DE102022210587A1

DE102022210587A1 - Pouch-Zelle und Akkupack

Info

Publication number: DE102022210587A1
Application number: DE102022210587.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gonser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-11
Also published as: CN117855764A

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Pouch-Zelle (10a-i) mit zumindest zwei Elektroden (12a, 14a) und mit einer Sicherungsvorrichtung (16a-i), welche zumindest ein Kontaktierungselement (18a-i) zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden (12a, 14a) und zumindest ein Sicherungselement (20a-i) zur Kurzschlusssicherung aufweist, wobei das Sicherungselement (20a-i) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte (22a-i, 24a-i) des Kontaktierungselements (18a-i) miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen.Es wird vorgeschlagen, dass das Kontaktierungselement (18a-i) im Bereich des Sicherungselements (20a-i) eine Verjüngung (26a-i) aufweist.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Pouch-Zelle mit zumindest zwei Elektroden und mit einer Sicherungsvorrichtung, welche zumindest ein Kontaktierungselement zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden und zumindest ein Sicherungselement zur Kurzschlusssicherung aufweist, wobei das Sicherungselement dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte des Kontaktierungselements miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Pouch-Zelle mit zumindest zwei Elektroden und mit einer Sicherungsvorrichtung, welche zumindest ein Kontaktierungselement zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden und zumindest ein Sicherungselement zur Kurzschlusssicherung aufweist, wobei das Sicherungselement dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte des Kontaktierungselements miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen.
Es wird vorgeschlagen, dass das Kontaktierungselement im Bereich des Sicherungselements eine Verjüngung aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Pouch-Zelle kann vorteilhaft eine Sicherheit erhöht werden. Insbesondere kann vorteilhaft eine Kurzschlusssicherung mit einfachen technischen Mitteln erreicht werden. Weiter vorteilhaft kann eine Kurzschlusssicherung direkt in die Pouch-Zelle integriert und daher besonders kompakt und platzsparend ausgeführt werden.
Die Pouch-Zelle kann Teil eines Akkupacks sein und in Kombination mit weiteren Pouch-Zellen betrieben werden. Alternativ kann die Pouch-Zelle auch einzeln betrieben werden. Die Pouch-Zelle ist als ein Energiespeicher ausgebildet und dazu vorgesehen Energie, insbesondere elektrische Energie, aufzunehmen, zu speichern und bei Bedarf an zumindest einen Verbraucher, beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein, an eine Handwerkzeugmaschine, wieder abzugeben. Vorzugsweise ist die Pouch-Zelle wiederaufladbar. Die Pouch-Zelle ist vorzugsweise als eine Akkuzelle ausgebildet und ist Teil eines Akkumulators oder bildet den gesamten Akkumulator aus. Die Pouch-Zelle kann beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, als ein Lithium-Ionen-Akkumulator und/oder als ein Lithium-Polymer-Akkumulator oder als ein Teil davon ausgebildet sein. Die Pouch-Zelle weist vorzugsweise eine flexible Außenhülle auf. Die Pouch-Zelle weist zumindest zwei Elektroden auf, wobei eine erste der Elektroden als Anode und eine zweite der Elektroden als Kathode ausgebildet ist. Die Pouch-Zelle kann darüber hinaus weitere Elektroden aufweisen. Vorzugsweise sind die Elektroden der Pouch-Zelle aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet, wobei die Anode bevorzugt aus Kupfer und die Kathode bevorzugt aus Aluminium ausgebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise als Folien ausgebildet. Beispielsweise kann die Anode aus einer Kupferfolie und die Kathode aus einer Aluminiumfolie ausgebildet sein. Die Kathode und die Anode sind mit Aktivmaterialen, beispielsweise Lithium-haltigen Verbindungen, beschichtet, um elektrochemische Reaktionen innerhalb der Pouch-Zelle zu ermöglichen. Zwischen der Anode und der Kathode ist ein Separator angeordnet, um die Anode und die Kathode voneinander elektrisch zu isolieren. Der Separator ist durchlässig für die in der Pouch-Zelle verwendeten Ionen, beispielsweise Lithium-Ionen. Es sind alternativ auch andere dem Fachmann bekannte Materialien zur Herstellung von Elektroden denkbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Sicherungsvorrichtung der Pouch-Zelle weist das zumindest eine Kontaktierungselement auf und kann darüber hinaus weitere Kontaktierungselemente aufweisen. Insbesondere kann für jede Elektrode der Pouch-Zelle jeweils zumindest ein Kontaktierungselement vorgesehen sein. Das Kontaktierungselement kann als ein Element angesehen werden, welches in der Fachsprache auch als „tab“ bezeichnet wird. Das Kontaktierungselement ist zur elektrischen Kontaktierung genau einer Elektrode der Pouch-Zelle vorgesehen und kann hierzu, in einem montierten Zustand der Pouch-Zelle, zumindest form- und/oder kraftschlüssig, beispielsweise mittels eines Steck- und/oder Klemmkontakts, verbunden sein. Vorzugsweise ist das Kontaktierungselement stoffschlüssig, beispielsweise über eine Lötverbindung oder Schweißverbindung, mit der Elektrode verbunden. Das Kontaktierungselement und die Elektrode können auch einteilig, beispielsweise aus einer Folie hergestellt, ausgebildet sein. Folien, aus welchen die Elektroden hergestellt werden, können hierzu beispielsweise so zugeschnitten werden, dass sie eine Fahne (englisch „tab“) aufweisen, welche aus einer Hülle der Pouch-Zelle herausgeführt wird, und welche dann als Kontaktierungselement dient. Diese Methode wird in der Fachsprache auch als „foil as tab“ bezeichnet. Die Kontaktierungselemente der Sicherungsvorrichtung könnten jeweils aus demselben Material, beispielsweise aus reinem Nickel, ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Kontaktierungselemente der Sicherungsvorrichtung jedoch aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet, wobei jedes Kontaktierungselement aus einem Material ausgebildet ist, welches auf die jeweilige Elektrode, mit welcher es verbunden ist, abgestimmt ist. Vorzugsweise ist das Kontaktierungselement, welches mit der Anode verbunden ist, aus Nickel beschichtetem Kupfer ausgebildet und ein weiteres Kontaktierungselement, welches mit der Kathode verbunden ist, aus Aluminium ausgebildet. Das Kontaktierungselement ist dazu vorgesehen mit einem Verbraucher, beispielsweise einer Antriebseinheit einer Handwerkzeugmaschine, und/oder mit einer Energiequelle, beispielsweise mit einem Ladegerät, direkt oder indirekt verbunden zu werden und einen Stromfluss von der Pouch-Zelle und/oder zu der Pouch-Zelle zu ermöglichen.
