DE20016484U1 - Housing for electrochemical cells - Google Patents
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Description
LP 2013LP2013
Gehäuse für elektrochemische ZellenHousing for electrochemical cells
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für elektrochemische Zellen mit Poldurchführungen, vorzugsweise im Deckel, insbesondere für Lithium-Ion-Polymerbatterien (nachfolgend auch LIB genannt). Es handelt sich insbesondere um Zellgehäuse und Poldurchführungen im Fertigdeckel für elektrochemische Zellen. Jede von ihnen beinhaltet einen Polymer-Elektrolyt, der Lithium-Ionen leitet, zwei reversible Elektroden, die Lithium-Ionen einlagern, und Batterien, die eine oder mehr solcher Zellen umfassen, insbesondere für solche, die Polymer Elektrolyt Lithium Batterien verwenden.The invention relates to a housing for electrochemical cells with terminal feedthroughs, preferably in the lid, in particular for lithium-ion polymer batteries (hereinafter also referred to as LIB). In particular, these are cell housings and terminal feedthroughs in the finished lid for electrochemical cells. Each of them contains a polymer electrolyte that conducts lithium ions, two reversible electrodes that store lithium ions, and batteries that comprise one or more such cells, in particular for those that use polymer electrolyte lithium batteries.
Batterien, Akkumulatoren und dergleichen bestehen grundsätzlich aus einem Gehäuse, in dem Elektroden sowie ein Elektrolyt angeordnet sind. Der Begriff Polymerelektrolyt beschreibt eine Technologie, bei der der Separator nicht aus einer „inerten", porösen Folie und einem injizierten Flüssigelektrolyten besteht, sondern aus ionenleitenden Polymeren mit zusätzlicher Separatorfunktion. Um die durch die Batterie und dergleichen erzeugte elektrische Spannung abgeben zu können, sind bekannterweise durch den Deckel des Gehäuses Pole, insbesondere Bleipole, hindurchgeführt. Ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei derartigen Batterien ist dabei eine dichte Poldurchführung, das heißt diese Poldurchführung sollte über die gesamte Lebensdauer der Batterie elektrolyt- und gasdicht sein.Batteries, accumulators and the like basically consist of a housing in which electrodes and an electrolyte are arranged. The term polymer electrolyte describes a technology in which the separator does not consist of an "inert", porous film and an injected liquid electrolyte, but of ion-conducting polymers with an additional separator function. In order to be able to release the electrical voltage generated by the battery and the like, poles, in particular lead poles, are known to be led through the cover of the housing. An essential quality feature of such batteries is a tight pole feedthrough, i.e. this pole feedthrough should be electrolyte- and gas-tight over the entire service life of the battery.
Aus US-Patent 6 033 800, US-Patent 5 492 779 und US-Patent 4 467 021 sind Behälter oder Einhausungsvarianten bekannt, die gesondert hermetisch abgedichtet werden müssen.US Patent 6,033,800, US Patent 5,492,779 and US Patent 4,467,021 disclose containers or housing variants that must be separately hermetically sealed.
Polbolzen bzw. Kontakte der gattungsgemässen Art sind aus DE 195 36 683 bekannt. Aus dem DE 198 04 963 sind Polbolzen bekannt, die für galvanische Zellen mit nichtwässrigem Elektrolyten geeignet sind, bei denen eine Vielzahl von Stromableitern (Kontaktfähnchen) der Elektroden mit den Polbolzen verbunden sind. Dabei istPole bolts or contacts of the generic type are known from DE 195 36 683. Pole bolts are known from DE 198 04 963 which are suitable for galvanic cells with non-aqueous electrolytes, in which a large number of current conductors (contact flags) of the electrodes are connected to the pole bolts.
im Durchgangsbereich des Polbolzens durch den Zelldeckel eine Keramik vorgesehen, die insbesondere mit dem Zelldeckel verlötet ist.In the passage area of the pole bolt through the cell cover, a ceramic is provided, which is in particular soldered to the cell cover.
Um das Qualitätserfordernis der dichten und beständigen Poldurchführungen zu erfüllen, ist es auch bekannt, zwischen dem Pol und dem Deckel im Bereich der Poldurchführung diese abdichtend mit hartem Kunststoff zu umspritzen bzw. zu vergießen. Ebenso ist es bekannt, zusätzlich zwischen dem Pol und dem Deckel Abdichtungen in Form von Dichtungsringen, oder Dichtungen aus Viton, Teflon vorzusehen.In order to meet the quality requirements for tight and durable terminal bushings, it is also known to overmold or cast the area between the terminal and the cover with hard plastic to seal it. It is also known to provide additional seals in the form of sealing rings or seals made of Viton or Teflon between the terminal and the cover.
Aufgrund der elektrochemischen Anforderungen an die Beständigkeit des Materials in galvanischen Zellen mit nichtwäßrigen Elektrolyten wird der positive Polbolzen vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt. Die bekannten Batteriebecher bestehen regelmäßig aus Edelstahlen (wie SUS 304, SUS 316 oder SUS bzw. Molybdän und diversen Legierungen, wie Nirosta). Aus DE 198 39 211 sind Zellendeckel bekannt, die Anschlüsse zum Einsatz eines Nachfüllmittels vorsehen, wobei jede Zelle einen Deckel aufweist und bei installiertem Nachfüllanschluß und/oder Elektrolytumwälzmittel die Nachfüllanschlüsse in Verbindung stehen.Due to the electrochemical requirements for the resistance of the material in galvanic cells with non-aqueous electrolytes, the positive pole bolt is preferably made of titanium or a titanium alloy. The known battery cups are usually made of stainless steel (such as SUS 304, SUS 316 or SUS or molybdenum and various alloys such as stainless steel). Cell lids are known from DE 198 39 211 that provide connections for the use of a refill medium, whereby each cell has a lid and the refill connections are connected when a refill connection and/or electrolyte circulation medium is installed.
