EP4128427A1 - Elektrochemische zelle und verfahren zum herstellen einer elektrochemischen zelle - Google Patents

Elektrochemische zelle und verfahren zum herstellen einer elektrochemischen zelle

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EP4128427A1
EP4128427A1 EP21713391.7A EP21713391A EP4128427A1 EP 4128427 A1 EP4128427 A1 EP 4128427A1 EP 21713391 A EP21713391 A EP 21713391A EP 4128427 A1 EP4128427 A1 EP 4128427A1
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EP
European Patent Office
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electrochemical cell
housing
terminal
cell
electrically conductive
Prior art date
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Pending
Application number
EP21713391.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Widmaier
Elisabeth Reitz
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ElringKlinger AG
Original Assignee
ElringKlinger AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell which has a housing, an electrochemical element arranged in an interior space of the housing and at least one cell terminal which comprises a terminal bushing which extends through a passage opening in the housing.
  • the electrochemical cell can in particular be an accumulator cell or a battery cell.
  • Lithium-ion battery cells represent a key technology for drive concepts in electromobility.
  • the electrochemical unit which contains the electrochemically active unit of the cell, for example a lithium-ion battery cell, from harmful environmental influences, the electrochemical unit is enclosed in a gas-tight manner with a cell housing.
  • an overcharging of the electrochemical cell causes self-reinforcing heating of the electrochemical cell, which can lead to an explosive ignition (“thermal runaway”).
  • an overcharge safety device (OSD) is built into the housing of such an electrochemical cell.
  • a snap-on element also referred to synonymously as a "spring element” is often used as an overcharge protection device.
  • the snap-on element can in particular be welded into a housing cover of the housing of the electrochemical cell.
  • the snap-on element is deflected outward at a predetermined internal cell pressure and thereby creates an electrically conductive connection between the housing cover and the cell terminal with a polarity opposite to the polarity of the housing cover, for example with the negative cell terminal.
  • the increased internal cell pressure is caused by electrochemical processes and the generation of heat when the electrochemical cell is overcharged. Since the housing cover is at the opposite electrical potential, for example at the potential of the positive cell terminal, the electrochemical cell is short-circuited by the contact of the snap-on element with the cell terminal. A safety fuse, for example, can be triggered by the short circuit.
  • the fuse After the fuse has been triggered, there is no longer an electrical connection between the cell terminal, in whose connecting conductor the fuse is arranged, and the electrochemical element in the interior of the housing of the electrochemical cell, so that the electrochemical cell can no longer be charged. This prevents further overcharging of the cell. Since the snap-over element only contacts the cell terminal assigned to it at a small point of contact and the snap-over element is usually made of thin sheet metal to enable the snap-over element to snap over, the current-carrying cross section of the contact between the triggered snap-over element and the assigned cell terminal is small. This can lead to considerable heat development, which can damage the snap-on element. This can have the consequence that the fuse can no longer be released, so that the short-circuit current path is interrupted and the electrochemical cell is further overloaded and brought into a critical state despite the activation of the snap-on element.
  • an additional current-limiting resistance between the further cell terminal which is not assigned to the snap-on element, for example the positive terminal, and the housing of the electrochemical cell.
  • the terminal bushing of the further cell terminal is not welded directly to the housing of the electrochemical device, but instead is electrically insulated through a passage opening in the housing of the electrochemical device.
  • the strombe limiting resistor is arranged on the outside of the housing of the electrochemical device between the other cell terminal on the one hand and the Ge housing, for example a cover of the housing, the electrochemical device on the other hand.
  • the present invention is based on the object of creating an electrochemical cell of the type mentioned at the outset, which has a simple structure and requires little manufacturing effort, but nevertheless reliably limits the short-circuit current occurring in the event of an irregular operating state.
  • the electrochemical cell comprises an electrically conductive sealing element which seals the passage opening of the housing and connects the cell terminal to the housing in an electrically conductive manner.
  • the sealing element comprises a plastic material.
  • the sealing element comprises a thermoplastic material and / or a thermoset material.
  • the sealing element comprises a polypropylene material, a polybutylene terephthalate material and / or an epoxy resin material.
  • the electrically conductive sealing element forms an ohmic resistance between the cell terminal and the housing, which is preferably at least 1 10 1 W and / or preferably 1 10 7 W at most.
  • the material of the electrically conductive sealing element has a specific electrical conductivity which is preferably at least 10 3 S / m, particularly preferably more than 10 2 S / m, and / or preferably at most 10 3 S / m, particularly preferably less than 10 1 S / m.
  • the sealing element comprises an electrically conductive additive.
  • Such an electrically conductive additive can, for example, metallic particles, an electrically conductive carbon modification (for example graphite, carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers and / or carbon nano-onions) and / or an electrically conductive ceramic material (for example a nitride or a carbide) include.
  • an electrically conductive carbon modification for example graphite, carbon black, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers and / or carbon nano-onions
  • an electrically conductive ceramic material for example a nitride or a carbide
  • the sealing element comprises a plastic material that is electrically conductive by doping.
  • the sealing element is a doped polyacetylene material, a doped polypyrrole material, a doped polyaniline material, a doped poly (p-phenylene) material, a doped polythiophene material, a doped poly-3,4 ethylenedioxythiophene and / or a doped polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS).
  • a doped polyacetylene material a doped polypyrrole material, a doped polyaniline material, a doped poly (p-phenylene) material, a doped polythiophene material, a doped poly-3,4 ethylenedioxythiophene and / or a doped polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS).
  • the sealing element is particularly easy to manufacture if it is designed as an injection molded part or as a potting compound.
  • the cell terminal on which the sealing element is arranged can in particular be a positive cell terminal (cathode) of the electrochemical cell.
  • the electrochemical cell in addition to the cell terminal on which the sealing element is arranged, comprises a further cell terminal and a snap-on element which brings the housing of the electrochemical cell into electrically conductive contact with the further cell terminal when a pressure in the interior of the housing of the electrochemical cell exceeds a threshold pressure value.
  • the housing of the electrochemical cell preferably comprises aluminum and / or a stainless steel material.
  • the housing of the electrochemical cell comprises aluminum as the main component or comprises a stainless steel material as the main component.
  • a particularly simple structure for the cell terminal results when the cell terminal comprises a bent sheet metal part.
  • Such a sheet metal part can be separated from a sheet of a suitable starting material, for example punched out or - for example by means of a laser - cut out, and then bent into the desired shape.
  • the bent sheet metal part can, for example, have an essentially S-shaped or an essentially Z-shaped longitudinal section.
  • the starting material from which the sheet metal part is separated can have a material transition, in particular between a first area, which is mainly made of aluminum, for example, and a second area, which is mainly made of copper, for example.
  • These two areas of the starting material for the sheet metal part can be connected to one another by lap roll cladding, for example.
  • the cell terminal comprises an elastically deformable area.
  • the elasticity of the elastically deformable area is based on a formula elasticity which is caused by the elastically deformable area comprising at least one bend, in particular at least two bends, particularly preferably at least three bends, for example at least four bends.
  • the present invention further relates to a method for producing an electrochemical cell, the electrochemical cell comprising a housing, an electrochemical element arranged in the interior of the housing and at least one cell terminal which comprises a terminal bushing.