Die Sicherungsvorrichtung der Pouch-Zelle weist das zumindest eine Sicherungselement auf und kann darüber hinaus weitere Sicherungselemente auf-weisen. Insbesondere kann für jedes Kontaktierungselement je ein Sicherungselement vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass die Sicherungsvorrichtung mehrere Sicherungselemente pro Kontaktierungselement aufweist, welche beispielsweise an verschiedenen Stellen des Kontaktierungselements angeordnet sein können. Auch eine direkte Anordnung eines Sicherungselements an einer Elektrode der Pouch-Zelle ist denkbar. Verschiedene Sicherungselemente der Sicherungsvorrichtung können verschiedene Auslösecharakteristika aufweisen, beispielsweise um unterschiedlichen Risikoanforderungen und/oder Gegebenheiten, beispielsweise verschiedenen Temperaturbereichen, innerhalb der Pouch-Zelle Rechnung zu tragen. Ein Akkupack kann mehrere erfindungsgemäße Pouch-Zellen umfassen, welche jeweils eine Sicherungsvorrichtung aufweisen, wobei sich die Sicherungsvorrichtungen untereinander teilweise im Hinblick auf ihrer Auslösecharakteristika unterscheiden können. Beispielsweise ist denkbar, dass die Pouch-Zellen, welche in einem mittleren Bereich des Akkupacks angeordnet sind, und daher höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, eine Sicherungsvorrichtung mit Auslösecharakteristika aufweisen, welchen diesen erhöhten Betriebstemperaturen Rechnung tragen. Unter einem „Auslösecharakteristikum“ soll in dem vorliegenden Dokument ein bestimmter Wert, insbesondere eine maximale Stromstärke und/oder ein maximaler Stromfluss und/oder eine maximale Spannung und/oder eine maximale Temperatur und/oder dergleichen, verstanden werden, bei dessen Überschreitung das Sicherungselement auslöst und einen Stromfluss über das zu sichernde Kontaktierungselement durch Trennen der Teilabschnitte des Kontaktierungselements unterbricht.
Das Kontaktierungselement weist im Bereich des Sicherungselements die Verjüngung auf. Das Sicherungselement ist im Falle eines Kurzschlusses vorzugsweise dazu vorgesehen, die Teilabschnitte im Bereich der Verjüngung voneinander zu trennen. Das Kontaktierungselement kann im Bereich des Sicherungselements auch mehrere, beispielsweise zwei, Verjüngungen aufweisen, welche im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen sind, die Teilabschnitte zeitgleich voneinander zu trennen. Die Verjüngung kann verschiedene Geometrien aufweisen und kann sich beispielsweise entlang einer Haupterstreckungsrichtung oder winkelig, insbesondere senkrecht, zu der Haupterstreckungsrichtung der Pouch-Zelle erstrecken. Die Verjüngung kann durch ein geeignetes Trennverfahren, beispielsweise durch Stanzen, in das Kontaktierungselement eingebracht sein. Denkbar ist auch, dass das Kontaktierungselement direkt, beispielsweise in einem Gießverfahren, mit der Verjüngung hergestellt ist. Vorzugsweise weist die Verjüngung einen Bereich mit einem kleinsten Durchmesser auf, in welchem das Kontaktierungselement eine kleinste Querschnittsfläche aufweist, durch die ein Auslösecharakteristikum des Sicherungselements zumindest teilweise charakterisiert ist.
Unter einer „Haupterstreckungsrichtung“ eines Objekts soll dabei eine Richtung verstanden werden, welche parallel zu einer längsten Kante eines kleinsten geometrischen Quaders verläuft, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt.
In dem vorliegenden Dokument dienen Zahlwörter, wie beispielsweise „erste/r/s“ und „zweite/r/s“, welche bestimmten Begriffen vorangestellt sind, lediglich zu einer Unterscheidung von Objekten und/oder einer Zuordnung zwischen Objekten untereinander und implizieren keine vorhandene Gesamtanzahl und/oder Rangfolge der Objekte. Insbesondere impliziert ein „zweites Objekt“ nicht zwangsläufig ein Vorhandensein eines „ersten Objekts“.
Unter „vorgesehen“ soll speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement einstückig mit dem Kontaktierungselement ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft ein Herstellungsprozess vereinfacht werden. Unter „einstückig“ soll zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Zudem wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement einteilig mit dem Kontaktierungselement ausgebildet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Herstellungsprozess noch weiter vereinfacht werden. Unter „einteilig“ soll in einem Stück geformt verstanden werden. Vorzugsweise wird dieses eine Stück aus einem einzelnen Rohling hergestellt. Beispielsweise kann das Kontaktierungselement in einem Walzprozess und/oder Streckprozess hergestellt sein, wobei das Sicherungselement als die Verjüngung ausgebildet und in das Kontaktierungselement eingestanzt sein kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement als eine Schmelzsicherung ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine zuverlässige Kurzschlusssicherung mit besonders einfachen technischen Mitteln bereitgestellt werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist ein Betrag eines spezifischen elektrischen Widerstands unter anderem von einer Querschnittsfläche des betreffenden elektrisch leitenden Objekts abhängig, wobei der spezifische elektrische Widerstand umso größer ist, je kleiner die Querschnittsfläche ist. Der spezifische elektrische Widerstand des Kontaktierungselements ist also im Bereich der Verjüngung lokal erhöht, wodurch sich bei Stromfluss über das Kontaktierungselement in dem Bereich des Sicherungselements aufgrund der Verjüngung eine lokal erhöhte Wärmeentwicklung ergibt, welche bei Überschreiten eines Grenzwerts eines Stromflusses durch die Verjüngung, insbesondere im Falle eines Kurzschlusses, dazu führt, dass das Sicherungselement im Bereich der Verjüngung aufschmilzt, wodurch der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich des Kontaktierungselements voneinander getrennt und der Stromfluss unterbrochen wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, welcher insbesondere sowohl eigenständig als auch in Kombination mit den übrigen Aspekten der Erfindung betrachtet werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement eine Beschichtung, insbesondere eine Metallbeschichtung, mit zumindest einer Reaktionsschicht aufweist, welche dazu vorgesehen ist, im Falle eines Kurzschlusses mit dem Kontaktierungselement zu reagieren und dessen physikalische Eigenschaften zu verändern, um eine Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Flexibilität erhöht werden. Insbesondere können Auslösecharakteristika des Sicherungselements auch bei gleichbleibenden Materialien des Kontaktierungselements und bei gleichbleibender Geometrie der Verjüngung bedarfsgerecht variiert werden. Die Reaktionsschicht kann im Falle eines Kurzschlusses beispielsweise dazu vorgesehen sein, die physikalischen Eigenschaften des Kontaktierungselements in Form einer Verringerung des Schmelzpunkts des Kontaktierungselements, beispielsweise durch Legierungsbildung, im Bereich der Verjüngung zu verändern, um