erfindungsgemäß werden die folgenden Prozessschritte durchgeführt: ein Legeprozess, in dem ein Elektroden-/Separatorstapel (9) und zumindest ein Anschlussventil (19, 21) auf einen Folienmaterialzuschnitt (17) gelegt werden, der aus den beiden Gehäuseteilen (1) besteht; ein Umschlagprozess, bei dem der Folienmaterialzuschnitt (17) um den Elektroden-/Separatorstapel (9) umgeschlagen wird; ein Fügeprozess, in dem die zugewandten Gehäuseteilränder (5) aneinander gefügt werden unter Bildung des Zellgehäuses (2); und ein Vakuumformprozess, in dem das Anschlussventil (19, 21) an eine Unterdruckquelle (23) angeschlossen wird, so dass das Zellgehäuse (2) mit Unterdruckwirkung um den Elektroden-/Separatorstapel (9) gezogen wird.The invention relates to a method for producing a battery pouch cell with a cell housing (2) made of film material, which is constructed from two housing parts (1), which merge into one another in one piece at a folding edge (3), the two housing parts (1) being around the Folding edge (3) are folded over and the facing housing part edges (5) are joined together. According to the invention, the following process steps are carried out: a laying process in which an electrode/separator stack (9) and at least one connection valve (19, 21) are placed on a film material blank (17) which consists of the two housing parts (1); a wrapping process in which the sheet material blank (17) is wrapped around the electrode/separator stack (9); a joining process in which the facing housing part edges (5) are joined together to form the cell housing (2); and a vacuum forming process in which the connection valve (19, 21) is connected to a vacuum source (23) so that the cell housing (2) is pulled around the electrode/separator stack (9) using a vacuum effect.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Batteriepouchzelle nach Anspruch 10.The invention relates to a method for producing a battery pouch cell according to the preamble of
Eine Batteriepouchzelle weist in an sich bekannter Weise ein Zellgehäuse aus einem Folienmaterial auf. Das Zellgehäuse ist aus zwei Gehäuseteilen aufgebaut, die an einer Faltkante materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Gehäuseteile sind an der Faltkante umgeschlagen, wobei deren gegenüberliegende Gehäuseteil-Ränder zum Beispiel in einem Heißsiegelverfahren aneinander gefügt sind.A battery pouch cell has a cell housing made of a film material in a manner known per se. The cell housing is made up of two housing parts, which merge into one another using the same material and in one piece at a folding edge. The two housing parts are folded over at the folded edge, with their opposite housing part edges being joined together, for example, in a heat-sealing process.
Im Stand der Technik wird das Gehäuseteil in einem Tiefziehprozess aus einer Verbundfolienbahn hergestellt. Nach dem Tiefziehprozess folgt ein Legeprozess, bei der ein Elektroden-/Separatorstapel in eines der beiden tiefgezogenen Gehäuseteile gelegt wird. Anschließend folgt ein Umschlagprozess, in dem das nicht belegte Gehäuseteil umgeschlagen wird und in einem Heißsiegelprozess mit dem anderen Gehäuseteil verbunden wird.In the prior art, the housing part is produced from a composite film web in a deep-drawing process. The deep-drawing process is followed by a laying process in which an electrode/separator stack is placed in one of the two deep-drawn housing parts. This is then followed by a folding process in which the unoccupied housing part is folded over and connected to the other housing part in a heat sealing process.
Das Gehäuse der Batteriepouchzelle besteht im Wesentlichen aus einer Aluminium- und Kunststoff-Laminatfolie, die aus verschiedenen Kunststoff- und Aluminiumschichten aufgebaut ist. Im Stand der Technik ist es wichtig, dass die Dicke der Pouch- und Aluminiumschicht nach dem Tiefziehen nicht unter den erforderlichen Wert reduziert wird. Zum Beispiel beträgt die Gesamtdicke des Folienmaterial nominal 153µm, während die Gesamtdicke nach dem Umformen größer als 107µm sein muss. Die Aluminiumschichtdicke kann nominal 40µm betragen, während die Aluminiumdicke nach dem Umformen größer als 28µm sein muss. Der Eckenradius liegt je nach Elektrodenkonstruktion zwischen 0,5 und 1 mm, was das Tiefziehen des Aluminiumlaminats zu einer großen Herausforderung macht. Die Höhe des tiefgezogenen Folienmaterials beträgt in der Regel etwa 4 bis 8 mm, wobei es schwierig ist, das Folienmaterial ohne Falten und Risse tiefzuziehen.The housing of the battery pouch cell essentially consists of an aluminum and plastic laminate film, which is made up of various plastic and aluminum layers. In the prior art, it is important that the thickness of the pouch and aluminum layer is not reduced below the required value after deep drawing. For example, the total thickness of the sheet material is nominally 153µm, while the total thickness after forming must be greater than 107µm. The aluminum layer thickness can be nominally 40µm, while the aluminum thickness after forming must be greater than 28µm. Depending on the electrode design, the corner radius is between 0.5 and 1 mm, which makes deep drawing the aluminum laminate a major challenge. The height of the deep-drawn film material is usually around 4 to 8 mm, although it is difficult to deep-draw the film material without folds and cracks.
