DE112009003624B4

DE112009003624B4 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE112009003624B4
Application number: DE112009003624.4T
Authority: DE
Inventors: Charlers E. Martin; Lucien Fontaine; William H. Gardner
Original assignee: A123 Systems LLC
Current assignee: A123 Systems LLC
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: US8632907B2; KR20110099110A; CN101916876B; KR101737644B1; CN201773900U; DE112009003624T5; US20100266893A1; WO2010065378A1; JP2012510143A; JP5693462B2; CN101916876A

Abstract

Eine elektrochemische Zelle (100) umfassend:
einen Kanister (600);
einen im Kanister (600) angeordneten Kerneinsatz (140);
einen Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610), wobei der Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510) eine äußere Oberfläche hat die vom Kerneinsatz (140) weg gerichtet ist; und
mindestens ein Elektrodenplättchen (130), das zwischen dem Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610) und dem Kerneinsatz (140) angeordnet ist,
wobei der Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610), das mindestens eine Elektrodenplättchen (130) und der Kerneinsatz (140) elektrisch verbunden sind über eine Schweißnaht (150), die von einer Schweißquelle außerhalb des Kanisters bereitgestellt wird, die Schweißnaht (150) umfassend eine physikalische Umwandlung des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610), des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) und des Kerneinsatzes (140), wobei die physikalische Umwandlung sich von der äußeren Oberfläche des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610) bis zum Kerneinsatz (140) erstreckt, und
wobei die Schweißnaht (150) nach Zusammensetzen der elektrochemischen Zelle (100) durch Verschweißen des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610), des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) und des Kerneinsatzes (140) in der zusammengesetzten Zelle (100) durch die äußere Oberfläche des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610) ausgebildet ist.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Unterstützung der vorläufigen U.S.-Anmeldung mit der Serien-Nr. 61/117760, eingereicht am 25. November 2008, mit dem Titel „Method and Design for Externally Applied Laser Welding of Internal Connections in a High Power Electrochemical Cell,“ welche hier durch Verweis aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmende Ausführungsformen betreffen elektrochemische Zellen, und insbesondere einen elektrischen Kontakt hoher Stärke und niedriger Impedanz zwischen inneren Bestandteilen, die durch eine Laserverschweißung bereitgestellt wird.
Hintergrund der Erfindung
In einer elektrochemischen Zelle, z. B. einer Batteriezelle, wird elektrischer Strom von einer Batterieelektrodenfolie zu einem zentral angeordneten Pol geleitet. Die Elektrodenfolie kann direkt mit dem zentralen Pol verbunden sein, oder sie kann über ein stromabnehmendes Plättchen mit dem zentralen Pol verbunden sein. In manchen konventionellen Energieliefervorrichtungen fällt die Orientierung der Ebene der Folie oder des Plättchens an der Stelle, an der sie mit dem zentralen Pol verbunden ist, größten teils mit der Längsachse der Zelle zusammen. Der Einsatz einer solchen Verbindung erfordert beträchtlichen vertikalen Raum in der Zelle.
Bekannte Mittel zum Verbinden von Elektrodenplättchen unter Verwendung von Ultraschall-, Widerstands- oder anderen Schweißverfahren verlangen, dass die inneren Batteriezellenbestandteile, z.B. Plättchen, zugänglich sind für Schweißambosse, Elektroden, Laserstrahlen, usw. Beispiele für frühere Verbindungstechniken sind offenbart in U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/135708 mit dem Titel „Cap Assembly Fox a High Current Capacity Energy Delivery Device“, welche hier durch Verweis aufgenommen wird.
Ein kommerziell erhältlicher Aufbau aus dem Stand der Technik für eine Lithiumionen-Batteriezelle 10 ist in 1 gezeigt. Die Batteriezelle 10 umfasst Polende 20 und Nichtpol-Ende 30. Die Batteriezelle 10 ist in 2 mit entferntem Polende 20 gezeigt. Erweiterungsplättchen 40 ist bereitgestellt, um die Polkappe 20 mit dem inneren Aufbau der Batteriezelle 10 elektrisch zu verbinden. Insbesondere dient das Erweiterungsplättchen 40 als ein Leiterzwischen dem Minuspol 50 und den negativen stromabnehmenden Elektrodenplättchen 60, die unter Unterlegscheibe 70 angebracht sind. Obwohl das Erweiterungsplättchen in dieser Anordnung notwendig ist, verbraucht es Raum in der Zelle, der ansonsten genutzt werden könnte, um eine Batterie mit höherer Kapazität bereitzustellen. Der Pluspol 80 ist elektrisch mit der Zelle 10 verbunden, die ein positives Potential aufrecht erhält. Eine radiale Verschweißung wird vorgenommen, um die Elektrodenplättchen 60 an den Kerneinsatz 90 anzuschließen, und hinterlässt Schweißstelle 94.