eine Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen. Denkbar ist auch, dass die Reaktionsschicht im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen ist, die physikalischen Eigenschaften des Kontaktierungselements in Form einer Erhöhung der Sprödigkeit des Kontaktierungselements im Bereich der Verjüngung zu verändern, um einen Bruch und damit die Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen. Die Beschichtung kann durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch ein Siebdruckverfahren, durch Spin-Coating, durch Tauchlackieren (dipcoating), durch ein Sol-Gel-Verfahren, durch Aufsprühen, durch ein Tintenstrahldruckverfahren, durch ein chemisches Gasabscheidungsverfahren (CVD:Chemical Vapor Deposition) und/oder durch ein physikalisches Gasabscheidungsverfahren (PVD: Physical Vapor Deposition), und/oder durch ein anderes dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Verfahren auf die Oberfläche des Kontaktierungselements aufgebracht sein. Die Beschichtung könnte auf dem Kontaktierungselement lediglich auf einem äußeren Rand aufgebracht sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Beschichtung jedoch über zumindest über eine gesamte größte Seitenfläche der Verjüngung. Bevorzugt ist die Beschichtung auf das Kontaktierungselement im Bereich der Verjüngung vollflächig aufgebracht.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement eine Mehrfachbeschichtung aufweist, welche zumindest eine Reaktionsschicht und zumindest eine Zwischenschicht, welche zwischen dem Kontaktierungselement und der Reaktionsschicht angeordnet ist, umfasst. Hierdurch kann vorteilhaft eine Zuverlässigkeit erhöht werden. Es können insbesondere Auslösecharakteristika des Schutzelements besonders gezielt eingestellt werden. Zudem kann ein ungewolltes Auslösen des Schutzelements, beispielsweise durch vorzeitige Reaktion zwischen der Reaktionsschicht und dem Kontaktierungselement verhindert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Reaktionsschicht und die Zwischenschicht aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine Zuverlässigkeit weiter erhöht werden. Vorzugsweise ist die Reaktionsschicht aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung ausgebildet und die Zwischenschicht aus einem nichtmetallischen Material.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Zwischenschicht im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen ist, durch Änderung zumindest einer Eigenschaft einen Kontakt zwischen der Reaktionsschicht und dem Kontaktierungselement herzustellen, um eine Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen. Hierdurch kann vorteilhaft eine Trennung der Teilabschnitte in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Zwischenschicht und damit besonders präzise gesteuert werden. Die Zwischenschicht kann im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen sein, ihren Aggregatszustand zu ändern, beispielsweise zu schmelzen und/oder zu verdampfen, um den Kontakt zwischen der Reaktionsschicht und dem Kontaktierungselement herzustellen und damit die Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen. Denkbar ist auch, dass die Zwischenschicht im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen ist, ihre Ausdehnung zu verändern, beispielsweise sich lateral zusammenzuziehen, um den Kontakt zwischen der Reaktionsschicht und dem Kontaktierungselement herzustellen und damit die Trennung der Teilabschnitte hervorzurufen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Zwischenschicht aus einem niedrigschmelzenden diffusionsdichten Material, insbesondere einem Polymer, ausgebildet ist. Hierdurch kann ein ungewolltes Auslösen des Schutzelements, beispielsweise durch vorzeitige Reaktion zwischen der Reaktionsschicht und dem Kontaktierungselement verhindert werden. Das Material der Zwischenschicht weist insbesondere einen Schmelzpunkt von höchstens 220°C, vorteilhaft von höchstens 210°C, besonders vorteilhaft von höchstens 200°C, vorzugsweise von höchstens 190°, bevorzugt von höchstens 180° und besonders bevorzugt von höchstens 170° auf.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Reaktionsschicht Gallium aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine gute Reaktivität der Reaktionsschicht erreicht werden, insbesondere wenn das Kontaktierungselement aus Aluminium ausgebildet ist. Die Reaktionsschicht kann vollständig aus reinem Gallium ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass die Reaktionsschicht aus einer Galliumlegierung ausgebildet ist. Die Gallium aufweisende und/oder aus Gallium ausgebildete Reaktionsschicht kann auf dem Kontaktierungselement aufgebracht, welches mit der Kathode verbunden und aus Aluminium ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Gallium aufweisende und/oder aus Gallium ausgebildete Reaktionsschicht auch auf dem Kontaktierungselement aufgebracht, welches mit der Anode verbunden und aus nickelbeschichtetem Kupfer ausgebildet ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Sicherungselement einen Lötverbindungspunkt aufweist, welcher die Teilabschnitte des Kontaktierungselements miteinander verbindet und dessen Schmelzpunkt im Falle eines Kurzschlusses überschritten wird, um die Teilabschnitte voneinander zu trennen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft ein zuverlässiges Sicherungselement mit besonders einfachen technischen Mitteln bereitgestellt werden. Zudem kann das Sicherungselement vorteilhaft reparierbar ausgebildet werden, da die Möglichkeit besteht die Teilabschnitte nach erfolgter Trennung mittels eines neuen Lötverbindungspunkts wieder zu verbinden. Hierdurch kann wiederum vorteilhaft eine Nachhaltigkeit der Pouch-Zelle verbessert werden. Vorzugsweise weist der Lötverbindungspunkt einen Schmelzpunkt von höchstens 230°C, bevorzugt von höchstens 225°C und besonders bevorzugt von höchstens 220°C auf.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Teilabschnitte unter mechanischer Vorspannung über den Lötverbindungspunkt miteinander verbunden sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine sicherere Trennung der Teilabschnitte im Falle eines Kurzschlusses erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sicherungsvorrichtung ein weiteres Kontaktelement zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden und ein weiteres Sicherungselement aufweist, wobei das weitere Sicherungselement dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte des weiteren Kontaktierungselements miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen und wobei das Sicherungselement und das weitere Sicherungselement verschiedene Auslösecharakteristika aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Akkupack, insbesondere einen Wechselakkupack, mit zumindest einer Pouch-Zelle nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen. Ein derartiger Akkupack zeichnet sich insbesondere durch die vorhergenannten vorteilhaften Eigenschaften der Pouch-Zelle, insbesondere im Hinblick auf eine Sicherheit, aus.
