DE10250839B4

DE10250839B4 - Elektrodenableiteranordnung, deren Verwendung und Verfahren zur Polung von Elektrodenableitern

Info

Publication number: DE10250839B4
Application number: DE10250839A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Theuerkauf; Karsten Rieck
Original assignee: Dilo Trading AG
Current assignee: Dilo Trading AG
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: DE10250839A1

Abstract

Elektrodenableiteranordnung, umfassend mehrere Elektrodenableiter (1, 1') mit dazwischen liegendem Separator (2) und wenigstens eine Ableiterscheibe (3), wobei die Elektrodenenden der Elektrodenableiter (1) in einer zur Erstreckungsrichtung quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht sind, um eine Kontaktfläche (4) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiteranordnung durch das lasergepulste Anheften der wenigstens einen Ableiterscheibe (3) auf die Kontaktfläche (4) erhältlich ist, und wobei die Pulsleistung und die Pulslänge derart eingestellt sind, dass keine Löcher in die Elektrodenableiter (1, 1') gebrannt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodenableiteranordnung, deren Verwendung und ein Verfahren zur Polung von Elektrodenableitern.
Die Elektrodenableiter einer Wickel- oder Flachzelle werden am Beispiel einer Batterie für die Anodenseite bzw. Kathodenseite jeweils als Plus- bzw. Minus-Pol der Batterie zusammengefasst. Ein wesentliches Kriterium für das einwandfreie Arbeiten von Batterien oder anderen elektronischen Bauteilen ist das Kontaktieren von Elektrodenenden einer Anode oder Kathode einer Batterie. Diese Maßnahme ist die Polung zu Plus- bzw. Minuspol einer Batterie. Bei dem Kontaktieren soll kein Verlust der elektrischen Leitfähigkeit vom Ableiter zum jeweiligen Batteriepol erfolgen. Außerdem müssen die Kontaktierungen der Elektrodenableiter korrosionsfrei sowie mechanisch stabil ausgebildet sein.
Die bislang geübte Praxis der Kontaktierung besteht vorzugsweise in Weich- oder Hartlöten und/oder mechanischem Anpressen oder Anklemmen. Nachteilig sind die bisherigen Methoden vor allem durch Ausbildung von Lokalelementen, die zu einer Korrosion bzw. mangelhaften Leitfähigkeit, d.h. zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands (Ω), in den Löt- bzw. Schweißstellen und zu undefinierten Kontaktflächen führen.
Bei einer anderen Kontaktierungsart, dem Kleben mittels eines leitfähigen Klebers erfolgt neben einem Anstieg des elektrischen Widerstands auch ein Verspröden der Kontaktierung während des Batteriebetriebs.
Beim Ultraschallschweißen erfolgt zum Teil ein Verspröden und in Folge dessen ein Abbrechen der durch Schweißen kontaktierten Ableiter. Deshalb weisen die Verbindungen der Ableiter mit den Elektroden häufig eine mangelnde mechanische Stabilität auf.

Aus der DE 21 27 823 ist eine Elektrodenableiteranordnung bekannt, bei der der Kontakt zwischen der im Wesentlichen ebenen Auflagefläche und der Stromabnehmer mittels Schweißstellen verbessert wird.

Aus der DE 100 15 711 ist eine galvanische Zelle bekannt, bei der die Ableiterplatten mit den überstehenden Elektrodenrändern mittels einer Laserveschweißung verbunden werden, wobei die Schweißung an den senkrecht stehenden Elektrodenenden durchgeführt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine in ihrer Strombelastbarkeit verbesserte Elektrodenableiteranordnung bei gleicher Bauhöhe zu schaffen, die insbesondere in elektronischen Bauteilen wie etwa Batterien einsetzbar ist, sowie ein Verfahren zur Polung von Elektrodenableitern zu schaffen.