Zudem kann das Folienmaterial eine HF-Schutzschicht aufweisen. Dabei kann es sich um einen Klebstoff handeln, der zur Verbindung von Aluminium mit Nylon und PP-Schichten verwendet wird. Sie verleiht Stabilität gegen HF-Gas. Für eine bessere Ziehbarkeit ist es möglich, eine 80µm-Aluminiumschicht zu verwenden. In diesem Fall beträgt die Gesamtdicke der Folie 150µm. Nachteilig sind das höhere Gewicht und die höheren Kosten.In addition, the film material can have an HF protective layer. This can be an adhesive used to bond aluminum to nylon and PP layers. It provides stability against HF gas. For better drawability it is possible to use an 80µm aluminum layer. In this case the total thickness of the film is 150µm. The disadvantages are the higher weight and the higher costs.
Die Kapazität einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriepouchzelle wird hauptsächlich durch die maximale Anzahl von Elektroden im Elektroden-/Separatorstapel bestimmt, die derzeit in einem tiefgezogenen Zellgehäuse aus laminierter Aluminiumfolie untergebracht werden können. Die maximal erreichbare Höhe des tiefgezogenen Zellgehäuses begrenzt die Stapelhöhe des Elektroden-Separatorstapels. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Ziehtiefe kann es im Zellgehäuse zu Rissen an den Ecken und Falten unter der Oberfläche des Niederhalters kommen.The capacity of a battery pouch cell known from the prior art is primarily determined by the maximum number of electrodes in the electrode/separator stack that can currently be accommodated in a deep-drawn cell housing made of laminated aluminum foil. The maximum achievable height of the deep-drawn cell housing limits the stack height of the electrode separator stack. If a predetermined drawing depth is exceeded, cracks at the corners and folds under the surface of the hold-down device can occur in the cell housing.
Im Stand der Technik wird das Variationsfenster der Umformparameter mit abnehmender Blechdicke immer kleiner. So erfordert zum Beispiel eine größere Neigung zur Faltenbildung eine Erhöhung der Blechhaltekraft (untere Grenze), was beim Ziehen zu Rissen am Napfboden führen kann (obere Grenze). Eine präzise Steuerung der Niederhalterkraft ist erforderlich, da sich der Abstand zwischen diesen oberen und unteren Grenzen mit abnehmender Foliendicke verringert. In Anbetracht der toleranzbedingten Schwankungen der Blechdicke, der Reibungsbedingungen und der Materialeigenschaften ist es nicht realistisch, gezogene Bauteile mit gleichbleibenden Zieheigenschaften zu erhalten.In the state of the art, the variation window of the forming parameters becomes smaller and smaller as the sheet thickness decreases. For example, a greater tendency to form wrinkles requires an increase in the sheet holding force (lower limit), which can lead to cracks in the bottom of the cup when pulled (upper limit). Precise control of the hold-down force is required because the distance between these upper and lower limits decreases as film thickness decreases. Given the tolerance-related fluctuations in sheet thickness, friction conditions and material properties, it is not realistic to obtain drawn components with consistent drawing properties.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die größte Herausforderung bei der Formung eines Zellgehäuses aus dünnem Aluminiumlaminat die Risse oder die übermäßige Ausdünnung an den Ecken sind. Dies kann zum Austreten von Elektrolyt führen. Wenn Falten vorhanden sind, würde dies das Dichtungsverhalten der Batteriepouchzelle verschlechtern, was bedeutet, dass Entlüftung ein Problem sein könnte. Das derzeitige Tiefziehverfahren ist nicht das ideale Verfahren zur Herstellung von Zellgehäusen aus Aluminiumlaminat.In summary, the biggest challenge in forming a cell casing from thin aluminum laminate is the cracks or excessive thinning at the corners. This can lead to electrolyte leakage. If wrinkles are present, this would degrade the sealing performance of the battery pouch cell, meaning venting could be a problem. The current deep drawing process is not the ideal process for producing cell casings from aluminum laminate.