Aus dem US 8,632,907 B2 ist ferner eine Lithium-Sekundärbatterie bekannt, welche einen inneren Elektrodenkörper einen organischen Elektrolyten und ein Batteriegehäuse, das den inneren Elektrodenkörper enthält, umfasst. Der innere Elektrodenkörper umfasst eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode über den Separator gewickelt sind, so dass die positive Elektrode und die negative Elektrode nicht in direkten Kontakt miteinander gebracht werden. Als Batteriegehäuse wird ein Rohr verwendet. Die Lithium-Sekundärbatterie zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und kann mit geringen Verarbeitungskosten hergestellt werden.
Zusammenfassung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Endkappeneinsatz zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit, der spezifisch entworfen ist, um das Eindringen von Laserenergie bis zu mindestens einem Elektrodenplättchen zu erlauben. Der Kappeneinsatz-Aufbau nimmt auch die Aufgabe wahr, den kreisförmigen Schweißpfad zu beschränken, um sicherzustellen, dass die darunterliegenden Elektrodenplättchen vollständig überdeckt sind ohne Zwischenräume zwischen ihnen. Ohne das Vorliegen von inneren Lücken sind alle Spritzer, die durch das vom Laser verursachte Stichloch entstehen, nach außen gerichtet, wobei Risiken verringert werden, die mit freien metallischen Partikeln beim Verschweißen von inneren Bestandteilen der Zelle verbunden sind.
Gemäß einem beispielhaften Gesichtspunkt wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt mit einem Kanister; einem im Kanister angeordneten Kerneinsatz; und einem Endkappeneinsatz mit einer äußeren Oberfläche, die vom Kerneinsatz weg gerichtet ist. Mindestens ein Elektrodenplättchen ist zwischen dem Endkappeneinsatz und dem Kerneinsatz angeordnet. Der Endkappeneinsatz, das mindestens eine Elektrodenplättchen und der Kerneinsatz sind über eine Schweißnaht, die von einem externen Laserstrahl erzeugt wird, elektrisch verbunden. Die Schweißnaht erzeugt eine physikalische Umwandlung der verschweißten Bestandteile, die sich von der äußeren Oberfläche des Endkappeneinsatzes bis zum Kerneinsatz erstreckt.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen
Zelle bereitgestellt. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Zellkanisters; Anordnen mindestens eines Elektrodenplättchens im Kanister; Einführen eines Kerneinsatzes in den Kanister; Platzieren eines Endkappeneinsatzes gegenüber dem Kerneinsatz; und Anlegen eines externen Laserstrahls an den Endkappeneinsatz, wobei der Endkappeneinsatz, das mindestens eine Elektrodenplättchen und der Kerneinsatz elektrisch verbunden werden über eine Schweißnaht, die sich vom Endkappeneinsatz bis zum Kernseinsatz erstreckt.
In einer beliebigen der vorhergehenden Aus führungsformen ist der Endkappeneinsatz eines aus einem Kathoden- und Anodenpotential der Zelle. Die Schweißnaht erstreckt sich in einer Längsrichtung der elektrochemischen Zelle und beginnt an einem hohlen Bereich des Endkappeneinsatzes. Die Schweißnaht durchdringt den Endkappeneinsatz und das mindestens eine Elektrodenplättchen.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen ist die Schweißnaht vollständig enthalten innerhalb des Endkappeneinsatzes, des mindestens einen Elektrodenplättchens und des Kerneinsatzes.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen erstreckt sich die Schweißnaht nicht durch irgendwelche inneren Lücken zwischen dem Endkappeneinsatz, dem mindestens einen Elektrodenplättchen und dem Kerneinsatz.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen umgibt eine Endkappe den Endkappeneinsatz und ist mit dem Kanister über eine Liniennaht verbunden.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen wird die Endkappe mit einem anderen Potential als der Kanister bereitgestellt. Der Endkappeneinsatz kann ein positives Potential haben und Aluminium umfassen. Der Endkappenseinsatz kann ein negatives Potential haben und aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Stahl, nickelplattiertem Stahl, Nickel, rostfreiem Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen hergestellt sein.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen ist ein Niet um den Endkappeneinsatz angebracht. Der Endkappeneinsatz kann Teil eines Minuspols sein und der Niet kann nickelplattierten Stahl umfassen. In einer weiteren Ausführungsform werden der Niet und der Kerneinsatz in einem einzigen einteiligen Stück oder Bestandteil bereitgestellt.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen ist die Schweißnaht eine Stichnaht. Die Schweißnaht kann eine Kreisbahn bilden, die ungefähr die Hälfte von derjenigen der Breite des mindestens einen Elektrodenplättchens beträgt, so dass die entstehende Schweißnaht vollständig beschränkt ist auf einen soliden Stapel Material umfassend den Endkappeneinsatz, das mindestens eine Elektrodenplättchen und den Kerneinsatz.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen hat der Endkappeneinsatz die Form eines Bechers und der externe Laserstrahl folgt einer Kreisbahn in einem hohlen Bereich des Endkappeneinsatzes.
In einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen ist der Endkappeneinsatz mit einer nichtporösen, haftfähigen Polymerbeschichtung überzogen.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung stellen einen Becheraufbau bereit, der weniger Raum beansprucht als frühere Technologien, so dass er volumetrisch und gravimetrisch effizienter ist. Dementsprechend kann eine größere Menge aktiver Masse in die elektrochemische Zelle eingebaut werden. Es lässt sich nachvollziehen, dass die oben beschriebenen Merkmale in Kombination miteinander verwirklicht sein können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können an Hand der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger verstanden und eingeschätzt werden, in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:

1 ein traditioneller Aufbau einer elektrochemischen Zelle ist;
2 eine traditionelle elektrochemische Zelle ist, deren Polende entfernt wurde;
Fig, 3A ein im Querschnitt abgebildeter Batteriezellenaufbau ist, in dem ein externer Laser zum Verschweißen der Elektrodenplättchen verwendet wird;
38 ein im Querschnitt abgebildeter Batteriezellenaufbau ist, der eine Versiegelungskappe verwendet;
4 eine im Querschnitt abgebildete Schweißlinse eines externen Laserstrahls ist, die eine Schweißnaht durch einen Plättchenstapel und in einen Kerneinsatz bereitstellt;
5A eine schematische Abbildung einer Kathodenkappe mit einem Einsatz gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist;
5B eine schematische Abbildung einer Anodenkappe mit einem Einsatz gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist;
5C eine im Querschnitt abgebildete Kathodenkappe mit einem Einsatz gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist;
6 ein im Querschnitt abgebildeter nichtintegrierter Aufbau mit Kathodenendkappe/- einsatz gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist;
7 ein im Querschnitt abgebildeter integrierter Aufbau mit Kathodenendkappe/- einsatz gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist; und
8 ein im Querschnitt abgebildeter Kanister ist, der gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung mit einer Endkappe integriert ausgebildet ist.

Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmende Ausführungsformen verwenden externe Laserenergie, um einen Kappenbestandteil mit inneren Bestandteilen einer Batteriezelle zu verbinden. Stichlochschweißen kann verwendet werden, in dem Hochleistungslaserstrahl einen Dampfhohlraum in dem zu schweißenden Teil erzeugt, welches dann mit flüssigem Metall gefüllt wird. Andere Schweißmittel außer Laserschweißen können angewandt werden, um die äußere Schweißnaht zu erzeugen. Praktikable Schweißverfahren können Elektronenstrahlschweißen, Plasmabogenschweißen oder Widerstandsschweißen umfassen. Löte- oder Hartlötetechniken könnten auch angewandt werden, um die Teile zusammenzufügen.
3A ist ein Querschnitt einer Batteriezelle und veranschaulicht verschweißte Bestandteile umfassend einen Endkappeneinsatz 120, Elektrodenplättchen 130 und einen spiralgewickelten Kerneinsatz 140 in einer beispielhaften Hochleistungs-Lithiumionenbatteriezelle 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Bestandteile sind in Kommunikation miteinander verbunden durch das Aufsetzen der Endkappe auf die Dose, die den runden spiralgewickelten Kerneinsatz 140 enthält, so dass der Endkappeneinsatz 120, die Elektrodenplättchen 130 und ein spiralgewickelter Kerneinsatz 140 auf ihren zusammengesetzten Positionen angeordnet sind, bevor das Schweißen angewandt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform hat die Spiralwickelung eine zylindrische Form.
Extern generierte Laserenergie 110 wird auf die Oberfläche des Kappeneinsatzes 120 gerichtet, welche daraufhin den Endkappeneinsatz 120 durchdringt und ihn mit dem darunterliegenden Plättchen 130 und dem stützenden Kerneinsatz 140 verschweißt, indem sie Laserfügestifte oder Schweißlinsen 150 bildet. In einer Ausführungsform hilft ein Schweißdurchmesser von zum Beispiel ungefähr 4 mm sicherzustellen, dass die Schweißnaht alle Plättchenschichten von zum Beispiel 8 mm breiten Elektrodenplättchen 130 vollständig durchdringt, wobei das Risiko von Spritzern innerhalb der Zelle stark verringert oder vollständig beseitigt wird. Dementsprechend wird das Risiko minimiert, dass Laserenergie 110 irgendwelche Bereiche des Kerneinsatzes 140 durchdringt und die Spiralwickelung beschädigt. Der Durchmesser der Laserbahn sollte so dimensioniert sein, dass er keine Lücken oder Zwischenräume zwischen den Elektroden umfasst. Die Oberfläche des Kappeneinsatzes 120 hat eine Dicke, die effizientes Durchdringen durch den Laser ermöglicht. In einer beispielhaften Ausführungsform hat der Bereich von Kappeneinsatz 120, der dem Laser ausgesetzt wird, eine Dicke von ungefähr 0,5 mm.
