DE112011100553T5

DE112011100553T5 - Modulare Batterie mit einer Batteriezelle mit bimetallischen Endplatten

Info

Publication number: DE112011100553T5
Application number: DE112011100553T
Authority: DE
Inventors: Christopher K. Dyer; Duncan Culver; Michael L. Epstein
Original assignee: Lightening Energy
Current assignee: Lightening Energy
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN102714318A; WO2011102893A1; US20110200867A1

Abstract

Eine Batteriezelle für eine modulare Batterie umfasst eine positive End-Elektrode, eine negative End-Elektrode und wenigstens eine zusätzliche Elektrode zwischen der positiven End-Elektrode und der negativen End-Elektrode. Wenigstens einer der positiven und negativen End-Elektroden weist eine erste leitende Schicht und eine zur ersten leitenden Schicht benachbarte zweite leitende Schicht auf. Die erste leitende Schicht bildet eine elektrische Kontaktfläche an der von der zusätzlichen Elektrode abgewandten Seite und besteht aus einem weniger oxidationsempfindlichen Material als die zweite leitende Schicht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie und ein Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Batterie und eine Batteriezelle.
Stand der Technik
Unter modularen Batterien versteht man Batterien aus zwei oder mehr Batteriezellen oder Zellmodulen oder Zellen. Ein bekanntes Beispiel für ein Gerät, das modulare Batterien verwendet, stellt ein tragbares Blitzlicht dar, das beispielsweise zwei sogenannte C-Zellen verwendet.
In letzter Zeit werden modulare Batterien immer wichtiger für viele Anwendungen, beispielsweise für Hybrid elektrische Fahrzeuge (”HEV”), Plug- in Hybrid elektrische Fahrzeuge (”PHEV”) und andere Anwendungen. Modulare Batterien sind langlebig, sicher und kostengünstig und können bei der Verwendung in HEVs, PHEVs und anderen Anwendungen eine hohe Menge an erforderlicher Leistung liefern.
Anwendungen von modularen Batterien, beispielsweise in tragbaren Blitzlichtern, benötigen eine Mehrzahl von in Reihe verbundenen Batteriezellen. Die für HEVs und PHEVs verwendeten modularen Batterien können sich jedoch beispielsweise von den modularen C-Zellen, die in einem herkömmlichen Blitzlicht verwendet werden, unterscheiden.
Die Offenlegungsschrift US 2009-0239130 A1 offenbart eine modulare Batterie mit Batteriezellen-Modulen. Der Inhalt dieser Offenlegungsschrift wird hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine modulare Batterie umfassend eine positive End-Elektrode, eine negative End-Elektrode und wenigstens eine zusätzliche Elektrode, die zwischen der positiven End-Elektrode und der negativen End-Elektrode angeordnet ist. Wenigstens eine der positiven und negativen End-Elektroden umfasst eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht, wobei sich die zweite leitende Schicht näher an der zusätzlichen Elektrode befindet als die erste leitende Schicht. Die erste leitende Schicht definiert eine von der zusätzlichen Elektrode abgewandte elektrische Kontaktfläche und besteht aus einem Material, das weniger oxidationsanfällig ist als die zweite leitende Schicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine modulare Batterie mit einer Batteriezelle gemäß vorliegender Erfindung und einer zusätzlichen Batteriezelle, beispielsweise einer vergleichbaren Batteriezelle, die im elektrischen Kontakt mit der Batteriezelle steht.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Fertigung einer modularen Batterie durch übereinander Stapeln einer Mehrzahl von Batteriezellen gemäß vorliegender Erfindung.
Kurze Figurenbeschreibung
Die vorliegende Erfindung wird anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Elektrodenanordnung innerhalb einer einzelnen Batteriezelle mit miteinander verschachtelt angeordneten Elektroden und Trennelementen.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt der positiven End-Elektrodenplatte 14 gemäß 1.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt der negativen End-Elektrodenplatte 15 gemäß 1.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Platte gemäß 2 und
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Platte gemäß 3.
Die Figuren sind schematische Darstellungen und nicht maßstäblich. Aus Gründen der Klarheit und des leichteren Verständnisses wurden einige Elemente vergrößert dargestellt.
Detaillierte Beschreibung
Die Offenlegungsschrift US 2009-0239130 A1 , deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird, beschreibt die Endplatten von Zellmodulen, die aus Metall bestehen und auf einer Seite mit einem aktiven Material beschichtet sind.