Im Stand der Technik übt das Zellgehäuse zudem einen externen Druck auf den Elektroden-/Separatorstapel aus. Dies kann zu einer Verbiegung des Separators führen, was wiederum einen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode zur Folge haben kann. Externer Druck entsteht normalerweise, wenn der Tiefziehradius größer ist als der Radius der Elektroden- und Separatorecken. Auch während des Aufblähens der Zelle wird Druck auf den Separator an den Kanten ausgeübt. Das bedeutet, dass die Kanten des Separators beim Einsetzen der Elektroden-/Separatorstapels in das Zellgehäuse beim Versiegeln der Gehäusehälften sowie beim Aufblähen des Zellgehäuses schneller beschädigt werden können. Es ist wichtig, den Rand des Elektroden-/Separatorstapels innerhalb der Batteriepouchzelle zu verstärken.In the prior art, the cell housing also exerts external pressure on the electrode/separator stack. This can cause the separator to bend, which in turn can result in a short circuit between the anode and cathode. External pressure usually occurs when the deep drawing radius is larger than the radius of the electrode and separator corners. Even as the cell expands, pressure is exerted on the separator at the edges. This means that the edges of the separator can be damaged more quickly when inserting the electrode/separator stacks into the cell housing when sealing the housing halves and when inflating the cell housing. It is important to reinforce the edge of the electrode/separator stack within the battery pouch cell.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle bereitzustellen, in dem das Zellgehäuse im Vergleich zum Stand der Technik fertigungstechnisch einfach sowie ohne Falten- und/oder Rissbildung herstellbar ist.The object of the invention is to provide a method for producing a battery pouch cell in which the cell housing can be manufactured in a simple manner compared to the prior art and without the formation of wrinkles and/or cracks.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The task is solved by the features of
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Fertigung einer Batteriepouchzelle aus, die ein Zellgehäuse aus Folienmaterial aufweist. Das Zellgehäuse ist aus zwei Gehäuseteilen aufgebaut, die an einer Faltkante materialeinheitlich und einstückig ineinander übergehen. Die beiden Gehäuseteile sind im Zusammenbauzustand an der Faltkante umgeschlagen, wobei deren gegenüberliegende Gehäuseteil-Rändern aneinandergefügt sind (zum Beispiel in einem Heißsiegelprozess). Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist das Verfahren die folgenden Prozessschritte auf: Zunächst wird in einem Legeprozess ein Elektroden-/Separatorstapel und zumindest ein Anschlussventil auf einen Folienmaterialzuschnitt gelegt, der aus den beiden Gehäuseteilen besteht. Anschließend folgt ein Umschlagprozess, in dem der Folienmaterialzuschnitt um den Elektroden-/Separatorstapel umgeschlagen wird. Danach wird ein Fügeprozess durchgeführt, in dem die zugewandten Gehäuseteilrändern aneinander gefügt werden, und zwar unter Bildung des Zellgehäuses. Danach wird ein Vakuumformprozess durchgeführt, in dem das Anschlussventil an eine Unterdruckquelle angeschlossen wird. Auf diese Weise wird das Zellgehäuse mit Unterdruckwirkung um den Elektroden-/Separatorstapel gezogen.The invention is based on a method for producing a battery pouch cell which has a cell housing made of film material. The cell housing is made up of two housing parts, which merge into one another using the same material and in one piece at a folding edge. When assembled, the two housing parts are folded over at the folded edge, with their opposite housing part edges being joined together (for example in a heat sealing process). According to the characterizing part of
Erfindungsgemäß geht es darum, das Zellgehäuse um den Elektroden-/Separatorstapel herum zu gestalten und nicht darum, den Stapel in ein Zellgehäuse mit einer bestimmten Größe einzupassen. Letzteres ist das Problem bei der derzeitigen Praxis der Verwendung eines tiefgezogenen Zellgehäuses. Eine uneinheitliche Ziehtiefe führt im Stand der Technik zu einer uneinheitlichen Qualität des Zellgehäuses. Andererseits wird bei der Erfindung das Zellgehäuse für jeden Stapel praktisch maßgeschneidert, was es robuster gegenüber geringfügigen, aber legitimen Schwankungen in der Dicke des Stapels macht, auf die die tiefgezogenen Zellgehäuse extrem empfindlich reagieren.According to the invention, the aim is to design the cell housing around the electrode/separator stack and not to fit the stack into a cell housing of a certain size. The latter is the problem with the current practice of using a deep-drawn cell casing. In the prior art, an inconsistent drawing depth leads to an inconsistent quality of the cell housing. On the other hand, in the invention the cell casing is virtually tailor-made for each stack, making it more robust against small but legitimate variations in the thickness of the stack to which the deep-drawn cell casings are extremely sensitive.
Da der Stapel in das Zellgehäuse gepackt wird, ist es wichtig, dass das Zellgehäuse eine gleichmäßige Kontaktkraft über die gesamte Außenfläche des Stapels ausübt, was bei einem herkömmlichen tiefgezogenen Zellgehäuse nur sehr schwer zu gewährleisten ist. Durchbiegungen der Stapel-Bestandteile aufgrund von Kräften, die von der Zellgehäusewand ausgeübt werden, beeinflussen die Funktion der Zelle.Since the stack is packed into the cell casing, it is important that the cell casing exerts a uniform contact force across the entire outer surface of the stack, which is very difficult to ensure with a conventional deep-drawn cell casing. Deflections of the stack components due to forces exerted by the cell housing wall influence the function of the cell.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Folie des Zellgehäuses in einem ersten Prozessschritt auf einer Ablage positioniert. Anschließend wird der Elektroden-/Separatorstapel auf die Folie gelegt und die Folie wird um den Stapel gewickelt. Danach werden die Folienränder entlang des Umfangs versiegelt, um das Zellgehäuse zu bilden. Außerdem werden während des Versiegelns der Folie an geeigneten Stellen Ventile angebracht. Diese Ventile wirken als Sicherheitsventile, um den Aufbau von Gasdruck im Betrieb zu begrenzen. Während der Herstellung können diese Ventile zur Erzeugung eines Vakuums im Zellgehäuse und zum Ansaugen des Elektrolyts in dem Zellgehäuse verwendet werden. Auf diese Weise durchtränkt der Elektrolyt mit Hilfe des Saugdrucks die verschiedenen Schichten des Stapels und benetzt Separator und Elektroden, die möglicherweise schwer zugänglich sind.In the method according to the invention, the film of the cell housing is positioned on a shelf in a first process step. The electrode/separator stack is then placed on the foil and the foil is wrapped around the stack. The film edges are then sealed along the perimeter to form the cell casing. In addition, valves are installed at appropriate locations while the film is being sealed. These valves act as safety valves to limit the buildup of gas pressure during operation. During manufacturing, these valves can be used to create a vacuum in the cell casing and to draw the electrolyte into the cell casing. In this way, with the help of suction pressure, the electrolyte saturates the different layers of the stack and wets the separator and electrodes that may be difficult to access.