  • the present invention is based on the further object of providing such a method for producing an electrochemical cell, by means of which an electrochemical cell is created which has a simple construction and yet reliably limits a short-circuit current occurring in an irregular operating state of the electrochemical cell.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing an electrochemical cell according to the invention.
  • the electrochemical element of the electrochemical cell can in particular be designed as a cell coil soaked in electrolyte.
  • the electrochemical cell is preferably designed as a lithium-ion accumulator cell.
  • the cell chemistry of the electrochemical cell is based on LUTisOiz.
  • the electrochemical cell according to the invention is particularly suitable for use in a module which comprises several electrochemical cells.
  • Such a module can be used, for example, as an energy source for an electric vehicle, in particular an electric automobile.
  • a starting material, from which the sealing element is formed is injected or cast directly around the cell terminal and an area of the housing of the electrochemical cell.
  • the electrical conductivity (and thus the degree of current limitation by the sealing element) can be set in a targeted manner by the proportion of the electrically conductive additive in the material of the sealing element will.
  • the sealing element is formed from a plastic material that is electrically conductive by doping
  • the electrical conductivity of the sealing element can be adjusted by the degree of doping of the plastic material.
  • the sealing element is formed from a thermoplastic material
  • the sealing element is preferably produced by injection molding.
  • the sealing element is made from a thermoset material
  • the sealing element is preferably made by a potting process.
  • the electrically conductive sealing material takes on two functions at the same time, namely on the one hand to seal the terminal bushing of the cell terminal and on the other hand to limit the electrical short-circuit current that flows from the cell terminal to the housing of the electrochemical cell, for example when a snap-on element is triggered.
  • the cutting plane through an electrochemical element, a housing, two cell terminals, two connecting conductors, which each connect a cell terminal to the electrochemical element in an electrically conductive manner, a sealing element which seals the passage opening of the housing and one of the cell terminals electrically conductively connects to the housing, an insulation element which electrically isolates another cell terminal of the electrochemical cell from the housing, and a snap-on element which brings the housing of the electrochemical cell into electrically conductive contact with the other cell terminal when there is pressure in the interior of the housing exceeds a threshold pressure value, the electrochemical cell is in a normal operating state in which the snap-on element is spaced apart from the further cell terminal;
  • Fig. 2 was a schematic longitudinal section corresponding to Fig. 1 through the same electrochemical cell in a Kurz practitionerzu, in which the snap-on element connects the housing of the electrochemical cell in an electrically conductive manner to the other cell terminal after the pressure in the interior of the hous ses has exceeded a threshold pressure value ;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a material of the Abêtle element, which is a non-electrically conductive plastic material and an electrically conductive phase from an electrically comprises conductive additive, wherein the proportion of the electrically conductive additive is set so that the sealing element has neither too high nor too low an electrical conductivity;
  • Fig. 4 is a schematic representation of a material of the Abêtle element, which itself comprises a non-electrically conductive plastic material and an electrically conductive phase of an electrically conductive additive, the proportion of the electrically conductive additive is too small to make the sealing element electrically conductive do;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a material of the Abêtle element, which itself comprises a non-electrically conductive plastic material and an electrically conductive phase of an electrically conductive additive, the proportion of the electrically conductive additive is so high that the sealing element is too high has electrical conductivity;
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration corresponding to FIG. 1 of a second embodiment of the electrochemical cell, in which the passage opening of the housing on which the sealing element is arranged is bordered by a collar;
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration corresponding to FIG. 1 of a third embodiment of the electrochemical cell, in which the cell terminal of the electrochemical cell, on which the sealing element is arranged, comprises a bent sheet metal part; and FIG. 8 shows a sectional illustration corresponding to FIG. 1 of a fourth
  • Embodiment of the electrochemical cell in which the cell terminal on which the sealing element is arranged has an elastically deformable area which comprises several bending lines.
  • An electrochemical cell shown in FIGS. 1 and 2, designated as a whole by 100 comprises a housing 102, which can be formed in one or more parts, an electrochemical element 104 which is arranged in the housing 102 and which is electrically connected via a first connecting conductor 106 Conductively with a terminal bushing 108 of a first cell terminal 110 and electrically conductively connected via a second connecting conductor 112 to a terminal bushing 114 of a second cell terminal 116, and an electrical insulation element 118, by means of which the terminal bushing 114 of the second cell terminal 116 is electrically isolated from the housing 102 is lated.
  • the electrochemical cell 100 comprises an electrically conductive sealing element 120, which seals a passage opening 122 of the housing 102 of the electrochemical cell 100, through which the terminal duct 114 of the first cell terminal 110 extends from the exterior of the housing 102 into its interior 124.
  • the sealing element 120 connects the first cell terminal 110 in an electrically conductive manner to the housing 102 of the electrochemical cell 100.
  • the sealing element 120 comprises, for example, a plastic material and an electrically conductive additive.
  • the plastic material can in particular be a thermoplastic material, for example a polypropylene material or a polybutylene terephthalate material.
  • the sealing element is preferably produced in situ on the through-opening 122 of the housing 102 by an injection molding process.
  • the sealing element 120 comprises a thermoset material, for example an epoxy resin material.
  • the sealing element 120 is preferably produced in situ at the passage opening 122 of the housing 102 of the electrochemical cell 100 by a casting process.
  • the electrically conductive additive 126 contained in the sealing element 120 can comprise, for example, metallic particles, in particular aluminum particles, and / or a carbon-containing material, for example graphite and / or carbon black.
  • the electrical conductivity of the sealing element 120 can be set in a targeted manner by the proportion of the conductive additive 126 in the material of the sealing element 120.
  • the proportion of the conductive additive 126 in the material of the sealing element 120 is therefore selected, as shown schematically in FIG. 3, so that the sealing element 120 has a desired ohmic contact resistance between the first cell terminal 110 and the housing 102 of the electrochemical cell 100 Range from preferably about 1 10 1 W to about 1 10 7 W forms.
  • the specific electrical conductivity of the material of the sealing element 120 is preferably at least 10 3 S / m and preferably at most 10 3 S / m.
  • the desired electrical conductivity of the sealing element 120 can also be produced by using a plastic material that is itself electrically conductive, in particular a plastic material that is electrically conductive through doping.
  • the sealing element 120 can be formed, for example, from a doped polyacetylene material, from a doped polypyrrole material, from a doped polyaniline material, from a doped poly (p-phenylene) material or from a doped polythiophene material.
  • the electrochemical cell 100 comprises a snap-on element 130, which is arranged opposite the second cell terminal 116 on the housing 102 of the electrochemical cell 100.
  • the snap-on element 130 In the normal operating state of the electrochemical cell 100 shown in FIG. 1, the snap-on element 130 is in a rest state in which the snap-on element 130 protrudes into the interior 124 of the housing 102.
  • the snap-over element 130 changes from this rest state to the working state shown in FIG.
  • An increase in the pressure in the interior 124 of the housing 102 beyond the threshold pressure value is caused in particular by electrochemical processes and by the heat generated when the electrochemical cell 100 is overcharged.
