EP2436062A2 - Elektrodenwickel - Google Patents

Elektrodenwickel

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Publication number
EP2436062A2
EP2436062A2 EP10722004A EP10722004A EP2436062A2 EP 2436062 A2 EP2436062 A2 EP 2436062A2 EP 10722004 A EP10722004 A EP 10722004A EP 10722004 A EP10722004 A EP 10722004A EP 2436062 A2 EP2436062 A2 EP 2436062A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
separator
housing
temperature
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10722004A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Andreas Gutsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Li Tec Battery GmbH filed Critical Li Tec Battery GmbH
Priority to EP10722004A priority Critical patent/EP2436062A2/de
Publication of EP2436062A2 publication Critical patent/EP2436062A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T29/49108—Electric battery cell making
    • Y10T29/49115—Electric battery cell making including coating or impregnating

Definitions

  • the invention relates to an electrode winding according to the preamble of claim 1.
  • the invention will be described in connection with a lithium-ion battery for supplying a motor vehicle. It should be noted that the invention can also be used independently of the chemistry, the type of electrode winding or the type of powered drive.
  • Electrode coils or galvanic cells are known from the prior art, which possibly release uncontrolled energy in the event of mechanical damage or overheating. This can endanger the environment.
  • the object of the invention is to make an electrode winding or a galvanic cell with an electrode winding safer.
  • an electrode coil of substantially cylindrical shape has at least one anodic electrode, a cathodic electrode, and a separator.
  • the separator is at least partially disposed between these electrodes.
  • the separator is made of a material which has at least one component made of a ceramic material.
  • an electrode winding means a device which also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy, in particular as an assembly of a galvanic cell. Before the release of electrical energy stored chemical energy is converted into electrical energy. During charging, the electrical energy supplied to the electrode winding or the galvanic cell is converted into chemical energy and stored.
  • the electrode winding has a plurality of layers, at least one anode layer, a cathode layer and a separator layer. The layers are stacked, with the separator layer at least partially disposed between an anode layer and a cathode layer.
  • the layers of the electrode coil are wound up, in particular around a core. Starting from its base or end face, the electrode winding extends perpendicularly along its longitudinal axis.
  • the base surface of the electrode coil is substantially circular or polygonal, in particular hexagonal.
  • the corners of the base rounded.
  • a galvanic cell is to be understood as a device which also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy.
  • the galvanic cell according to the invention has at least two electrodes and one electrolyte.
  • the galvanic cell can be designed to receive electrical energy during charging, to convert it into chemical energy and to store it. This is also referred to as a secondary cell or an accumulator.
  • an anode layer or an anode means a device which charges electrons and / or positively charged during charging lions, in particular stored on interstitial sites.
  • the anode is thin-walled, more preferably, the thickness of the anode is less than 5% of its outer circumference.
  • the anode has a metal foil or a metallic mesh structure.
  • the anode is substantially rectangular.
  • a cathode layer or a cathode means a device which also receives electrons and / or positively charged ions during discharging or during the discharge of electrical energy.
  • the cathode is formed thin-walled, more preferably, the thickness of the cathode is less than 5% of its outer circumference.
  • the cathode has a metal foil or a metallic mesh structure.
  • the shape of a cathode substantially corresponds to the shape of an anode of the electrode coil.
  • a cathode is also provided for electrochemical interaction with an anode or with the electrolyte.
  • At least one electrode of the electrode coil comprises a compound having the formula LiMPO 4 , where M is at least one transition metal cation of the first row of the Periodic Table of the Elements.
  • the transition metal cation is preferably selected from the group consisting of Mn, Fe, Ni and Ti or a
  • the compound preferably has an olivine structure, preferably parent olivine.
  • At least one electrode of the electrode coil comprises a lithium manganate, preferably LiMn 2 O 4 VOm spinel type, a lithium cobaltate, preferably LiCoO 2 , or a lithium nickelate, preferably LiNiO 2 , or a mixture two or three of these oxides, or a lithium mixed oxide containing manganese, cobalt and nickel, auf.lm meaning of the invention is a separator and an electrically insulating device to understand, which is a Anode separated from a cathode and spaced.
  • a separator layer is applied to an anode and / or a cathode.
  • the separator layer or separator also at least partially accommodates an electrolyte, wherein the electrolyte preferably contains lithium ions.
  • the electrolyte is also electrochemically operatively connected to adjacent layers of the electrode stack.
  • the shape of a separator substantially corresponds to the shape of an anode of the electrode coil.
  • the separator (hereinafter “ceramic separator”) is made of a material which comprises at least one constituent of a ceramic material .
  • This ceramic material has a porosity which is sufficient for the function of the electrode coil, but is in comparison with polyolefin Separators are considerably more temperature-resistant and shrink less at higher temperatures.
  • a ceramic separator also advantageously has a high mechanical strength.
  • preference is also given to using Al 2 O 3 (aluminum oxide) and / or SiO 2 (silicon oxide) required battery power can be provided ceramic separators with different thickness and / or porosity.
  • a separator formed of a polyolefinic material can greatly shrink upon excessive heating, eg due to a short circuit or overcharging, thereby rendering the electrode coil at least unusable.
  • a strong shrinkage effect there is also direct contact between the anodic electrode and the cathodic electrode and thus an even greater overheating of the electrode winding, which can also trigger a fire.
  • the separator made of a ceramic material in particular its temperature resistance is increased or the temperature-induced shrinkage of the separator is reduced.
  • the electrical separation of electrodes by a ceramic separator tor largely preserved especially at higher temperatures. The risk of uncontrolled discharge of the electrode coil is advantageously reduced and solved the underlying task.
  • the ceramic separator is formed of a flexible ceramic composite material.
  • a composite material is made of different, firmly bonded materials. Such a material may also be referred to as a composite material.
  • this composite material is formed from ceramic materials and from polymeric materials. It is known to provide a fleece made of PET with a ceramic impregnation or support. Such composite materials can withstand temperatures of over 200 ° Celsius (sometimes up to 700 ° Celsius).
  • the ceramic separator is wetted on one side with an ionic liquid.
  • the ionic liquid in particular increases the flexibility of the ceramic separator.
  • the ceramic separator is wetted on two sides with an ionic liquid. For this purpose, especially ionic liquids are suitable. These are adjusted so that they adhere to the ceramic separator and thus can wet well, especially with regard to the production.
  • a separator layer or a separator at least partially extends over a boundary edge of at least one in particular adjacent electrode.
  • a separator layer or a separator extends beyond all boundary edges, in particular of adjacent electrodes. This also reduces electrical currents between the edges of electrodes of the electrode coil.
  • the electrode winding comprises at least two pairs of electrodes, ie at least two anodes (a) and at least two cathodes (k).
  • electrodes of different polarity are separated by means of at least one separator (s).
  • the layers of the electrode coil in the sequence ai - s - ki - s - a 2 - s - k 2 . These layers are wound up into an electrode winding.
  • a plurality of electrode layers are preferably connected to one another, in particular in an electrically conductive manner. With an electrically conductive connection of electrodes of the same polarity, the electrode pairs are connected in parallel. With electrically conductive connection of electrodes, in particular different polarity, the pairs of electrodes are preferably connected in series. In particular, the electrical voltage of the electrode winding is advantageously increased.
  • At least one contact element which is connected to an electrode, is advantageously arranged on at least one boundary surface of the electrode winding.
  • a boundary surface of an electrode winding is to be understood as one of its lateral surfaces.
  • an end face falls within the meaning of the invention under the concept of "boundary surface”.
  • a contact element is to be understood as meaning a conductive device which in particular electrically contacts an electrode of the electrode winding and in particular protrudes from the electrode winding or protrudes therefrom.
  • at least two contact elements are arranged on at least one respective boundary surface.
  • at least one contact element at different boundary surfaces of the electric denwickels are arranged.
  • At least two contact elements are arranged on the same boundary surface of the electrode coil, in particular on an end face.
  • a plurality of contact elements are associated with an electrode layer of the electrode winding, in particular with a regular spacing.
  • the current density per contact element is lowered.
  • a contact element is formed as an electrically conductive, planar element on a boundary surface of the electrode coil.
  • a contact element is designed as Ableitfähnchen.
  • at least two contact elements of different electrode layers are electrically conductively connected to one another, in particular for series connection of the electrode layers.
  • a separator is preferably used, which consists of a material-permeable carrier, preferably partially permeable to material, ie substantially permeable with respect to at least one material and substantially impermeable with respect to at least one other material.
  • the carrier is coated on at least one side with an inorganic material.
  • an organic material is preferably used, which is preferably configured as a non-woven fabric.
  • the organic material preferably a polymer and more preferably polyethylene terephthalate (PET), is coated with an inorganic ion-conducting material, which is preferably ion-conducting in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C.
  • the inorganic, ion-conducting material preferably comprises at least one compound from the group of oxides, phosphates, sulfates, titanates, silicates, aluminosolizates with at least one of the elements Zr, Al, Li, particularly preferably zirconium oxide.
  • the inorganic, ion-conducting material preferably has particles with a largest diameter below 100 nm. Such a separator is sold, for example, under the trade name "Separation" by Evonik AG in Germany.
  • a galvanic cell has at least one electrode winding and an enclosure.
  • a housing is to be understood as a device which in particular separates the at least one electrode winding from the surroundings.
  • the housing surrounds the at least one electrode winding essentially completely with a wall.
  • the housing is at least partially adapted to the shape of an electrode coil.
  • the housing is particularly preferably adapted to the shape of an electrode winding.
  • the housing is designed as a composite film.
  • the housing has a metal foil.
  • the housing lies predominantly on the electrode winding.
  • the housing encloses the electrode winding at least partially positively, supporting the Electrode winding and keeps its layers together.
  • the enclosure is biased and exerts a force on the electrode coil. In this way, the enclosure forces the layers of the electrode coil together and advantageously reduces any displacements of a layer of the electrode coil with respect to its remaining layers.
  • the housing is designed as a thin-walled metal sheet.
  • a galvanic cell has at least two electrode windings and an enclosure.
  • the at least two electrode windings are preferably connected to one another, in particular electrically, in particular in series.
  • the at least two electrode windings are arranged relative to each other such that their longitudinal axes are substantially parallel and, more preferably, coincide.
  • two electrode coils touch each other on one end face.
  • at least two electrode coils are at least partially surrounded by a common housing.
  • the common housing is formed as described above.
  • the inner side of the housing is assigned at least one current-conducting device.
  • the Stromleiterie also serves the electrical operative connection of two electrode winding, in particular for series connection.
  • the at least one current conducting device is provided for contacting at least one contact element of an electrode winding, particularly preferably for contacting at least one contact element of at least two electrode windings.
  • the inside of the enclosure at the same time on several separate Stromleit bootsen.
  • the at least one Stromleit boots is designed as a conductor track or Stromleit Structure, which is applied in particular to the inside of the housing.
  • the Stromleit driving is vapor-deposited on the inside of the housing.
  • the at least one Stromleit Vietnamese is formed as a conductive plate, which is inserted in the manufacture of the housing.
  • the at least one conductor is Device designed so that it fails at predetermined conditions, in particular above a predetermined temperature.
  • the at least one current conducting device has a thin spot.
  • the at least one current conducting device is in particular electrically conductively connected to a pole contact of the housing.