Ein niedriger Innenwiderstand und verbessertes Lagerverhalten haben unmittelbaren Einfluß auf die Qualität der Batterien (Erhaltung der Nennspannung, Kapazität). Kontaktprobleme der Aktivmaterialien bzw. Kollektoren bzw. oxidierte (hydroxidierte) verschmutzte Batteriehülsen sind hier als mögliche Ursachen zu nennen. Um dies zu umgehen, ist es bekannt, Einkerbungen vorzusehen. Gemäß WO98/18170 ist es bekannt, die Elektroden mit einem Lack zu überziehen. Das jap. Patent H 9-171802 schlägt organische Beschichtungen vor, die durch Erhitzen karbonatisiert werden, die dann weitere Schichten aus Chrom aufweisen. DE 198 52 202 sieht vor, daß in dem galvanischen Überzug Partikel aus vorwiegend Kohlenstoff eingelagert sind.A low internal resistance and improved storage behavior have a direct influence on the quality of the batteries (maintenance of the nominal voltage, capacity). Contact problems with the active materials or collectors or oxidized (hydroxidized) dirty battery casings are possible causes. In order to avoid this, it is known to provide notches. According to WO98/18170, it is known to coat the electrodes with a lacquer. The Japanese patent H 9-171802 proposes organic coatings that are carbonated by heating, which then have further layers of chromium. DE 198 52 202 provides that particles made primarily of carbon are embedded in the galvanic coating.
Nachteilig sind bekannte Bleipole für LIB und separat zu verschließende, hermetisch abzudichtende Batteriegehäuse und Tröge. Kunststofflösungen sind nicht optimal, da sie nicht dauerhaft dampfdiffusionsdicht sind. Edelstahle und Legierungen daraus als Material für Batteriebecher sind teuer und für LIB nicht günstig. Bekannte Keramikverbindungen reißen aus, und Glaseinschmelzungen erfordern sehr hohe Temperaturen, etwa 1500 0C, sind daher nachteilig. Kontaktprobleme aus Folge chemischer Reaktionen wie Oxydation mindern die Qualität der Batterien, keine der bekannten Lösungen hat sich für LIB als vorteilhaft erwiesen, da insbesondere keine ausreichende Beständigkeit und elektrochemische Kompatibilität gegeben waren. Ebenso war ein Konzept für eine gesteuerte LIB so nicht umsetzbar, da insbesondere Sensorkontakte und -funktionen nicht geeignet realisiert werden konnten.The disadvantages are the well-known lead poles for LIBs and separately closed, hermetically sealed battery housings and trays. Plastic solutions are not optimal because they are not permanently vapor-tight. Stainless steel and alloys thereof as material for battery cups are expensive and not suitable for LIBs. Well-known ceramic connections tear and glass melting requires very high temperatures, around 1500 0 C, and is therefore disadvantageous. Contact problems resulting from chemical reactions such as oxidation reduce the quality of the batteries; none of the known solutions have proven to be advantageous for LIBs, in particular because they did not provide sufficient resistance and electrochemical compatibility. Likewise, a concept for a controlled LIB could not be implemented in this way because sensor contacts and functions in particular could not be implemented appropriately.
Daher stellte sich die Aufgabe, für LIB, andere elektrochemische Zellen und dergleichen, optimierte Zellgehäuse und Poldurchführungen möglichst einen Fertigdeckel mit Kontaktteil zu erarbeiten. Somit sollten insbesondere LIB kontaktiert und eingehaust werden, die über eine sogenannte stirnseitige Kontaktierung verfügen. Diese werden versetzt gewickelt, so daß das Zelllaminat, monofilar oder bifilar, mit überstehenden metallischen Rändern metallischer oder anderer geeigneter Stromsammler, vorrangig Cu- und Alfolien anforderungsgerecht kontaktiert werden kann. Die Lösungen hatten die Optimierung der Energiedichte zu unterstützen, dauerhaft, beständig und dicht zu sein, und es sollten keine gesonderten Gehäuse wie Tröge erforderlich sein, die hermetisch abgedichtet werden müssen. Um dichte Durchführungen zu bekommen, oblag es, Alternativen zu Einglasungen zu finden, die insbesondere bei niedrigen Temperaturen anspruchsgerecht sind. Ebenso die Qualität insofern weitergehend zu sichern, dass ein niedriger Innenwiderstand und verbesserte Lagerbeständigkeit erreicht und steuerbare Batterien unterstützt werden können.The task was therefore to develop optimized cell housings and terminal feedthroughs for LIBs, other electrochemical cells and the like, ideally a finished cover with a contact part. This meant that LIBs in particular should be contacted and housed that have what is known as front-side contacting. These are wound offset so that the cell laminate, monofilar or bifilar, can be contacted as required with protruding metallic edges of metallic or other suitable current collectors, primarily Cu and Al foils. The solutions had to support the optimization of energy density, be durable, stable and tight, and no separate housings such as troughs that have to be hermetically sealed should be required. In order to achieve tight feedthroughs, it was necessary to find alternatives to glazing that meet the requirements, particularly at low temperatures. Likewise, the quality had to be further ensured in such a way that a low internal resistance and improved storage stability can be achieved and controllable batteries can be supported.