Die erfindungsgemäße Pouch-Zelle soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Pouch-Zelle zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind neun Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Akkupack mit einer erfindungsgemäßen Pouch-Zelle in einer schematischen Darstellung,
2 die Pouch-Zelle mit zwei Elektroden und mit einer Sicherungsvorrichtung, welche zwei Kontaktierungselemente zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden aufweist, in einer schematischen Darstellung,
3 die Sicherungsvorrichtung der Pouch-Zelle mit einem Sicherungselement und einem weiteren Sicherungselement in einer schematischen Darstellung,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung und
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle mit einer Sicherungsvorrichtung in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Akkupack 50a in einer schematischen Darstellung. Vorliegend ist der Akkupack 50a beispielsweise als ein Handwerkzeugmaschinenakkupack ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass der Akkupack 50a als ein anderer, einem Fachmann als sinnvoll erscheinender Akkupack ausgebildet ist. Der Akkupack 50a weist ein Gehäuse 52a auf, in dem mehrere Akkuzellen angeordnet sind. Vorliegend ist der Akkupack 50a als Pouch-Zellen-Akkupack ausgebildet. Jede der Akkuzellen ist vorliegend als Pouch-Zelle 10a ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass der Akkupack 50a lediglich eine als Pouch-Zelle 10a ausgebildete Akkuzelle aufweist.
2 zeigt die Pouch-Zelle 10a in einer schematischen Darstellung. Die Pouch-zelle 10a kann beispielsweise als ein Lithium-Ionen-Akku oder als ein Lithium-Polymer-Akku oder dergleichen ausgebildet sein. Die Pouch-Zelle 10a weist zumindest zwei, vorliegend genau zwei, Elektroden 12a, 14a auf. Eine Elektrode 12a der Pouch-Zelle 10a ist als Anode 46a ausgebildet. Vorliegend ist die Anode 46a aus Kupfer hergestellt. Eine weitere Elektrode 14a der Pouch-Zelle 10a ist als Kathode 48a ausgebildet. Die Kathode 48a ist vorliegend aus Aluminium ausgebildet. Vorliegend sind die Elektroden 12a, 14a aus Folien ausgebildet, welche jeweils mit Aktivmaterialien beschichtet sind, um elektrochemische Reaktionen innerhalb der Pouch-Zelle 10a zu ermöglichen. Die Anode 46a ist also aus einer Kupferfolie und die Kathode 48a aus einer Aluminiumfolie hergestellt. Zwischen der Anode 46a und der Kathode 48a ist ein Separator (nicht dargestellt) angeordnet, welche die beiden Elektroden 12a, 14a voneinander elektrisch isoliert und welcher für Lithium-Ionen durchlässig ist.
Die Pouch-Zelle 10a weist eine Sicherungsvorrichtung 16a auf. Die Sicherungsvorrichtung 16a weist zumindest ein Kontaktierungselement 18a auf. Vorliegend weist die Sicherungsvorrichtung 16a das Kontaktierungselement 18a und ein weiteres Kontaktierungselement 38a auf. Das Kontaktierungselement 18a ist zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden 12a, 14a vorgesehen. Vorliegend ist das Kontaktierungselement 18a zur Kontaktierung der Elektrode 12a vorgesehen. Das weitere Kontaktierungselement 38a ist zur Kontaktierung der weiteren Elektrode 14a vorgesehen. In einem montierten Zustand der Pouch-Zelle 10a ist das Kontaktierungselement 18a elektrisch leitend mit der Elektrode 12a und das weitere Kontaktierungselement 38a elektrisch leitend mit der weiteren Elektrode 14a verbunden. Bei den elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Kontaktierungselementen 18a, 38a und den Elektroden 12a, 14a kann es sich um eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise um einen Steckkontakt und/oder einen Klemmkontakt und/oder dergleichen handeln. Denkbar ist alternativ oder zusätzlich auch, dass es sich den elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Kontaktierungselementen 18a, 38a und den Elektroden 12a, 14a um stoffschlüssige Verbindungen, beispielsweise Lötverbindungen oder Schweißverbindungen und/oder dergleichen handelt. Die Kontaktierungselemente 18a, 38a und die Elektroden 12a, 14a könnten auch jeweils einteilig miteinander ausgebildet sein. Beispielsweise können das Kontaktierungselement 18a und die Elektrode 12a aus einer Folie und das weitere Kontaktierungselement 38a und die weitere Elektrode 14a aus einer weiteren Folie ausgebildet sein.
In einem Betriebsstand der Pouch-Zelle 10a kann über das Kontaktelement 18a und das weitere Kontaktelement 38a ein Stromfluss von der Pouch-Zelle 10a zu einem Verbraucher, beispielsweise einer Handwerkzeugmaschine (nicht dargestellt), oder zu der Pouch-Zelle 10a, beispielsweise von einem Ladegerät (nicht dargestellt), erfolgen.
3 zeigt die Sicherungsvorrichtung 16a der Pouch-Zelle 10a in einer schematischen Darstellung. Die Sicherungsvorrichtung 16a weist zumindest ein Sicherungselement 20a zur Kurzschlusssicherung auf. Das Sicherungselement 20a ist dazu vorgesehen, zumindest zwei Teilabschnitte 22a, 24a des Kontaktierungselements 18a miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen.
Das Sicherungselement 20a ist einstückig mit dem Kontaktierungselement 18a ausgebildet. Beispielsweise könnten das Sicherungselement 20a mit dem Kontaktierungselement 18a verlötet oder verschweißt sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Sicherungselement 20a jedoch einteilig mit dem Kontaktierungselement 18a ausgebildet. Das Kontaktierungselement 18a und das Sicherungselement 20a sind vorliegend aus einem Stück geformt.
Das Kontaktierungselement 18a weist im Bereich des Sicherungselements 20a eine Verjüngung 26a auf. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verjüngung 26a durch zwei halbkreisförmige Aussparungen ausgebildet. Zur Herstellung des Kontaktierungselements 18a mit dem Sicherungselement 20a können die halbkreisförmigen Aussparungen beispielsweise ausgestanzt werden, um die Verjüngung 26a zu erhalten.
Die Sicherungsvorrichtung 16a weist ein weiteres Sicherungselement 40a auf. Das weitere Sicherungselement 40a ist dazu vorgesehen, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42a, 44a des weiteren Kontaktierungselements 38a miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen.
Das Sicherungselement 20a und das weitere Sicherungselement 40a weisen vorliegend eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf. So weist auch das weitere Kontaktierungselement 38a im Bereich des weiteren Sicherungselements 40a eine weitere Verjüngung 54a auf, welche wiederum durch zwei halbkreisförmige Aussparungen ausgebildet ist.