  • at least one Stromleiterie extends through the enclosure.
  • At least one contact element of an electrode winding is advantageously connected to a region of the housing, in particular in an electrically conductive manner.
  • at least one contact element of an electrode coil is connected to the wall of the enclosure in certain regions, in particular in an electrically conductive manner.
  • this electrically conductive region of the wall extends at least in the direction of a pole contact, of a further electrode coil and / or to the outside of the wall.
  • This electrically conductive region of the wall of the housing serves, in particular, for the electrical contacting of at least one electrode winding.
  • This electrically conductive region of the wall in particular two electrode windings are electrically conductively connected to one another.
  • This electrically conductive region of the wall preferably serves to house the electrical connection of an electrode winding with a pole contact and / or the surroundings.
  • At least one contact element of an electrode winding is guided through the housing.
  • This led out contact element is used in particular for electrical contacting of the electrode coil.
  • the at least one contact element is gas-tight through the housing, in particular its wall, out.
  • at least two contact elements are guided through the housing.
  • the housing has at least one first connection area.
  • This first connection area is used in particular for connecting the Housing with at least one other body, in particular with another housing, a region of the battery case and / or with a heat exchange device.
  • the enclosure preferably has a plurality of first connection regions.
  • the connection is formed with at least one other body cohesively and / or non-positively.
  • the housing has at least one heat transfer area.
  • the heat transfer region of the wall of the enclosure is assigned. This heat transfer area serves in particular for heat transfer into or out of an electrode winding.
  • the electrode stack is connected at least partially thermally conductively connected to the housing.
  • the heat transfer area preferably extends over a majority of the wall of the enclosure.
  • the heat transfer region is flown by a first temperature control and / or is thermally conductive connected to a heat exchange device.
  • a first connection region and a heat transfer region coincide at least partially.
  • the housing has at least two molded parts. These are intended to be interconnected.
  • the connection of at least two moldings with each other is preferably carried out positively and / or materially. Depending on the materials of the various moldings, these are connected to each other in particular by gluing or a welding process. In particular, ultrasonic welding is used to connect a metallic molding to a thermoplastic molding. In this case, a pretreatment or activation of at least one of the outer surfaces of a molded part involved is particularly useful.
  • a particularly non-positive or material-locking connection connects the at least two molded parts such that preferably a circumferential strip-shaped connection seals the space between the molded parts relative to the environment.
  • At least two molded parts in a second connection region in particular cohesively connected to each other.
  • This second connection region preferably extends along an edge region of a molded part involved.
  • the second connection region is strip-shaped. It is not necessary for the second connection area to completely run along the bounding edges of the molding.
  • at least one contact element of electrode winding is arranged so that it extends partially from the housing.
  • the casing is also designed to be gas-tight with respect to the environment in the regions of a contact element that has been made.
  • At least one molded part of the housing has a heat transfer area.
  • the heat transfer region is simultaneously formed as a first connection region.
  • the heat transfer region can simultaneously serve for fastening the galvanic cell to a heat exchange device, in particular by screwing, riveting, gluing or welding.
  • at least one molded part of the housing is rigid. This molded part in particular holds the electrode winding, protects the electrode winding from mechanical damage and / or serves for the mechanical connection of the galvanic cell to a receiving device.
  • a rigid molded part is formed as a metal plate or sheet metal. The molding is preferably stiffened by beads, raised areas and / or ribs.
  • At least one molded part of the housing is made thin-walled.
  • the wall thickness of a thin-walled molded part is adapted to a mechanical, electrical or thermal stress.
  • the wall thickness is preferably not uniform.
  • a region of a thin-walled molded part with increased wall thickness acts in particular as a heat sink or heat reservoir and contributes in particular to the fact that heat energy is removed from the electrode winding or transported in this.
  • at least one molded part is formed as a film, particularly preferably as a composite film. Suitable materials for the composite film are in particular metals and / or plastics in question.
  • At least one molded part of the housing has a coating at least in some areas.
  • This coating also serves to adapt to stresses to which the molded part is exposed.
  • the coating is used for electrical insulation, for protection of the molded part against the chemicals of the galvanic cell, for improving the adhesion of an adhesive bond, for improving the thermal conductivity and / or for protection against particular damaging effects from the environment.
  • a coating causes in particular a chemical activation of the surface of the molding.
  • a coating preferably has at least one material that deviates from the materials of the molded part.
  • the at least one molded part preferably also has a plurality of different coatings, which are arranged in particular on different regions of the molded part. If a molded part is in electrical contact with the electrode winding, then a current conductor is preferably electrically insulated from this molded part.
  • At least one molded part of the housing has a recess, in particular a shell.
  • the molded part gains in particular an increased area moment of inertia or bending stiffness.
  • this recess at least partially receives the electrode coil. This serves in particular for the protection of the electrode winding.
  • the wall thickness of a molded part with a recess is preferably adapted to the stress.
  • Several moldings of the housing each have at least one recess, which together form a space for receiving the electrode coil.
  • a molded part is formed as a deep-drawn or kaltf beaugepresstes sheet metal.
  • a molded part is formed as a deep-drawn plastic plate or plastic film.
  • At least one molding is cup-shaped.
  • the curvature of the bowl-shaped gene shaped part adapted to the radius of the electrode coil.
  • at least one shaped part extends over a plurality of surfaces along the longitudinal axis of the electrode winding.
  • at least one molded part is designed as a lid.
  • At least one molded part advantageously has a first connection region.
  • the first connection region serves in particular for fastening the galvanic cell, in particular in a housing, in a frame or on a base plate.
  • a first connection region is formed such that the connection of the respective molded part with another body can take place only in a predetermined manner.
  • a first connection region has a geometric shape which corresponds to a region of another body.
  • a connection between the molding and the other body is possible only in a predetermined manner, by means of an arrangement of mold elements, in particular holes and pins.
  • the arrangement of through-holes or threads allows a connection only in a predetermined manner.
  • a first connection area is spatially separated from a second connection area.
  • At least one molded part of the housing preferably has a plurality of separate first connecting regions.
  • the connection of the molded part with another body takes place in particular by means of riveting, screwing, welding or gluing.
  • a first connection region of a molded part and a heat transfer region of the same molded article coincide. In these areas, the molding is in particular connected to a heat exchange device, a frame or with a base plate of the battery case.
  • a battery has at least two galvanic cells, which are preferably electrically interconnected, in particular in a series circuit.
  • the battery is preferably associated with at least one heat exchange device, which is in particular thermally conductively connected to at least one of the at least two galvanic cells.
  • the heat exchanger tion is provided to exchange thermal energy with at least one of the at least two galvanic cells under given conditions. These predetermined conditions are fulfilled in particular when the temperature of an electrode winding or a galvanic cell exceeds or falls below a limit temperature. In particular, when the temperature of an electrode winding or a galvanic cell approaches or falls below a minimum temperature, the heat exchange device supplies thermal energy to this electrode winding or galvanic cell.
  • the heat exchange device dissipates thermal energy from this electrode winding or from this galvanic cell.
  • a limit temperature is selected as a function of the permissible operating temperatures of an electrode winding, in particular taking into account the heat capacity of the housing and / or the location of the temperature measurement.
  • the battery has at least one measuring device, which is provided to detect in particular the temperature of at least one electrode stack or at least one galvanic cell.
  • the measuring device has a plurality of measuring sensors, which are provided to detect, in particular, the temperature of a plurality of electrode stacks or a plurality of galvanic cells.
  • the temperature of the heat exchange device is preferably selected as a function of the temperature of the electrode winding of a galvanic cell.
  • a predetermined temperature gradient causes a heat flow in this electrode winding into or out of this electrode winding.
  • the heat exchange device exchanges thermal energy with an electrode winding over at least one region of the housing or its heat transfer region, which is in contact with the heat exchange device.
  • the existing galvanic cells are in particular non-positively or materially connected via a first connection region of the housing with the at least one heat exchange device.
  • the heat exchange device has at least one first channel, in particular for setting a predetermined temperature. Preferably, this channel is filled with a second temperature control. Especially preferred A second temperature control medium flows through this at least one channel.
  • the flowing second temperature control of the heat exchange means heat energy or dissipates heat energy.
  • the at least one heat exchange device is preferably operatively connected to a heat exchanger.
  • the heat exchanger dissipates heat energy from this heat exchange device or supplies thermal energy to this heat exchange device, in particular by means of a second temperature control medium.
  • the heat exchanger or the temperature control interact in particular with the air conditioning system of a motor vehicle.
  • the heat exchanger preferably has an electrical heating device.
  • the heat exchange device is designed as a receiving device, in particular as a base plate or frame, for the at least two galvanic cells of the battery.
  • the longitudinal axes of the at least two galvanic cells have a predetermined distance from one another.
  • the longitudinal axes are parallel to each other.
  • the distance of the longitudinal axes to one another is such that the housings of the at least two galvanic cells touch one another.
  • the distance of the longitudinal axes of two adjacent galvanic cells is dimensioned such that they exert a force on an intermediate heat exchange device. This force serves in particular to improve the thermal contact of at least one galvanic cell with a heat exchange device.
  • their longitudinal axes are preferably arranged parallel to one another. The distances of these longitudinal axes are determined by three predetermined distance vectors.
  • these distance vectors lie in a common plane.
  • the amounts of the three distance vectors are the same.
  • a heat exchange device is preferably inserted into the space between the three galvanic cells.
  • the distances between the longitudinal axes of the galvanic cells are such that the galvanic cells exert a force on the heat Exercise exchange device.
  • the arrangement of the galvanic cells is based on a square.
  • the longitudinal axes of four galvanic cells form the corners of this square. While the space utilization decreases compared to a triangular unit cell, the heat exchange device is preferably larger and / or more powerful.
  • the galvanic cells are formed prismatic, wherein the base, in particular of the enclosure, designed as a regular hexagon.
  • the heat exchange device is preferably designed as a sheet metal known at least once. At least one heat exchange device formed in this way is preferably inserted in an arrangement of prismatic galvanic cells.
  • a heat exchange device has at least one channel, in particular for a second temperature control.
  • this second temperature control passes through a phase passage during operation of the battery.
  • the second temperature control is conveyed by a conveyor through the at least one channel of the heat exchange device.
  • At least one channel is closed in a heat exchange device and filled with a second temperature control medium, which undergoes a phase transition within the operating temperatures of the galvanic cells.
  • the heat exchange device further comprises at least one heat sink with an enlarged surface.
  • the heat exchange device is designed as a heat pipe.
  • the heat exchange device is flown by a first temperature control.
  • a lithium-ion battery according to the invention is used for a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive.
  • the method according to the invention for producing an electrode winding comprises the following steps: a) wetting or soaking both sides of this (ceramic) separator with an ionic liquid; b) placing said (ceramic) separator between an anodic electrode and a cathodic electrode; c) winding this arrangement to an electrode winding.
  • the separator is to be provided before step a).
  • the separator and the electrodes are cut before step b).
  • the arrangement of ceramic separator and electrodes is preferably taken after winding to the electrode coil in an enclosure to prevent in particular the outflow or outgassing of the ionic liquid. It is preferably provided to apply or laminate the wetted or impregnated ceramic separator to an electrode, wherein the separator is preferably designed to project beyond the edge of the electrode.
