EP4548421A1 - Gehäuse für eine batterieeinzelzelle - Google Patents

Gehäuse für eine batterieeinzelzelle

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Publication number
EP4548421A1
EP4548421A1 EP23758282.0A EP23758282A EP4548421A1 EP 4548421 A1 EP4548421 A1 EP 4548421A1 EP 23758282 A EP23758282 A EP 23758282A EP 4548421 A1 EP4548421 A1 EP 4548421A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
electrolyte
electrode
separator arrangement
battery cell
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.)
Pending
Application number
EP23758282.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Henrik Klein
Hendrik Dubbe
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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 Mercedes Benz Group AG filed Critical Mercedes Benz Group AG
Publication of EP4548421A1 publication Critical patent/EP4548421A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/103—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure prismatic or rectangular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
    • H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/1243—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure characterised by the internal coating on the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/131—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by physical properties, e.g. gas permeability, size or heat resistance

Definitions

  • the invention relates to a housing for a single battery cell with at least one electrode-separator arrangement, which is soaked with a liquid electrolyte, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a single battery cell with such a housing.
  • Such individual battery cells are known from the general state of the art. They consist, for example, of a coil or stack as an electrode-separator arrangement, with at least one such electrode-separator arrangement being arranged in the housing.
  • prismatic individual battery cell arrangements with two stacks, i.e. two independent electrode-separator arrangements are also known from the state of the art.
  • DE 199 11 800 C1 describes a suitable method and device for filling the electrolyte.
  • DE 102008 010 827 A1 describes a method for closing an electrolyte filling opening of a single battery cell.
  • the housings for the individual battery cells are evacuated and heated before being filled with electrolyte, before the electrolyte is then filled.
  • the electrode separator arrangements for example in the form of an electrode stack, which is wetted with electrolyte.
  • the electrolyte is drawn into this stack from the outside to the inside by capillary forces.
  • the electrolyte is essentially “sucked in”.
  • Corresponding images of a single battery cell during filling with electrolyte are shown. These images show that the electrolyte surrounds the entire electrode stack a certain time after it has been filled into the housing and is evenly sucked into the electrode stack from all sides. In practice, this leads to the fact that, despite the evacuation, any moisture and gases that may still remain in the electrode stack are concentrated in the middle of the electrode stack at the end of the filling process. In practice, such places that are not or not completely soaked with the electrolyte lead to an impairment of the performance of the individual battery cell and reduce its service life.
  • DE 102004 038 072 A1 and DE 698 06 722 T2 which describe roughened surfaces in individual battery cells.
  • the roughness introduced serves to improve contact and/or to improve static friction for mechanical stabilization.
  • DE 10 2019208 063 A1 describes the introduction of structures into individual battery cells using a laser or electron beam.
  • the object of the present invention is to provide an improved housing for a single battery cell, which is optimized in such a way that the process of filling with liquid electrolyte is improved.
  • this object is achieved by a housing with the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous refinements and further developments result from the dependent claims.
  • the task is solved by a single battery cell with such a housing.
  • advantageous refinements and further developments result from the dependent subclaims.
  • the considerations are based on the process most often used in practice for filling a single battery cell with electrolyte.
  • the housing with the at least one inserted electrode separator arrangement is evacuated and, for example, closed later in the sense of the above-mentioned prior art Filling opening filled with electrolyte.
  • the electrolyte then begins to move directly into the electrode-separator arrangement from the side from which it was filled into the housing, as it is sucked in by the capillary forces.
  • the electrolyte spreads along the inner surface of the housing walls and flows around the electrode-separator assembly, so that it ultimately begins to suck in the electrolyte from all sides.
  • the housing walls which surround the at least one electrode-separator arrangement, have a roughened surface at least partially, in accordance with a particularly favorable embodiment, completely, on their surface facing the at least one electrode-separator arrangement are provided.
  • a roughened surface ensures that the electrolyte no longer moves as quickly in the edge channel, which is created between the housing walls and the at least one electrode-separator arrangement, as in the structures according to the prior art.