  • the first cell terminal 110 and the second cell terminal 116 of the electrochemical cell 100 are electrically conductive via the sealing element 120, the housing cover 102 and the snap-on element 130 connected to one another, so that the electrochemical cell 100 is short-circuited.
  • the electrochemical cell 100 is discharged in a controlled manner.
  • the short circuit reduces the potential difference between the first cell terminal 110 and the second cell terminal 116, which is achieved by means of a (not shown) battery management system (BMS), to which the electrochemical cell 100 is connected, can be detected.
  • BMS battery management system
  • the BMS can interrupt a charging process on the electrochemical cell 100 or on all electrochemical cells 100 of a cell module of an electrochemical device.
  • a warning message can be generated by the BMS when a short circuit is detected in the electrochemical cell 100, for example by means of suitable software.
  • the sealing element 120 in the short-circuit path of the electrochemical cell 100 has a sufficiently high current-limiting resistance, so that damage to the snap-over element 130, which would interrupt the short-circuit current path, is excluded.
  • a current flow interruption device which, for example, comprises a fuse and interrupts the charging current with which the electrochemical cell 100 is applied, so that in this case too, the electrochemical cell 100 is prevented from being overcharged will.
  • the current-limiting resistance of the sealing element 120 further increases the safety of the electrochemical cell 100, since the current flowing in the event of the housing 102 of the electrochemical cell 100 being accidentally touched is limited and the risk of an electric shock is reduced.
  • the first cell terminal 110 on which the sealing element 120 is arranged, can be a negative cell terminal or a positive cell terminal of the electrochemical cell 100.
  • the second cell terminal 116 to which the snap-on element 130 is arranged adjacent, has the opposite polarity to the first cell terminal 110, that is to say it is designed as a positive cell terminal or as a negative cell terminal.
  • the housing 102 is preferably made predominantly of aluminum.
  • the housing 102 is preferably formed from a stainless steel material.
  • a second embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 6 differs from the first embodiment shown in FIGS Sealing element 120 is arranged, extends therethrough, is bordered by a collar 134.
  • the collar 134 can be formed on the housing 102 by a deep-drawing process, for example.
  • the collar 134 on the passage opening 122 of the housing 102 can in principle protrude into the outer space 132 of the housing 102 or into the inner space 124 of the housing 102.
  • the collar 134 preferably protrudes into the interior 124 of the housing 102.
  • the size of the sealing surface between the sealing element 120 and the housing 102 of the electrochemical cell 100 is enlarged by the collar 134, which improves the tightness of the seal by the sealing element 120.
  • the bond between the sealing element 120 and the housing 102 is improved by the presence of the collar 134, in particular by shrinkage of the plastic material of the sealing element 120 onto the collar 134.
  • the second embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 6 agrees with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 with regard to structure, function and production, reference is made to the above description in this respect.
  • the first cell terminal 110, on which the sealing element 120 is arranged is essentially T-shaped in cross section, the base of the "T" being the terminal bushing 114 forms, which extends through the passage opening 122 of the housing 102 of the electrochemical cell 100.
  • a third embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 7 differs from the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 in that the first cell terminal 110 on which the sealing element 120 is arranged comprises a component 136 which has an im Has substantially S-shaped or Z-shaped longitudinal section.
  • the component 136 can in particular be designed as a bent sheet metal part 138.
  • the component 136 can be separated from a sheet of a suitable starting material, for example punched out or - for example by means of a laser - cut out, and then bent into the desired shape.
  • the component 136 is glued to the housing 102 of the electrochemical cell 100 by means of the material from which the sealing element 120 is formed.
  • the material from which the component 136 is separated can have a material transition, in particular between a first area, which is formed predominantly from aluminum, for example, and a second area, which is formed predominantly from copper, for example.
  • These two areas of the starting material for the component 136 can be connected to one another, for example, by lap roll cladding.
  • the component 136 is cut out of a lap roll clad starting sheet metal material, in particular punched out or - for example by means of a laser - cut out, and then bent into the desired shape, for example an S shape or a Z shape.
  • This manufacturing method makes it possible to reduce the number of components required for the first cell terminal 110 and the cost of manufacturing the first cell terminal 110.
  • the third embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 7 agrees with the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 in terms of structure, function and manufacture, reference being made to the above description.
  • a fourth embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 8 differs from the third embodiment shown in FIG. 7 in that the first cell terminal 110, on which the sealing element 120 is arranged, comprises an elastically deformable area 140.
  • the elasticity of the elastically deformable region 140 is based on a form elasticity which is brought about by at least one additional bending of the component 136.
  • the elastically deformable area 140 comprises, for example, four bending lines 142, on which the component 136 designed as a sheet metal part 138 is each bent by an angle of approximately 90 °. Together, the bends at the bending lines 142 cause the elastically deformable region 140 to have a wave shape.
  • the fourth embodiment of an electrochemical cell 100 shown in FIG. 8 corresponds in terms of structure, function and manufacture to the third embodiment shown in FIG. 7, reference being made to the description above.
  • an electrochemical cell 100 can also have any desired combinations of the features of the embodiments of electrochemical cells 100 described above and shown in FIGS. 1 to 8 and can be combined with one another.

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Abstract

Um eine elektrochemische Zelle, umfassend ein Gehäuse, ein in einem Innenraum des Gehäuses angeordnetes elektrochemisches Element und mindestens ein Zellterminal, das eine Terminaldurchführung umfasst, welche sich durch eine Durchtrittsöffnung des Gehäuses hindurch erstreckt, zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und einen geringen Herstellungsaufwand erfordert, aber dennoch den im Falle eines nicht regulären Betriebszustandes auftretenden Kurzschlussstrom zuverlässig limitiert, wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle ein elektrisch leitfähiges Abdichtelement umfasst, welches die Durchtrittsöffnung des Gehäuses abdichtet und das Zellterminal elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbindet.

Description

Elektrochemische Zelle und Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, welche ein Ge häuse, ein in einem Innenraum des Gehäuses angeordnetes elektrochemisches Element und mindestens ein Zellterminal, das eine Terminaldurchführung um fasst, welche sich durch eine Durchtrittsöffnung des Gehäuses hindurch er streckt, umfasst.
Die elektrochemische Zelle kann insbesondere eine Akkumulatorzelle oder eine Batteriezelle sein.
Lithium-Ionen-Batteriezellen stellen eine Schlüsseltechnologie für Antriebs konzepte in der Elektromobilität dar.
Um das elektrochemische Element, welches die elektrochemisch aktive Einheit der Zelle, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batteriezelle, enthält, vor schäd lichen Umwelteinflüssen zu schützen, wird die elektrochemische Einheit mit einem Zellgehäuse gasdicht umschlossen.
Bei einer Überladung der elektrochemischen Zelle können im Innenraum des Gehäuses große Mengen an Gasen freigesetzt werden. Diese können durch das geschlossene Zellgehäuse nicht entweichen, was zu einem drastischen Druck anstieg in dem Gehäuse der elektrochemischen Zelle führt.