Diese Aufgabe kann durch eine Elektrodenableiteranordnung gemäß Anspruch 1, die Verwendungen der erfindungsgemäßen Elektrodenableiter gemäß den Ansprüchen 17 bis 19 als auch ein Verfahren zur Polung von Elektrodenableitern 1 und 1' gemäß Anspruch 20 gelöst werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe und Merkmale der vorliegenden Erfindung mit ihren Vorteilen und Effekten ergeben sich aus den nachfolgend dargelegten Ausführungsformen. Diese Ausführungsformen werden im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert, in denen:

1A einen Schnitt durch eine Wickelzelle zeigt.

1B eine erfindungsgemäße Elektrodenableiteranordnung mit einer aufgelegten Ableiterscheibe 3 im Bereich der Anode einer Wickelzelle zeigt.

2 eine besondere Ausführungsform einer Ableiterscheibe 3 zeigt, die zur erfindungsgemäßen Polung eingesetzt werden kann.

Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Elektrodenableiteranordnung mehrere Elektrodenableiter 1 und 1', die durch einen dazwischen liegenden Separator 2 getrennt sind. Wie aus dem gezeigten Schnitt durch eine Laminatstruktur einer Wickelzelle ersichtlich ist, liegt an den Elektrodenableitern 1 beidseitig eine Schicht des Anodenmaterials 5 und an den Elektrodenableitern 1' beidseitig eine Schicht des Kathodenmaterials 5' an. Somit ist in der 1 links die Stirnfläche des Minuspols mit Anodenableitern 1 und rechts die Stirnfläche des Pluspols mit Kathodenableitern 1' dargestellt.

Die Elektrodenableiter 1, 1' ragen an den Stirnflächen der Wickelzelle vom Verbund soweit heraus, dass sie im gestauchten und/oder umgelegten Zustand eine möglichst geschlossene und ebene Kontaktfläche 4 ausbilden, wie auf der Anodenseite in 1B gezeigt ist. Hierbei ist die Länge des Überstandes der Elektrodenenden bevorzugt so bemessen, dass der umgelegte Teil etwas länger als der Abstand der vom Verbund an den Stirnflächen herausragenden Elektrodenableitern ist, damit dadurch eine knappe Überlappung der einzelnen Elektrodenableiter 1, 1' beim Umlegen erfolgen kann. Im Falle einer möglichen Stauchung, Falzung, Bördelung oder Knickung der vom Laminatverbund herausragenden Elektrodenableiter 1, 1' können die herausragenden Elektrodenenden etwas länger als beim Umlegen sein.

Bevorzugt beträgt der Abstand der Elektrodenableiter 1, 1' etwa 10–1000 μm und weiter bevorzugt 50–500 μm. Für Wickelzellen werden bevorzugt Elektrodenableiter 1, 1' in Form von dünnen Ableiterfolien wie Metallfolien oder dünnen Metalllagen eingesetzt, die mit einem Elektrodenmaterial 5, 5' beschichtet sein können. Die Stärke dieser Elektrodenableiter 1, 1' beträgt je nach Ausführungsform etwa 10 bis 1000 μm, weiter bevorzugt 10 bis 500 μm und am meisten bevorzugt 15 bis 50 μm.

Durch das Umlegen und/oder Stauchen der Elektrodenenden der Elektrodenableiter 1 bildet sich eine zur Erstreckungsrichtung der Elektrodenableiter 1 quer verlaufende Ebene, die Kontaktfläche 4, aus. Darauf ist eine Ableiterscheibe 3 lasergepulst angeheftet, um die einzelnen Elektrodenableiter 1 miteinander feste zu verbinden. Dadurch kann zusätzlich ein guter Kontakt der einzelnen Elektrodenableiter miteinander geschaffen werden. Gleichzeitig dient die Ableiterscheibe auch zur Ausbildung der Kontaktierung zum jeweiligen Pol der Batterie, hier dem Minuspol. Somit kann eine gegenüber den herkömmlichen Kontaktierungsverfahren verbesserte Polung mit dem jeweiligen Pol erfolgen.