Diese Aufgabe wird bei einem Gehäuse für elektrochemische Zellen, insbesondere für Lithium-Ionen-Polymerbatterien, das aus einem Gefäß, das direkt mit einem Kontakt (einer Elektrode) verbunden ist, und einem Deckel aus dem gleichenThis task is solved in a housing for electrochemical cells, in particular for lithium-ion polymer batteries, which consists of a vessel directly connected to a contact (an electrode) and a lid made of the same
Material besteht, in den der gegenpolige Kontakt (Elektrode), geschützt durch eine Isoliermasse, eingeführt wird, gelöst, wennMaterial into which the opposite pole contact (electrode), protected by an insulating compound, is inserted, dissolved when
- das Gefäß und sein Deckel aus Aluminium oder dessen Legierungen bestehen,- the container and its lid are made of aluminium or its alloys,
- der Deckel mit dem Gefäß hermetisch dicht verbunden ist,- the lid is hermetically sealed to the container,
- der durch das Gehäuse führende gegenpolige Kontakt durch eine isolierfähige Masse, die einen Schmelzpunkt zwischen 300° und 6000C hat, vom Gefäß elektrisch und mechanisch getrennt ist und- the opposite polarity contact leading through the housing is electrically and mechanically separated from the vessel by an insulating mass having a melting point between 300° and 600 0 C and
- ggfs. Füllrohre oder Sensoren durch die Gefäß- oder Deckelwand geführt werden, die ebenfalls in die isolierfähige Masse eingebettet sind.- if necessary, filling tubes or sensors are led through the vessel or lid wall, which are also embedded in the insulating mass.
Vorzugsweise sollte das Gefäß als zylindrisches Gefäß (Becher) ausgebildet sein.Preferably, the vessel should be designed as a cylindrical vessel (cup).
Wirtschaftliche, dampfdiffusionsdichte, leichte und nahtlose Gehäuse, die zudem strahlungsabweisend und recyclingfähig sind, können erfindungsgemäß insbesondere aus herkömmlichen Aluminium-, Leichtmetall- und deren Legierungen hergestellt werden.According to the invention, economical, vapor-tight, lightweight and seamless housings, which are also radiation-repellent and recyclable, can be manufactured in particular from conventional aluminum, light metal and their alloys.
Als Zellbehälter oder Einhausungen können Becher der gattungsgemäßen Art, rund und unrund, insbesondere aus herkömmlichen Kondensatorbechern und dergleichen, ausgewählt werden.As cell containers or enclosures, cups of the generic type, round and non-round, in particular from conventional capacitor cups and the like, can be selected.
Solche Becher werden meist im Fließpreßverfahren industriell hergestellt und sind in entsprechender Qualität verfügbar. Eine besonders vorteilhafte Lösung wird erfindungsgemäß im Einsatz von sogenannten Kondensatorenbechern gesehen, die industriell häufig ohne weitere Werkzeugkosten erhältlich sind.Such cups are usually manufactured industrially using the extrusion process and are available in the appropriate quality. According to the invention, a particularly advantageous solution is seen in the use of so-called capacitor cups, which are often available industrially without additional tooling costs.
Fig. 1 zeigt eine solche Ausführungsform.Fig. 1 shows such an embodiment.
Im Becherboden (11) ist dabei ein Kontakt (1) bereits eingearbeitet, der der Kontaktierung oder Fixierung dient und vielfältig etwa mittels Gewinde, Schlitzen, Bohrungen versehen sein kann, um eine bessere Kontaktierung zu ermöglichen. Von Vorteil ist,A contact (1) is already incorporated in the cup base (11), which serves for contacting or fixing and can be provided in a variety of ways, for example by means of threads, slots, holes, to enable better contact. It is advantageous if
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diesen Kontakt (1) so auszugestalten, daß dieser als Träger der Elektronik dienen kann, was auf der Deckelseite (siehe Fig. 2) aufgrund höherer mechanischer Belastung nachteilig ist. Die Kontakte (1 und 7) können auch weiterbehandelt sein, etwa galvanisch um verbesserte elektrische Verbindungen zu schaffen. Der Becherboden (11) kann auch gleichstark der Becherwand (2) sein, und es können auch hier Durchführungen erfolgen, die beispielsweise Stromsensoranschlüssen dienen.to design this contact (1) in such a way that it can serve as a carrier for the electronics, which is disadvantageous on the cover side (see Fig. 2) due to higher mechanical stress. The contacts (1 and 7) can also be further treated, for example galvanically, to create improved electrical connections. The cup base (11) can also be the same thickness as the cup wall (2), and feedthroughs can also be made here, which serve, for example, for current sensor connections.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein Leitlack oder Haftvermittler gemäß DE 100 30 571.7 direkt in die Hülsen (Fig. 1) eingedüst wird, nachdem die Hülsen oder Becher hergestellt und ggf. von Öl und Widerstandsschichten, so aus Aluminiumoxid, befreit sind. Dies kann in einfacher Weise als eine mögliche Weiterbehandlung mittels herkömmlicher Lackpistolen geschehen.According to the invention, it is proposed that a conductive paint or adhesion promoter according to DE 100 30 571.7 is injected directly into the sleeves (Fig. 1) after the sleeves or cups have been manufactured and, if necessary, freed from oil and resistance layers, such as aluminum oxide. This can be done in a simple manner as a possible further treatment using conventional paint guns.
Geeignet sind als Batteriebehältnis ganz allgemein Dosen und Behälter, rund und unrund, aus verschiedenen Materialien und Materialkombinationen (auch Dosen für Lebensmittel).Cans and containers, round and non-round, made of various materials and material combinations (including cans for food) are generally suitable as battery containers.