Vorliegend ist das Sicherungselement 20a als eine Schmelzsicherung ausgebildet. Gleichermaßen ist auch das weitere Sicherungselement 40a als eine Schmelzsicherung ausgebildet. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist ein Betrag eines spezifischen elektrischen Widerstands unter anderem von einer Querschnittsfläche des betreffenden elektrische leitenden Objekts abhängig, wobei der spezifische elektrische Widerstand umso größer ist, je kleiner die Querschnittsfläche ist. Vorliegend ist der spezifische elektrische Widerstand des Kontaktierungselements 18a im Bereich der Verjüngung 26a also lokal erhöht. In dem Betriebszustand der Pouch-Zelle 10a kommt es bei Stromfluss über das Kontaktierungselement 18a in dem Bereich des Sicherungselements 20a durch die Verjüngung 26a, aufgrund des dort lokal erhöhten spezifischen elektrischen Widerstands zu einer lokal erhöhten Wärmeentwicklung, bedingt durch die dort höheren ohmschen Verluste. Wird ein Grenzwert des über das Kontaktierungselement 18a fließenden Stroms überschritten, was insbesondere bei einem Kurzschluss der Fall ist, so wird die Wärmeentwicklung im Bereich der Verjüngung so stark, dass das Sicherungselement 20a im Bereich der Verjüngung aufschmilzt, wodurch der erste Teilbereich 22a und der zweite Teilbereich 24a des Kontaktierungselements 18a voneinander getrennt und der Stromfluss unterbrochen wird. Gleiches gilt analog auch für die Funktionsweise des weiteren Sicherungselements 40a.
Trotz ihrer im Wesentlichen identischen Geometrien weisen das Sicherungselement 20a und das weitere Sicherungselement 40a unterschiedliche Auslösecharakteristika auf, unterbrechen einen Stromfluss durch Trennen der jeweiligen Teilabschnitte 22a, 24a beziehungsweise der weiteren Teilabschnitte 42a, 44a also bei verschiedenen Stromstärken. Die unterschiedlichen Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20a und des weiteren Sicherungselements 40a werden vorliegend durch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten erreicht, aus welchen das Kontaktierungselement 18a und das weitere Kontaktierungselement 40a ausgebildet sind. Vorliegend ist das Kontaktierungselement 18a, welches mit der Anode 46a der Pouch-Zelle 10a elektrisch leitend verbunden oder einteilig mit dieser ausgebildet ist, aus Nickelbeschichtetem Kupfer ausgebildet. Dementsprechend ist auch das Sicherungselement 20a im Bereich der Verjüngung 26a aus Nickelbeschichtetem Kupfer ausgebildet und weist damit eine erste Auslösecharakteristik entsprechend dem Schmelzpunkt von Nickelbeschichtetem Kupfer und dem kleinsten Durchmesser im Bereich der Verjüngung 26a auf. Das weitere Kontaktierungselement 38a, welches mit der Kathode 48a der Pouch-Zelle 10a verbunden oder einteilig mit dieser ausgebildet ist, ist aus Aluminium ausgebildet. Dementsprechend ist auch das weitere Sicherungselement 40a im Bereich der weiteren Verjüngung 54a aus Aluminium ausgebildet und weist damit eine gegenüber der ersten Auslösecharakteristik des ersten Sicherungselements 20a verschiedene zweite Auslösecharakteristik entsprechend dem Schmelzpunkt von Aluminium und dem kleinsten Durchmesser im Bereich der weiteren Verjüngung 54a auf. Alternativ wäre jedoch auch denkbar, dass die unterschiedlichen Auslösecharakteristika des Schutzelements 20a und des weiteren Schutzelements 40a durch unterschiedliche Geometrien, insbesondere durch unterschiedliche kleinste Durchmesser, der Verjüngung 26a und der weiteren Verjüngung 54a erreicht werden.
In den 4 bis 11 sind acht weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 4 bis 11 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis i ersetzt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10b in einer schematischen Darstellung. Analog zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist die Pouch-Zelle 10b zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10b eine Sicherungsvorrichtung 16b mit einem Kontaktierungselement 18b zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38b zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16b weist wiederum ein Sicherungselement 20b zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22b, 24b des Kontaktierungselements 18b miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist die Pouch-Zelle 10b ein weiteres Sicherungselement 40b auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42b, 44b des weiteren Kontaktierungselements 38b miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind das Sicherungselement 20b und das weitere Sicherungselement 40b jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20b weist im Bereich des Sicherungselements 20b eine Verjüngung 26b auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38b im Bereich des weiteren Sicherungselements 40b eine weitere Verjüngung 54b auf.
Die Pouch-Zelle 10b unterscheidet sich von der Pouch-Zelle 10a des vorhergehenden Ausführungsbeispiels im Wesentlichen hinsichtlich einer Geometrie der Verjüngung 26b und der weiteren Verjüngung 54b. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Verjüngung 26b des Kontaktierungselements 18b durch eine ellipsenförmige Aussparung ausgebildet. Gleichermaßen ist auch die weitere Verjüngung 54b des weiteren Kontaktierungselements 38b durch eine weitere ellipsenförmige Aussparung ausgebildet. Das Sicherungselement 20b und das weitere Sicherungselement 40b weisen also auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf, wobei unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20b und des weiteren Sicherungselements 40b wiederum durch die Wahl unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten für das Kontaktierungselement 18b und das weitere Kontaktierungselement 38b erreicht werden können.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10c in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10c zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10c eine Sicherungsvorrichtung 16c mit einem Kontaktierungselement 18c zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38c zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16c weist wiederum ein Sicherungselement 20c zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22c, 24c des Kontaktierungselements 18c miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist die Pouch-Zelle 10c ein weiteres Sicherungselement 40c auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42c, 44c des weiteren Kontaktierungselements 38c miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind das Sicherungselement 20c und das weitere Sicherungselement 40c jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 18c weist im Bereich des Sicherungselements 20c eine Verjüngung 26c auf. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist das Kontaktierungselement 18c im Bereich des Sicherungselements 20c eine zusätzliche Verjüngung 56c auf. Die Verjüngung 26c und die zusätzliche Verjüngung 56c sind durch eine mittig angeordnete kreisförmige Aussparung in dem Kontaktierungselement 18c ausgebildet.
Analog zu dem Kontaktierungselement 18c weist auch das weitere Kontaktierungselement 38c im Bereich des weiteren Sicherungselements 40c eine weitere Verjüngung 54c und zudem eine zusätzliche weitere Verjüngung 58c auf, wobei die weitere Verjüngung 54c und die zusätzliche weitere Verjüngung 58c wiederum durch eine mittig angeordnete kreisförmige Aussparung in dem weiteren Kontaktierungselement 38c ausgebildet sind. Das Sicherungselement 20c und das weitere Sicherungselement 40c weisen also auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erneut eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf, wobei unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20c und des weiteren Sicherungselements 40c wiederum durch die Wahl unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten für das Kontaktierungselement 18c und das weitere Kontaktierungselement 38c erreicht werden können.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10d in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10d zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10d eine Sicherungsvorrichtung 16d mit einem Kontaktierungselement 18d zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38d zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16d weist wiederum ein Sicherungselement 20d zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22d, 24d des Kontaktierungselements 18d miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist auch die Pouch-Zelle 10d ein weiteres Sicherungselement 40d auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42d, 44d des weiteren Kontaktierungselements 38d miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind das Sicherungselement 20d und das weitere Sicherungselement 40d jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20d weist im Bereich des Sicherungselements 20d eine Verjüngung 26d auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38d im Bereich des weiteren Sicherungselements 40d eine weitere Verjüngung 54d auf.