  • the mechanical connection between the separator and an electrode is based on adhesion. Lamination is understood in the sense of the invention as joining under pressure application. During the application of the ceramic separator, chemical additives are preferably added and / or heat is introduced.
  • ionic liquids are used with additives which wet the ceramic separator and allow processing under normal climatic conditions.
  • the coordinated combination of a ceramic separator and an ionic liquid allows new processing paths. For example, an inert gas environment or an anhydrous environment (air humidity ⁇ 2%), as well as clean room conditions (atmosphere quality ⁇ 30 ppm), as they must be provided in protective gas boxes according to the prior art, no longer required.
  • an inventive electrode winding can be produced in an energy-saving and cost-effective manner.
  • the ceramic separator becomes flexible only by applying a wetting solution with any additives, in particular an ionic liquid becomes processable. The wetting solution including any additives is then not removed, but installed with the electrode winding.
  • the method according to the invention can thus be carried out easily and is thus particularly suitable for automated mass production.
  • a battery with at least two galvanic cells and a heat exchange device is operated such that the temperature of the at least one heat exchange device is set as a function of the temperature of at least one of the two galvanic cells.
  • the temperature of the at least one heat exchange device is preferably set as a function of the permissible operating temperatures of the at least two galvanic cells.
  • the temperature of the at least one heat exchange device is set above the temperature of the galvanic cell.
  • the temperature of the heat exchange device is preferably selected to be lower than the temperature of the at least one galvanic cell.
  • the galvanic cell or the electrode winding heat energy is withdrawn.
  • the at least one heat exchange device is thereby flowed against and / or flowed through by a first temperature control medium.
  • the coolant of the motor vehicle air conditioning system serves as a temperature control for the heat exchange device.
  • the temperature of the first temperature control agent is preferably set as a function of the permissible operating temperatures of the at least two galvanic cells. When the temperature falls below a minimum temperature or when the temperature of at least one galvanic cell approaches this minimum temperature, the temperature of the first temperature control medium is set above the temperature of the galvanic cell. This will be beneficial a heat flow is driven into the galvanic cell.
  • the temperature of the first temperature control means is preferably chosen to be lower than the temperature of the at least one galvanic cell. Thus, the galvanic cell or the electrode winding heat energy is removed.
  • the at least one heat transfer region of a galvanic cell is at least temporarily supplied and / or flowed through by a first temperature control medium.
  • a first temperature control medium Preferably, the ambient air and / or the first temperature control means of the air conditioning system of the motor vehicle is used for the flow or
  • the temperature is set at least one heat transfer area as a function of the permissible operating temperatures of the at least two galvanic cells.
  • the temperature of the at least one heat transfer region is set above the temperature of the galvanic cell.
  • a heat flow is advantageously driven into the galvanic cell.
  • the temperature of a galvanic cell or of an electrode angle approaches a permissible maximum temperature
  • the temperature of the at least one heat transfer region is preferably selected to be lower than the temperature of the at least one galvanic cell.
  • the galvanic cell or the electrode winding heat energy is removed.
  • 1 shows an electrode winding according to the invention in a perspective view
  • 2 shows a galvanic cell according to the invention with a plurality of electrode windings according to the invention in a common housing, in a schematic partial section
  • FIG. 3 is a schematic representation of a partially cut housing for a galvanic cell according to the invention.
  • FIG. 5 shows a further arrangement of a plurality of inventive galvanic cells with a heat exchange device in a schematic representation
  • FIG. 6 shows a further arrangement of a plurality of inventive galvanic cells with a heat exchange device in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows an electrode winding 3 according to the invention in a perspective view. Shown is the electrode coil 3 before the winding is completely completed.
  • the electrode winding 3 includes a ceramic separator 4, an anodic electrode 5 and a cathodic electrode 6.
  • the separator 4 is formed so as to protrude beyond the outer edge and the outer contour of the electrodes 5 and 6, respectively, whereby the chemical and electric Stability of the electrode coil 3 is improved.
  • the electrodes 5 and 6 have contact elements or Ableiterfähnchen 71 and 81, which are electrically connected to a non-illustrated terminal leadthrough.
  • a plurality of contact elements 71 and 81 are provided, which protrude from the end face of the electrode winding.
  • the electrode winding 3 is accommodated in a housing, not shown, or a housing.
  • the contact to the outside takes place in particular by means of at least one pole feedthrough.
  • the battery cell 3 may also be arranged in a separate enclosure (not shown).
  • a sheath By means of such a sheath, it is also possible, in particular, to prevent the electrodes 5 and 6 arranged on the opposite sides of the separator 4 from coming into electrical contact with one another in the slot arrangement.
  • an insulating layer 9 are wrapped in the winding assembly, which is shown in dashed lines in the figure.
  • Such an insulating layer is preferably also formed of a ceramic material, but may also be formed of another, thermally stable and electrically non-conductive material.
  • FIG. 2 schematically shows a galvanic cell 2 with a plurality of electrode wicks 3, which are arranged in a common housing 11. Not shown are the contacts on the boundary surfaces of the electrode winding, several Stromleit respondeden 15 on the inside within the housing 11 and the pole contacts of the galvanic cell 2. Also not dar- are placed second mold parts 11b for closing the housing or the first molded part 11a.
  • the electrode coils 3 are connected in series.
  • the first molded part 11 a is formed as a metal sheet adapted to the shape of the electrode coil 3.
  • the inside of the molded part 11a is partially thermally conductive and at the same time electrically insulating coated.
  • the housing 11 or the first molded part 11a have a heat transfer area 12 which simultaneously serves as a connecting area 13. Depending on the operating mode, the heat transfer region 12 flows around a first temperature control means or is connected to a heat exchange device.
  • FIG 3 shows a portion of a housing 11 for a galvanic cell.
  • the housing 11 is formed as a composite film. This composite film surrounds the electrode winding, not shown, under pretension, so that the housing 11 exerts a force on the electrode winding. This force forces the electrode wraps together and together.
  • On the inside of the housing 11 more Stromleit drivingen 15, 15 a are applied.
  • the Stromleit driving 15 is formed as Stromleitband and passed through the walls of the housing 11.
  • the current conducting device 15 also serves for contacting the galvanic cell from outside and for contacting an electrode winding.
  • the current conducting device 15a is designed as a metallic plate, which is connected to the inside of the housing 11.
  • the Stormleit beautiful 15a is electrically contacted both from the inside of the housing 11 and from the outside.
  • the current-conducting device 15a is embedded gas-tight in the composite foil of the housing 11.
  • the housing 11 has a heat transfer area 12.
  • FIG. 4 shows a battery 1 in section.
  • the illustrated battery 1 has seven galvanic cells 2. Their enclosures 11 are formed substantially prismatic and have a hexagonal base.
  • the housing 11 or the first molded part 11a is formed from a metal sheet, which on the inside partially electrically insulating and heat-conductive coated.
  • the housing 11 encloses the electrode winding 3 such that the housing 11 exerts a force on the electrode winding 3. It is not shown that a galvanic cell 2 contains four electrode windings which are connected in series.
  • the battery 1 is further equipped with two heat exchange devices 14, 14a. The distances of the longitudinal axes of the individual galvanic cells are dimensioned such that the galvanic cells exert forces on the heat exchange devices 14, 14a.
  • the heat exchange devices 14, 14a are flown by a temperature control medium. It is not shown that the first mold parts 11a are closed by adapted and designed as a lid second moldings. The heat exchange devices 14, 14a are folded over several times, in particular to enable a space-saving arrangement of the galvanic cells 2 and to touch the galvanic cells 2 over a large area in a heat-conducting manner.
  • Figure 5 shows an arrangement of three galvanic cells with predetermined
  • the free space between the galvanic cells 2 is filled with a heat exchange device 14.
  • the heat exchange device 14 has a channel 17 for a temperature control. It is not shown that the heat exchange device 14 is adapted to the shape of the surrounding galvanic cells 2. Thus, the heat exchange device 14 nestles with the largest possible surfaces of the galvanic cells 2.
  • the heat exchange device 14 has a channel 17 for a second temperature control.
  • the second temperature control medium is conveyed through the channels 17 by a conveyor device associated with the battery 1.
  • the second temperature control medium is selected so that it undergoes a phase transition at a temperature of three Kelvin below the maximum permissible operating temperature of the galvanic cell.
  • FIG. 6 likewise shows an arrangement of a plurality of galvanic cells 2, around a common heat exchange device 14.
  • This heat exchange device 14 hugs the galvanic cells 2 surrounding it with as large an area as possible.
  • the heat exchange device 14 has a plurality of channels 17, which are provided to be filled with a second temperature control. Not shown is that the channels 17 are closed and have at their ends a heat sink with increased surface area.
  • the heat exchange device 14 acts together with the surface-enlarged heat sink and the second temperature control with ability to phase change as a heat pipe. For this it is necessary that the temperature of a phase passage of the second temperature control is adapted to the operating temperatures of the galvanic cells.
  • the second temperature control medium is chosen such that a phase change temperature is five Kelvin below the maximum permissible operating temperature of the galvanic cells 2 or of the electrode windings.
  • the square elementary cell of the arrangement is the dashed line
  • the heat exchange device 14 is designed with larger surfaces and additional channels 17.

Abstract

Elektrodenwickel (3) von im wesentlichen zylindrischer Gestalt, welcher wenigstens aufweist: eine anodische Elektrode (5), eine kathodische Elektrode (6), und einen Separator (4), welcher wenigstens teilweise zwischen diesen Elektroden (5, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) aus einem Material gefertigt ist, welches wenigstens einen Bestandteil aus einem keramischen Werkstoff aufweist.

Description

Elektrodenwickel
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen Elektrodenwickel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit einer Lithium-Ionen- Batterie zur Versorgung eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch unabhängig von der Chemie, der Bauart des Elektrodenwickels oder der Art des versorgten Antriebs Anwendung finden kann.