Ein Kerneinsatz 140 mit verringertem Durchmesser könnte auch verwendet werden und möglicherweise die Notwendigkeit des Zurückbiegens der zwei innersten Plättchen 130 erübrigen. Der Endkappeneinsatz 120 ist mittels Niet 121 sicher an der Batteriezelle 100 befestigt, der so gestaltet ist, dass die Menge an Material, das der äußerlich angewandte Laser durchdringen muss um alle Elektrodenplättchen 130 wirksam zu kombinieren, minimiert wird und dass das übermäßige Erhitzen der umgebenden Bestandteile verringert wird, welches ansonsten den Betrieb der Batteriezelle negativ beeinflussen könnte. Die becherartige Gestaltung des Kappeneinsatzes 120 beschränkt eine Stichlochschweißbahn und hält Spritzer außerhalb der Zelle, um Vorteile gegenüber dem internen Verschweißen der inneren Bestandteile zu bieten, indem die Möglichkeit, dass sich kleine, frei schwebende Metallpartikel und geschmolzene Materialien innerhalb der elektrochemischen Zelle bilden, beseitigt wird.
Bestimmte Materialien sind elektrochemisch kompatibel zum positiven Elektrodenpotential einer Li-lonen-Batteriezelle und bestimmte Materialien sind elektrochemisch kompatibel zum negativen Elektrodenpotential einer Li-lonen-Batteriezelle. In manchen Ausführungsformen können Materialien, die zu dem einen Potential kompatibel sind, nicht zu dem entgegengesetzten Potential der Batteriezelle kompatibel sein. Beispielhafte Materialien für die Bereiche der Zelle mit positivem Potential sind Aluminium und Aluminiumlegierungen. Diese Materialien bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sie mit allgemein verfügbarer Lasertechnologie verschweißt werden können.
Beispiele für Materialien, die in Bestandteile am negativen Potential einer Li-Ionenzelle eingebaut werden umfassen Eisen, Stahl, nickelplattierten Stahl, Nickel, rostfreien Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen, z. B. Messinge und Bronzen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Endkappeneinsatz 120 aus hochreinem Nickel (Ni 200 oder Ni 201), welcher leicht mit Kupfer verschweißt werden kann, welches ein beispielhaftes Baumaterial für Plättchen 130 ist. Kupfer wird oft als Material für das negative Elektrodenplättchen in einer Lithiumionenzelle verwendet. Kupfer hat einen beträchtlich niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand als Nickel. Kupfer erleichtert es auch, eine größere volumetrische und gravimetrische Leistungsdichte zu erreichen. Ein Nachteil von Kupfer ist, dass wenn es mittels Schmelzschweißen mit Stahl verbunden wird, Risse in der Schweißnaht sich zu bilden neigen, was die hermetische Eigenschaft solcher Schweißnähte unzuverlässig macht. Jedoch kann Nickel leicht mittels Laserschweißen an Kupfer geschweißt werden und ist ein beispielhaftes Material für den Bau des Kappeneinsatz-Aufbaus. Nickel kann auch leicht mit nickelplattiertem Stahl verbunden werden, welches ein beispielhaftes Material für den Nietbestandteil des Minuspols der Zelle ist. Wenn der Endkappeneinsatz aus einem Material hergestellt wird, das empfänglich für atmosphärische Korrosion ist, wie etwa wenn Stahl oder nickelplattierter Stahl als Material für den Endkappeneinsatz verwendet werden, kann eine nichtporöse haftfähige Polymerbeschichtung, wie etwa Epoxy oder Acryl, verwendet werden, um vor korrodierenden Umgebungen zu schützen.
3B ist ein Querschnitt einer alternativen Batteriezelle, die die verschweißten Bestandteile von 3A veranschaulicht, einschließlich des Endkappeneinsatzes 120, Elektrodenplättchen 130 und des spiralgewickelten Kerneinsatzes 140 verbunden mit der Schweißlinse 150, um die Hochleistungs-Lithiumionen-Batteriezelle 100 zu bilden. Gemäß einer beispielhaften Ausführung beherbergt der Endkappeneinsatz 120 einen Versiegelungsbecher 160, der über einem Öffnungsloch 170 des Endkappeneinsatzes 120 liegt. Das Öffnungsloch 170 reicht durch den Boden des Endkappeneinsatzes 120. Der Versiegelungsbecher 160 kann mit dem Endkappeneinsatz 120 verbunden sein, indem z. B. Schweißnaht 162 um den oberen Rand des Bechers 160 bereitgestellt wird.