Beispiele für Elektrodenableitermaterialien sind Cu, Al, Ni, Ti, Co oder Legierungen aus diesen Metallen. Für die Anodenableiter 1 bevorzugt eingesetzte Materialien sind Cu und Cu-Legierungen, wahlweise Legierungen mit den vorstehend genannten Elementen. Für die Kathodenableiter 1' bevorzugt eingesetzte Materialien sind Al und Al-Legierungen, wahlweise Legierungen mit den vorstehend genannten Elementen.

Die Materialien für die Ableiterscheibe 3 können zum Beispiel ebenso aus den für die Elektrodenableiter 1, 1' genannten Metallen und Legierungen ausgebildet sein. Die Ableiterscheibe 3 und die damit kontaktierten Elektrodenableiter 1 oder 1' bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material. Somit kann eine mögliche ungünstige elektrochemische Reaktion, die an der Grenzfläche von zwei unterschiedlichen Materialien auftreten kann, vermieden werden. Dies ermöglicht auch eine korrosionsfreie Kontaktierung.

Für zylinderförmige Wickelzellen vorteilhafte Ableiterscheiben 3 sind runde Scheiben mit Stärken von 10 bis 1000 μm, bevorzugt von 20 bis 200 μm und noch weiter bevorzugt von 25 bis 100 μm. Eine bevorzugte Ausführungsform einer Ableiterscheibe 3 für zylinderförmige Wickelzellen weist eine zentrale Bohrung 6 auf, in der ein Metallbolzen in zentraler Lage der Wickelzelle eingeführt werden kann. Dieser Metallbolzen besteht bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Ableiterscheibe 3 und/oder die Elektrodenableiter 1, 1'. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Metallbolzen zusätzlich ein Schraubgewinde aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist die Ableiterscheibe 3 mit einer zentralen Bohrung 6 versehen und weist Segmentausschnitte auf, so dass sie die Form einer dreiflügeligen Scheibe hat. Diese besondere Ausführungsform der Ableiterscheibe 3 ist in 2 veranschaulicht.

Der Durchmesser B der zentralen Bohrung, die zum Einsetzen eines Bolzens zur Kontaktierung mit dem jeweiligen Batteriepol dienen kann, liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 mm, weiter bevorzugt von 5 bis 20 mm und insbesondere bei etwa 10 mm. Der äußere Durchmesser A des Scheibenkerns kann bei ungefähr 10 bis 100 mm, bevorzugt bei 10 bis 50 mm und weiter bevorzugt 14 bis 20 mm liegen. Die Segmentabschnitte der Ableiterscheibe 3 überstreichen in einer bevorzugten Ausführungsform einen Winkel α von 50 bis 70° und insbesondere etwa 60°.

Zusätzlich zu der Ableiterscheibe 3 kann die Elektrodenableiteranordnung noch eine flexible Litze zur Polung an den jeweiligen Pol umfassen, die direkt an der Ableiterscheibe 3 anliegen kann. Diese ist bevorzugt ebenso aus dem selben Material wie die Ableiterscheibe 3 und/oder die Elektrodenableiter 1, 1' ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Elektrodenableiteranordnung kann jedoch nicht nur die Polung in einer Batterie wie zum Beispiel einer Wickelzelle gewährleisten, sondern kann auch zur Polung in einem Kondensator, einem Plattenspeicher, einer Solarzelle, einer Leuchtdiode oder ähnlichem eingesetzt werden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung auch zur Herstellung von multifunktionellen Batteriebausätzen dienen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Polung von Elektrodenableitern näher erläutert.

Beispiele für einsetzbare Laser sind in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B 3, 15–11 (1988); Vol. B 4, 351 (1992); Vol. B 5, 654 (1994); Vol. A 15, 165 (1990) und Vol. A 17, 563 (1991), Verlag VCH, Weinheim beschrieben. Zur Anwen dung können gepulste Laser wie etwa gepulste YAG Laser mit Pulsenergien von 0,5–15 Joule und vorzugsweise 1–10 Joule gelangen. Der Focusdurchmesser beträgt etwa 0,4–1,0 mm, vorzugsweise etwa 0,4–0,8 mm und insbesondere 0,4–0,5 mm. Die Pulsdauern liegen vorzugsweise bei etwa 1,0–5 ms und die Pulsleistung ist vorzugsweise etwa 0,5–5 kW.