Wie in 1 dargestellt ist, werden die positive End-Elektrodenplatte 14 und die negative End-Elektrodenplatte 15 mit den positiven und den negativen Elektrodenplatten 9, 10 innerhalb einer einzelnen Batteriezelle montiert. Zur besseren Verdeutlichung ist die Dicke der Beschichtungen 1, 3, 5, 7 mit aktivem Material stark übertrieben dargestellt. Die positiven und negativen Elektroden sind parallel mit mehreren anderen derselben Polarität elektrisch verbunden und bilden eine verschachtelte Elektroden-Anordnung, die durch die positive End-Elektrode 14 und die negative End-Elektrode 15 der einzelnen Batteriezelle begrenzt werden. Die positive End-Elektrode 14 weist zwei Zungen 6 auf und die negative End-Elektrode 15 weist zwei Zungen 8 auf. Eine der Zungen 6 der positiven End-Elektrode 14 ist vorzugsweise durch Verschweißen mit den Zungen 2 der positiven Elektrodenplatten 9 verbunden und bildet eine End-Zunge 12, die einen positiven Anschluss der Batteriezelle darstellt. Auf gleiche Weise ist eine der Zungen 8 der negativen End-Elektrodenplatte 15 vorzugsweise durch Verschweißen mit den Zungen 4 der negativen Elektrodenplatten 10 verbunden. Die dadurch gebildete End-Zunge 13 stellt den negativen Anschluss der Batteriezelle dar. Zwischen den End-Elektrodenplatten 14, 15 sind positive Elektroden 9 und negative Elektroden 10 miteinander verschachtelt angeordnet. Zwischen jeder Elektrode befindet sich eine Schicht Trennelement 11 mit ausreichend isolierenden Eigenschaften, beispielsweise ein mikroporöses Polyolefin, das Elektrolyt enthält. Wie dargestellt, sind die End-Elektrodenplatten 14 und 15 auf einer Seite beschichtet, während die andere Seite unbeschichtet ist. Durch ihre jeweiligen End-Zungen 12 und 13 bilden die anderen Seiten jeweils die äußeren positiven und negativen Zell-Anschluss-Oberflächen für die spätere Montage modularer Hochspannungs-Batterienn beispielsweise durch Verbindungselemente.
Im Gegensatz zu den in der US-Offenlegungsschrift US 2009-0239130 A1 gezeigten Endplatten bestehen die in 1 dargestellten Endplatten 14, 15 gemäß vorliegender Erfindung aus einer bimetallischen Folie. Für die Verbindung der Endplatten, beispielsweise für die Verbindung der Endplatten mit Verbindungselementen, ist ein geringer elektrischer Widerstand wünschenswert. Beispielsweise ist Aluminium in Anwesenheit von Luft oxidationsempfindlich und kann in unvorteilhafter Weise eine harte Oxid-Schicht bilden, die einen elektrischen Widerstand bildet. Aus diesem Grund wird der Innenraum der modularen Batterie mit einem inerten Gas gefüllt, um dadurch die Bildung von Oxid-Schichten zu vermeiden. Allerdings kann es schwierig sein, das inerte Gas beizubehalten. Die vorliegende Erfindung sieht deshalb vor, das eine Seite der bimetallischen Folie der Endplatten 14, 15 weniger oxidationsempfindlich ist und für die weitere Kontaktaufnahme nach außen weist.
2 zeigt die positive Endplatte 14 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese umfasst eine bimetallische Folie mit einer ersten leitenden Materialschicht 14a, die beispielsweise aus Kupfer besteht. Die Folie umfasst weiterhin eine zweite leitende Materialschicht 14b, die beispielsweise aus Aluminium besteht. Die aktive Material-Beschichtung 5 kann auf der nach innen weisenden Materialschicht 14b gebildet werden, wie dies beispielsweise in der Draufsicht gemäß 4 dargestellt ist. Die nach außen weisende Materialschicht 14a stellt eine Kontaktfläche dar und besteht aus einem weniger oxidationsempfindlichen Metall als das Material der Schicht 14b. Auf diese Weise kann die Notwendigkeit der Verwendung eines inerten Gases in dem Gehäuse der modularen Batterie reduziert oder eliminiert werden. Darüber hinaus sind die Kosten einer bimetallischen Folie im Gegensatz zu beispielsweise einem einzelnen Blatt aus Kupfer deutlich geringer.
3 zeigt eine negative Endplatte 15 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese umfasst eine bimetallische Folie mit einer ersten leitenden Materialschicht 15a, die beispielsweise aus Kupfer besteht. Die Folie umfasst weiterhin eine zweite leitende Materialschicht 15b, die beispielsweise aus Aluminium besteht. Die aktive Material-Beschichtung 7 kann auf der nach innen weisenden Materialschicht 15b ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in der Draufsicht gemäß 4 dargestellt ist. Die nach außen weisende Materialschicht 15a stellt eine Kontaktfläche dar und besteht aus einem weniger oxidationsempfindlichen Metall als das Material der Schicht 15b.
Die Art der verwendeten bimetallischen Folie kann variieren. Allerdings muss das nach außen weisende Material weniger oxidationsempfindlich sein als das nach innen gerichtete Material. Die Schichten müssen auch nicht homogen sein. Beispielsweise kann eine nach außen weisende Schicht aus seiner Mischung aus Aluminium/Kupfer mit einem höheren Anteil an Kupfer bestehen und die nach innen weisende Schicht ebenfalls aus einer Mischung aus Aluminium/Kupfer bestehen, wobei der Anteil an Aluminium höher ist. Somit kann auch ein Material mit einem Material-Gradienten oder Material-Einbettungen zwei Schichten definieren, ebenso kann eine Folie aus mehr als zwei Material-Arten zwei Schichten definieren.
Die Batteriezelle aus 1 kann dann so gebildet werden, wie dies beispielsweise in der 3A der US Offenlegungsschrift Nr. US 2009-0239130 A1 gezeigt ist, deren Inhalt durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. In vergleichbarer Weise hergestellte Batteriezellen gemäß der vorliegenden Erfindung können dann übereinander gestapelt werden, um eine modulare Batterie zu erzeugen, wie dies in US 2009-0239130 A1 beispielsweise in 6A gezeigt ist. Jedoch kann, wenn dies gewünscht wird, auf das Befüllen mit inertem Gas verzichtet werden, so dass die Batterie in einer mit Luft gefüllten Umgebung arbeitet. Darüber hinaus können andere Arten von Gehäusen verwendet werden, ohne dass die Notwendigkeit für eine Abdichtung besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009-0239130 A1 [0005, 0016, 0018, 0022, 0022]