Die Pouch-Zelle 10d unterscheidet sich von den Pouch-Zellen 10a-c der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wiederum im Wesentlichen hinsichtlich einer Geometrie der Verjüngung 26d und der weiteren Verjüngung 54d. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die Verjüngung 26d des Kontaktierungselements 18d durch zwei geradlinige schlitzförmige Aussparungen ausgebildet, welche zueinander parallel und bezüglich einer Haupterstreckungsrichtung 60d der Pouch-Zelle 10d winkelig, beispielsweis in einem Winkel von 45°, ausgerichtet sind. Gleichermaßen ist auch die weitere Verjüngung 54b des weiteren Kontaktierungselements 38d durch zwei geradlinige schlitzförmige weitere Aussparungen ausgebildet. Das Sicherungselement 20d und das weitere Sicherungselement 40d weisen also auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf, wobei unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20d und des weiteren Sicherungselements 40d wiederum durch die Wahl unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten für das Kontaktierungselement 18d und das weitere Kontaktierungselement 38d erreicht werden können.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10e in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10e zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10e eine Sicherungsvorrichtung 16e mit einem Kontaktierungselement 18e zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38e zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16e weist wiederum ein Sicherungselement 20e zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22e, 24e des Kontaktierungselements 18e miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist auch die Pouch-Zelle 10e ein weiteres
Sicherungselement 40e auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42e, 44e des weiteren Kontaktierungselements 38e miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind das Sicherungselement 20e und das weitere Sicherungselement 40e jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20e weist im Bereich des Sicherungselements 20e eine Verjüngung 26e auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38e im Bereich des weiteren Sicherungselements 40e eine weitere Verjüngung 54e auf.
Die Pouch-Zelle 10e unterscheidet sich von den Pouch-Zellen 10a-d der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wiederum im Wesentlichen hinsichtlich einer Geometrie der Verjüngung 26e und der weiteren Verjüngung 54e. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die Verjüngung 26e des Kontaktierungselements 18e durch zwei rechteckförmige Aussparungen ausgebildet, welche senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 60e der Pouch-Zelle 10e ausgerichtet und auf gegenüberliegenden Seiten des Kontaktierungselements 18e angeordnet sind. Gleichermaßen ist auch die weitere Verjüngung 54e des weiteren Kontaktierungselements 38e durch zwei rechteckförmige Aussparungen ausgebildet, welche senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 60e der Pouch-Zelle 10e ausgerichtet und auf gegenüberliegenden Seiten des weiteren Kontaktierungselements 38e angeordnet sind. Das Sicherungselement 20e und das weitere Sicherungselement 40e weisen also auch in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf, wobei unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20e und des weiteren Sicherungselements 40e wiederum durch die Wahl unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Schmelz-punkten für das Kontaktierungselement 18e und das weitere Kontaktierungselement 38e erreicht werden können.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10f in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10f zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10f eine Sicherungsvorrichtung 16f mit einem Kontaktierungselement 18f zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38f zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16f weist wiederum ein Sicherungselement 20f zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22f, 24f des Kontaktierungselements 18f miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist auch die Pouch-Zelle 10f ein weiteres Sicherungselement 40f auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42f, 44f des weiteren Kontaktierungselements 38f miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind das Sicherungselement 20f und das weitere Sicherungselement 40f jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20f weist im Bereich des Sicherungselements 20f eine Verjüngung 26f auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38f im Bereich des weiteren Sicherungselements 40f eine weitere Verjüngung 54f auf.
Die Pouch-Zelle 10f unterscheidet sich von den Pouch-Zellen 10a-e der vorhergehenden Ausführungsbeispiele im Wesentlichen hinsichtlich einer Geometrie der Verjüngung 26f und der weiteren Verjüngung 54f. Die Verjüngung 26f des Kontaktierungselements 18f ist durch zwei rechteckförmige Aussparungen ausgebildet, welche senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 60f der Pouch-Zelle 10f ausgerichtet und auf gegenüberliegenden Seiten des Kontaktierungselements 18f angeordnet sind. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Pouch-Zelle 10e sind die Aussparungen jedoch entlang der Haupterstreckungsrichtung 60f zueinander versetzt angeordnet, sodass das Kontaktierungselement 18f eine S-förmige Geometrie aufweist. Gleichermaßen ist auch die weitere Verjüngung 54f des weiteren Kontaktierungselements 38f durch zwei rechteckförmige Aussparungen ausgebildet, welche senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 60f der Pouch-Zelle 10f ausgerichtet, auf gegenüberliegenden Seiten des weiteren Kontaktierungselements 38f angeordnet und bezüglich der Haupterstreckungsrichtung 60f zueinander versetzt angeordnet sind, sodass auch das weitere Kontaktierungselement 38f eine S-förmige Geometrie aufweist. Das Sicherungselement 20f und das weitere Sicherungselement 40f weisen also wiederum eine, mit Ausnahme üblicher Fertigungstoleranzen, im Wesentlichen identische geometrische Struktur auf, wobei unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20f und des weiteren Sicherungselements 40f wiederum durch die Wahl unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten für das Kontaktierungselement 18f und das weitere Kontaktierungselement 38f erreicht werden können.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10g in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10g zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10g eine Sicherungsvorrichtung 16g mit einem Kontaktierungselement 18g zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38g zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16g weist wiederum ein Sicherungselement 20g zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22g, 24g des Kontaktierungselements 18g miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist auch die Pouch-Zelle 10g allerdings kein weiteres Sicherungselement auf. Das Sicherungselement 20g ist analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20g weist im Bereich des Sicherungselements 20g eine Verjüngung 26g auf, welche analog zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Pouch-Zelle 10f durch zwei rechteckförmige Aussparungen ausgebildet ist, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 60g der Pouch-Zelle 10g ausgerichtet und auf gegenüberliegenden Seiten des Kontaktierungselements 18g und entlang der Haupterstreckungsrichtung 60g zueinander versetzt angeordnet sind, sodass auch das Kontaktierungselement 18g eine S-förmige Geometrie aufweist.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist das Sicherungselement 20g zwar einstückig aber nicht einteilig mit dem Kontaktierungselement 18g ausgebildet. Dies ist dadurch bedingt, dass das Sicherungselement 20g einen Lötverbindungspunkt 36g aufweist, welcher die Teilabschnitte 22g, 24g des Kontaktierungselements 18g miteinander verbindet und dessen Schmelzpunkt im Falle eines Kurzschlusses überschritten wird, um die Teilabschnitte 22g, 24g voneinander zu trennen.