Ferner verursacht eine Überladung der elektrochemischen Zelle eine sich selbst verstärkende Erwärmung der elektrochemischen Zelle, die zu einer explosionsartigen Entzündung ("thermal runaway") führen kann. Um die mit einer Überladung der elektrochemischen Zelle verbundenen Sicher heitsrisiken zu verringern, wird in das Gehäuse einer solchen elektrochemi schen Zelle ein Überladungsschutz ("Overcharge Safety Device", OSD) einge baut.
Insbesondere bei elektrochemischen Zellen mit einem prismatischen Gehäuse wird häufig ein Umschnappelement (synonym auch als "Springelement" be zeichnet) als Überladungsschutzvorrichtung verwendet.
Das Umschnappelement kann insbesondere in einen Gehäusedeckel des Ge häuses der elektrochemischen Zelle eingeschweißt werden.
Das Umschnappelement wird bei einem vorgegebenen Zellinnendruck nach außen ausgelenkt und stellt dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwi schen dem Gehäusedeckel und dem Zellterminal mit einer der Polarität des Gehäusedeckels entgegengesetzten Polarität, beispielsweise mit dem negati ven Zellterminal, her.
Der erhöhte Zellinnendruck entsteht durch elektrochemische Prozesse und durch die Wärmeentwicklung beim Überladen der elektrochemischen Zelle. Da der Gehäusedeckel auf dem entgegengesetzten elektrischen Potential, bei spielsweise auf dem Potential des positiven Zellterminals, liegt, wird die elektrochemische Zelle durch den Kontakt des Umschnappelements mit dem Zellterminal kurzgeschlossen. Durch den Kurzschluss kann beispielsweise eine Schmelzsicherung ausgelöst werden.
Nach Auslösen der Schmelzsicherung besteht keine elektrische Verbindung mehr zwischen dem Zellterminal, in dessen Verbindungsleiter die Schmelz sicherung angeordnet ist, und dem elektrochemischen Element im Innenraum des Gehäuses der elektrochemischen Zelle, so dass die elektrochemische Zelle nicht weiter geladen werden kann. Dies verhindert ein weiteres Überladen der Zelle. Da das Umschnappelement das demselben zugeordnete Zellterminal nur an einer kleinen Berührungsstelle kontaktiert und das Umschnappelement üb licherweise aus einem dünnen Blech gefertigt ist, um das Umschnappen des Umschnappelements zu ermöglichen, ist der stromtragende Querschnitt des Kontakts zwischen dem ausgelösten Umschnappelement und dem zugeordne ten Zellterminal klein. Hierdurch kann es zu einer erheblichen Wärmeentwick lung kommen, welche zu einer Beschädigung des Umschnappelements führen kann. Dies kann zur Folge haben, dass die Schmelzsicherung nicht mehr aus gelöst werden kann, so dass der Kurzschlussstrompfad unterbrochen wird und die elektrochemische Zelle trotz Aktivierung des Umschnappelements weiter überladen und in einen kritischen Zustand gebracht wird.
Um eine Zerstörung des Umschnappelements beim Auslösen des Kurzschlus ses zu verhindern, ist es bekannt, einen zusätzlichen strombegrenzenden Wi derstand zwischen dem weiteren Zellterminal, welches nicht dem Umschnapp element zugeordnet ist, beispielsweise dem positiven Terminal, und dem Ge häuse der elektrochemischen Zelle anzuordnen. Die Terminaldurchführung des weiteren Zellterminals wird nicht direkt an das Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung angeschweißt, sondern elektrisch isoliert durch eine Durchtrittsöff nung im Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung geführt. Der strombe grenzende Widerstand wird an der Außenseite des Gehäuses der elektrochemi schen Vorrichtung zwischen dem weiteren Zellterminal einerseits und dem Ge häuse, beispielsweise einem Deckel des Gehäuses, der elektrochemischen Vor richtung andererseits angeordnet. Hierdurch fließt der Strom bei ausgelöstem Umschnappelement über das weitere Zellterminal durch den strombegrenzen den Widerstand auf das Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung, wodurch der Kurzschlussstrom bei Auslösen des Springelements limitiert ist. Dies er höht die Betriebssicherheit der Zelle, da hierdurch auch der im normalen Be triebszustand auf das Gehäuse fließende Strom limitiert wird und die Gefahr eines elektrischen Schlages, beispielsweise bei unbeabsichtigtem Berühren des Gehäuses der elektrochemischen Vorrichtung, reduziert wird. Dieser bekannte Aufbau erfordert jedoch eine Vielzahl von Bauteilen, insbe sondere eine Widerstandsplatte, das weitere Zellterminal, Dichtungen und Isolierungen an der Terminaldurchführung.
Diese Vielzahl von Bauteilen bedingt entsprechend viele Prozessschritte bei der Herstellung des Verbundes aus Terminal, strombegrenzendem Widerstand und Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung. Dies führt zu hohen Her stellungszykluszeiten und Herstellungskosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und einen geringen Herstellungsaufwand erfordert, aber dennoch den im Falle eines nicht regulären Betriebszustandes auftretenden Kurzschlussstrom zuver lässig limitiert.
Diese Aufgabe wird bei einer elektrochemischen Zelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrochemische Zelle ein elektrisch leitfähiges Abdichtelement umfasst, welches die Durchtrittsöffnung des Gehäuses abdichtet und das Zellterminal elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbindet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrochemi schen Zelle ist vorgesehen, dass das Abdichtelement ein Kunststoffmaterial umfasst.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Abdichtelement ein Thermo plast-Material und/oder ein Duroplast-Material umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Abdichtele ment ein Polypropylen-Material, ein Polybutylenterephthalat-Material und/oder ein Epoxidharz-Material. Das elektrisch leitfähige Abdichtelement bildet einen Ohmschen Widerstand zwischen dem Zellterminal und dem Gehäuse, welcher vorzugsweise min destens 1 101 W beträgt und/oder vorzugsweise höchstens 1 107 W beträgt.
Das Material des elektrisch leitfähigen Abdichtelements weist eine spezifische elektrische Leitfähigkeit auf, die vorzugsweise mindestens 103 S/m, besonders bevorzugt mehr als 102 S/m, beträgt und/oder vorzugsweise höchstens 103 S/m, besonders bevorzugt weniger als 10 1 S/m, beträgt.
Zur Herstellung der elektrischen Leitfähigkeit des Abdichtelements kann vor gesehen sein, dass das Abdichtelement ein elektrisch leitfähiges Additiv um fasst.
Ein solches elektrisch leitfähiges Additiv kann beispielsweise metallische Parti kel, eine elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Modifikation (beispielsweise Graphit, Leitruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnano-Zwiebeln) und/oder ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial (beispielsweise ein Nitrid oder ein Carbid) umfassen.
Alternativ oder ergänzend zur Verwendung eines leitfähigen Additivs als Be standteil des Abdichtelements kann vorgesehen sein, dass das Abdichtelement ein durch Dotierung elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial umfasst.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Abdichtelement ein dotiertes Polyacetylen-Material, ein dotiertes Polypyrrol-Material, ein dotiertes Polyanilin-Material, ein dotiertes Poly(p-phenylen)-Material, ein dotiertes Polythiophen-Material, ein dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiophen und/oder ein dotiertes Polystyrolsulfonat (PEDOT : PSS) umfasst.