Claims

Batteriezelle für eine modulare Batterie umfassend: eine positive End-Elektrode, eine negative End-Elektrode und mindestens eine zusätzliche Elektrode zwischen der positiven End-Elektrode und der negativen End-Elektrode, wobei wenigstens eine der positiven und negativen End-Elektroden eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht umfasst, wobei sich die zweite leitende Schicht näher an der zusätzlichen Elektrode befindet als die erste leitende Schicht, wobei die erste leitende Schicht eine elektrische Kontaktfläche auf der von der zusätzlichen Elektrode abgewandten Seite bildet und wobei die erste leitende Schicht aus einem Material besteht, das weniger oxidationsempfindlich ist als das Material, aus der die zweite leitende Schicht besteht.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste leitende Schicht aus Kupfer besteht.
Batteriezelle gemäß Anspruch 2, wobei die zweite leitende Schicht aus Aluminium besteht.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei sowohl die positive End-Elektrode als auch die negative End-Elektrode aus einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten leitenden Schicht bestehen.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste leitende Schicht und die zweite leitende Schicht eine bimetallische Folie bilden.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei eine der positiven und negativen End-Elektroden weiterhin eine aktive Material-Beschichtung auf der zweiten leitenden Schicht umfasst.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die zusätzliche Elektrode aktive Material-Beschichtungen auf beiden Seiten aufweist.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die Batteriezelle in einer lufthaltigen Umgebung arbeitet.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die wenigstens eine zusätzliche Elektrode eine Mehrzahl zusätzlicher Elektroden umfasst.
Batteriezelle gemäß Anspruch 1, wobei die positive End-Elektrode, die negative End-Elektrode und die zusätzliche Elektrode Elektrodenplatten sind.
Modulare Batterie umfassend: eine erste Batteriezelle gemäß Anspruch 1 und eine zusätzliche Batteriezelle, wobei die erste Batteriezelle und die zusätzliche Batteriezelle über eine erste leitende Schicht in elektrischem Kontakt stehen.
Modulare Batterie gemäß Anspruch 11, wobei die erste Batteriezelle und die zusätzliche Batteriezelle über ein Verbindungselement in elektrischem Kontakt stehen.
Verfahren zur Fertigung einer modularen Batterie umfassend das übereinander Stapeln einer Mehrzahl von Batteriezellen gemäß Anspruch 1.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die aufeinander gestapelten Batteriezellen in einer Luft enthaltenden Umgebung eingeschlossen werden.