Vorliegend sind die Teilabschnitte 22g, 24g unter mechanischer Vorspannung über den Lötverbindungspunkt 36g miteinander verbunden. Hierdurch kann im Falle eines Kurzschlusses eine sichere Trennung der Teilabschnitte 22g, 24g voneinander erreicht werden.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10h in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10h zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10h eine Sicherungsvorrichtung 16h mit einem Kontaktierungselement 18h zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38h zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16h weist wiederum ein Sicherungselement 20h zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22h, 24h des Kontaktierungselements 18h miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist auch die Pouch-Zelle 10h ein weiteres Sicherungselement 40h auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42h, 44h des weiteren Kontaktierungselements 38h miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind das Sicherungselement 20h und das weitere Sicherungselement 40h jeweils als Schmelzsicherungen ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20h weist im Bereich des Sicherungselements 20h eine Verjüngung 26h auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38h im Bereich des weiteren Sicherungselements 40h eine weitere Verjüngung 54h auf. Die Geometrie der Verjüngungen 26h, 54h ist jeweils analog zu dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der Pouch-Zelle 10e ausgebildet. Grundsätzlich sind die Verjüngungen 26h, 54h jedoch nicht auf die gezeigte Geometrie beschränkt, sondern könnten alternativ auch Geometrien wie die der in den 3 bis 6, 8 oder 9 gezeigten Ausführungsbeispielen oder andere dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Geometrien aufweisen, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist das Sicherungselement 20h eine Beschichtung 28h mit zumindest einer, vorliegend genau einer, Reaktionsschicht 30h auf. Die Reaktionsschicht 30h ist dazu vorgesehen, im Falle eines Kurzschlusses mit dem Kontaktierungselement 18h zu reagieren und dabei dessen physikalische Eigenschaften zu verändern, um die Trennung der Teilabschnitte 22h, 24h hervorzurufen. Vorliegend ist Beschichtung 28h als eine Metallbeschichtung ausgebildet und im Bereich der Verjüngung 26h auf das Kontaktierungselement 18h aufgebracht. Kommt es zum Kurzschluss, so diffundiert die Reaktionsschicht 30h aufgrund der dabei entstehenden Wärme im Bereich der Verjüngung 26h teilweise in das Kontaktierungselement 18h ein und es kommt zur Legierungsbildung und dadurch zur Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Kontaktierungselements 18h im Bereich der Verjüngung. Vorliegend wird die Schmelztemperatur des Kontaktierungselements 18h im Bereich der Verjüngung durch Eindiffundieren der Reaktionsschicht 30h lokal verringert, sodass im Falle eines Kurzschlusses die Trennung zwischen den Teilabschnitten 22h, 24h hervorgerufen werden kann.
Alternativ ist denkbar das Kontaktierungselement 18h im Bereich der Verjüngung von vorneherein aus einer bestimmten Legierung, welche bei einer bestimmten Zusammensetzung ein Eutektikum und damit einen verringerten Schmelzpunkt aufweist, auszubilden.
Das weitere Sicherungselement 20h ist vorliegend ohne eine Beschichtung ausgebildet, sodass unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20h und des weiteren Sicherungselements 40h durch die Beschichtung 28h erreicht werden können, obwohl das Kontaktierungselement 18h und das weitere Kontaktierungselement 38h eine im Wesentlichen identische Geometrie aufweisen und auch aus demselben Material ausgebildet sein können.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Pouch-Zelle 10i in einer schematischen Darstellung. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Pouch-Zelle 10i wiederum zwei Elektroden (nicht dargestellt) auf. Ferner weist die Pouch-Zelle 10i eine Sicherungsvorrichtung 16i mit einem Kontaktierungselement 18i zur elektrischen Kontaktierung einer ersten der Elektroden und ein weiteres Kontaktierungselement 38i zur Kontaktierung einer weiteren der Elektroden auf. Die Sicherungsvorrichtung 16i weist wiederum ein Sicherungselement 20i zur Kurzschlusssicherung auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte 22i, 24i des Kontaktierungselements 18i miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen. Zudem weist auch die Pouch-Zelle 10i ein weiteres Sicherungselement 40i auf, welches dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte 42i, 44i des weiteren Kontaktierungselements 38i miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist das weitere Sicherungselement 40i als Schmelzsicherung ausgebildet. Das Kontaktierungselement 20i weist im Bereich des Sicherungselements 20i eine Verjüngung 26i auf. Entsprechend weist auch das weitere Kontaktierungselement 38i im Bereich des weiteren Sicherungselements 40i eine weitere Verjüngung 54i auf. Die Geometrie der Verjüngungen 26i, 54i ist jeweils analog zu den in den 7 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen ausgebildet. Grundsätzlich sind jedoch auch die Verjüngungen 26i, 54i nicht auf die gezeigte Geometrie beschränkt, sondern könnten alternativ auch Geometrien wie die der in den 3 bis 6, 8 oder 9 gezeigten Ausführungsbeispielen oder andere dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Geometrien aufweisen, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Analog zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Pouch-Zelle 10h weist das Sicherungselement 20i der Pouch-Zelle 10i eine Beschichtung 28i mit zumindest einer Reaktionsschicht 30i auf. Die Reaktionsschicht 30i ist wiederum dazu vorgesehen, im Falle eines Kurzschlusses mit dem Kontaktierungselement 18i zu reagieren und dabei dessen physikalische Eigenschaften zu verändern, um die Trennung der Teilabschnitte 22i, 24i hervorzurufen. Im Unterschied zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 28i jedoch nicht als eine reine Metallbeschichtung ausgebildet. Das Sicherungselement 20i weist stattdessen eine Mehrfachbeschichtung 32i auf, welche die Reaktionsschicht 30i und zumindest eine Zwischenschicht 34i, welche zwischen dem Kontaktierungselement 18i und der Reaktionsschicht 30i angeordnet ist, umfasst. Die Reaktionsschicht 30i und die Zwischenschicht 34i sind dabei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet. Die Reaktionsschicht 30i weist Gallium auf und ist vorliegend aus Gallium ausgebildet. Die Zwischenschicht 34i ist hingegen einem niedrigschmelzenden diffusionsdichten Material, insbesondere einem Polymer, ausgebildet.
In der 11 sind die Reaktionsschicht 30i und die Zwischenschicht 34i aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich an den Rändern der Verjüngung 26i dargestellt. Vorzugsweise erstrecken sich die Reaktionsschicht 30i und die Zwischenschicht 34i jedoch zumindest über eine Seite der Verjüngung 26i und besonders bevorzugt sind die Reaktionsschicht 30i und die Zwischenschicht 34i im Bereich der Verjüngung 26i jeweils vollflächig auf das Kontaktierungselement 18i aufgebracht.