Typischerweise erzeugt die von der Linse gebildete kreisförmige Schweißnaht oder andersartige Schweißnaht 150 eine hermetische Versiegelung zwischen einem inneren Bereich von Zelle 100 und äußeren Bereichen. Die Schweißnaht 150 verleiht den verbundenen Bestandteilen auch strukturelle Stabilität und fördert die elektrische Verbindung zwischen den Bestandteilen. Unter bestimmten Umständen kann die Schweißlinse 150 eine hermetische Versiegelung kompromittieren, wenn sich Risse oder Fehlstellen entwickeln. Ein beispielhafter Gesichtspunkt dieser Ausführungsform stellt die Öffnung 170 bereit, um jeder auf die Schweißnaht 150 zurückgeführten Versiegelung entgegenzuwirken. Auch kann die Schweißnaht 150 sich über weniger als einen 360-Grad-Kreis erstrecken, indem die Schweißnaht über nur ungefähr 350 Grad oder so, als Beispiel, ausgeführt wird. Ausführung der Schweißnaht über 350 Grad oder weniger als 360 Grad kann immer noch die benötigte strukturelle Integrität und elektrische Leitfähigkeit zwischen den verbundenen Bestandteilen bereitstellen, während es keine komplett hermetische Versiegelung sicherstellt. Stattdessen wird der Endkappeneinsatz 120 durch den Versiegelungsbecher 160 hermetisch versiegelt. Nachdem der Versiegelungsbecher 160 eingeführt wird, kann eine Leckprüfung durchgeführt werden. Die Leckprüfung kann in jeder geeigneten Weise durchgeführt werden, einschließlich Druckerzeugung durch Einspritzen von Stickstoff oder Helium in die Zelle und Beobachten von entweichendem Gas, wie der Fachmann nachvollziehen kann.
Indem man sich nicht auf die Schweißnaht 150 verlässt, um die hermetische Versiegelung bereitzustellen, kann eine Prüfung feststellen, ob der Versiegelungsbecher 160 allein ausreichend ist, um die hermetische Versiegelung bereitzustellen. Das erübrigt das falsche Vertrauen auf das Vorliegen einer dauerhaften hermetischen Versiegelung in Situationen, in denen die Leckprüfung feststellt, dass kein Leck vorliegt, und in denen die Versiegelung vorübergehend durch die Schweißnaht 150 statt durch den Becher 160 bewirkt wird. Wenn der Becher 160 von Anfang an fehlerhaft ist, während die Zelle immer noch die Leckprüfung besteht, kann eine Situation vorliegen, in der die Schweißnaht 150 dann später verfällt oder anderweitig eine Fehlstelle entwickelt, die die hermetische Versiegelung verringert oder beseitigt. Dieses Szenario wirft Bedenken auf, da die Schweißnaht 150 eher geneigt ist, im späteren Zeitverlauf eine Fehlstelle zu entwickeln, als der Versiegelungsbecher 160. Wenn von Anfang an bekannt ist, dass die hermetische Versiegelung korrekt vom Versiegelungsbecher160 statt von der Schweißnaht 150 bewirkt wird, kann erhöhtes Vertrauen in die Fähigkeit der Zelle, die hermetische Versiegelung über die Zeit zu bewahren, gelegt werden.
In Bezug auf 4 ist ein Querschnitt einer Schweißlinse eines äußerlich angewandten Lasers gezeigt. Externe Laserstrahlenergie 110 wird durch Endkappeneinsatz 120 gerichtet, so dass Elektrodenplättchen 130 mit spiralgewickeltem Kerneinsatz 140 verschweißt werden. Das verschweißte Material erstreckt sich kreisförmig von der inneren Oberfläche des Endkappeneinsatzes 120 bis zum spiralgewickelten Kerneinsatz 140. Diese Ausführungsform der Schweißlinse zeigt die klassische Form bei Stichlochschweißen. Andere Formen des Schweißens, wie etwa Wärmeleitungsschweißen, können verwendet werden. Wärmeleitungsschweißen ist weniger invasiv für das Material, aber kann größere Hitzeabgabe an umgebende Elemente erlauben. Stichlochschweißen ist fokussierter als Wärmeleitungsschweißen und verwendet typischerweise eine höhere Spitzenleistung über kürzere Zeitstöße. Das Schweißen wird in einer kreisförmigen Bewegung entlang eines inneren Bereichs des Endkappeneinsatzes 120 ausgeführt.