Ein solches Verfahren ist im Vergleich zum Stand der Technik mit größerer Wahrscheinlichkeit fehlerfrei, da die Qualität der Versiegelung entlang der Peripherie des Zellgehäuses einfacher zu handhaben ist als bei einem herkömmlichen, tiefgezogenen Zellgehäuse, was sich auf die nachgeschaltete Verarbeitung auswirkt. Der Elektrolyt, der das vakuumierte Zellgehäuse füllt, hat eine gleichmäßigere Menge und das Volumen des Zellgehäuses, der die Elektrodenstapel eng umschließt, hat eine gleichmäßigere Form, Größe und Leistung. Der Grund dafür ist, dass das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung des Zellgehäuses nicht von den legitimen Schwankungen der Materialeigenschaften, der Dicke der Folie, der Abmessungen der Stapel usw. beeinflusst wird und daher robuster ist. Außerdem ist die Intensität des Vakuums, das für die Vakuumformung benötigt wird, viel geringer als die, die für die Befüllung des Elektrolyts erforderlich ist. Die Evakuierung der Luft aus den Stapeln ermöglicht daher eine größere Leistungsdichte des Zellgehäuses.Such a process is more likely to be error-free compared to the prior art because the quality of the seal along the periphery of the cell casing is easier to manage than a traditional deep-drawn cell casing, which impacts downstream processing. The electrolyte that fills the vacuum cell casing is of a more uniform amount and the volume of the cell casing that tightly encloses the electrode stacks is of a more uniform shape, size and performance. The reason for this is that the proposed method of manufacturing the cell casing is not affected by the legitimate variations in material properties, thickness of the film, dimensions of the stacks, etc. and is therefore more robust. In addition, the intensity of the vacuum required for vacuum forming is much lower than that required for filling the electrolyte. The evacuation of air from the stacks therefore enables a greater power density of the cell housing.
Die Hauptunterschiede zwischen dem derzeitigen Konzept und dem Stand der Technik sind die folgenden: Der Elektroden-/Separatorstapel und die Ventile werden auf einem flachen Folienmaterialzuschnitt platziert. Der Stapel und die Ventile sind mit einer Klebebeschichtung versehen, die die korrekte Position der Stapel und Ventile gewährleistet. Die leere Zellgehäusehälfte wird über die andere Zellgehäusehälfte gedreht, die den Stapel und die Ventile aufweist. Beide Gehäuseteiloberflächen werden durch Heißsiegelung oder durch Kleben versiegelt. Das Vakuum wird zwischen zwei Gehäuseteilen durch Ansaugen von Luft durch einen Kompressor erzeugt. Das Ansaugen der Luft erfolgt über ein Rückschlagventil. Durch das Vakuum wird die Folie auch viskoplastisch verformt, um die endgültige Form zu erhalten. Der Elektrolyt wird durch ein zweites Rückschlagventil in das Zellgehäuse eingespritzt. Der Elektrolyt tränkt die Elektroden- und Separatorstapel. Die Elektrolytbenetzung wird durch den Pumpendruck beschleunigt.The main differences between the current concept and the prior art are as follows: The electrode/separator stack and valves are placed on a flat sheet material blank. The stack and the valves are included an adhesive coating that ensures the correct position of the stacks and valves. The empty cell housing half is rotated over the other cell housing half, which has the stack and valves. Both housing part surfaces are sealed by heat sealing or by gluing. The vacuum is created between two housing parts by sucking in air through a compressor. The air is sucked in via a check valve. The vacuum also deforms the film viscoplastically to obtain the final shape. The electrolyte is injected into the cell housing through a second check valve. The electrolyte soaks the electrode and separator stacks. The electrolyte wetting is accelerated by the pump pressure.
Die Zelle mit Ventilen durchläuft anschließend einen Formations- und Agingprozess. Während dieses Prozesses wird Gas erzeugt, das durch ein Ventil freigesetzt wird. Nach dem Agingprozess wird eine neue Dichtung zwischen dem Ventil und den Stapeln hergestellt. Ein Teil des Zellgehäuses mit dem Ventil wird abgeschnitten, wobei der Zellgehäuserand gesäumt wird, wodurch die Zelle fertiggestellt ist.The cell with valves then goes through a formation and aging process. During this process, gas is generated which is released through a valve. After the aging process, a new seal is created between the valve and the stacks. A part of the cell casing with the valve is cut off, hemming the cell casing edge, thereby completing the cell.