Aus dem Stand der Technik sind Elektrodenwickel bzw. galvanische Zellen bekannt, welche im Fall einer mechanischen Beschädigung oder bei Übertemperatur gespeicherte Energie möglicherweise unkontrolliert freisetzen. Dadurch kann die Umgebung gefährdet werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektrodenwickel bzw. eine galvanische Zelle mit einem Elektrodenwickel sicherer zu gestalten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektrodenwickel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine bevorzugte Verwendung einer galvanischen Zelle mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Elektrodenstapel ist Gegenstand eines nebengeordneten Anspruchs.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Elektrodenwickel von im wesentlichen zylindrischer Gestalt vorgeschlagen. Der Elektrodenwickel weist wenigstens eine anodische Elektrode, eine kathodische Elektrode, und einen Separator auf. Der Se- parator ist wenigstens teilweise zwischen diesen Elektroden angeordnet. Der Elektrodenwickel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Separator aus einem Material gefertigt ist, welches wenigstens einen Bestandteil aus einem keramischen Werkstoff aufweist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenwickel eine Einrichtung zu verstehen, welche auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient, insbesondere als Baugruppe einer galvanischen Zelle. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenwickel bzw. der galvanischen Zelle zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert. Dazu weist der Elektrodenwickel mehrere Schichten auf, wenigstens eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine Separatorschicht. Die Schichten sind übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei die Separatorschicht wenigstens teilweise zwischen einer Anodenschicht und einer Kathodenschicht angeordnet ist. Die Schichten des Elektrodenwickels sind aufgewickelt, insbesondere um einen Kern. Ausgehend von seiner Grundfläche bzw. Stirnfläche, erstreckt sich der Elektrodenwickel senkrecht entlang seiner Längsachse. Vorzugsweise ist die Grundfläche des Elektrodenwickels im Wesentlichen kreisförmig oder mehreckig, insbesondere sechseckig. Vorzugsweise die Ecken der Grundfläche abgerundet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer galvanischen Zelle eine Vorrichtung zu verstehen, welche auch zur Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu verfügt die erfindungsgemäße galvanische Zelle wenigstens über zwei Elektroden und einen Elektrolyt. Insbesondere kann die galvanische Zelle ausgestaltet sein, elektrische Energie beim Laden aufzuneh- men, in chemische Energie zu wandeln und abzuspeichern. Man spricht dann auch von einer Sekundärzelle oder einem Akkumulator.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Anodenschicht bzw. einer Anode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Laden Elektronen und/oder positiv geladene lonen aufnimmt, insbesondere auf Zwischengitterplätzen einlagert. Vorzugsweise ist die Anode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Anode weniger als 5% ihres Außenumfangs. Vorzugsweise weist die Anode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise ist die A- node im Wesentlichen rechteckig ausgebildet.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Kathodenschicht bzw. einer Kathode eine Einrichtung zu verstehen, welche beim Entladen bzw. während der Abgabe e- lektrischer Energie auch Elektronen und/oder positiv geladene Ionen aufnimmt. Vorzugsweise ist die Kathode dünnwandig ausgebildet, besonders bevorzugt beträgt die Dicke der Kathode weniger als 5% ihres Außenumfangs. Vorzugsweise weist die Kathode eine Metallfolie oder eine metallische Netzstruktur auf. Vorzugsweise entspricht die Gestalt einer Kathode im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenwickels. Eine Kathode ist auch zur elektrochemischen Wechselwirkung mit einer Anode bzw. mit dem Elektrolyt vorgesehen.
Vorzugsweise weist wenigstens eine Elektrode des Elektrodenwickels, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 auf, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist. Das Übergangsmetallkation ist vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer
Kombination dieser Elemente gewählt. Die Verbindung weist vorzugsweise eine Olivinstruktur auf, vorzugsweise übergeordnetes Olivin.
In einer weiteren Ausführungsform weist vorzugsweise wenigstens eine Elektrode des Elektrodenwickels, besonders bevorzugt wenigstens eine Kathode, ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4VOm Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, auf.lm Sinne der Erfindung ist unter einem Separator auch eine elektrisch isolierende Einrichtung zu verstehen, welche eine Anode von einer Kathode trennt und beabstandet. Vorzugsweise ist eine Separatorschicht auf eine Anode und/oder eine Kathode aufgetragen. Die Separatorschicht bzw. der Separator nimmt auch einen Elektrolyt wenigstens teilweise auf, wobei der Elektrolyt vorzugsweise Lithium-Ionen enthält. Der Elektrolyt ist auch mit benachbarten Schichten des Elektrodenstapels elektrochemisch wirkverbunden. Vorzugsweise entspricht die Gestalt eines Separators im Wesentlichen der Gestalt einer Anode des Elektrodenwickels.
Der Separator (im folgenden „keramischer Separator") ist erfindungsgemäß aus einem Material gefertigt, welches wenigstens einen Bestandteil aus einem ke- ramischen Werkstoff aufweist. Dieser keramische Werkstoff weist eine für die Funktion des Elektrodenwickels ausreichende Porosität auf, ist jedoch im Vergleich zu Polyolefin-Separatoren wesentlich temperaturbeständiger und schrumpft bei höheren Temperaturen weniger. Ein keramischer Separator weist zudem vorteilhaft eine hohe mechanische Festigkeit auf. Als keramisches Mate- rial kommt bevorzugt auch AI2O3 (Aluminiumoxid) und/oder SiÜ2 (Siliziumoxid) zum Einsatz. Je nach erforderlicher Batterieleistung können keramische Separatoren mit unterschiedlicher Dicke und/oder Porosität bereitgestellt werden.
Als Folge hoher Ströme während des Betriebs eines Elektrodenwickels zur Versorgung eines Kraftfahrzeugantriebs kommt es mitunter zu einer starken Er- wärmung des Elektrodenwickels. Ein aus einem polyolefinen Material gebildeter Separator kann bei übermäßiger Erwärmung stark schrumpfen, z.B. infolge eines Kurzschlusses oder Überladung, wodurch der Elektrodenwickel wenigstens unbrauchbar wird. Bei einem starken Schrumpfeffekt kommt es ferner zu einem direkten Kontakt zwischen der anodischen Elektrode und der kathodischen E- lektrode und damit zu einer noch stärkeren Überhitzung des Elektrodenwickels, was auch einen Brand auslösen kann. Bei Ausbildung des Separators aus einem keramischen Material ist insbesondere dessen Temperaturbeständigkeit erhöht bzw. das temperaturbedingte Schrumpfen des Separators verringert. So wird die elektrische Trennung von Elektroden durch einen keramischen Separa- tor insbesondere bei höheren Temperaturen weitgehend erhalten. Die Gefahr einer unkontrollierten Entladung des Elektrodenwickels wird vorteilhaft verringert und die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Vorteilhaft ist der keramische Separator aus einem biegsamen keramischen Kompositmaterial gebildet. Ein Kompositmaterial ist aus verschiedenen, miteinander fest verbundenen Materialien hergestellt. Ein solches Material kann auch als Verbundmaterial bezeichnet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass dieses Kompositmaterial aus keramischen Materialien und aus polymeren Materialien gebildet ist. Es ist bekannt, ein Vlies aus PET mit einer keramischen Im- prägnierung bzw. Auflage zu versehen. Solche Kompositmaterialien können Temperaturen von über 200° Celsius (teilweise bis 700° Celsius) standhalten. Vorzugsweise ist der keramische Separator einseitig mit einer ionischen Flüssigkeit benetzt. Die ionische Flüssigkeit erhöht insbesondere die Biegsamkeit des keramischen Separators. Bevorzugt ist der keramische Separator zweiseitig mit einer ionischen Flüssigkeit benetzt. Hierzu sind besonders ionische Flüssigkeiten geeignet. Diese sind so eingestellt, dass sie am keramischen Separator anhaften und diesen dadurch gut benetzen können, insbesondere im Hinblick auf die Herstellung.
Vorteilhaft erstreckt sich eine Separatorschicht bzw. ein Separator wenigstens bereichsweise über eine Begrenzungskante wenigstens einer insbesondere benachbarten Elektrode. Besonders bevorzugt erstreckt sich eine Separatorschicht bzw. ein Separator über sämtliche Begrenzungskanten insbesondere benachbarter Elektroden hinaus. So werden auch elektrische Ströme zwischen den Kanten von Elektroden des Elektrodenwickels verringert.
Vorteilhaft umfasst der Elektrodenwickel wenigstens zwei Elektrodenpaare, d.h. wenigstens zwei Anoden (a) und wenigstens zwei Kathoden (k). Dabei sind E- lektroden unterschiedlicher Polarität mittels wenigstens eines Separators (s) getrennt. Insbesondere sind die Schichten des Elektrodenwickels in der Folge ai - s - ki - s - a2 - s - k2 angeordnet. Diese Schichten sind zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Vorzugsweise sind in diesem Elektrodenwickel mehrere Elektrodenschichten miteinander, insbesondere elektrisch leitend verbunden. Mit elektrisch leitender Verbindung von Elektroden gleicher Polarität sind die E- lektrodenpaare parallel geschaltet. Mit elektrisch leitender Verbindung von E- lektroden, insbesondere unterschiedlicher Polarität, sind die Elektrodenpaare bevorzugt in Reihe geschaltet. Vorteilhaft wird insbesondere die elektrische Spannung des Elektrodenwickels erhöht.
Vorteilhaft ist an wenigstens einer Begrenzungsfläche des Elektrodenwickels wenigstens ein Kontaktelement angeordnet, welches mit einer Elektrode verbunden ist. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Begrenzungsfläche eines E- lektrodenwickels eine seiner Mantelflächen zu verstehen. Auch eine Stirnfläche fällt im Sinne der Erfindung unter den Begriff der "Begrenzungsfläche". Im Sinne der Erfindung ist unter einem Kontaktelement eine leitfähige Einrichtung zu verstehen, welche eine Elektrode des Elektrodenwickels insbesondere elektrisch kontaktiert und insbesondere aus den Elektrodenwickel herausragt bzw. von diesem absteht. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Kontaktelemente an wenigstens je einer Begrenzungsfläche angeordnet. Vorzugsweise sind jeweils wenigstens ein Kontaktelement an verschiedenen Begrenzungsflächen des Elektro- denwickels angeordnet. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Kontaktelemente an derselben Begrenzungsfläche des Elektrodenwickels angeordnet, insbesondere an einer Stirnfläche. Vorzugsweise sind einer Elektrodenschicht des Elektrodenwickels mehrere Kontaktelemente zugeordnet, insbesondere mit regelmäßigen Abstand. So wird vorteilhaft die Stromdichte je Kontaktelement gesenkt. Vorzugsweise ist ein Kontaktelement als elektrisch leitendes, flächiges Element auf einer Begrenzungsfläche des Elektrodenwickels ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Kontaktelement als Ableiterfähnchen ausgebildet. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Kontaktelemente von verschiedenen Elektrodenschichten miteinander elektrisch leitend verbunden, insbesondere zur Reihenschaltung der Elektrodenschichten. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein Separator verwendet, welcher aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material. Der Träger ist auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen Material beschichtet. Als stoffdurchlässiger Träger wird vorzugsweise ein organisches Material verwendet, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist. Das organische Material, vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET), ist mit einem anorganischen ionenleitenden Ma- terial beschichtet, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -40° C bis 200° C ionenleitend ist. Das anorganische, ionenleitende Material umfasst bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate mit wenigstens einem der Elemente Zr, AI, Li, besonders bevorzugt Zirkonoxid. Bevorzugt weist das anorganische, ionenleitende Material Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm auf. Ein solcher Separator wird beispielsweise unter dem Handelsnamen "Sepa- rion" von der Evonik AG in Deutschland vertrieben.
Vorteilhaft weist eine galvanische Zelle wenigstens einen Elektrodenwickel und eine Einhausung auf. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Einhausung eine Einrichtung zu verstehen, welche insbesondere den wenigstens einen Elektrodenwickel von der Umgebung trennt. Dazu umgibt die Einhausung den wenigstens einen Elektrodenwickel im Wesentlichen vollständig mit einer Wandung. Vorzugsweise ist die Einhausung wenigstens bereichsweise an die Gestalt eines Elektrodenwickels angepasst. Besonders bevorzugt ist die Einhausung über- wiegend an die Gestalt eines Elektrodenwickels angepasst. Bevorzugt ist die
Einhausung mit dem Elektrodenwickel wenigstens bereichsweise stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist die Einhausung als Verbundfolie ausgebildet. Vorzugsweise weist die Einhausung eine Metallfolie auf. Vorzugsweise liegt die Einhausung überwiegend am Elektrodenwickel an. Vorzugsweise umschließt die Einhausung den Elektrodenwickel wenigstens teilweise formschlüssig, stützt den Elektrodenwickel und hält dessen Schichten zusammen. Vorzugsweise ist die Einhausung vorgespannt und übt eine Kraft auf den Elektrodenwickel aus. Auf diese Weise zwängt die Einhausung die Schichten des Elektrodenwickels aneinander und verringert vorteilhaft etwaige Verlagerungen einer Schicht des Elekt- rodenwickels in Bezug auf dessen übrigen Schichten. Vorzugsweise ist die Einhausung als dünnwandiges Metallblech ausgebildet.