5A veranschaulicht eine alternative Ausführungsform umfassend eine Kathodenkappe 300A am Polende mit einem integriert ausgeführten Kappeneinsatz 310A. In dieser beispielhaften Ausführungsform können ein oder beide Pole der Zelle von der Zelldose elektrisch isoliert sein (nicht gezeigt). 5B zeigt den Boden 300B der Kappe 300A und enthält einen Vorsprung 310B, der gegen die Elektroden drückt, wenn sie zusammengesetzt sind. 5C ist ein Querschnitt, der den Endkappeneinsatz 310A, Öffnung 420 und Einfüllöffnung 440 veranschaulicht. Die Ausführungsformen von 5A-5C erlauben der Schweißnaht des äußerlich angewandten Lasers, sich von der nach außen gerichteten Bodenoberfläche des Endkappeneinsatzes 310A durch den Vorsprung 31OB und zu dem spiralgewickelten Kerneinsatz 140 zu erstrecken, wie oben beschrieben.
In Bezug auf 6 ist eine Kappenanordnung 400 mit einem alternativen Endkappeneinsatz 410 gezeigt. Externe Laserenergie wird auf die innere, nach außen gerichtete Oberfläche 422 von Endkappeneinsatz 410 gerichtet, um die darunterliegenden Elektrodenplättchen auf die oben beschriebene Weise mit dem Kerneinsatz zu verbinden. Öffnung 420 ist im Endkappeneinsatz 410 bereitgestellt, um Druckaufbau in der Batteriezelle entweichen zu lassen. Niet 460 ist um den Endkappeneinsatz 410 angebracht und mit dem Endkappeneinsatz 410 verbunden, um einen elektrischen Kontakt zu externen Geräten bereitzustellen. Der Niet 460 kann aus einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material gefertigt sein, das zur Elektrochemie der Zelle kompatibel ist.
Unterlegscheibe 430 ist bereitgestellt, um den Endkappeneinsatz 410 mit den benachbarten Bestandteilen sicher zusammenzupassen. Polymerdichtung 470 ist bereitgestellt als eine Versiegelung zwischen der Kappe und den Plättchen der Zellen. Andere Materialien könnten verwendet werden, um die Versiegelung zu bilden, wie etwa eine glasbasierte Trennfläche. Die Dichtung 470 bewirkt eine flüssigkeitsdichte Versiegelung und elektrische Isolierung zwischen der Kappenplatte 450 und dem Niet 460. Einfüllöffnung 440 wird bereitgestellt, um Elektrolytlösung zur Zelle zu geben. Die Kappenplatte 450 umgibt den Niet 460, so dass die Kappenanordnung 400 sich mit der Zelldose verbindet. Der Endkappeneinsatz 410 kann als Teil der Kathoden- oder Anodenverbindung dienen.
In Bezug auf 7 ist eine beispielhafte nicht einschränkende Ausführungsform eines integrierten Kathodenkappenbecher-Aufbaus dargestellt. Der Aufbau ist ähnlich zu dem der in 6 gezeigten nichtintegrierten Ausführungsform; jedoch sind der Niet 500 und der Endkappeneinsatz 510 zu einem einzelnen einteiligen Bestandteil geformt. Wie gezeigt können Drähte 520 bereitgestellt sein, um die elektrochemische Zelle mit einem Gerät, das Energie benötigt, oder einer anderen Zelle zu verbinden.
In Bezug auf 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, einschließlich eines integrierten Kathodenkappen-/Dosen-Aufbaus, mit dem Endkappeneinsatz 610 als Teil der Zelldose 600. Zusätzlich zur Beseitigung der Möglichkeit des Eindringens von Schweißpartikeln in die Zelle ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass weniger Teile benötigt werden, um die Zelle zu bauen. Wie in Fig, 8 gezeigt erlaubt diese Ausführungsform, einen Pol der Zelle vom Zellkanister 600 zu isolieren. Der isolierte oder nichtintegrierte Pol kann als Minuspol geeignet sein auf Grund der Kosten und Eigenschaften der Materialien, die für den Minuspol verwendet werden. Wenn zum Beispiel Aluminium für den integralen Pol verwendet wird, wird Zellkanister 600 über ein leichteres Material für den Großteil seines Aufbaus verfügen. Die Wahrscheinlichkeit für die Korrosion von Materialien ist geringer am niedrigen Potential der Zelle. In dieser Ausführungsform werden die inneren Bestandteile der Zelle über das offene Ende der Zelle im Zellkanister 600 platziert. Der Endkappeneinsatz 640 ermöglicht es externer Laserenergie, Elektrodenplättchen am Kerneinsatz zu befestigen, indem sie kreisförmig durch die Öffnung 640 gerichtet wird, wie zum Beispiel in 3 gezeigt. Öffnung 420 und Einfüllöffnung 440 sind auch umfasst und wirken in ähnlicher Weise wie in den nichtintegrierten Kappen-/Dosen-Anordnungen.