Wenn die Ventile in der Zelle verbleiben können, ist der obige Prozessschritt nicht erforderlich. Das Ventil kann dazu beitragen, das während des thermischen Durchgehens entstehende Gas zu entfernen und es somit zu verzögern.If the valves can remain in the cell, the above process step is not necessary. The valve can help remove the gas generated during thermal runaway and thus delay it.
Es ist zudem möglich, dass nur die Vakuumformung ohne unmittelbar anschließende Elektrolyteinspritzung erfolgt. Die Elektrolyteinspritzung muss nicht sofort anschließend erfolgen. In diesem Fall ist nur ein Einlass für die Luftansaugung erforderlich. Es ist ferner auch möglich, die Temperatur des Zellgehäuses auf 80°C zu erhöhen. In diesem Fall kann die Vakuumformung bei geringerem Vakuumdruck stattfinden.It is also possible for only vacuum forming to take place without immediately following electrolyte injection. The electrolyte injection does not have to be done immediately afterwards. In this case, only one inlet for air intake is required. It is also possible to increase the temperature of the cell housing to 80°C. In this case, vacuum forming can take place at lower vacuum pressure.
Es ist wichtig, die Ecken des Zellstapels mit Klebeband zu verstärken, damit sie beim Vakuumformen nicht geknickt werden. Anstelle des Klebebands kann auch eine leichte Kunststoffeinlage an den Ecken und Seiten des Elektroden-/Separatorstapels verwendet werden. Dadurch wird der Stapel von allen Seiten vor dem Verbiegen durch den Vakuumdruck geschützt.It is important to reinforce the corners of the cell stack with tape to prevent them from bending during vacuum forming. Instead of the adhesive tape, a lightweight plastic insert can also be used on the corners and sides of the electrode/separator stack. This protects the stack from all sides from bending due to the vacuum pressure.
Zusammengefasst weist die Erfindung die folgenden Vorteile auf: Der Spannungszustand im Folienmaterial des Zellgehäuses ist beim erfindungsgemäßen Vakuumformen anders als der Spannungszustand beim herkömmlichen Tiefziehen. Daher ist die Gefahr der Falten- und Rissbildung geringer. Der erfindungsgemäße Prozess hat den Vorteil, dass er in fertigungstechnisch einfacher Weise automatisiert werden kann und sogar scharfe Eckenradien erreicht werden können. Die Verwendung zumindest eines Ventils hilft, die Gastasche zur Speicherung des im Formations-/Agingprozess entstehenden Gases zu beseitigen. Dadurch wird der Materialverbrauch der Aluminiumlaminatfolie reduziert. Die Ventile sind wiederverwendbar, wenn sie aus der fertigen Zelle entfernt werden. Es handelt sich also um eine einmalige Investition. Wenn die Ventile in der fertiggestellten Zelle verbleiben, tragen sie dazu bei, das thermische Durchgehen und das Anschwellen der Zelle aufgrund der Freisetzung des internen Gasdrucks zu verzögern. Eine hohe Kapazität der Zelle ist möglich, da die Stapelhöhe des Elektroden-/Separatorstapels im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden kann. Im Gegensatz dazu ist im Stand der Technik die Stapelhöhe fertigungstechnisch bedingt aufgrund des Tiefziehverfahrens begrenzt. Erfindungsgemäß erfolgt der Fügeprozess (d.h. der Siegelprozess) des Zellgehäuses auf einem flachen Folienmaterial, wodurch in einfacher Weise eine qualitativ einwandfreie Versiegelung erzeugbar ist. Dies hat Vorteile bei der Entlüftung. Insbesondere die Verwendung eines Kunststoff-Verstärkungsrahmens (anstelle von Klebebandstreifen) verleiht den Kanten und Ecken der Zellstapel eine hohe Steifigkeit. Darüber hinaus bestimmt der Kunststoff-Verstärkungsrahmens auch die Höhe der Zelle. Die Elektrolyteinspritzung in den vakuumgeformten Beutel unter Pumpendruck trägt zu einem schnelleren Elektrolyttransfer und einer besseren Benetzung des Elektrolyts im Elektroden-/Separatorstapel bei. Erfindungsgemäß kann zudem der Materialverbrauch des Folienmaterials bei der Herstellung des Zellgehäuses im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden. Es ergibt sich ferner eine beschleunigte Prozesszeit sowie keine Notwendigkeit, das Folienmaterial während des Tiefziehens zu erwärmen.In summary, the invention has the following advantages: The state of tension in the film material of the cell housing is different in vacuum forming according to the invention than the state of tension in conventional deep drawing. Therefore, there is less risk of wrinkles and cracks forming. The process according to the invention has the advantage that it can be automated in a simple manner in terms of production technology and even sharp corner radii can be achieved. The use of at least one valve helps to eliminate the gas pocket for storing the gas produced in the formation/aging process. This reduces the material consumption of the aluminum laminate film. The valves are reusable when removed from the finished cell. So it is a one-time investment. When the valves remain in the completed cell, they help delay thermal runaway and swelling of the cell due to the release of internal gas pressure. A high capacity of the cell is possible because the stack height of the electrode/separator stack can be increased compared to the prior art. In contrast, in the prior art the stack height is limited due to production technology due to the deep-drawing process. According to the invention, the joining process (i.e. the sealing process) of the cell housing takes place on a flat film material, which means that a qualitatively perfect seal can be produced in a simple manner. This has advantages for ventilation. In particular, the use of a plastic reinforcing frame (instead of adhesive tape strips) provides high rigidity to the edges and corners of the cell stacks. In addition, the plastic reinforcing frame also determines the height of the cell. Electrolyte injection into the vacuum formed bag under pump pressure contributes to faster electrolyte transfer and better wetting of the electrolyte in the electrode/separator stack. According to the invention, the material consumption of the film material in the production of the cell housing can also be reduced compared to the prior art. This also results in an accelerated process time and no need to heat the film material during deep drawing.