So können Softdrinkdosen und Weissblechdosen eingesetzt werden, die beispielsweise mittels einer einfachen Maschine (Lubeca) dauerhaft verschlossen werden können. Dazu werden die Deckel fertig positioniert und verschlossen. Die Deckel werden automatisch zugeführt und können ggfs. vorbehandelt werden. Diese Behälter werden mittels Dosenverschliessmaschinen dicht hergestellt, ggfs. kann ein Dichtungsmittel oder Dichtungselement eingearbeitet werden. Auch Klebetechniken können als Verschlusstechnik und Isolation der Durchführungen eingesetzt werden.Soft drink cans and tin cans can be used, which can be permanently sealed using a simple machine (Lubeca), for example. The lids are pre-positioned and sealed. The lids are fed automatically and can be pre-treated if necessary. These containers are made tight using can sealing machines; a sealant or sealing element can be incorporated if necessary. Adhesive techniques can also be used as a sealing technique and to insulate the feedthroughs.
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Batteriedeckels ist in der Figur 2 skizziert.The structure of a battery cover according to the invention is outlined in Figure 2.
Er besteht aus einem Polkontakt (7), der durch einen Deckel hindurchgeführt ist und vorzugsweise mit Glaslot eingeglast (8) wurde, wobei besondere Anschlüsse für einen Stromsensor (10) mit vorgesehen werden. Diese können in einem Stück mit dem Polkontakt (7) oder separat eingeglast (8) werden.It consists of a pole contact (7) which is passed through a cover and is preferably glazed (8) with glass solder, with special connections for a current sensor (10) also being provided. These can be glazed (8) in one piece with the pole contact (7) or separately.
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Solche Durchführung auf der Basis von Glasloten konnten mit mindestens temperaturbeständig bis 150 0C sowie bis 10 bar druckbeständig hergestellt werden.Such feedthroughs based on glass solders could be manufactured with at least temperature resistance up to 150 0 C and pressure resistance up to 10 bar.
Eine Vorzugsvariante besteht darin, daß der gegenpolige Kontakt im Innern des Gehäuses als Platte ausgebildet ist, so daß die beiden Kontakte (Anode und Kathode) Gehäuseboden und Gehäusedeckel fast ausfüllen.A preferred variant consists in the fact that the opposite polarity contact is designed as a plate inside the housing, so that the two contacts (anode and cathode) almost fill the housing base and housing cover.
Der Deckel ist innen tiefgezogen (4) mit nach oben stehendem Rand vorzugsweise gleicher Wandstärke wie beim Becher nach Fig. 2 versehen, der mit dem Becherrand (3, 6) verschweißt oder auf andere Art hermetisch verschlossen werden kann. Erfindungsgemäß sind Sicken in den Deckelboden (9) eingearbeitet, die einen erhöhten Wärmeübergang ermöglichen und den Deckel gemäß Figur 2 stabilisieren.The lid is deep-drawn on the inside (4) with an upstanding edge, preferably of the same wall thickness as the cup according to Fig. 2, which can be welded to the cup edge (3, 6) or hermetically sealed in another way. According to the invention, beads are incorporated into the lid base (9) which enable increased heat transfer and stabilize the lid according to Fig. 2.
In das Glaslot (8), das den Kontakt (7) hält, fixiert und hermetisch ist, kann eine Berstscheibe (12) zur Sicherheit der Batterie eingearbeitet werden, wenn vor Überdruck geschützt werden muß. Dann entfallen gesonderte Überdrucksicherheitsventile. A bursting disc (12) can be incorporated into the glass solder (8) which holds the contact (7), is fixed and hermetic, to ensure the safety of the battery if protection against overpressure is required. In this case, separate overpressure safety valves are not required.
Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn als isolierfähige Masse ein Glaslot (Lötgläser) mit eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um Gläser mit niedriger Viskosität und kleiner Oberflächenspannung bei Schmelzpunkt zwischen 420 ° und 520 °C.According to the invention, it is particularly advantageous if a glass solder (soldering glass) is used as an insulating mass. This is a glass with low viscosity and low surface tension and a melting point between 420 ° and 520 °C.
Unter Glaslot können erfindungsgemäß im weitesten Sinne auch glaslotähnliche Lotwerkstoffe oder Verbundlote mit Glasanteilen mit Schmelzpunkten zwischen 300 und 600 0C eingesetzt werden.According to the invention, glass solder can also be used in the broadest sense as solder materials similar to glass solder or composite solders with glass components with melting points between 300 and 600 ° C.
Erfindungsgemäß von Vorteil ist die Einglasung mittels handelsüblichen Glaslot vorzusehen (beispielsweise aus TA 23 oder PA 23 der Firma AmeriGlas). Sofern andere Materialkombinationen als Cu/Al vorgesehen werden sollen, sind auch Einschmelzlegierungen wie Nicosil gegen Glaslot und Einschmelzkörper anzuordnen.According to the invention, it is advantageous to provide the glazing using commercially available glass solder (for example TA 23 or PA 23 from AmeriGlas). If material combinations other than Cu/Al are to be used, sealing alloys such as Nicosil must also be arranged against the glass solder and sealing body.
Dabei kann ein solches Legierungsrohr mit dem Cu-Kontaktbolzen (7) hart verlötet werden.Such an alloy tube can be hard soldered to the Cu contact bolt (7).
Vorzugsweise werden zur Erreichung einer beständigen und dichten Durchführung (8) sog. GTM (Glass to Metal) also Glas/Metall oder GLTM (Glas Lot to Metal) also Glaslot/Metall oder CTM (Ceramic to Metal) also Keramik/Metall und Kunststoffverbunde wie AL/PP, AL/PET und andere mehr eingesetzt. Grundsätzlich können Poldurchführungen (8) ebenso aus Epoxid-Glashartgewebe, Schichtpressstoffen, Glimmererzeugnissen sowie Mineralpressstoffen, auch aus Papierverbunden bestehen, wobei jeweils zu differenzieren ist, inwieweit eine geeignete Technologie und je nach Anwendungsfall eine ausreichende Qualität der Durchführungen hinsichtlich der Beständigkeit und Diffusionsdichtheit erreicht werden kannTo achieve a durable and tight feedthrough (8), so-called GTM (Glass to Metal) i.e. glass/metal or GLTM (Glass Solder to Metal) i.e. glass solder/metal or CTM (Ceramic to Metal) i.e. ceramic/metal and plastic composites such as AL/PP, AL/PET and others are preferably used. In principle, pole feedthroughs (8) can also be made of epoxy glass hard fabric, laminated materials, mica products and mineral pressed materials, even paper composites, whereby a distinction must be made in each case as to the extent to which a suitable technology and, depending on the application, a sufficient quality of the feedthroughs can be achieved in terms of durability and diffusion tightness.