Das Abdichtelement ist besonders einfach herstellbar, wenn es als ein Spritz gießteil oder als ein Vergussmassenteil ausgebildet ist. Das Zellterminal, an welchem das Abdichtelement angeordnet ist, kann insbe sondere ein positives Zellterminal (Kathode) der elektrochemischen Zelle sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrochemische Zelle zusätzlich zu dem Zellterminal, an dem das Abdichtele ment angeordnet ist, ein weiteres Zellterminal und ein Umschnappelement umfasst, welches das Gehäuse der elektrochemischen Zelle in elektrisch lei tenden Kontakt mit dem weiteren Zellterminal bringt, wenn ein Druck im Innenraum des Gehäuses der elektrochemischen Zelle einen Schwellendruck wert übersteigt.
Das Gehäuse der elektrochemischen Zelle umfasst vorzugsweise Aluminium und/oder ein Edelstahlmaterial.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse der elektrochemischen Zelle Aluminium als Hauptbestandteil umfasst oder ein Edelstahlmaterial als Hauptbestandteil umfasst.
Ein besonders einfacher Aufbau für das Zellterminal ergibt sich, wenn das Zell terminal ein gebogenes Blechteil umfasst.
Ein solches Blechteil kann aus einem Blech eines geeigneten Ausgangs materials herausgetrennt, beispielsweise ausgestanzt oder - beispielsweise mittels eines Lasers - herausgeschnitten, werden und dann in die gewünschte Form gebogen werden.
Das gebogene Blechteil kann beispielsweise einen im Wesentlichen S-förmigen oder einen im Wesentlichen Z-förmigen Längsschnitt aufweisen. Das Ausgangsmaterial, aus welchem das Blechteil herausgetrennt wird, kann einen Materialübergang aufweisen, insbesondere zwischen einem ersten Be reich, der beispielsweise überwiegend aus Aluminium gebildet ist, und einem zweiten Bereich, der beispielsweise überwiegend aus Kupfer gebildet ist.
Diese beiden Bereiche des Ausgangsmaterials für das Blechteil können bei spielsweise durch Überlappwalzplattieren miteinander verbunden sein.
Durch die Verwendung eines gebogenen Blechteils als Bestandteil des Zellter minals kann die Anzahl der für das Zellterminal benötigten Bauteile und der Aufwand für die Herstellung des Zellterminals verringert werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Zellterminal einen elastisch verformba ren Bereich umfasst.
Durch einen solchen elastisch verformbaren Bereich können auf das Abdicht element oder auf das Zellterminal einwirkende Kräfte, die beispielsweise durch eine Bewegung des elektrochemischen Elements der elektrochemischen Zelle bei einer Stoßbelastung erzeugt werden, aufgenommen werden, ohne dass die Abdichtfunktion des Abdichtelements beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Elastizität des elastisch verformbaren Bereichs auf einer Formelastizität beruht, die dadurch hervorgerufen wird, dass der elastisch verformbare Bereich mindestens eine Biegung, insbeson dere mindestens zwei Biegungen, besonders bevorzugt mindestens drei Bie gungen, beispielsweise mindestens vier Biegungen, umfasst.
Besonders günstig ist es, wenn die Biegungen des elastisch verformbaren Be reichs eine Wellenform des elastisch verformbaren Bereichs bewirken. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle, wobei die elektrochemische Zelle ein Gehäuse, ein in dem Innenraum des Gehäuses angeordnetes elektrochemisches Element und mindestens ein Zellterminal, das eine Terminaldurchführung umfasst, umfasst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle zu schaffen, durch welches eine elektrochemische Zelle geschaffen wird, die einen einfachen Auf bau aufweist und dennoch einen in einem nicht regulären Betriebszustand der elektrochemischen Zelle auftretenden Kurzschlussstrom zuverlässig limitiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstel len einer elektrochemischen Zelle, welches Folgendes umfasst:
Anordnen des Zellterminals relativ zu dem Gehäuse derart, dass die Ter minaldurchführung sich durch eine Durchtrittsöffnung des Gehäuses hindurch erstreckt;
Erzeugen eines elektrisch leitfähigen Abdichtelements, welches die Durchtrittsöffnung abdichtet und das Zellterminal elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbindet, aus einem Kunststoffmaterial, das ein elektrisch leitfähiges Additiv umfasst und/oder durch Dotierung elektrisch leitfähig ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfin dungsgemäßen elektrochemischen Zelle erläutert worden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. Das elektrochemische Element der elektrochemischen Zelle kann insbesondere als ein in Elektrolyt getränkter Zellwickel ausgebildet sein.
Die elektrochemische Zelle ist vorzugsweise als eine Lithium-Ionen-Akkumula- tor-Zelle ausgebildet.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Zellchemie der elektrochemi schen Zelle auf LUTisOiz basiert.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Modul, welches mehrere elektrochemische Zellen um fasst.
Ein solches Modul kann beispielsweise als eine Energiequelle für ein Elektro fahrzeug, insbesondere ein Elektroautomobil, verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Ausgangsmaterial, aus welchem das Abdichtelement gebildet wird, direkt um das Zellterminal und einen Bereich des Gehäuses der elektrochemischen Zelle gespritzt oder gegossen wird.
Wenn das Material des Abdichtelements durch Zugabe eines elektrisch leitfähi gen Additivs zu einem Kunststoff material gebildet wird, so kann die elektrische Leitfähigkeit (und damit der Grad der Strombegrenzung durch das Abdichtele ment) durch den Anteil des elektrisch leitfähigen Additivs am Material des Ab dichtelements gezielt eingestellt werden.
Wenn das Abdichtelement aus einem durch Dotierung elektrisch leitfähigen Kunststoffmaterial gebildet wird, so kann die elektrische Leitfähigkeit des Ab dichtelements durch den Dotierungsgrad des Kunststoffmaterials eingestellt werden. Beim Auslösen eines Umschnappelements fließt der Strom von dem Terminal, an dem das Abdichtelement angeordnet ist, durch das elektrische leitfähige Abdichtelement auf das Gehäuse der elektrochemischen Vorrichtung. Durch die im Vergleich zu Metallen geringere elektrische Leitfähigkeit des Materials des Abdichtelements wird dieser Strom wirksam begrenzt. Hierdurch wird eine Beschädigung des Umschnappelements durch einen zu hohen Kurzschluss strom verhindert. Außerdem wird die Betriebssicherheit der elektrochemischen Zelle erhöht, da der Strom im Falle eines unbeabsichtigten Berührens des Ge häuses der elektrochemischen Vorrichtung limitiert wird und so die Gefahr eines elektrischen Schlages reduziert wird.
Wenn das Abdichtelement aus einem Thermoplast-Material gebildet wird, so wird das Abdichtelement vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt.
Wenn das Abdichtelement aus einem Duroplast-Material hergestellt wird, so wird das Abdichtelement vorzugsweise durch einen Vergussprozess herge stellt.
In beiden Fällen wird die Anzahl der für den Aufbau der elektrochemischen Zelle benötigten Bauteile stark reduziert, und die Zykluszeiten bei der Herstel lung der elektrochemischen Zelle werden verringert, was eine Kostenreduktion zur Folge hat.