Es wird kein weiches Klebeband benötigt, da eine aus zwei Hälften bestehender Kunststoff-Verstärkungsrahmen darüber hinaus in einfacher Weise auf einer Jelly roll zu montieren ist, bei der der Elektroden-/Separatorstapel nicht aus übereinander gestapelten Einzelblättern aufgebaut ist, sondern als eine Elektroden-/Separatorwicklung ausgeführt ist. Der Verstärkungsrahmen ist in einfacher Weise auf der Jelly roll zu montieren. Zudem sind die Ecken und Kanten des Zellgehäuses fertigungstechnisch einwandfrei erzeugbar.No soft adhesive tape is required, as a plastic reinforcing frame consisting of two halves can also be easily mounted on a jelly roll, in which the electrode/separator stack is not made up of individual sheets stacked one on top of the other, but rather as an electrode/separator stack. Separator winding is carried out. The reinforcement frame can be easily mounted on the Jelly roll. In addition, the corners and edges of the cell housing can be produced flawlessly in terms of production technology.
Nachfolgend werden relevante Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben. So kann der Elektroden-/Separatorstapel zumindest ein Verstärkungselement aufweisen, mit dessen Hilfe der Elektroden-/Separatorstapel während des Vakuumformprozesses formstabil bleibt, das heißt nicht aufgrund der Unterdruckwirkung durchgebogen wird. In einer ersten Ausführungsvariante können die Verstärkungselemente Klebebandstreifen sein, mit deren Hilfe der Seiten und/oder die Ecken des Zellstapels versteift werden können. Alternativ dazu kann das Verstärkungselement ein umlaufender Verstärkungsrahmen aus zum Beispiel elektrisch isolierendem Kunststoff sein. Der Verstärkungsrahmen kann aus zwei Rahmenteilen bestehen, zwischen denen der Batteriezellverband angeordnet ist. Die beiden Rahmenteile können die Seiten sowie Ecken des Elektroden-/Separatorstapels in Umfangsrichtung komplett einfassen. Jedes dieser Rahmenteile kann im Querschnitt ein Winkelprofil aufweisen, und zwar mit einem Klemmschenkel, der auf einem Stapelende des Elektroden-/Separatorstapels liegt, und mit einem Außenschenkel, der seitlich außerhalb den Elektroden-/Separatorstapel begrenzt. Das Winkelprofil bildet somit einen Inneneckbereich, der die Kanten und Ecken am Stapelende des Elektroden-/Separatorstapels einfasst.Relevant aspects of the invention are highlighted again in detail below. The electrode/separator stack can thus have at least one reinforcing element, with the help of which the electrode/separator stack remains dimensionally stable during the vacuum forming process, i.e. is not bent due to the negative pressure effect. In a first embodiment variant, the Reinforcing elements can be strips of adhesive tape, with the help of which the sides and / or corners of the cell stack can be stiffened. Alternatively, the reinforcing element can be a circumferential reinforcing frame made of, for example, electrically insulating plastic. The reinforcing frame can consist of two frame parts, between which the battery cell assembly is arranged. The two frame parts can completely surround the sides and corners of the electrode/separator stack in the circumferential direction. Each of these frame parts can have an angular profile in cross section, with a clamping leg that lies on a stack end of the electrode/separator stack, and with an outer leg that delimits the electrode/separator stack laterally outside. The angle profile thus forms an inner corner area that surrounds the edges and corners at the end of the electrode/separator stack.
Nach dem Vakuumformprozess kann ein Einfüllprozess durchgeführt werden, in dem flüssiger Elektrolyt durch das Anschlussventil in das Zellgehäuseinnere geführt wird. Der Elektrolyt kann von einem Elektrolytreservoir mittels einer Pumpe unter Druck in das Zellgehäuseinnere geführt werden.After the vacuum forming process, a filling process can be carried out in which liquid electrolyte is fed through the connection valve into the interior of the cell housing. The electrolyte can be fed under pressure from an electrolyte reservoir into the cell housing interior using a pump.