Die Zwischenschicht 34i ist im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen, durch Änderung zumindest einer Eigenschaft einen Kontakt zwischen der Reaktionsschicht 30i und dem Kontaktierungselement 18i herzustellen, um eine Trennung der Teilabschnitte 22i, 24i hervorzurufen. Die Zwischenschicht 34i kann sich beispielsweise aufgrund der Wärme im Falle eines Kurzschlusses lateral zusammenziehen, um den Kontakt zwischen der Reaktionsschicht 30i und dem Kontaktierungselement 18i herzustellen, wobei es durch den Kontakt der aus Gallium ausgebildeten Reaktionsschicht 30i mit dem Kontaktierungselement 18i, welches aus Aluminium ausgebildet sein kann, zu einer Versprödung kommt, wodurch das Kontaktierungselement 18i im Bereich der Verjüngung 26i bricht. Vorzugsweise sind die Teilabschnitte 22i, 24i zusätzlich mechanisch vorgespannt, um einen Bruch des Kontaktierungselements 18i im Bereich der Verjüngung 26i im Falle eines Kurzschlusses sicherzustellen.
Das weitere Sicherungselement 40i ist vorliegend wiederum ohne eine Beschichtung ausgebildet, sodass unterschiedliche Auslösecharakteristika des Sicherungselements 20i und des weiteren Sicherungselements 40i durch die Mehrfachbeschichtung 32i erreicht werden können, obwohl das Kontaktierungselemente 18i und das weitere Kontaktierungselement 38i eine im Wesentlichen identische Geometrie aufweisen und auch aus demselben Material ausgebildet sein können.
Denkbar wäre alternativ beispielsweise auch, dass das weitere Sicherungselement 40i eine, wie für das Sicherungselement 20h in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gezeigte, einfache Beschichtung und das Sicherungselement die Mehrfachbeschichtung 32i aufweist, um die unterschiedlichen Auslösecharakteristika zu ermöglichen. Ferner wäre auch denkbar, dass das weitere Sicherungselement 40i analog zu dem Sicherungselement 20i eine weitere Mehrfachbeschichtung (nicht gezeigt) aufweist, wobei verschiedene Auslösecharakteristika, falls erforderlich, durch verschiedene Verjüngungsgeometrien erreicht werden könnten. Des Weiteren können die in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 11 gezeigten verschiedenen Ausführungen von Sicherungselementen 20a-i und weiteren Sicherungselementen 40a-i in weiteren sinnvollen Kombinationen in einer Pouch-Zelle miteinander kombiniert werden, um verschiedene Auslösecharakteristika zu ermöglichen.

Claims

Pouch-Zelle (10a-i) mit zumindest zwei Elektroden (12a, 14a) und mit einer Sicherungsvorrichtung (16a-i), welche zumindest ein Kontaktierungselement (18a-i) zur elektrischen Kontaktierung einer der Elektroden (12a, 14a) und zumindest ein Sicherungselement (20a-i) zur Kurzschlusssicherung aufweist, wobei das Sicherungselement (20a-i) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei Teilabschnitte (22a-i, 24a-i) des Kontaktierungselements (18a-i) miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen, um einen Stromfluss zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (18a-i) im Bereich des Sicherungselements (20a-i) eine Verjüngung (26a-i) aufweist.
Pouch-Zelle (10a-i) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20a-i) einstückig mit dem Kontaktierungselement (18a-i) ausgebildet ist.
Pouch-Zelle (10a-f) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20a-f) einteilig mit dem Kontaktierungselement (18a-f) ausgebildet ist.
Pouch-Zelle (10a-h) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20a-h) als eine Schmelzsicherung ausgebildet ist.
Pouch-Zelle (10h; 10i) zumindest nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20h; 20i) eine Beschichtung (28h; 28i), insbesondere eine Metallbeschichtung, mit zumindest einer Reaktionsschicht (30h; 30i) aufweist, welche dazu vorgesehen ist, im Falle eines Kurzschlusses mit dem Kontaktierungselement (18h; 18i) zu reagieren und dessen physikalische Eigenschaften zu verändern, um eine Trennung der Teilabschnitte (22h, 24h; 22i, 24i) hervorzurufen.
Pouch-Zelle (10i) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20i) eine Mehrfachbeschichtung (32i) aufweist, welche zumindest eine Reaktionsschicht (30i) und zumindest eine Zwischenschicht (34i), welche zwischen dem Kontaktierungselement (18i) und der Reaktionsschicht (30i) angeordnet ist, umfasst.
Pouch-Zelle (10i) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht (30i) und die Zwischenschicht (34i) aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.
Pouch-Zelle (10i) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (34i) im Falle eines Kurzschlusses dazu vorgesehen ist, durch Änderung zumindest einer Eigenschaft einen Kontakt zwischen der Reaktionsschicht (30i) und dem Kontaktierungselement (18i) herzustellen, um eine Trennung der Teilabschnitte (22i, 24i) hervorzurufen.
Pouch-Zelle (10i) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Zwischenschicht (34i) aus einem niedrigschmelzenden diffusionsdichten Material, insbesondere einem Polymer, ausgebildet ist.
Pouch-Zelle (10h; 10i) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschicht (30i) Gallium aufweist.
Pouch-Zelle (10g) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (20g) einen Lötverbindungspunkt (36g) aufweist, welcher die Teilabschnitte (22g, 24g) des Kontaktierungselements (18g) miteinander verbindet und dessen Schmelzpunkt im Falle eines Kurzschlusses überschritten wird, um die Teilabschnitte (22g, 24g) voneinander zu trennen.
Pouch-Zelle (10g) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte (22g, 24g) unter mechanischer Vorspannung über den Lötverbindungspunkt (36g) miteinander verbunden sind.
Pouch-Zelle (10a-i) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Sicherungsvorrichtung (16a-i) ein weiteres Kontaktelement (38a-i) zur Kontaktierung einer weiteren Elektrode (14a) der Elektrode (12a, 14a) und ein weiteres Sicherungselement (40a-i) aufweist, wobei das weitere Sicherungselement (40a-i) dazu vorgesehen ist, zumindest zwei weitere Teilabschnitte (42a-i, 44a-i) des weiteren Kontaktierungselements (38a-i) miteinander zu verbinden und im Falle eines Kurzschlusses voneinander zu trennen und wobei das Sicherungselement (20a-i) und das weitere Sicherungselement (40a-i) verschiedene Auslösecharakteristika aufweisen.
Akkupack (50a), insbesondere Wechselakkupack, mit zumindest einer Pouch Zelle (10a-i) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.