Das Kontaktteil gemäß Figur 2 besteht aus einem Rundbolzen mit Kontaktierungseinheit (5). Diese besteht aus gut leitendem Material, vorzugsweise Kupfer (besonders vorteilhaft ist der Einsatz von S-ECU Materialqualitäten; d.h. sauerstofffreies Kupfer, desoxydiert oder nicht desoxydiert (gem. DIN 1787)), und es können Kerben, Strukturen, Beschichtungen vorgesehen sein, die den Kontakt schützen, als Führung oder der besseren Kontaktierung dienen. Die Kontaktierungseinheit ist vorzugsweise als Kontaktplatte (5) gearbeitet, die im Durchmesser entsprechend kleiner ist als der Deckel (6) und dadurch einen geeigneten Schutz vor Kurzschlüssen bietet. Eine Variante besteht darin, diese Kontaktierungsplatte mit Öffnungen zu versehen, um diese leichter zu machen.The contact part according to Figure 2 consists of a round bolt with a contact unit (5). This consists of a highly conductive material, preferably copper (the use of S-ECU material qualities is particularly advantageous; i.e. oxygen-free copper, deoxidized or not deoxidized (according to DIN 1787)), and notches, structures, coatings can be provided that protect the contact, serve as a guide or improve contact. The contact unit is preferably made as a contact plate (5) that is correspondingly smaller in diameter than the cover (6) and thus offers suitable protection against short circuits. One variant is to provide this contact plate with openings to make it lighter.
Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Lösung als Batteriedeckeldurchführung. Die Innenzylinderhöhe (4) für die Einglasung (8) sollte aber so gewählt sein, daß sie eine gute Auflage erhält, so wie in Fig. 2 mit ca. 3,5 mm vorgeschlagen. Vorteilhaft ist es, im Innenzylinder bzw. inneren Rand (4) axiale Vertiefungen vorzusehen, die durchgängig sein können. Diese axialen Vertiefungen für den Sinterglaskörper sind vorschlagsgemäß kragenförmig im Innenzylinder (4) eingearbeitet.Figure 2 shows an advantageous solution as a battery cover leadthrough. The inner cylinder height (4) for the glazing (8) should be chosen so that it has a good support, as suggested in Fig. 2 with approx. 3.5 mm. It is advantageous to provide axial recesses in the inner cylinder or inner edge (4), which can be continuous. These axial recesses for the sintered glass body are, as suggested, incorporated in the form of a collar in the inner cylinder (4).
Dies erleichtert in besonderem Maß die Einglasung , da das Glaslot (8) einen guten Widerhalt findet, den man Glaslotbremse nennen kann.This makes glazing particularly easy, as the glass solder (8) finds a good resistance, which can be called a glass solder brake.
Statt axialer Vertiefungen können andere konstruktive Maßnahmen eingesetzt werden, wie Führungen, vertikale Vertiefungen und dergleichen.Instead of axial recesses, other design measures can be used, such as guides, vertical recesses and the like.
Die Zylinderoberfläche (7) sollte eine Rauigkeit von Rz=1,6 ym betragen und die Abweichung vom Zylinder kleiner 0,2 sein.The cylinder surface (7) should have a roughness of Rz=1.6 ym and the deviation from the cylinder should be less than 0.2.
Zur Erlangung eines verbesserten Kurzschlußverhaltens, etwa im Crashfall, sowie zur Fixierung des Wickels wird erfindungsgemäß eine nichtleitende, temperaturbeständige Fixier- und Klebemasse vorzugsweise in den Abstand zwischen die Kontaktplatte (5) und der Becherwand (2) eingebracht. Alternativ können Klebebänder, vorzugsweise Elektroklebebänder oder Folien, so insbesondere PET-(Polyethylenterephthalat)Folien bzw. Glasfließmaterialien eingesetzt werden.In order to achieve improved short-circuit behavior, for example in the event of a crash, and to fix the winding, a non-conductive, temperature-resistant fixing and adhesive mass is preferably introduced into the gap between the contact plate (5) and the cup wall (2) according to the invention. Alternatively, adhesive tapes, preferably electrical adhesive tapes or films, in particular PET (polyethylene terephthalate) films or glass flow materials, can be used.
Diese bilden dann eine Zwischenlage und verhindern beispielsweise bei Deformation einen Kurzschluß. Von besonderem Vorteil ist der Einsatz von Klebstoffen, die nicht durch die katalytische Wirkung der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit auszuhärten beginnen. Epoxidmatehalien und die beschriebenen anearoben Klebstoffe sind spaltfüllend, temperaturbeständig von -60 ° bis +220 0C, weil insbesondere durch Aktivatoren oder wärme der Aushärtevorgang beeinflußt oder dauerelastische Eigenschaft eingestellt werden kann, sind diese Materialien gut zur Fixierung des Zelllaminates im Becher geeignet.These then form an intermediate layer and prevent a short circuit in the event of deformation, for example. It is particularly advantageous to use adhesives that do not begin to harden due to the catalytic effect of the moisture contained in the air. Epoxy materials and the anaerobic adhesives described fill gaps and are temperature-resistant from -60 ° to +220 0 C. Because the hardening process can be influenced or permanently elastic properties can be adjusted using activators or heat, these materials are well suited to fixing the cell laminate in the cup.