Nach dem Einfüllprozess startet ein Formations- und Agingprozess, während dem erste Lade- und Entladevorgänge durchgeführt werden. Dabei bildet sich im Zellgehäuseinneren Gas. Nach dem Formations- und Agingprozess kann ein Heißsiegelprozess durchgeführt werden, in dem eine Siegelnaht erzeugt wird, die das Zellgehäuseinnere aufteilt in eine Stapelkammer, in der der Elektroden-/Separatorstapel angeordnet ist, und in eine Gastasche, in der sich das Gas sammelt. Die Gastasche kann zum Ende des Fertigungsverfahrens vom Zellgehäuse abgetrennt werden.After the filling process, a formation and aging process begins, during which the first loading and unloading processes are carried out. Gas forms inside the cell housing. After the formation and aging process, a heat sealing process can be carried out in which a sealing seam is created which divides the cell housing interior into a stacking chamber in which the electrode/separator stack is arranged and into a gas pocket in which the gas collects. The gas pocket can be separated from the cell housing at the end of the manufacturing process.
Bevorzugt sind zwei Anschlussventile vorgesehen. Ein erstes Anschlussventil bildet ein Elektrolyt-Einlassventil, während das zweite Anschlussventil als ein Luft-Auslassventil realisiert sein kann, durch das im Vakuumformprozess Luft aus dem Zellgehäuseinneren abgesaugt wird. Zudem kann zumindest eines der Anschlussventil, insbesondere das Luft-Auslassventil bei einem thermischen Durchgehen der Batteriepouchzelle einen Not-Gasaustritt ermöglichen. Das Elektrolyt-Einlassventil kann als ein Rückschlagventil ausgebildet sein, das in Richtung Zellgehäuseinneres öffnet und in Gegenrichtung sperrt. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Luft-Auslassventil ebenfalls ein Rückschlagventil sein, das in Richtung Zellgehäuseinneres sperrt und in Gegenrichtung öffnet.Two connection valves are preferably provided. A first connection valve forms an electrolyte inlet valve, while the second connection valve can be implemented as an air outlet valve through which air is sucked out of the cell housing interior in the vacuum forming process. In addition, at least one of the connection valves, in particular the air outlet valve, can enable an emergency gas outlet in the event of a thermal runaway of the battery pouch cell. The electrolyte inlet valve can be designed as a check valve that opens towards the inside of the cell housing and blocks in the opposite direction. Alternatively and/or additionally, the air outlet valve can also be a check valve that blocks in the direction of the cell housing interior and opens in the opposite direction.
Während des Zellbetriebs ist die Batteriepouchzelle einer betriebsbedingten Expansion und Kontraktion in Stapelrichtung unterworfen. Der Verstärkungsrahmen ist dabei so ausgelegt, dass er einer solchen Expansion beziehungsweise Kontraktion folgen kann. Beispielhaft können die Außenschenkel der Rahmenteile über eine Gelenkverbindung miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann bei einer Stapel-Expansion eine Kippbewegung der Rahmenteile um die Gelenkverbindung nach außen erfolgen. Bei einer Stapel-Kontraktion kann eine Gegen-Kippbewegung zurück zur Ausgangslange erfolgen. Um die Gegen-Kippbewegung zurück in die Ausgangslage zu unterstützen, kann zwischen den Außenschenkeln der Rahmenteile ein Elastomerkörper abgestützt sein. Dieser kann bei der Kippbewegung nach außen durch elastische Verformung eine Rückstellkraft aufbauen. Die Rückstallkraft kann bei der Gegen-Kippbewegung abgebaut werden, wodurch die Rückstellung des Verstärkungsrahmens in Richtung Ausgangslange unterstützt wird.During cell operation, the battery pouch cell is subject to operational expansion and contraction in the stacking direction. The reinforcing frame is designed so that it can follow such expansion or contraction. For example, the outer legs of the frame parts can be connected to one another via an articulated connection. In this case, during a stack expansion, the frame parts can tilt outwards around the joint connection. During a stacking contraction, a counter-tilting movement can occur back to the original length. In order to support the counter-tilting movement back to the starting position, an elastomer body can be supported between the outer legs of the frame parts. This can build up a restoring force through elastic deformation during the outward tilting movement. The restoring force can be reduced during the counter-tilting movement, which supports the return of the reinforcing frame towards the initial length.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the attached figures.
Es zeigen:
-
1 unterschiedliche Ansichten, anhand derer das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht ist.bis 15
-
1 to 15 different views which illustrate the method according to the invention.