Das elektrisch leitfähige Abdichtmaterial übernimmt gleichzeitig zwei Funktio nen, nämlich zum Einen die Abdichtung der Terminaldurchführung des Zellter minals und zum Anderen die Begrenzung des elektrischen Kurzschlussstroms, der von dem Zellterminal zu dem Gehäuse der elektrochemischen Zelle fließt, beispielsweise beim Auslösen eines Umschnappelements.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgen den Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispie len. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrochemische
Zelle einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die Schnitt ebene durch ein elektrochemisches Element, ein Gehäuse, zwei Zellterminals, zwei Verbindungsleiter, welche jeweils ein Zellter minal mit dem elektrochemischen Element elektrisch leitend ver binden, ein Abdichtelement, welches die Durchtrittsöffnung des Gehäuses abdichtet und eines der Zellterminals elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbindet, ein Isolationselement, welches ein weiteres Zellterminal der elektrochemischen Zelle elektrisch von dem Gehäuse isoliert, und ein Umschnappelement, welches das Gehäuse der elektrochemischen Zelle in elektrisch leitenden Kon takt mit dem weiteren Zellterminal bringt, wenn ein Druck im In nenraum des Gehäuses einen Schwellendruckwert übersteigt, verläuft, wobei die elektrochemische Zelle sich in einem Normal betriebszustand befindet, in welchem das Umschnappelement von dem weiteren Zellterminal beabstandet ist;
Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden schematischen Längsschnitt durch dieselbe elektrochemische Zelle in einem Kurzschließzu stand, in welchem das Umschnappelement das Gehäuse der elektrochemischen Zelle elektrisch leitend mit dem weiteren Zell terminal verbindet, nachdem der Druck im Innenraum des Gehäu ses einen Schwellendruckwert überstiegen hat;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Materials des Abdichtele ments, welches ein selbst nicht elektrisch leitfähiges Kunststoff material und eine elektrisch leitfähige Phase aus einem elektrisch leitfähigen Additiv umfasst, wobei der Anteil des elektrisch leit fähigen Additivs so eingestellt ist, dass das Abdichtelement weder eine zu hohe noch eine zu niedrige elektrische Leitfähigkeit auf weist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Materials des Abdichtele ments, welches ein selbst nicht elektrisch leitfähiges Kunststoff material und eine elektrisch leitfähige Phase aus einem elektrisch leitfähigen Additiv umfasst, wobei der Anteil des elektrisch leit fähigen Additivs zu gering ist, um das Abdichtelement elektrisch leitfähig zu machen;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Materials des Abdichtele ments, welches ein selbst nicht elektrisch leitfähiges Kunststoff material und eine elektrisch leitfähige Phase aus einem elektrisch leitfähigen Additiv umfasst, wobei der Anteil des elektrisch leit fähigen Additivs so hoch ist, dass das Abdichtelement eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist;
Fig. 6 eine der Fig. 1 entsprechende schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle, bei welcher die Durchtrittsöffnung des Gehäuses, an welcher das Ab dichtelement angeordnet ist, von einem Kragen berandet ist;
Fig. 7 eine der Fig. 1 entsprechende schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle, bei welcher das Zellterminal der elektrochemischen Zelle, an wel chem das Abdichtelement angeordnet ist, ein gebogenes Blechteil umfasst; und Fig. 8 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung einer vierten
Ausführungsform der elektrochemischen Zelle, bei welcher das Zellterminal, an welchem das Abdichtelement angeordnet ist, einen elastisch verformbaren Bereich aufweist, welcher mehrere Biegelinien umfasst.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit densel ben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektro chemische Zelle umfasst ein Gehäuse 102, welches ein- oder mehrteilig aus gebildet sein kann, ein in dem Gehäuse 102 angeordnetes elektrochemisches Element 104, das über einen ersten Verbindungsleiter 106 elektrisch leitend mit einer Terminaldurchführung 108 eines ersten Zellterminals 110 und über einen zweiten Verbindungsleiter 112 elektrisch leitend mit einer Terminal durchführung 114 eines zweiten Zellterminals 116 verbunden ist, und ein elektrisches Isolationselement 118, mittels welchem die Terminaldurchführung 114 des zweiten Zellterminals 116 elektrisch gegenüber dem Gehäuse 102 iso liert ist.
Ferner umfasst die elektrochemische Zelle 100 ein elektrisch leitfähiges Ab dichtelement 120, das eine Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 abdichtet, durch welche die Terminaldurchfüh rung 114 des ersten Zellterminals 110 sich aus dem Außenraum des Gehäuses 102 in dessen Innenraum 124 hinein erstreckt.
Ferner verbindet das Abdichtelement 120 das erste Zellterminal 110 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100.
Das Abdichtelement 120 umfasst beispielsweise ein Kunststoffmaterial und ein elektrisch leitfähiges Additiv. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere ein Thermoplast-Material sein, bei spielsweise ein Polypropylen-Material oder ein Polybutylenterephathalat- Material.
Bei Verwendung eines Thermoplast-Materials wird das Abdichtelement vor zugsweise durch einen Spritzgießvorgang in situ an der Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102 erzeugt.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Abdichtelement 120 ein Duroplast-Material umfasst, beispielsweise ein Epoxidharz-Material.
In diesem Fall wird das Abdichtelement 120 vorzugsweise durch einen Ver gießvorgang in situ an der Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 erzeugt.
Das in dem Abdichtelement 120 enthaltene elektrisch leitfähige Additiv 126 kann beispielsweise metallische Partikel, insbesondere Aluminium-Partikel, und/oder ein kohlenstoffhaltiges Material, beispielsweise Graphit und/oder Ruß, umfassen.
Die elektrische Leitfähigkeit des Abdichtelements 120 kann durch den Anteil des leitfähigen Additivs 126 am Material des Abdichtelements 120 gezielt ein gestellt werden.
Wenn der Anteil des leitfähigen Additivs 126, das in die Kunststoffmatrix 128 des Abdichtelements 120 eingebettet ist, am Material des Abdichtelements 120 zu gering ist, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, treten im Abdichtele ment 120 keine durchgängigen elektrisch leitfähigen Perkolationspfade auf, so dass das Abdichtelement 120 keine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Ist der Anteil des leitfähigen Additivs 126 an dem Material des Abdichtele ments 120 zu hoch, wie schematisch in Fig. 5 dargestellt, so weist das Abdichtelement 120 einen zu geringen elektrischen Widerstand auf, um eine Strombegrenzung des Kurzschlusspfades zwischen dem ersten Zellterminal 110 und dem zweiten Zellterminal 116 zu bewirken.
Der Anteil des leitfähigen Additivs 126 an dem Material des Abdichtelements 120 wird daher, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, so gewählt, dass das Abdichtelement 120 einen gewünschten Ohmschen Übergangswiderstand zwi schen dem ersten Zellterminal 110 und dem Gehäuse 102 der elektrochemi schen Zelle 100 im Bereich von vorzugsweise ungefähr 1 101 W bis ungefähr 1 107 W bildet.
Die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Materials des Abdichtelements 120 beträgt vorzugsweise mindestens 103 S/m und vorzugsweise höchstens 103 S/m.