Selbst bei der ersten Dehnung des Laminats, etwa während der Formation geht das Material mit, so daß es nicht zur Deformation oder Ähnlichem kommen kann oder das Laminat beschädigt wird. Als besonders geeignete Klebstoffmaterialien haben sich einkomponentige Reaktionsklebstoffe auf Basis von Acrylaten herausgestellt (beispielsweise aus der Produktlinie Omni/Fit von Henkel). Somit läßt sich vorteilhaft, etwa durch Punktauftrag des Klebstoffs, in wenigen Sekunden insbesondere die Kontaktierungseinheit fixieren. Vorteilhaft ist der Einsatz dieser Fixier- bzw.Even when the laminate is first stretched, for example during formation, the material stretches with it, so that deformation or similar cannot occur, or the laminate is damaged. One-component reaction adhesives based on acrylates (for example from the Omni/Fit product line from Henkel) have proven to be particularly suitable adhesive materials. This makes it possible to fix the contact unit in a few seconds, for example by applying the adhesive in dots. The use of these fixing or bonding agents is advantageous.
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Klebmassen dadurch, daß gewissermaßen durch eine Maßnahme die Vibrationsfestigkeit der Anordnung im Rütteltest verbessert, Kurzschlüsse vermindert und die Kontaktierungseinheit schnell fixiert werden kann.Adhesives in that, to a certain extent, the vibration resistance of the arrangement in the vibration test can be improved, short circuits reduced and the contact unit can be quickly fixed.
Berstscheiben (12) als konstruktive Überdrucksicherungen können bedarfsgerecht eingearbeitet werden, wie dies Fig. 3 veranschaulicht, zweckmäßig können es auch Druckventile sein.Rupture discs (12) as structural overpressure protection devices can be incorporated as required, as illustrated in Fig. 3; pressure valves can also be used if appropriate.
An sich bekannte Füllstutzen, die hermetisch verschliessbar sind, werden angeordnet, um eine Evakuierung nach der Formation vorzusehen, damit sog. Formationsgas entweichen kann und danach weiterhin ein Zugang besteht. Sensordurchführungen sind ebenso einfach herzustellen. Sie dienen der Generation von Meßdaten, die wesentlich im Rahmen einer sog. intelligenten Batterie anzuordnen sind. Gemäß einer besonderen Ausführung dient die Glasdurchführung (8) oder Glas als Sensorelement dahingehend, daß sie Überdruck generrert und ggf. durch Bersten eliminiert.Known filling nozzles that can be hermetically sealed are arranged to provide an evacuation after the formation so that so-called formation gas can escape and access is still possible afterwards. Sensor feedthroughs are just as easy to manufacture. They are used to generate measurement data, which are essentially arranged within the framework of a so-called intelligent battery. According to a special design, the glass feedthrough (8) or glass serves as a sensor element in that it generates excess pressure and, if necessary, eliminates it by bursting.
Nach dem Bau braucht jede Batteriezelle, unabhänig von deren chemischer Zusammensetzung, eine sogenannte Formierung. Dies ist eine Phase kontrollierten Ladens und Entladens, in der die späteren Eigenschaften der Batterie entscheidend mit bestimmt werden. Hier treten neben dem Prozeß der reversiblen Energiespeicherung, der später im Idealfall der einzig vorkommende Prozeß ist, andere Prozesse auf, wie auch der sog. Formationsgasbildung, gegebenenfalls müssen diese Gase abgeführt werden.After construction, every battery cell, regardless of its chemical composition, requires what is known as formation. This is a phase of controlled charging and discharging in which the battery's later properties are decisively determined. In addition to the process of reversible energy storage, which is ideally the only process that occurs later, other processes occur here, such as the so-called formation gas formation; these gases may have to be removed.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung eines Drucksensors mit einer Berstscheibe (12) aus Glaslot, der so oder direkt am Kontaktteil angeordnet werden kann. Nach Systemanforderung oder zur Erkenntnisgewinnung ist ein sog. Füllstutzen (10)oder Vakuumtube anzuordnen. Die Berstscheibe (12) kann als Sollbruchstelle durchgängig aus den verwendeten Poldurchführungsmaterial bestehen, wobei ein oder mehrere Stoffe zusätzlich eingebaut sein können. Erfindungsgemäß von besonderem Vorteil ist die Nutzung von Glasloten (8) der beschriebenen Arten.Fig. 3 shows a design of a pressure sensor with a bursting disk (12) made of glass solder, which can be arranged as it is or directly on the contact part. Depending on the system requirements or to gain information, a so-called filling nozzle (10) or vacuum tube is to be arranged. The bursting disk (12) can consist entirely of the pole feedthrough material used as a predetermined breaking point, whereby one or more materials can be additionally incorporated. According to the invention, the use of glass solders (8) of the types described is particularly advantageous.
Vakuumtube oder der Füllstutzen oder dergleichen ist gemäß Fig. 3 paßfähig zur Berstscheibe bzw. zum Drucksensor gearbeitet.The vacuum tube or the filling nozzle or the like is made to fit the rupture disc or the pressure sensor as shown in Fig. 3.