Für die Auswahl der Laserpulse ist wichtig, dass die Pulsenergien beziehungsweise -dauern so eingestellt werden, dass keine Löcher in die Elektrodenableiter 1, 1' gebrannt werden. Ansonsten könnte der durchtretende Laserstrahl den Separator 2 zerstören, und somit Kurzschlüsse in den Zellen verursachen.

Unter Schutzgasatmosphäre wie etwa Argongas ausgeführtes lasergepulstes Anheften einer Ableiterscheibe 3 führt zu einer weiter verbesserten Kontaktierung.

Durch das erfindungsgemäße lasergepulste Anheften einer Ableiterscheibe 3 kann eine große aus umgebogenen und/oder gestauchten Elektrodenableitern 1, 1' ausgebildete Kontaktfläche 4 zentral über die Ableiterscheibe 3 an einen Pol angebunden werden. Hierbei eignet sich das lasergebundene Anheften besonders gut, da das Verfahren automatisierbar ist und somit im Fließbandsystem durchgeführt werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie etwa Ultraschallschweißen sind mittels dem erfindungsgemäßen lasergepulsten Anheften schnellere Fertigungszyklen möglich. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist ebenso eine sehr hohe Variabilität bezüglich der Form und Geometrie der Ableiterscheiben 3 gewährleistet.

Zusätzliche Vorteile des lasergepulsten Anheftens von Ableiterscheiben 3 auf die ausgebildete Kontaktfläche 4 sind eine geringe Bauhöhe der Elektrodenableiteranordnung. Dies führt zu einer höheren Energiedichte pro Volumeneinheit. Weiterhin führt das erfindungsgemäße Verfahren zu Zellen mit einer verbesserten Strombelastbarkeit von mehr als der 3,5– fachen Kapazität C gegenüber den Standardzelle mit 2–3 C. Wobei C gleich die Kapazität einer 25 Ah Zelle ist.

Somit sind die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Zellen vielseitig anwendbar, wie zum Beispiel auch für sogenannte Superkondensatoren.

Die Erfindung soll anschließend durch Beispiele erläutert werden, ist aber keinesfalls auf diese beschränkt.

Beispiele 1 bis 4
Es wurde eine Fähnchenkontaktierung mit einem Laser Al 50 von Wickelzellen mit einem Durchmesser von 75 mm durchgeführt. Die Elektrodenableiter 1, 1' (Fähnchen) wurden wie in 1B gezeigt vor dem Auflegen der Ableiterscheibe 3 umgelegt.
In den einzelnen Beispielen wurden die folgenden Elektrodenableiter und Ableiterscheiben eingesetzt:

Beispiel 1: Kathodenableiter Al-Folie (19 μm stark) Ableiterscheibe Al 99,9 %ig (50 μm stark)
Beispiel 2: Kathodenableiter Al-Folie (19 μm stark) Ableiterscheibe Al 99,9 %ig (100 μm stark)
Beispiel 3: Kathodenableiter Al-Folie (19 μm stark) Ableiterscheibe Ni 99,5 %ig (60 μm stark)
Beispiel 4: Anodenableiter Cu-Folie (19 μm stark) Ableiterscheibe Cu 99,9 %ig (90 μm stark)

Die eingesetzten für das lasergepulste Anheften der Ableiterscheibe auf den Elektrodenableitern weiteren Verfahrensparameter sind aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich: Tabelle:
Das Anheften der Ableiterscheiben 3 aus Kupfer, Nickel oder Aluminium auf den jeweiligen Cu- oder Al-Fähnchen 1, 1' mittels gepulstem Laser ist in allen Beispielen möglich. Es wurde jedoch darauf geachtet, dass auf der Aluminiumseite keine Löcher in das Aluminiumfähnchen gebrannt wurden, da sonst der durchtretende Laserstrahl die Separatorfolie zerstören würde und somit Kurzschlüsse entstehen würden.
In allen Beispielen 1 bis 4 wurden mechanisch stabile Kontakte zwischen den Elektrodenableitern 1, 1' und den aufgelegten Ableiterscheiben 3 erhalten. Es kam durch das lasergepulste Anheften zu keiner Erhöhung des elektrischen Widerstandes an den Kontaktstellen. Bei durchgeführten Batterietests zeigten die erfindungsgemäßen Elektrodenableiteranordnungen keine Versagensmechanismen über einen langen Zeitraum.