Alternativ zu der Verwendung eines selbst nicht leitfähigen Kunststoffmaterials und eines elektrisch leitfähigen Additivs kann die gewünschte elektrische Leit fähigkeit des Abdichtelements 120 auch dadurch hergestellt werden, dass ein selbst elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial, insbesondere ein durch Dotie rung elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial, verwendet wird.
Insbesondere kann das Abdichtelement 120 beispielsweise aus einem dotier ten Polyacetylen-Material, aus einem dotierten Polypyrrol-Material, aus einem dotierten Polyanilin-Material, aus einem dotierten Poly(p-phenylen)-Material oder aus einem dotierten Polythiophen-Material gebildet werden.
Bei Verwendung eines durch Dotierung elektrisch leitfähig gemachten Kunst stoffmaterials kann die Leitfähigkeit des Abdichtelements 120 durch den Dotie rungsgrad des verwendeten Kunststoffmaterials eingestellt werden. Ferner umfasst die elektrochemische Zelle 100 ein Umschnappelement 130, welches dem zweiten Zellterminal 116 gegenüberliegend an dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 angeordnet ist.
In dem in Fig. 1 dargestellten Normalbetriebszustand der elektrochemischen Zelle 100 befindet sich das Umschnappelement 130 in einem Ruhezustand, in welchem das Umschnappelement 130 in den Innenraum 124 des Gehäuses 102 vorsteht.
Wenn der Druck im Innenraum 124 des Gehäuses 102 einen Schwellendruck wert übersteigt, so geht das Umschnappelement 130 aus diesem Ruhezustand in den in Fig. 2 dargestellten Arbeitszustand über, in welchem das Umschnappelement 130 in den Außenraum 132 des Gehäuses 102 vorsteht.
Eine Erhöhung des Drucks im Innenraum 124 des Gehäuses 102 über den Schwellendruckwert hinaus wird insbesondere durch elektrochemische Pro zesse und durch die Wärmeentwicklung bei einem Überladen der elektro chemischen Zelle 100 verursacht.
In dem in Fig. 2 dargestellten Arbeitszustand des Umschnappelements 130, weicher einem Kurzschließzustand der elektrochemischen Zelle 100 entspricht, sind das erste Zellterminal 110 und das zweite Zellterminal 116 der elektro chemischen Zelle 100 über das Abdichtelement 120, den Gehäusedeckel 102 und das Umschnappelement 130 elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass die elektrochemische Zelle 100 kurzgeschlossen ist.
Durch den Kurzschluss zwischen dem ersten Zellterminal 110 und dem zwei ten Zellterminal 116 wird die elektrochemische Zelle 100 kontrolliert entladen.
Der Kurzschluss verringert die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Zellter minal 110 und dem zweiten Zellterminal 116, was mittels eines (nicht dargestellten) Batterie-Management-Systems (BMS), an welches die elektro chemische Zelle 100 angeschlossen ist, detektierbar ist.
Das BMS kann bei Detektion eines Kurzschlusses der elektrochemischen Zelle 100 einen Ladevorgang an der elektrochemischen Zelle 100 oder an allen elektrochemischen Zellen 100 eines Zellmoduls einer elektrochemischen Vor richtung abbrechen.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann, beispielsweise mittels einer geeigneten Software, von dem BMS bei Detektion eines Kurzschlusses an der elektroche mischen Zelle 100 eine Warnmeldung erzeugt werden.
Aufgrund einer solchen Warnmeldung kann dann beispielsweise ein Ladevor gang an der elektrochemischen Zelle 100 manuell abgebrochen werden.
Dadurch, dass das Abdichtelement 120 im Kurzschlusspfad der elektrochemi schen Zelle 100 einen ausreichend hohen Strombegrenzungs-Widerstand auf weist, ist der Kurzschlussstrom durch das Gehäuse 102 und das Umschnapp element 130 begrenzt, so dass eine Beschädigung des Umschnappelements 130, welche den Kurzschlussstrompfad unterbrechen würde, ausgeschlossen ist.
Hierdurch wird verhindert, dass die elektrochemische Zelle 100 weiter überla den und in einen kritischen Zustand gebracht wird.
Bei einer (nicht dargestellten) Variante der elektrochemischen Zelle 100 ist eine Stromflussunterbrechungsvorrichtung vorgesehen, welche beispielsweise eine Schmelzsicherung umfasst und den Ladestrom, mit welchem die elektro chemische Zelle 100 beaufschlagt wird, unterbricht, so dass auch in diesem Fall ein Überladen der elektrochemischen Zelle 100 verhindert wird. Durch den strombegrenzenden Widerstand des Abdichtelements 120 wird fer ner die Sicherheit der elektrochemischen Zelle 100 erhöht, da der im Falle eines unbeabsichtigten Berührens des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 fließende Strom limitiert wird und so die Gefahr eines elektrischen Schlages reduziert wird.
Das erste Zellterminal 110, an welchem das Abdichtelement 120 angeordnet ist, kann ein negatives Zellterminal oder ein positives Zellterminal der elektro chemischen Zelle 100 sein.
Das zweite Zellterminal 116, zu dem das Umschnappelement 130 benachbart angeordnet ist, weist jeweils die dem ersten Zellterminal 110 entgegenge setzte Polarität auf, ist also als ein positives Zellterminal beziehungsweise als ein negatives Zellterminal ausgebildet.
Wenn das erste Zellterminal 110 ein positives Zellterminal ist und das zweite Zellterminal 116 ein negatives Zellterminal ist, so ist das Gehäuse 102 bevor zugt überwiegend aus Aluminium gebildet.
Wenn das erste Zellterminal 110 ein negatives Zellterminal ist und das zweite Zellterminal 116 ein positives Zellterminal ist, so ist das Gehäuse 102 vorzugs weise aus einem Edelstahl-Material gebildet.
Eine in Fig. 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102, durch welche sich die Terminaldurchführung 114 des ersten Zellterminals 110, an welchem das Abdichtelement 120 angeordnet ist, hindurch erstreckt, von einem Kragen 134 berandet ist. Der Kragen 134 kann beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang an dem Ge häuse 102 gebildet sein.
Der Kragen 134 an der Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102 kann grund sätzlich in den Außenraum 132 des Gehäuses 102 oder in den Innenraum 124 des Gehäuses 102 vorstehen.
Vorzugsweise steht der Kragen 134 in den Innenraum 124 des Gehäuses 102 vor.
Durch den Kragen 134 wird die Größe der Dichtfläche zwischen dem Abdicht element 120 und dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 ver größert, was die Dichtigkeit der Abdichtung durch das Abdichtelement 120 verbessert.
Außerdem wird die Verbundhaftung zwischen dem Abdichtelement 120 und dem Gehäuse 102 durch das Vorhandensein des Kragens 134 verbessert, ins besondere durch ein Anschwinden des Kunststoffmaterials des Abdichtele ments 120 auf den Kragen 134.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungs weise mit der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform über ein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bei den in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsformen einer elektroche mischen Zelle 100 ist das erste Zellterminal 110, an welchem das Abdichtele ment 120 angeordnet ist, im Querschnitt im Wesentlichen T-förmig ausgebil det, wobei die Basis des "T" die Terminaldurchführung 114 bildet, welche sich durch die Durchtrittsöffnung 122 des Gehäuses 102 der elektrochemischen Zelle 100 hindurch erstreckt. Eine in Fig. 7 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das erste Zellterminal 110, an welchem das Abdichtelement 120 angeordnet ist, ein Bauteil 136 umfasst, welches einen im Wesentlichen S-förmigen oder Z-förmigen Längsschnitt aufweist.