Vorteilhaft weist eine galvanische Zelle wenigstens zwei Elektrodenwickel und eine Einhausung auf. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Elektrodenwickel miteinander, insbesondere elektrisch, verbunden, insbesondere in Reihe. Vor- zugsweise sind die wenigstens zwei Elektrodenwickel zueinander derart angeordnet, dass deren Längsachsen im Wesentlichen parallel verlaufen und besonders bevorzugt zusammenfallen. Vorzugsweise berühren sich zwei Elektrodenwickel an je einer Stirnfläche. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Elektrodenwickel von einer gemeinsamen Einhausung wenigstens teilweise umgeben. Dabei ist die gemeinsame Einhausung ausgebildet, wie zuvor beschrieben.
Vorteilhaft ist der Innenseite der Einhausung wenigstens eine Stromleiteinrichtung zugeordnet. Die Stromleiteinrichtung dient auch der elektrischen Wirkverbindung zweier Elektrodenwickel, insbesondere zur Reihenschaltung. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stromleiteinrichtung zur Kontaktierung wenigstens je eines Kontaktelements eines Elektrodenwickels vorgesehen, besonders bevorzugt zur Kontaktierung von je wenigstens einem Kontaktelement von wenigstens zwei Elektrodenwickeln. Vorzugsweise weist die Innenseite der Einhausung gleichzeitig mehrere voneinander getrennte Stromleiteinrichtungen auf. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stromleiteinrichtung als Leiterbahn oder Stromleitfläche ausgebildet, welche insbesondere auf die Innenseite der Einhausung aufgebracht ist. Vorzugsweise ist die Stromleiteinrichtung auf die Innenseite der Einhausung aufgedampft. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stromleiteinrichtung als leitfähiges Plättchen ausgebildet, welches bei der Herstellung der Einhausung eingelegt wird. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stromleit- einrichtung so ausgebildet, dass sie bei vorbestimmten Bedingungen versagt, insbesondere oberhalb einer vorgegebenen Temperatur. Vorzugsweise weist die wenigstens eine Stromleiteinrichtung eine Dünnstelle auf. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stromleiteinrichtung mit einem Polkontakt der Einhausung insbesondere elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise reicht wenigstens eine Stromleiteinrichtung durch die Einhausung.
Vorteilhaft ist wenigstens ein Kontaktelement eines Elektrodenwickels mit einem Bereich der Einhausung, insbesondere elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise ist wenigstens ein Kontaktelement eines Elektrodenwickels mit der Wan- düng der Einhausung bereichsweise, insbesondere elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise erstreckt sich dieser elektrisch leitende Bereich der Wandung wenigstens in Richtung eines Polkontakts, eines weiteren Elektrodenwickels und/oder zur Außenseite der Wandung. Dieser elektrisch leitende Bereich der Wandung der Einhausung dient insbesondere der elektrischen Kontaktierung wenigstens eines Elektrodenwickels. Mittels dieses elektrisch leitenden Bereichs der Wandung sind insbesondere zwei Elektrodenwickel miteinander elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise dient dieser elektrisch leitende Bereich der Wandung der Einhausung der elektrischen Verbindung eines Elektrodenwickels mit einem Polkontakt und/oder der Umgebung. Vorteilhaft kann auf Verkabelun- gen innerhalb der galvanischen Zelle verzichtet werden.
Vorteilhaft ist wenigstens ein Kontaktelement eines Elektrodenwickels durch die Einhausung geführt. Dieses herausgeführte Kontaktelement dient insbesondere der elektrischen Kontaktierung des Elektrodenwickels. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Kontaktelement gasdicht durch die Einhausung, insbesondere deren Wandung, geführt. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Kontaktelemente durch die Einhausung geführt.
Vorteilhaft weist die Einhausung wenigstens einen ersten Verbindungsbereich auf. Dieser erste Verbindungsbereich dient insbesondere der Verbindung der Einhausung mit wenigstens einem weiteren Körper, insbesondere mit einer anderen Einhausung, einem Bereich des Batteriegehäuses und/oder mit einer Wärmetauscheinrichtung. Vorzugsweise weist die Einhausung mehrere erste Verbindungsbereiche auf. Vorzugsweise ist die Verbindung mit wenigstens ei- nem weiteren Körper stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig ausgebildet.
Vorteilhaft weist die Einhausung wenigstens einen Wärmeübergangsbereich auf. Vorzugsweise ist der Wärmeübergangsbereich der Wandung der Einhausung zugeordnet. Dieser Wärmeübergangsbereich dient insbesondere der Wärmeübertragung in einen Elektrodenwickel hinein oder aus diesem heraus. Dabei ist der Elektrodenstapel wenigstens bereichsweise mit der Einhausung wärmeleitend verbunden. Der Wärmeübergangsbereich erstreckt sich vorzugsweise über einen überwiegenden Teil der Wandung der Einhausung. Vorzugsweise ist der Wärmeübergangsbereich von einem ersten Temperiermittel angeströmt und/oder ist wärmeleitend mit einer Wärmetauscheinrichtung verbunden. Vor- zugsweise fallen ein erster Verbindungsbereich und ein Wärmeübergangsbereich wenigstens teilweise zusammen.
Vorteilhaft weist die Einhausung wenigstens zwei Formteile auf. Diese sind vorgesehen, miteinander verbunden zu werden. Die Verbindung wenigstens zweier Formteile untereinander erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig und/oder stoff- schlüssig. Abhängig von den Werkstoffen der verschiedenen Formteile werden diese insbesondere durch Kleben oder ein Schweißverfahren miteinander verbunden. Insbesondere findet das Ultraschallschweißen zur Verbindung eines metallischen Formteils mit einem thermoplastischen Formteil Anwendung. Dabei ist insbesondere eine Vorbehandlung bzw. Aktivierung wenigstens einer der O- berflächen eines beteiligten Formteils dienlich. Eine insbesondere kraft- oder stoffschlüssige Verbindung verbindet die wenigstens zwei Formteile derart, dass vorzugsweise eine umlaufende streifenförmige Verbindung den Raum zwischen den Formteilen gegenüber der Umgebung abdichtet. Vorzugsweise werden wenigstens zwei Formteile in einem zweiten Verbindungsbereich insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden. Dieser zweite Verbindungsbereich verläuft vorzugsweise entlang eines Randbereichs eines beteiligten Formteils. Der zweite Verbindungsbereich ist dabei streifenförmig ausgebildet. Es ist nicht erforderlich, dass der zweite Verbindungsbereich gänzlich entlang der begrenzenden Kanten des Formteils umläuft. Vor der Verbindung der beteiligten Formteile können weitere Einlegeteile so angeordnet werden, dass diese ebenfalls mit den Formteilen kraft- oder stoffschlüssig verbunden werden. Vorzugsweise ist wenigstens eines Kontaktelement von Elektrodenwickels so angeordnet, dass dieses sich teilweise aus der Einhausung erstreckt. Vorzugsweise ist die Einhau- sung auch in den Bereichen eines durchgeführten Kontaktelement gasdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet.
Vorzugsweise weist wenigstens ein Formteil der Einhausung einen Wärmeübergangsbereich auf. Vorzugsweise ist der Wärmeübergangsbereich gleichzeitig als erster Verbindungsbereich ausgebildet. Der Wärmeübergangsbereich kann gleichzeitig zur Befestigung der galvanischen Zelle an eine Wärmetauscheinrichtung dienen, insbesondere durch Schrauben, Nieten, Kleben oder Schweißen. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil der Einhausung biegesteif ausgeführt. Dieses Formteil gibt insbesondere dem Elektrodenwickel Halt, bewahrt den E- lektrodenwickel vor mechanischer Beschädigung und/oder dient der mechani- sehen Verbindung der galvanischen Zelle mit einer Aufnahmevorrichtung. Vorzugsweise ist ein biegesteifes Formteil als Metallplatte oder Metallblech ausgebildet. Das Formteil ist vorzugsweise durch Sicken, hochgestellte Bereiche und/oder Rippen versteift. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil der Einhausung dünnwandig ausgeführt. Vorzugsweise ist die Wandstärke eines dünnwandigen Formteils an eine mechanische, elektrische oder thermische Beanspruchung angepasst. Dabei ist die Wandstärke vorzugsweise nicht gleichförmig. Ein Bereich eines dünnwandigen Formteils mit erhöhter Wandstärke wirkt insbesondere als Wärmesenke oder Wärmereservoir und trägt insbesondere dazu bei, dass Wärmeenergie aus dem Elektrodenwickel abgeführt oder in diesen transportiert wird. Auch spart die dünnwandige Ausbildung eines Form- teils vorteilhaft Gewicht und Platz. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil als Folie, besonders bevorzugt als Verbundfolie, ausgebildet. Als Werkstoffe für die Verbundfolie kommen insbesondere Metalle und/oder Kunststoffe in Frage. Vorzugsweise weist wenigstens ein Formteil der Einhausung wenigstens bereichs- weise eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung dient auch zur Anpassung an Beanspruchungen, denen das Formteil ausgesetzt ist. Insbesondere dient die Beschichtung zur elektrischen Isolation, zum Schutz des Formteils gegen die Chemikalien der galvanischen Zelle, zur Haftverbesserung für eine Klebeverbindung, zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und/oder zum Schutz gegen insbesondere schädigende Einwirkungen aus der Umgebung. Eine Beschichtung bewirkt insbesondere eine chemische Aktivierung der Oberfläche des Formteils. Eine Beschichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Werkstoff auf, der von den Werkstoffen des Formteils abweicht. Das wenigstens eine Formteil weist vorzugsweise auch mehrere verschiedene Beschichtungen auf, welche insbesondere an unterschiedlichen Bereichen des Formteils angeordnet sind. Wenn ein Formteil in elektrischem Kontakt mit dem Elektrodenwickel steht, dann ist ein Stromableiter gegenüber diesem Formteil bevorzugt elektrisch isoliert.
Vorteilhaft weist wenigstens ein Formteil der Einhausung eine Ausnehmung auf, insbesondere eine Schale. Mit dieser Gestaltung gewinnt das Formteil insbesondere ein erhöhtes Flächenträgheitsmoment bzw. Biegesteifigkeit. Vorzugsweise nimmt diese Ausnehmung den Elektrodenwickel wenigstens teilweise auf. Das dient insbesondere dem Schutz des Elektrodenwickels. Die Wandstärke eines Formteils mit Ausnehmung ist vorzugsweise an die Beanspruchung ange- passt. Mehrere Formteile der Einhausung weisen je wenigstens eine Ausnehmung auf, welche gemeinsam einen Raum zur Aufnahme des Elektrodenwickels bilden. Vorzugsweise ist ein Formteil als tiefgezogenes oder kaltfließgepresstes Metallblech ausgebildet. Vorzugsweise ist ein Formteil als tiefgezogene Kunststoffplatte oder Kunststofffolie ausgebildet. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil schalenförmig ausgebildet. Dabei ist die Krümmung des schalenförmi- gen Formteils an den Radius des Elektrodenwickels angepasst. Bei einer mehreckigen Grundfläche des Elektrodenwickels erstreckt sich wenigstens ein Formteil mehrflächig entlang der Längsachse des Elektrodenwickels. Vorzugsweise ist wenigstens ein Formteil als Deckel ausgebildet.