In
Die Herstellung des Zellgehäuses 3 wird anhand der
Anschließend folgt ein Legeprozess (
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass nach dem oben genannten Fügeprozess ein Vakuumformprozess durchgeführt wird, in dem das Luft-Auslassventil 21 an eine Saugpumpe 23 angeschlossen wird, so dass Luft 28 (
Die auf den Elektroden-/Separatorstapel 9 aufgebrechten Klebstoffstreifen 11 wirken als Verstärkungselemente, mit deren Hilfe der Elektroden-/Separatorstapel 9 während des Vakuumformprozesses formstabil bleibt, das heißt nicht durchgebogen wird.The adhesive strips 11 broken onto the electrode/
Nach dem Vakuumformprozess startet ein Einfüllprozess, in dem flüssiger Elektrolyt 34 von einem Elektrolytreservoir 25 mit Hilfe einer Dosierpumpe 27 unter Druck in das Zellgehäuseinnere geführt wird. Die Dosierpumpe 27 ist in den
Nach Abschluss des Einfüllprozesses wird ein Formations- und Agingprozess durchgeführt, während dem sich im Zellgehäuseinneren Gas bildet. Im Anschluss an den Formations- und Agingprozess wird in einem Heißsiegelprozess eine Siegennaht 29 (
Alternativ zur gezeigten Ausführungsvariante kann auf eine solche Abtrennung der Gastasche 33 vom Zellgehäuse 2 verzichtet werden und verbleiben anstelle dessen die Einlass- und Auslassventile 19, 21 am Zellgehäuse 2. In diesem Fall kann bei einem thermischen Durchgehen der Batteriepouchzelle durch das Luft-Auslassventil 21 ein Notgasaustritt ermöglicht werden.As an alternative to the embodiment variant shown, such a separation of the
In den vorangegangenen Figuren sind Klebstoffstreifen 11 auf den Elektroden-/Separatorstapel 9 appliziert. Anstelle dessen wird in den
Der Elektroden-/Separatorstapel 9 kann als eine Jelly roll realisiert sein, die nicht übereinander gestapelte Einzelblättern aufweist, sondern anstelle dessen als eine Elektroden-/Separatorwicklung ausgeführt ist. In diesem Fall ist der Verstärkungsrahmen 37 jeweils an jeder Stirnseite der Jelly roll angeordnet, wodurch die stirnseitigen Ränder der Elektroden-/Separatorwicklung vor einer Durchbiegung während des Vakuumformens geschützt sind.The electrode/
Wie aus der
In der
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- GehäuseteilHousing part
- 33
- FaltkanteFolding edge
- 55
- GehäuseteilränderHousing part edges
- 77
- SiegelnahtSealed seam
- 99
- Elektroden-/SeparatorstapelElectrode/separator stack
- 1111
- KlebebandstreifenAdhesive tape strips
- 1212
- Schneidstationcutting station
- 13, 1513, 15
- ZellableiterCell arrester
- 1414
- Endlos-FolienmaterialbahnContinuous film material web
- 1616
- Schnittliniecutting line
- 1717
- FolienmaterialzuschnittFoil material cutting
- 1818
- GreiferGrabber
- 1919
- Elektrolyt-EinlassventilElectrolyte inlet valve
- 2121
- Luft-AuslassventilAir outlet valve
- 2323
- Vakuumpumpevacuum pump
- 2525
- Elektrolyt-ReservoirElectrolyte reservoir
- 2727
- DosierpumpeDosing pump
- 2828
- LuftAir
- 2929
- SiegelnahtSealed seam
- 3030
- Rückschlagventilcheck valve
- 3131
- StapelkammerStacking chamber
- 3232
- ZweiwegeventilTwo-way valve
- 3333
- GehäusetascheCase bag
- 3434
- Elektrolytelectrolyte
- 3535
- Schnittliniecutting line
- 3737
- VerstärkungsrahmenReinforcement frame
- 3939
- Rahmenteileframe parts
- 4040
- Elektrolyt-DurchlassElectrolyte passage
- 4141
- Klemmschenkelclamping leg
- 4343
- Außenschenkelouter thigh
- 4545
- FreigangRelease
- 4747
- Verbindungsstelleconnection point
- 4949
- ElastomerkörperElastomer body
- UU
- UmschlagrichtungDirection of envelope
- KK
- KippbewegungTilting movement
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022208963.4A DE102022208963B4 (en) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | Method for producing a battery pouch cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022208963.4A DE102022208963B4 (en) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | Method for producing a battery pouch cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022208963A1 DE102022208963A1 (en) | 2024-02-29 |
DE102022208963B4 true DE102022208963B4 (en) | 2024-03-07 |
Family
ID=89844748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022208963.4A Active DE102022208963B4 (en) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | Method for producing a battery pouch cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022208963B4 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0802033A1 (en) | 1996-03-25 | 1997-10-22 | Lucent Technologies Inc. | Method for providing electromagnetic shielding and diffusion barrier properties of plastic extrusion and devices fabricated therefrom |
US6040081A (en) | 1996-07-10 | 2000-03-21 | U.S. Philips Corporation | Flat battery element having curved contacts |
JP2011181388A (en) | 2010-03-02 | 2011-09-15 | Nisshin Steel Co Ltd | Electrolytic solution battery and method of manufacturing the same |
-
2022
- 2022-08-30 DE DE102022208963.4A patent/DE102022208963B4/en active Active
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JP2011181388A (en) | 2010-03-02 | 2011-09-15 | Nisshin Steel Co Ltd | Electrolytic solution battery and method of manufacturing the same |
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DE102022208963A1 (en) | 2024-02-29 |
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Legal Events
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