Das Bauteil 136 kann insbesondere als ein gebogenes Blechteil 138 ausgebil det sein.
Das Bauteil 136 kann aus einem Blech eines geeigneten Ausgangsmaterials herausgetrennt, beispielsweise ausgestanzt oder - beispielsweise mittels eines Lasers - herausgeschnitten, werden und dann in die gewünschte Form gebo gen werden.
Anschließend wird das Bauteil 136 mittels des Materials, aus welchem das Ab dichtelement 120 gebildet wird, mit dem Gehäuse 102 der elektrochemischen Zelle 100 verklebt.
Das Material, aus welchem das Bauteil 136 herausgetrennt wird, kann einen Materialübergang aufweisen, insbesondere zwischen einem ersten Bereich, der beispielsweise überwiegend aus Aluminium gebildet ist, und einem zweiten Be reich, der beispielsweise überwiegend aus Kupfer gebildet ist.
Diese beiden Bereiche des Ausgangsmaterials für das Bauteil 136 können bei spielsweise durch Überlappwalzplattieren miteinander verbunden werden.
Das Bauteil 136 wird in diesem Fall aus einem überlappwalzplattierten Aus- gangs-Blechmaterial herausgetrennt, insbesondere ausgestanzt oder - bei spielsweise mittels eines Lasers - ausgeschnitten, und anschließend in die ge wünschte Form, beispielsweise eine S-Form oder eine Z-Form, gebogen. Durch diese Herstellungsweise lässt sich die Anzahl der für das erste Zelltermi nal 110 benötigten Bauteile und der Aufwand für die Herstellung des ersten Zellterminals 110 verringern.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 7 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungs weise mit der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform über ein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in Fig. 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in Fig. 7 dargestellten dritten Ausfüh rungsform dadurch, dass das erste Zellterminal 110, an welchem das Abdicht element 120 angeordnet ist, einen elastisch verformbaren Bereich 140 um fasst.
Durch diesen elastisch verformbaren Bereich 140 können auf das Abdichtele ment 120 und/oder auf das erste Zellterminal 110 einwirkende Kräfte, die bei spielsweise durch eine Bewegung des elektrochemischen Elements 104 bei einer Stoßbelastung erzeugt werden, aufgenommen werden, ohne dass die Abdichtfunktion des Abdichtelements 120 beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Elastizität des elastisch verformbaren Bereichs 140 auf einer Formelastizität beruht, die durch mindestens eine zu sätzliche Biegung des Bauteils 136 hervorgerufen wird.
In dem in Fig. 8 zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der elastisch verformbare Bereich 140 beispielhaft vier Biegelinien 142, an denen das als Blechteil 138 ausgebildete Bauteil 136 jeweils um einen Winkel von un gefähr 90° gebogen ist. Zusammen bewirken die Biegungen an den Biegelinien 142 eine Wellenform des elastisch verformbaren Bereichs 140.
Im Übrigen stimmt die in Fig. 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungs weise mit der in Fig. 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Grundsätzlich kann eine elektrochemische Zelle 100 auch beliebige Kombina tionen der Merkmale der vorstehend beschriebenen und in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsformen von elektrochemischen Zellen 100 aufweisen und miteinander kombinieren.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle, umfassend ein Gehäuse (102), ein in einem Innenraum (124) des Gehäuses (102) angeordnetes elektrochemisches Element (104) und mindestens ein Zellterminal (110), das eine Terminaldurchführung (114) umfasst, welche sich durch eine Durchtrittsöffnung (122) des Gehäuses (102) hindurch erstreckt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrochemische Zelle (100) ein elektrisch leitfähiges Abdicht element (120) umfasst, welches die Durchtrittsöffnung (122) des Gehäu ses (102) abdichtet und das Zellterminal (110) elektrisch leitend mit dem Gehäuse (102) verbindet.
2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) ein Kunststoffmaterial umfasst.
3. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) ein Polypropylen-Material, ein Polybutylenterephthalat-Material und/oder ein Epoxidharz-Material umfasst.
4. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) ein elektrisch leitfähiges Additiv (126) umfasst.
5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Additiv (126) metallische Partikel, eine elektrisch leitfähige Kohlenstoff-Modifikation und/oder ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial umfasst.
6. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) ein durch Dotierung elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial umfasst.
7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) ein dotiertes Polyacetylen-Material, ein dotier tes Polypyrrol-Material, ein dotiertes Polyanilin-Material, ein dotiertes Poly(p-phenylen)-Material, ein dotiertes Polythiophen-Material, ein dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiophen und/oder ein dotiertes Polystyrolsulfonat (PEDOT : PSS) umfasst.
8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass das Abdichtelement (120) als ein Spritzgießteil oder als ein Vergussmassenteil ausgebildet ist.
9. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass das Zellterminal (110), an welchem das Abdichtele ment (120) angeordnet ist, ein positives Zellterminal der elektrochemi schen Zelle (100) ist.
10. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) ein weiteres Zellter minal (116) und ein Umschnappelement (130) umfasst, welches das Ge häuse (102) der elektrochemischen Zelle (100) in elektrisch leitenden Kontakt mit dem weiteren Zellterminal (116) bringt, wenn ein Druck im Innenraum (124) des Gehäuses (102) der elektrochemischen Zelle (100) einen Schwellendruckwert übersteigt.
11. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass das Gehäuse (102) der elektrochemischen Zelle (100) Aluminium und/oder ein Edelstahlmaterial umfasst.
12. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass das Zellterminal (110) ein gebogenes Blechteil (138) umfasst.
13. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass das Zellterminal (110) einen elastisch verformbaren Bereich (140) umfasst.
14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch verformbare Bereich (140) mindestens eine Biegung um fasst.
15. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (122) des Gehäuses (102) von einem Kragen (134) berandet ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Zelle (100), wobei die elektrochemische Zelle (100) ein Gehäuse (102), ein in dem Innenraum (124) des Gehäuses (102) angeordnetes elektrochemisches Element (104) und mindestens ein Zellterminal (110), das eine Terminal durchführung (108) umfasst, umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Anordnen des Zellterminals (110) relativ zu dem Gehäuse (102) derart, dass die Terminaldurchführung (108) sich durch eine Durchtrittsöffnung (122) des Gehäuses (102) hindurch erstreckt; Erzeugen eines elektrisch leitfähigen Abdichtelements (120), wel ches die Durchtrittsöffnung (122) abdichtet und das Zellterminal (110) elektrisch leitend mit dem Gehäuse (102) verbindet, aus einem Kunststoffmaterial, das ein elektrisch leitfähiges Additiv (126) umfasst und/oder durch Dotierung elektrisch leitfähig ist.
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