In Fig. 4 ist ein fertiges optimiertes Zellgehäuse mit Poldurchführung vorrangig für Lithium-Ion-Polymerbattehen skizziert. Ein Füllstutzen oder Vakuumtube (10) ist angeordnet, die Lösung der Einglasung (8) eignet sich insbesondere für ein oder mehrere Sensordurchführungen, die so als Kontaktdrähte, die eingeglast werden (8), erfindungsgemäß eingearbeitet sein können. Ferner ist ein Kontakt (7), hier mit Gewinde skizzert, eingeglast (8): Die innen liegende, verdeckte Kontaktplatte (5), die fest mit dem Kontakt (7) verbunden ist, dient über eine Positionierung der Kontaktierung und Fixierung des Zellwicklers. Der Rand des Deckels (6) wird über die Herstellung einer Kerbnaht mittels geeigneter Schweißverfahren oder anderer geeigneter Verbindungstechniken dauerhaft hermetisch mit der Becherwand (2) oder dem Becherrand (3) verbunden.In Fig. 4, a finished, optimized cell housing with terminal feedthrough is sketched primarily for lithium-ion polymer batteries. A filling nozzle or vacuum tube (10) is arranged, the solution of glazing (8) is particularly suitable for one or more sensor feedthroughs, which can be incorporated according to the invention as contact wires that are glazed (8). Furthermore, a contact (7), sketched here with a thread, is glazed (8): The internal, concealed contact plate (5), which is firmly connected to the contact (7), serves to make contact and fix the cell winder by positioning it. The edge of the lid (6) is permanently hermetically connected to the cup wall (2) or the cup edge (3) by producing a notched seam using suitable welding processes or other suitable joining techniques.
Ein elektronisches Batteriemanagementsystem (BMS) stellt weitere Funktionen zur Verfügung, die zur steuerbaren Batterie beitragen, andere Systeme entlasten und zum Vorteil gerade bei hochstromigen Anwendungen dienen. Der Stromsensor soll die notwendigen Daten präzise und zuverlässig an das BMS liefern. Er zeichnet sich durch eine höhere Genauigkeit und geringere Verlustleistung aus, und ermöglicht damit eine präzisere Ladezustandsermittlung. Für den Anwender sollen Informationen über den Ladezustand, Lebensdauer usw. der Batterie zur Verfügung gestellt werden.An electronic battery management system (BMS) provides additional functions that contribute to the controllable battery, relieve other systems and are particularly advantageous in high-current applications. The current sensor should deliver the necessary data precisely and reliably to the BMS. It is characterized by greater accuracy and lower power loss, and thus enables a more precise determination of the state of charge. The user should be provided with information about the state of charge, service life, etc. of the battery.
„Intelligenz" erhält die Batterie durch elektronische Komponenten wie Lade- und Leistungsmodule, sowie den in das Batteriedesign zu integrierenden Stromsensor, wie er im DE 198 60 561.7 beschrieben ist.The battery is given "intelligence" by electronic components such as charging and power modules, as well as the current sensor to be integrated into the battery design, as described in DE 198 60 561.7.
Die Konstruktion von unterschiedlichen Zellaufbauten zu Modulen ist durch das erfindungsgemäße Gehäuse einfacher geworden, und das Heraustreten von Weichmachern bzw. Dämpfen, so von carbonatischen Lösungsmitteln, in das Modulgehäuse, das die empfindliche Elektronik beinhalten könnte, wird auf NullThe construction of different cell structures into modules has become easier thanks to the housing according to the invention, and the leakage of plasticizers or vapors, such as carbonic solvents, into the module housing, which could contain the sensitive electronics, is reduced to zero.
reduziert. Weitergehend ist die Anwendung unterschiedlicher Gehäusematerialien für das Modulgehäuse erlaubt, wie z.B. Plastik, und es ist nicht länger eine hermetische Dichtung erforderlich. Die erfinderische Lösung bringt einige große Vorteile für den Montageprozeß, insbesondere von LIB. Schließlich ist es ein besonderer Vorteil, eine auf lange Sicht wartungsfreie und nach außen dichte Zelleinheit zu haben.reduced. Furthermore, the use of different housing materials for the module housing is permitted, such as plastic, and a hermetic seal is no longer required. The inventive solution brings some great advantages for the assembly process, especially of LIB. Finally, it is a particular advantage to have a cell unit that is maintenance-free in the long term and sealed to the outside.
Die Erfindung soll nachstehend für den besonderen Anwendungsfall einer Batterie in „Sandwich"-Anordnung erläutert werden:The invention will be explained below for the special application of a battery in a "sandwich" arrangement:
Bei folgender Lithium-Ionen-Polymerbatterie (LIB) entsteht ein sogenanntes Gelelektrolytsystem. Dabei ist das Polymer der Träger für die hochsiedenden polaren und aprotischen Elektrolytkomponenten (Ethylen- und Propylencarbonat) in denen ein Lithiumleitsalz wie LIPF6, Lithiumperchlorat oder UCF3SO3 gelöst ist. Die Lithium-Ionenleitfähigkeit wird nun im Gegensatz zu dem älteren „klassischen" Polymer-Festelektrolytsystem durch die flüssige Komponente bestimmt und liegt bei > 1mS/cm. Das Elektrolyt-System dient gleichzeitig als Separatorzwischen den Elektroden. Dieser Elektrolyt kann somit kaum verfließen und so insbesondere die Dichtung beeinträchtigen. Als Kathodenaktivmaterial wird Lithium-Mangan-Spinell verwendet (LiM^O4).The following lithium-ion polymer battery (LIB) creates a so-called gel electrolyte system. The polymer is the carrier for the high-boiling polar and aprotic electrolyte components (ethylene and propylene carbonate) in which a lithium conducting salt such as LIPF 6 , lithium perchlorate or UCF3SO3 is dissolved. In contrast to the older "classic" polymer solid electrolyte system, the lithium ion conductivity is now determined by the liquid component and is > 1mS/cm. The electrolyte system also serves as a separator between the electrodes. This means that this electrolyte can hardly flow and thus impair the seal in particular. Lithium manganese spinel (LiM^O 4 ) is used as the cathode active material.