Claims

Elektrodenableiteranordnung, umfassend mehrere Elektrodenableiter (1, 1') mit dazwischen liegendem Separator (2) und wenigstens eine Ableiterscheibe (3), wobei die Elektrodenenden der Elektrodenableiter (1) in einer zur Erstreckungsrichtung quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht sind, um eine Kontaktfläche (4) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiteranordnung durch das lasergepulste Anheften der wenigstens einen Ableiterscheibe (3) auf die Kontaktfläche (4) erhältlich ist, und wobei die Pulsleistung und die Pulslänge derart eingestellt sind, dass keine Löcher in die Elektrodenableiter (1, 1') gebrannt werden.
Elektrodenableiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiter (1) Anodenableiter sind.
Elektrodenableiteranordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Elektrodenableiter (1) aus Cu oder einer Cu-Legierung bestehen.
Elektrodenableiteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiter (1') Kathodenableiter sind.
Elektrodenableiteranordnung gemäß Anspruch 4, wobei die Elektrodenableiter (1') aus Al oder einer Al-Legierung bestehen.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die Elektrodenableiter (1, 1') und/oder Ableiterscheiben (3) Metalle wie Ni, Ti oder Co umfasst.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ableiterscheibe (3) aus dem gleichen Material wie die Elektrodenableiter (1, 1') besteht.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenableiter (1, 1') als Ableiterfolien (1, 1') ausgebildet sind.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenableiter (1, 1') einen Schichtenaufbau aufweisen und insbesondere mit einem Elektrodenmaterial (5, 5') beschichtete Ableiterfolien (1, 1') sind.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiter (1) eine Stärke von 10–1000 μm aufweisen.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenableiter (1, 1') eine Stärke von 15–50 μm aufweisen.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterscheibe (3) als eine dreiflügelige, mit zentraler Bohrung (6) versehene Ableiterscheibe (3) ausgebildet ist.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Ableiterscheibe (3) 10–1000 μm beträgt.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Ableiterscheibe (3) 25–100 μm beträgt.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich einen Gewindebolzen in einer zentralen Bohrung (6) der Ableiterscheibe (3) umfasst.
Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich eine an der Ableiterscheibe (3) anliegende flexible Litze umfasst.
Verwendung einer Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Gewährleistung der Polung in einer Batterie, einem Kondensator, einem Plattenspeicher, einer Solarzelle oder einer Leuchtdiode.
Verwendung einer Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Gewährleistung der Polung in einer Wickelzelle.
Verwendung einer Elektrodenableiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung von multifunktionellen Batteriebausätzen.
Verfahren zur Polung von Elektrodenableitern, wobei Elektrodenenden von mehreren zu polenden Elektrodenableitern (1, 1') mit dazwischen liegendem Separator (2) in einer zur Erstreckungsrichtung quer verlaufenden Ebene umgelegt und/oder gestaucht werden, um dadurch eine Kontaktfläche (4) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ableiterscheibe (3) auf der Kontaktfläche (4) lasergepulst angeheftet wird, wobei die Pulsleistung und die Pulslänge derart eingestellt sind, dass keine Löcher in die Elektrodenableiter (1, 1') gebrannt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Anheften der Ableiterscheibe (3) mittels eines gepulsten Lasers erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei das lasergepulste Anheften mit Pulsenergien von 0,5–15 Joule bei Focusdurchmessern von 0,4–1,0 mm, Pulsdauern von 1,0–5,0 ms und Pulsleistungen von 0,5 bis 5 kW erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei mit Pulsenergien von 1–10 Joule gearbeitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das lasergepulste Anheften unter Schutzgas und insbesondere unter Argon erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Fließbandsystem durchgeführt wird.