Vorteilhaft weist wenigstens ein Formteil einen ersten Verbindungsbereich auf. Der erste Verbindungsbereich dient insbesondere der Befestigung der galvanischen Zelle, insbesondere in einem Gehäuse, in einem Rahmen oder auf einer Grundplatte. Vorzugsweise ist ein erster Verbindungsbereich derart ausgebildet, dass die Verbindung des betreffenden Formteils mit einem weiteren Körper nur in vorbestimmter Weise erfolgen kann. Beispielsweise weist ein erster Verbindungsbereich eine geometrische Gestalt auf, welche einem Bereich eines weiteren Körpers entspricht. Vorzugsweise ist eine Verbindung zwischen dem Formteil und dem weiteren Körper nur in vorbestimmter Weise möglich, mittels einer Anordnung von Formelementen, insbesondere Löcher und Zapfen. Vorzugswei- se gestattet die Anordnung von Durchgangslöchern oder Gewinden eine Verbindung nur in vorbestimmter Weise. Vorzugsweise ist ein erster Verbindungsbereich räumlich getrennt von einem zweiten Verbindungsbereich. Wenigstens ein Formteil der Einhausung weist vorzugsweise mehrere getrennte erste Verbindungsbereiche auf. Die Verbindung des Formteils mit einem anderen Körper er- folgt insbesondere mittels Nieten, Schrauben, Schweißen oder Kleben. Vorzugsweise fallen ein erster Verbindungsbereich eines Formteils und ein Wärmeübergangsbereich desselben Formteils zusammen. In diesen Bereichen ist das Formteil insbesondere mit einer Wärmetauscheinrichtung, einem Rahmen oder mit einer Grundplatte des Batteriegehäuses verbunden.
Vorteilhaft weist eine Batterie wenigstens zwei galvanische Zellen auf, welche vorzugsweise miteinander elektrisch verschaltet sind, insbesondere in einer Reihenschaltung. Der Batterie ist vorzugsweise wenigstens eine Wärmetauscheinrichtung zugeordnet, welche insbesondere mit wenigstens einer der wenigstens zwei galvanischen Zellen wärmeleitend verbunden ist. Die Wärmetauscheinrich- tung ist vorgesehen, bei vorgegebenen Bedingungen Wärmeenergie mit wenigstens einer der wenigstens zwei galvanischen Zellen auszutauschen. Diese vorgegebenen Bedingungen sind insbesondere erfüllt wenn die Temperatur eines Elektrodenwickels bzw. einer galvanischen Zelle eine Grenztemperatur über- bzw. unterschreitet. Insbesondere wenn sich die Temperatur eines Elektrodenwickels bzw. einer galvanischen Zelle einer Minimaltemperatur nähert oder diese unterschreitet, führt die Wärmetauscheinrichtung diesem Elektrodenwickel bzw. dieser galvanischen Zelle Wärmeenergie zu. Insbesondere wenn sich die Temperatur eines Elektrodenwickels bzw. einer galvanischen Zelle einer Maximal- temperatur nähert oder diese überschreitet, so führt die Wärmetauscheinrichtung Wärmeenergie aus diesem Elektrodenwickel bzw. aus dieser galvanischen Zelle ab. Dabei ist eine Grenztemperatur in Abhängigkeit von den zulässigen Betriebstemperaturen eines Elektrodenwickels gewählt, insbesondere unter Berücksichtigung der Wärmekapazität der Einhausung und/oder dem Ort der Tem- peraturmessung. Vorzugsweise weist die Batterie wenigstens eine Messeinrichtung auf, welche vorgesehen ist, insbesondere die Temperatur wenigstens eines Elektrodenstapels bzw. wenigstens einer galvanischen Zelle zu erfassen. Vorzugsweise weist die Messeinrichtung mehrere Messfühler auf, welche vorgesehen sind, insbesondere die Temperatur mehrerer Elektrodenstapel bzw. mehre- rer galvanischer Zellen zu erfassen. Die Temperatur der Wärmetauscheinrichtung wird bevorzugt in Abhängigkeit von der Temperatur des Elektrodenwickels einer galvanischen Zelle gewählt. Ein vorbestimmtes Temperaturgefälle verursacht einen Wärmestrom in diesen Elektrodenwickel hinein bzw. aus diesem E- lektrodenwickel hinaus. Dabei tauscht die Wärmetauscheinrichtung mit einem Elektrodenwickel Wärmeenergie über wenigstens einen Bereich der Einhausung bzw. deren Wärmeübergangsbereich aus, welcher mit der Wärmetauscheinrichtung in Berührung steht. Auch sind die vorhandenen galvanischen Zellen insbesondere kraft- oder stoffschlüssig über einen ersten Verbindungsbereich der Einhausung mit der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung verbunden. Vor- teilhaft weist die Wärmetauscheinrichtung wenigstens einen ersten Kanal, insbesondere zur Einstellung einer vorgegebenen Temperatur auf. Vorzugsweise ist dieser Kanal mit einem zweiten Temperiermittel gefüllt. Besonders bevorzugt durchströmt ein zweites Temperiermittel diesen wenigstens einen Kanal. Dabei führt das strömende zweite Temperiermittel der Wärmetauscheinrichtung Wärmeenergie zu oder führt Wärmeenergie ab. Die wenigstens eine Wärmetauscheinrichtung ist vorzugsweise mit einem Wärmetauscher wirkverbunden. Der Wärmetauscher führt Wärmeenergie aus dieser Wärmetauscheinrichtung ab oder führt dieser Wärmetauscheinrichtung Wärmeenergie zu, insbesondere mittels eines zweiten Temperiermittels. Der Wärmetauscher bzw. das Temperiermittel wechselwirken insbesondere mit der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs. Der Wärmetauscher weist vorzugsweise eine elektrische Heizeinrichtung auf.
Vorzugsweise ist die Wärmetauscheinrichtung als Aufnahmeeinrichtung, insbesondere als Grundplatte bzw. Rahmen, für die wenigstens zwei galvanischen Zellen der Batterie ausgebildet.
Vorteilhaft weisen die Längsachsen der wenigstens zwei galvanischen Zellen voneinander einen vorbestimmten Abstand auf. Vorzugsweise sind die Längs- achsen zueinander parallel. Vorzugsweise ist der Abstand der Längsachsen zueinander so bemessen, dass sich die Einhausungen der wenigstens zwei galvanischen Zellen berühren. Vorzugsweise ist der Abstand der Längsachsen zweier benachbarter galvanischer Zellen so bemessen, dass diese eine Kraft auf eine dazwischen liegende Wärmetauscheinrichtung ausüben. Diese Kraft dient ins- besondere der Verbesserung des thermischen Kontakts wenigstens einer galvanischen Zelle mit einer Wärmetauscheinrichtung. Falls die Batterie wenigstens drei galvanische Zellen aufweist, sind deren Längsachsen vorzugsweise zueinander parallel angeordnet. Die Abstände dieser Längsachsen sind durch drei vorgegebene Abstandsvektoren bestimmt. Vorzugsweise liegen diese Abstands- vektoren in einer gemeinsamen Ebene. Vorzugsweise sind die Beträge der drei Abstandsvektoren gleich. Bei dieser Anordnung der galvanischen Zellen ist vorzugsweise eine Wärmetauscheinrichtung in den Raum zwischen den drei galvanischen Zellen eingesetzt. Die Abstände der Längsachsen der galvanischen Zellen sind so bemessen, dass die galvanischen Zellen eine Kraft auf die Wärme- tauscheinrichtung ausüben. Vorzugsweise ist die Anordnung der galvanischen Zellen auf Grundlage eines Quadrats aufgebaut. Dabei bilden die Längsachsen von vier galvanischen Zellen die Ecken dieses Quadrats. Während die Raumausnutzung im Vergleich zu einer dreieckigen Einheitszelle sinkt, ist die Wärmetauscheinrichtung vorzugsweise größer und/oder leistungsfähiger ausgebildet. Vorzugsweise sind die galvanischen Zellen prismatisch ausgebildet, wobei die Grundfläche, insbesondere der Einhausung, als ein regelmäßiges Sechseck gestaltet ist. Bei dieser Ausbildung der galvanischen Zellen wird die Wärmetauscheinrichtung bevorzugt als wenigstens einmal gekanntetes Blech ausgebil- det. Wenigstens eine derart ausgebildete Wärmetauscheinrichtung ist vorzugsweise in einer Anordnung prismatischer galvanischer Zellen eingeschoben. Vorzugsweise weist eine derart ausgebildete Wärmetauscheinrichtung wenigstens einen Kanal, insbesondere für ein zweites Temperiermittel auf. Vorzugsweise durchläuft dieses zweite Temperiermittel während des Betriebs der Batterie eine Phasendurchgang. Vorzugsweise wird das zweite Temperiermittel von einer Fördereinrichtung durch den wenigstens einen Kanal der Wärmetauscheinrichtung gefördert. Vorzugsweise ist wenigstens ein Kanal in einer Wärmetauscheinrichtung abgeschlossen und mit einem zweiten Temperiermittel gefüllt, welches innerhalb der Betriebtemperaturen der galvanischen Zellen einen Phasendurch- gang durchläuft. Vorzugsweise weist die Wärmetauscheinrichtung weiter wenigstens einen Kühlkörper mit vergrößerter Oberfläche auf. Vorzugsweise ist die Wärmetauscheinrichtung als Wärmerohr ausgebildet. Vorzugsweise ist die Wärmetauscheinrichtung von einem ersten Temperiermittel angeströmt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Batterie für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen E- lektrodenwickels umfasst die folgenden Schritte: a) beidseitiges Benetzen oder Tränken dieses (keramischen) Separators mit einer ionischen Flüssigkeit; b) Anordnen dieses (keramischen) Separators zwischen einer anodischen Elektrode und einer kathodischen Elektrode; c) Wickeln dieser Anordnung zu einem Elektrodenwickel.