Als Anodenaktivmaterial werden Interkalationsgraphite eingesetzt. In den Elektroden fungiert der Polymerelektrolyt als Binder zwischen den elektrochemisch aktiven Partikeln. Die Elektrodenmassen werden als dünne Schichten (50 - 250 &mgr;&eegr;&igr;) auf Metallfolien aufgebracht, und die Batterie in „Sandwich"-Anordnung hergestellt. Im Gegensatz zu Flüssigelektrolytsystemen entstehen selbsthaftende Laminate. Damit entfällt der bei festgelegten Flüssigelektrolytsystemen notwendige Anpreßdruck durch die Wickelung, und freie Formgestaltung wird möglich.Intercalation graphite is used as the anode active material. In the electrodes, the polymer electrolyte acts as a binder between the electrochemically active particles. The electrode masses are applied as thin layers (50 - 250 μm) to metal foils, and the battery is manufactured in a "sandwich" arrangement. In contrast to liquid electrolyte systems, self-adhesive laminates are created. This eliminates the contact pressure required by the winding in fixed liquid electrolyte systems, and free design is possible.
Der sogenannte Zellwickel entsteht aus dem Zusammenwickeln der drei Einzelbahnen für Anode, Feststoffelektrolyt und Kathode (zuzüglich von Isolationsfolie bei mdnofilarer Wicklung). Dabei werden die bei der Beschichtung eingewickelten Schutzfolien entfernt. Die Kontaktierung erfolgt auf den bei der Beschichtung jeweilsThe so-called cell winding is created by winding together the three individual tracks for the anode, solid electrolyte and cathode (plus insulation film in the case of monofilar winding). The protective films wrapped in during the coating are removed. The contact is made on the
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freigehaltenen Metallstreifen am Rand der Ableiterfolie. Sie erfolgt zeitgleich zum Wickelprozeß durch ein Reibschweißverfahren. Definierte Kontaktfähnchen werden auf dem metallischen Rand der jeweiligen Ableiterfolie so angebracht, daß sie trotz des variablen Wickelumfangs übereinander zu liegen kommen.metal strips kept free at the edge of the arrester foil. This takes place at the same time as the winding process using a friction welding process. Defined contact flags are attached to the metal edge of the respective arrester foil in such a way that they lie on top of each other despite the variable winding circumference.
Eine Elektrode hat Kontakt mit dem Gehäuseboden, die andere steht in direkter Verbindung zur Kontaktplatte des Deckels.One electrode is in contact with the bottom of the housing, the other is in direct connection with the contact plate of the lid.
Die Lithium-Ionen Polymertechnologie ermöglicht es, den Forderungen des Marktes, wie 7.B. der Automobilindustrie, nach flexiblem Design, gerecht zu werden. Ausgangspunkt sind spezielle, gewickelte und kontaktierte Zellen. Das Kaschieren und Wickeln der Laminate erlaubt große Variationsbreiten und modularen Aufbau von Batterien für die verschiedensten Anwendungsfelder und Leistungsbereiche. Desweiteren ist eine freie Formgebung in Flachzellen beliebiger Größe, im Gegensatz zu anderen Batteriesystemen, machbar. Dadurch wird ein „Verschmelzen" von Gerät und Batterie zu einem System mit neuen, verbesserten Eigenschaften möglich, indem die Batterie z.B. als Gehäusekomponente aufgenommen wird.Lithium-ion polymer technology makes it possible to meet the market's demands for flexible design, such as those of the automotive industry. The starting point is special wound and contacted cells. The lamination and winding of the laminates allows for a wide range of variations and modular construction of batteries for a wide variety of applications and performance ranges. Furthermore, in contrast to other battery systems, free shaping is possible in flat cells of any size. This makes it possible to "merge" the device and battery into a system with new, improved properties, for example by incorporating the battery as a housing component.
Beispielhafte Lithium Polymerzellen sind gemäß besonderer Ausführung 207 mm hoch, haben einen Durchmesser von 85 mm bei 2,12 kg Gewicht, 3,8 V und einer Nennkapazität von 5 Ah (C5).Exemplary lithium polymer cells are, according to a special design, 207 mm high, have a diameter of 85 mm, weigh 2.12 kg, are 3.8 V and have a nominal capacity of 5 Ah (C5).
Die Größen der Zellen sind variabel, wobei besondere Anforderungen leicht berücksichtigt werden können. Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Beispiel von charakteristischen elektrischen Daten solcher LIB: Lithium PolymerzelleThe sizes of the cells are variable, whereby special requirements can easily be taken into account. The following table shows an example of characteristic electrical data of such LIB: Lithium polymer cell
*·Φ· ♦·*·Φ· ♦·
Liste der BezugszeichenList of reference symbols
10 Füllstutzen, Sensordurchführung10 Filling nozzle, sensor feedthrough
11 Becherboden11 Cup bottom
12 Berstscheibe12 Rupture disc
Claims (7)
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|---|---|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10112613B4 (en) * | 2001-03-14 | 2007-04-12 | Dilo Trading Ag | Polymer electrolyte for lithium polymer batteries and its use |
| DE102007000504A1 (en) * | 2007-10-15 | 2009-04-16 | Dilo Trading Ag | Electric storage units, particularly lithium-polymer cells, have poles which are formed as threads for interconnecting larger units in parallel manner and separator has porous isolation layer, produced by extrusion or from polyolefin films |
| DE102011076536A1 (en) * | 2011-05-26 | 2012-11-29 | Mtu Friedrichshafen Gmbh | Method for emergency cooling and / or emergency extinguishing of a battery of a watercraft, battery and watercraft |
| EP4087013A4 (en) * | 2020-02-12 | 2023-07-05 | BYD Company Limited | Battery, battery module, battery pack and electric vehicle |
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2000
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