Die oben beschriebenen Merkmale können in Kombination miteinander verwirklicht sein, um verschiedene beispielhafte Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitzustellen.
Während im Vorhergehenden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, werden jene mit gewöhnlichen Fähigkeiten auf den relevanten Gebieten der Technik die vielen Varianten, Veränderungen, Modifizierungen, Ersetzungen und dergleichen erkennen, die leicht möglich sind, insbesondere in Anbetracht dieser Beschreibung, der begleitenden Zeichnungen und der diesbezüglich abgefassten Patentansprüche. Da der Bereich der vorliegenden Erfindung viel umfangreicher sein kann als eine besondere Ausführungsform, sollte in jedem Fall die vorhergehende detaillierte Beschreibung nicht als eine Beschränkung des Bereichs der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden, welche nur durch die beigefügten Patentansprüche begrenzt wird.
Exemplarische Ausführungsformen für ein Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle sind die folgenden:

1. Ein Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle, das Verfahren umfassend:
- Bereitstellen eines Zellkanisters;
- Anordnen mindestens eines Elektrodenplättchens im Kanister; Einführen eines Kerneinsatzes in den Kanister;
- Platzieren eines Endkappeneinsatzes gegenüber dem Kerneinsatz, so dass das mindestens eine Elektrodenplättchen zwischen dem Endkappeneinsatz und dem Kerneinsatz liegt; und
- Anlegen einer externen Schweißquelle an den Endkappeneinsatz, nachdem er gegenüber dem Kerneinsatz im Kanister platziert ist, wobei der Endkappeneinsatz, das mindestens eine Elektrodenplättchen und der Kerneinsatz elektrisch verbunden werden über eine Schweißnaht, die sich vom Endkappeneinsatz bis zum Kerneinsatz erstreckt.
2. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißquelle ein Laserstrahl ist.
3. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 2, wobei der externe Laserstrahl durch einen hohlen Bereich des Endkappeneinsatzes gerichtet wird.
4. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißnaht eine gesamte Dicke eines eingelassenen Bereichs des Endkappeneinsatzes und des mindestens einen Elektrodenplättchens in einer Längsrichtung der Zelle durchdringt.
5. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißnaht vollständig innerhalb des Endkappeneinsatzes, des mindestens einen Elektrodenplättchens und des Kerneinsatzes enthalten ist.
6. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißnaht sich nicht durch irgendwelche inneren Lücken zwischen dem Endkappeneinsatz, dem mindestens einen Elektrodenplättchen und dem Kerneinsatz erstreckt.
7. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei eine Endkappe bereitgestellt ist, um den Endkappeneinsatz zu umgeben.
8. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 7, wobei die Endkappe mit einem anderen Potential als der Kanister bereitgestellt wird.
9. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei der Endkappeneinsatz ein positives Potential hat und Aluminium umfasst.
10. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei der Endkappeneinsatz ein negatives Potential hat und aus einem Material hergestellt ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Stahl, nickelplattiertem Stahl, Nickel, rostfreiem Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen.
11. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei ein Niet um den Endkappeneinsatz angebracht wird.
12. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 11, wobei der Endkappeneinsatz Teil eines Minuspols ist und der Niet nickelplattierten Stahl umfasst.
13. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei der Niet und der Kerneinsatz in Form eines einzelnen einteiligen Bauteils bereitgestellt sind.
14. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißnaht eine Stichnaht ist.
15. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei die Schweißnaht entlang einer Kreisbahn bereitgestellt wird, die ungefähr die Hälfte von derjenigen der Breite des mindestens einen Elektrodenplättchens beträgt, so dass die entstehende Schweißnaht vollständig beschränkt ist auf einen soliden Stapel Material umfassend den Endkappeneinsatz, das mindestens eine Elektrodenplättchen und den Kerneinsatz.
16. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei der Endkappeneinsatz in Form eines Bechers bereitgestellt wird.
17. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 2, wobei der externe Laserstrahl einer Kreisbahn folgt und der Endkappeneinsatz einen hohlen Bereich hat, der die Kreisbahn beschränkt.
18. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei der Endkappeneinsatz mit einer nichtporösen haftfähigen Polymerbeschichtung überzogen ist.
19. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 1, wobei eine hermetische Versiegelung gebildet wird zwischen dem Endkappeneinsatz und einem inneren Bereich der elektrochemischen Zelle mittels Einfügen eines Versiegelungsbechers in den Endkappeneinsatz.
20. Das Verfahren zum äußerlichen Verbinden innerer Bestandteile einer elektrochemischen Zelle gemäß Ausführungsform 19, wobei ein Leck im Endkappeneinsatz verursacht wird, indem eine Öffnung durch die äußere Oberfläche des Endkappeneinsatzes bereitgestellt wird.

Claims

Eine elektrochemische Zelle (100) umfassend: einen Kanister (600); einen im Kanister (600) angeordneten Kerneinsatz (140); einen Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610), wobei der Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510) eine äußere Oberfläche hat die vom Kerneinsatz (140) weg gerichtet ist; und mindestens ein Elektrodenplättchen (130), das zwischen dem Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610) und dem Kerneinsatz (140) angeordnet ist, wobei der Endkappeneinsatz (120, 310A, 410, 510, 610), das mindestens eine Elektrodenplättchen (130) und der Kerneinsatz (140) elektrisch verbunden sind über eine Schweißnaht (150), die von einer Schweißquelle außerhalb des Kanisters bereitgestellt wird, die Schweißnaht (150) umfassend eine physikalische Umwandlung des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610), des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) und des Kerneinsatzes (140), wobei die physikalische Umwandlung sich von der äußeren Oberfläche des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610) bis zum Kerneinsatz (140) erstreckt, und wobei die Schweißnaht (150) nach Zusammensetzen der elektrochemischen Zelle (100) durch Verschweißen des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610), des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) und des Kerneinsatzes (140) in der zusammengesetzten Zelle (100) durch die äußere Oberfläche des Endkappeneinsatzes (120, 310A, 410, 510, 610) ausgebildet ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißquelle ein Laserstrahl ist und die physikalische Umwandlung geschmolzenes Material umfasst, das erstarrt ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) sich in einer Längsrichtung der elektrochemischen Zelle (100) erstreckt und in einem hohlen Bereich des Endkappeneinsatzes (120) beginnt.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) eine gesamte Dicke eines eingelassenen Bereichs des Endkappeneinsatzes (120) und des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) in einer Längsrichtung der Zelle (100) durchdringt.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) vollständig innerhalb des Endkappeneinsatzes (120), des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) und des Kerneinsatzes (140) enthalten ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) sich nicht durch irgendwelche inneren Lücken zwischen dem Endkappeneinsatz (120), dem mindestens einen Elektrodenplättchen (130) und dem Kerneinsatz (140) erstreckt.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei eine Endkappe den Endkappeneinsatz (120) umgibt und über eine Schweißnaht (150) an dem Kanister befestigt ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 7, wobei die Endkappe mit einem anderen Potential als der Kanister bereitgestellt wird.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Endkappeneinsatz (120) ein positives Potential hat und Aluminium umfasst.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Endkappeneinsatz (120) ein negatives Potential hat und aus einem Material hergestellt ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Stahl, nickelplattiertem Stahl, Nickel, rostfreiem Stahl, Kupfer und Kupferlegierungen.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei ein Niet (460) um den Endkappeneinsatz (410) angebracht ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 11, wobei der Endkappeneinsatz (410) Teil eines Minuspols ist und der Niet (460) nickelplattierten Stahl umfasst.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei ein Niet und der Kerneinsatz (140) in Form eines einzelnen einteiligen Bauteils bereitgestellt sind.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) eine Stichnaht ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Schweißnaht (150) eine Kreisbahn bildet, die ungefähr die Hälfte von derjenigen der Breite des mindestens einen Elektrodenplättchens (130) beträgt, so dass die entstehende Schweißnaht (150) vollständig beschränkt ist auf einen soliden Stapel Material umfassend den Endkappeneinsatz (120), das mindestens eine Elektrodenplättchen (130) und den Kerneinsatz (140).
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Endkappeneinsatz (120) die Form eines Bechers hat.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 2, wobei der externe Laserstrahl einer Kreisbahn folgt und der Endkappeneinsatz (120) einen hohlen Bereich hat, der die Kreisbahn beschränkt.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Endkappeneinsatz (120) mit einer nichtporösen haftfähigen Polymerbeschichtung überzogen ist.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 1, umfassend einen an den Endkappeneinsatz (120) angefügten Versiegelungsbecher (160), um eine hermetische Versiegelung zwischen dem Endkappeneinsatz und einem inneren Bereich der elektrochemischen Zelle (100) bereitzustellen.
Die elektrochemische Zelle (100) gemäß Anspruch 19, wobei der Endkappeneinsatz (120) ein Öffnungsloch (170) umfasst, das durch die äußere Oberfläche reicht.