Der Separator ist vor Schritt a) bereitzustellen. Vorzugsweise werden der Separator und die Elektroden vor Schritt b) zugeschnitten. Die Anordnung aus keramischen Separator und Elektroden wird vorzugsweise nach dem Wickeln zum Elektrodenwickel in einer Einhausung aufgenommen werden, um insbesondere das Abfließen oder Ausgasen der ionischen Flüssigkeit zu verhindern. Bevorzugt ist vorgesehen, den benetzten bzw. getränkten keramischen Separator auf eine Elektrode aufzubringen oder aufzulaminieren, wobei der Separator bevorzugt ausgebildet ist, über den Elektrodenrand überzustehen. Die mechanische Verbindung zwischen dem Separator und einer Elektrode basiert auf Adhäsion. Unter Laminieren wird im Sinne der Erfindug ein Zusammenfügen unter Druckaufbringung verstanden. Während des Aufbringens des keramischen Separator werden vorzugsweise chemische Zusatzstoffe zugefügt und/oder Wärme eingebracht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass zum Benetzen ionische Flüssigkeiten mit Additiven verwendet werden, welche den keramischen Separator benetzen und ein Verarbeiten unter normalen Klimabedingungen ermöglichen. Insbesondere die aufeinander abgestimmte Kombination aus einem keramischen Separator und einer ionischen Flüssigkeit ermöglicht neue Verarbeitungswege. So sind z.B. eine Inertgas-Umgebung oder eine wasserfreie Umgebung (Luftfeuchte < 2 %), sowie Reinraumbedingungen (Atmosphärenqualität < 30 ppm), wie diese gemäß dem Stand der Technik in Schutzgasboxen bereitgestellt werden müssen, nicht mehr erforderlich. Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Elektrodenwickel energiesparend und kostengünstig hergestellt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der keramische Separator erst durch Aufbringen einer Benetzungslösung mit etwaigen Additiven, wobei es sich hierbei um insbesondere eine ionische Flüssigkeit handelt, biegsam und damit verarbeitbar wird. Die Benetzungslösung einschließlich der etwaigen Additive wird anschließend nicht entfernt, sondern mit dem Elektrodenwickel verbaut. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit einfach ausführen und ist damit insbesondere auch für die maschinelle Serienfertigung geeignet.
Vorteilhaft wird eine Batterie mit wenigstens zwei galvanischen Zellen und einer Wärmetauscheinrichtung so betrieben, dass die Temperatur der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur wenigstens einer der beiden galvanischen Zellen eingestellt wird. Vorzugsweise wird die Temperatur der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung in Abhängigkeit von den zulässigen Betriebstemperaturen der wenigstens zwei galvanischen Zellen eingestellt. Bei Unterschreiten einer Minimaltemperatur bzw. wenn sich die Temperatur wenigstens einer galvanischen Zelle dieser Minimaltemperatur nähert, wird die Temperatur der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung oberhalb der Temperatur der galvanischen Zelle eingestellt. So wird vorteilhaft ein Wärmestrom in die galvanische Zelle getrieben. Sofern sich die Temperatur wenigstens einer galvanischen Zelle bzw. eines Elektrodenwinkels einer zulässigen Maximaltemperatur nähert, wird die Temperatur der Wärmetauscheinrichtung vorzugsweise geringer als die Temperatur der wenigstens einen galvanischen Zelle gewählt. So wird der galvanischen Zelle bzw. der Elektrodenwickel Wär- meenergie entzogen.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Wärmetauscheinrichtung dabei von einem ersten Temperiermittel angeströmt und/oder durchströmt. Vorzugsweise dient das Kühlmittel der Kraftfahrzeugklimaanlage als Temperiermittel für die Wärmetauscheinrichtung. Vorzugsweise wird die Temperatur des ersten Tempe- riermittels in Abhängigkeit von den zulässigen Betriebstemperaturen der wenigstens zwei galvanischen Zellen eingestellt. Bei Unterschreiten einer Minimaltemperatur bzw. wenn sich die Temperatur wenigstens einer galvanischen Zelle dieser Minimaltemperatur nähert, wird die Temperatur des ersten Temperiermittels oberhalb der Temperatur der galvanischen Zelle eingestellt. So wird vorteilhaft ein Wärmestrom in die galvanische Zelle getrieben. Sofern sich die Temperatur einer galvanischen Zelle bzw. eines Elektrodenwinkels einer zulässigen Maximaltemperatur nähert, wird die Temperatur des ersten Temperiermittels vorzugsweise geringer als die Temperatur der wenigstens einen galvanischen Zelle gewählt. So wird der galvanischen Zelle bzw. der Elektrodenwickel Wärmeenergie entzogen.
Vorteilhaft wird der wenigstens eine Wärmeübergangsbereich einer galvanischen Zelle wenigstens zeitweise von einem ersten Temperiermittel angeströmt und/oder durchströmt. Vorzugsweise dient die Umgebungsluft und/oder das ers- te Temperiermittel der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs zur Anströmung bzw.
Durchströmung des Wärmeübergangsbereichs. Vorzugsweise wird die Temperatur wenigstens einen Wärmeübergangsbereichs in Abhängigkeit von den zulässigen Betriebstemperaturen der wenigstens zwei galvanischen Zellen eingestellt. Bei Unterschreiten einer Minimaltemperatur bzw. wenn sich die Tempera- tur wenigstens einer galvanischen Zelle dieser Minimaltemperatur nähert, wird die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübergangsbereichs oberhalb der Temperatur der galvanischen Zelle eingestellt. So wird vorteilhaft ein Wärmestrom in die galvanische Zelle getrieben. Sofern sich die Temperatur einer galvanischen Zelle bzw. eines Elektrodenwinkels einer zulässigen Maximaltempera- tur nähert, wird die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübergangsbereichs vorzugsweise geringer als die Temperatur der wenigstens einen galvanischen Zelle gewählt. So wird der galvanischen Zelle bzw. der Elektrodenwickel Wärmeenergie entzogen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Er- findung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
Fig.1 einen erfindungsgemäßen Elektrodenwickel in einer perspektivischen Ansicht, Fig.2 eine erfindungsgemäße galvanische Zelle mit mehreren erfindungsgemäßen Elektrodenwickeln in einer gemeinsamen Einhausung, in einem schematischen Teilschnitt,
Fig.3 eine schematische Darstellung einer teilgeschnittenen Einhausung für eine erfindungsgemäße galvanische Zelle,
Fig.4 eine Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer galvanischer Zellen mit einer Wärmetauscheinrichtung in einer schematischen Darstellung,
Fig.5 eine weitere Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer galvanischer Zellen mit einer Wärmetauscheinrichtung in einer schematischen Darstel- lung,
Fig.6 eine weitere Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer galvanischer Zellen mit einer Wärmetauscheinrichtung in einer schematischen Darstellung.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektrodenwickel 3 in einer perspektivi- sehen Ansicht. Dargestellt ist der Elektrodenwickel 3 bevor das Wickeln vollständig abgeschlossen ist.
Der Elektrodenwickel 3 beinhaltet einen keramischen Separator 4, eine anodische Elektrode 5 und eine kathodische Elektrode 6. Der Separator 4 ist derart ausgebildet, dass er über den Außenrand bzw. die Außenumrisslinie der Elekt- roden 5 und 6 übersteht, wodurch insbesondere die chemische und elektrische Stabilität des Elektrodenwickels 3 verbessert wird. Insbesondere zwischen dem Separator 4 und den beidseitig angeordneten Elektroden 5 und 6 befindet sich eine ionische Flüssigkeit. Die Elektroden 5 und 6 weisen Kontaktelemente bzw. Ableiterfähnchen 71 und 81 auf, die mit einer nicht dargestellten Poldurchführung elektrisch leitend verbunden sind. Zur Verbesserung der Stromeinbringung und der Stromausbringung aus dem Elektrodenwickel 3 sind eine Vielzahl von Kontaktelementen 71 und 81 vorgesehen, die stirnseitig aus dem Elektrodenwickel herausragen. Auf diese Weise lassen sich in dem Elektrodenwickel 3 auch mehrere Elektrodenschichten anordnen bzw. unterbringen. Hierbei wird bewusst in Kauf genommen, dass durch diese Vielzahl an Kontaktelementen 71 und 81 die Herstellung eines solchen Elektrodenwickels 3 erschwert wird. Die Kontaktelemente 71 und 81 sind hier an einer Stirnseite des Elektrodenwickels 3 angeordnet.
Der Elektrodenwickel 3 ist in einer nicht dargestellten Einhausung bzw. einem Gehäuse aufgenommen. Die Kontaktierung nach außen erfolgt insbesondere mittels wenigstens einer Poldurchführung.
Dessen ungeachtet kann die Batteriezelle 3 auch in einer separaten Umhüllung (nicht dargestellt) angeordnet sein. Durch eine solche Umhüllung kann insbesondere auch verhindert werden, dass die auf den gegenüberliegenden Seiten des Separators 4 angeordneten Elektroden 5 und 6 in der Wickelandordnung miteinander in elektrischen Kontakt geraten. Zur Verhinderung eines solchen elektrischen Kontakts kann alternativ und/oder ergänzend auch eine Isolier- Schicht 9 in die Wickelanordnung mit eingewickelt werden, was in der Figur gestrichelt dargestellt ist. Eine solche Isolierschicht ist bevorzugt ebenfalls aus einem keramischen Material gebildet, kann jedoch auch aus einem anderen, thermisch stabilen und elektrisch nicht leitenden Material gebildet sein.
Figur 2 zeigt schematisch eine galvanische Zelle 2 mit mehreren Elektrodenwi- ekeln 3, welche in einer gemeinsamen Einhausung 11 angeordnet sind. Nicht dargestellt sind die Kontaktierungen an den Begrenzungsflächen der Elektrodenwickel, mehrere Stromleiteinrichtungen 15 auf der Innenseite innerhalb der Einhausung 11 sowie die Polkontakte der galvanischen Zelle 2. Auch nicht dar- gestellt sind zweite Formteile 11b zum Verschließen der Einhausung bzw. des ersten Formteils 11a. Die Elektrodenwickel 3 sind in Reihe geschaltet. Das erste Formteil 11a ist als an die Gestalt der Elektrodenwickel 3 angepasstes Metallblech ausgebildet. Die Innenseite des Formteils 11a ist bereichsweise wärmelei- tend und gleichzeitig elektrisch isolierend beschichtet. Die Einhausung 11 bzw. das erste Formteil 11a weisen einen Wärmeübergangsbereich 12 auf, welcher gleichzeitig als Verbindungsbereich 13 dient. Je nach Betriebsart ist der Wärmeübergangsbereich 12 von einem ersten Temperiermittel umströmt oder ist mit einer Wärmetauscheinrichtung verbunden.
Figur 3 zeigt einen Abschnitt einer Einhausung 11 für eine galvanische Zelle. Die Einhausung 11 ist als Verbundfolie ausgebildet. Diese Verbundfolie umschließt die nicht dargestellten Elektrodenwickel unter Vorspannung, so dass die Einhausung 11 eine Kraft auf die Elektrodenwickel ausübt. Diese Kraft zwängt die E- lektrodenwickel zusammen und aneinander. Auf der Innenseite der Einhausung 11 sind mehrere Stromleiteinrichtungen 15, 15a aufgebracht. Die Stromleiteinrichtung 15 ist als Stromleitband ausgebildet und durch die Wandungen der Einhausung 11 geführt. Die Stromleiteinrichtung 15 dient auch der Kontaktierung der galvanischen Zelle von außen und der Kontaktierung eines Elektrodenwickels. Die Stromleiteinrichtung 15a ist als metallisches Plättchen ausgebildet, welches mit der Innenseite der Einhausung 11 verbunden ist. Vorzugsweise ist die Stormleiteinrichtung 15a sowohl von der Innenseite der Einhausung 11 als auch von außen elektrisch kontaktierbar. Vorteilhaft kann so auf eine Poldurchführung bzw. einen Polkontakt für die galvanische Zelle verzichtet werden. Dabei ist die Stromleiteinrichtung 15a gasdicht in die Verbundfolie der Einhausung 11 eingebettet. Die Einhausung 11 weist einen Wärmeübergangsbereich 12 auf.
Figur 4 zeigt eine Batterie 1 im Schnitt. Die dargestellte Batterie 1 weist sieben galvanische Zellen 2 auf. Deren Einhausungen 11 sind im Wesentlichen prismatisch ausgebildet und weisen eine sechseckige Grundfläche auf. Die Einhausung 11 bzw. das erste Formteil 11a ist aus einem Metallblech ausgebildet, welches auf der Innenseite bereichsweise elektrisch isolierend und wärmeleitend beschichtet ist. Die Einhausung 11 umschließt den Elektrodenwickel 3 derart, dass die Einhausung 11 eine Kraft auf die Elektrodenwickel 3 ausübt. Es ist nicht dargestellt, dass eine galvanische Zelle 2 vier Elektrodenwickel enthält, welche in Reihe geschaltet sind. Die Batterie 1 ist weiter mit zwei Wärmetauscheinrichtungen 14, 14a ausgestattet. Die Abstände der Längsachsen der einzelnen galvanischen Zellen sind so bemessen, dass die galvanischen Zellen Kräfte auf die Wärmetauscheinrichtungen 14, 14a ausüben. Es ist nicht dargestellt, dass die Wärmetauscheinrichtungen 14, 14a von einem Temperiermittel angeströmt wer- den. Es ist nicht dargestellt, dass die ersten Formteile 11a von angepassten und als Deckel ausgebildeten zweiten Formteilen verschlossen sind. Die Wärmetauscheinrichtungen 14, 14a sind mehrfach gekantet, um insbesondere eine raumsparende Anordnung der galvanischen Zellen 2 zu ermöglichen und die galvanischen Zellen 2 großflächig wärmeleitend zu berühren.
Figur 5 zeigt eine Anordnung von drei galvanischen Zellen mit vorgegebenen
Abständen zwischen deren Längsachsen. Gestrichelt ist die Elementarzelle der Anordnung dargestellt, welche die Gestalt eines gleichseitigen Dreiecks hat. Der Freiraum zwischen den galvanischen Zellen 2 ist mit einer Wärmetauscheinrichtung 14 gefüllt. Die Wärmetauscheinrichtung 14 weist einen Kanal 17 für ein Temperiermittel auf. Es ist nicht dargestellt, dass die Wärmetauscheinrichtung 14 an die Gestalt der umgebenen galvanischen Zellen 2 angepasst ist. So schmiegt sich die Wärmetauscheinrichtung 14 mit möglichst großen Flächen an die galvanischen Zellen 2 an. Die Wärmetauscheinrichtung 14 weist einen Kanal 17 für ein zweites Temperiermittel auf. Das zweite Temperiermittel wird von ei- ner der Batterie 1 zugeordneten Fördereinrichtung durch die Kanäle 17 befördert. Das zweite Temperiermittel ist so gewählt, dass es bei einer Temperatur von drei Kelvin unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der galvanischen Zelle einen Phasenübergang durchläuft. Figur 6 zeigt ebenfalls eine Anordnung mehrerer galvanischer Zellen 2, um eine gemeinsame Wärmetauscheinrichtung 14. Diese Wärmetauscheinrichtung 14 schmiegt sich mit möglichst großen Flächen an die sie umgebenden galvanischen Zellen 2 an. Die Wärmetauscheinrichtung 14 weist mehrere Kanäle 17 auf, welche vorgesehen sind, mit einem zweiten Temperiermittel gefüllt zu werden. Nicht dargestellt ist, dass die Kanäle 17 abgeschlossen sind und an ihren Enden einen Kühlkörper mit vergrößerter Oberfläche aufweisen. Die Wärmetauscheinrichtung 14 wirkt gemeinsam mit dem oberflächenvergrößerten Kühlkörper und dem zweiten Temperiermittel mit Fähigkeit zur Phasenänderung als Wärmerohr. Dafür ist erforderlich, dass die Temperatur eines Phasendurchgangs des zweiten Temperiermittels an die Betriebstemperaturen der galvanischen Zellen angepasst ist. Das zweite Temperiermittel ist so gewählt, dass eine Phasenänderungstemperatur fünf Kelvin unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der galvanischen Zellen 2 bzw. der Elektrodenwickel liegt. In der Figur ist gestrichelt die quadratische Elementarzelle der Anordnung der
Längsachsen der galvanischen Zellen 2 dargestellt. Im Vergleich zu Figur 5 ist die Volumenausnutzung zwar etwas verschlechtert, andererseits ist die Wärmetauscheinrichtung 14 mit größeren Oberflächen und zusätzlichen Kanälen 17 ausgebildet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Elektrodenwickel (3) von im wesentlichen zylindrischer Gestalt, welcher wenigstens aufweist: eine anodische Elektrode (5), eine kathodische Elektrode (6), und einen Separator (4), welcher wenigstens teilweise zwischen diesen Elektroden (5, 6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) aus einem Material gefertigt ist, welches wenigs- tens einen Bestandteil aus einem keramischen Werkstoff aufweist.
2. Elektrodenwickel (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) aus einem biegsamen keramischen Kompositmaterial gebildet ist und/oder dass der Separator (4) wenigstens einseitig und bevorzugt zweiseitig mit einer ionischen Flüssigkeit benetzt ist.
3. Elektrodenwickel (3) nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) zumindest an einer Stirnfläche des Elektrodenwickels (3) über die Elektroden (5, 6) hinausragt.
4. Elektrodenwickel (3) nach mindestens einem der vorausgehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) wenigstens zwei Paare von Elektroden (5, 6) unterschiedlicher Polarität aufweist, welche insbesondere in Reihe geschaltet sind.
5. Elektrodenwickel (3) nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Begren- zungsfläche des Elektrodenwickels (3) wenigstens ein Kontaktelement (71 , 81) angeordnet ist, vorzugsweise an einer Stirnfläche des Elektrodenwickels (3).
6. Elektrodenwickel (3) nach mindestens einem der vorausgehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (4) bevorzugt aus einem stoffdurchlässigen Träger besteht, vorzugsweise teilweise stoffdurchlässig, also im Wesentlichen durchlässig in Bezug auf zumindest ein Material und im Wesentlichen undurchlässig in Bezug auf zumindest ein anderes Material, wobei der Träger auf mindestens einer Seite mit einem anorganischen
Material beschichtet ist, wobei als stoffdurchlässiger Träger vorzugsweise ein organisches Material verwendet wird, welches vorzugsweise als nicht verwebtes Vlies ausgestaltet ist, wobei das organische Material vorzugsweise ein Polymer und besonders bevorzugt Polyethylenterephthalat (PET) aufweist, wobei das organische Material mit einem anorganischen ionenleitenden Material beschichtet ist, welches vorzugsweise in einem Temperaturbereich von - 40° C bis 200° C ionenleitend ist, wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosolikate wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li ist, insbesondere Zirkonoxid, und wobei das anorganische, ionenleitende Material bevorzugt Partikel mit einem größten Durchmesser unter 100 nm aufweist.
7. Elektrodenwickel (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Elektrode (5, 6) umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Kathode (6), welche eine Verbindung mit der Formel LiMPO4 aufweist, wobei M wenigstens ein Übergangsmetallkation der ersten Reihe des Periodensystems der Elemente ist, wobei dieses Übergangsmetallkation vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Ni und Ti oder einer Kombination dieser Elemente gewählt ist, und wobei die Verbindung vorzugsweise eine
Olivinstruktur aufweist, vorzugsweise übergeordnetes Olivin, wobei Fe besonders bevorzugt ist; und/oder dass er wenigstens eine Elektrode (5, 6) umfasst, vorzugsweise wenigstens eine Kathode (6), welche ein Lithiummanganat, vorzugsweise LiMn2O4 VOm Spinell-Typ, ein Lithiumkobaltat, vorzugsweise LiCoO2, oder ein Lithiumnickelat, vorzugsweise LiNiO2, oder ein Gemisch aus zwei oder drei dieser Oxide, oder ein Lithiummischoxid, welches Mangan, Kobalt und Nickel enthält, aufweist.
8. Galvanische Zelle (2) mit wenigstens einem Elektrodenwickel (3) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Elektrodenwickel (3) wenigstens teilweise von einer Einhausung (11) umgeben ist.
9. Galvanische Zelle (2) mit wenigstens zwei Elektrodenwickeln (3) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Elektrodenwickel (3) miteinander elektrisch verschaltet sind, dass die Längsachsen der wenigstens zwei Elektrodenwickel (3) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und dass die wenigstens zwei Elektrodenwickel (3) wenigstens teilweise von einer gemeinsamen Einhausung (11) umgeben sind, wobei vorzugsweise der Innenseite der Einhausung (11) wenigstens eine Stromleiteinrichtung (15, 15a) zugeordnet ist.
10. Galvanische Zelle (2) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kontaktelement (71 , 81) eines Elektrodenwickels (3) mit der Einhausung (11) insbesondere elektrisch leitend verbunden ist, und/oder dass wenigstens ein Kontaktelement (71 , 81) eines E- lektrodenwickels (3) aus der Einhausung (11) herausgeführt ist.
11. Galvanische Zelle (2) gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhausung (11) wenigstens einen ersten Verbindungsbereich (13) und/oder wenigstens einen Wärmeübergangsbereich (12) aufweist, und/oder dass die Einhausung (11) wenigs- tens ein erstes Formteil (11a) und ein zweites Formteil (11b) aufweist, welche vorgesehen sind, miteinander verbunden zu werden.
12. Batterie (1) mit wenigstens zwei galvanischen Zellen (2) gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie (1) wenigstens eine Wärmetauscheinrichtung (14, 14a) zugeord- net ist, welche vorgesehen ist, bei vorgegebenen Bedingungen Wärmeenergie mit wenigstens einer der wenigstens zwei galvanischen Zellen (2) auszutauschen, wobei vorzugsweise die Längsachsen der wenigstens zwei galvanischen Zellen (2) voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen.
13. Verwendung einer galvanischen Zelle (2) gemäß mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche 8 bis 11 für ein Kraftfahrzeug mit einem E- lektroantrieb oder einem Hybridantrieb.
14. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels (3) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte: a) beidseitiges Benetzen oder Tränken eines Separators (4) mit einer ionischen Flüssigkeit; b) Anordnen des Separators (4) zwischen einer anodischen Elektrode (5) und wenigstens einer kathodischen Elektrode (6) c) Wickeln dieser Anordnung zu einem Elektrodenwickel (3).
15. Verfahren zum Betrieb einer Batterie (1) mit wenigstens zwei galvanischen Zellen (2) insbesondere gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11 und wenigstens einer Wärmetauscheinrichtung (14, 14a), dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der wenigstens einen Wärmetauscheinrichtung (14, 14a) in Abhängigkeit von der Temperatur wenigstens einer der beiden galvanischen Zellen (2) eingestellt wird, wobei vorzugsweise die Wärmetauscheinrichtung (14, 14a) wenigstens zeitwei- se von einem ersten Temperiermittel angeströmt und/oder durchströmt wird, wobei die Temperatur des ersten Temperiermittels in Abhängigkeit von der Temperatur wenigstens einer der beiden galvanischen Zellen (2) eingestellt wird.
16. Verfahren zum Betrieb einer galvanischen Zelle (2) gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmeübergangsbereich
(12) wenigstens zeitweise von einem ersten Temperiermittel angeströmt und/oder durchströmt wird.
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