  • the roughened surface increases the pressure loss and thus delays the spread of the electrolyte in the edge channel. The electrolyte can no longer be distributed around the entire electrode-separator arrangement as quickly as in the prior art.
  • the electrolyte is then sucked into the electrode-separator arrangement via the capillary forces in such a way that this takes place primarily from the side of the electrolyte filling and then increasingly from the side edges from their ends facing the opening for the electrolyte filling.
  • the end of the electrode separator arrangement opposite the opening for electrolyte filling remains relatively long without electrolyte in the edge channel there due to the higher pressure loss due to the roughened inner surface of the housing walls.
  • edge channel With an appropriate design of the edge channel and a suitable choice of roughness of the roughened surface, this means that the side edge of the electrode-separator arrangement facing away from the opening for electrolyte filling remains free of electrolyte until the electrode-separator arrangement is completely saturated with the electrolyte . Any gases and residual moisture in the electrode-separator arrangement can escape the sucked-in electrolyte on this side and escape from the electrode-separator arrangement into the edge channel that is at least partially free there.
  • the housing according to the invention provides that instead of a complete or completely uniform distribution of the roughness over the inner surfaces of the housing walls, as is used in the prior art to improve electrical conductivity, a changing roughness is provided on the housing walls, so that the electrolyte is counteracted by a different pressure loss in different areas of contact with the housing. This allows the electrolyte to be directed very specifically to areas where it is desired and kept away from areas where it is not desired.
  • the roughened surface is achieved by surface processing.
  • Such surface processing which according to a further very favorable embodiment can be realized in particular as laser processing, allows the inner surfaces of the housing walls to be provided with the desired roughness in a very targeted manner. It is also conceivable, for example, to provide changing roughness, so that in the first part of the edge channel, viewed from the filling opening for the electrolyte, the pressure losses are lower than in the further course of the edge channel, in particular in the area which is opposite the filling opening for the electrolyte.
  • the roughened surface of the housing walls can also be achieved by a coating according to a further very favorable embodiment.
  • a coating which according to a very Advantageous further development is designed as a ceramic coating, can also be used to change the roughness of the housing walls.
  • a ceramic coating in particular has the decisive advantage that it is very resistant both chemically and thermally, so that a reaction between the coating and the electrolyte can be excluded and accordingly the coating not only influences the roughness of the surface but also protects it Material of the housing wall can be achieved.
  • a further very advantageous embodiment of the housing according to the invention provides that elevations are provided as flow resistances in addition to the roughened surface of the housing walls. These elevations are also arranged on the side of the housing walls facing the electrode-separator arrangement. They are arranged at least in the areas that face the side edges of the electrode separator arrangement. In the case of an electrode separator arrangement designed as a stack, they ideally extend over the entire width of the housing in the stacking direction. In addition to the roughened surface, which increases the flow resistance for the electrolyte, these elevations also increase the flow resistance and form barriers for the electrolyte in that only small gaps remain between the side edges of the electrode-separator arrangement and the elevations.
  • Elevations positioned at an ideal location can influence the penetration of the electrolyte in addition to the roughened surfaces in the sense of slowing down the flow in the edge channel and can thus ensure an even better and more uniform saturation of the electrode-separator arrangement with electrolyte.
  • the individual battery cell according to the invention now provides such a housing. According to a preferred development, this can be designed prismatically. Alternatively, the battery cell can also be designed in the form of a round cell, which can lead to similar problems with electrolyte wetting, especially if large-sized cells are involved.
  • a very advantageous embodiment of the individual battery cell according to the invention provides that the electrode separator arrangement is designed in the form of at least one stack.
  • the electrodes and the separator are designed, for example, in the form of individual sheets and are stacked on top of each other.
  • An alternative would be A Z-shaped folded separator, which is fundamentally known from the prior art, is also conceivable, in which the individual electrodes of different polarities are then inserted laterally into the pockets created by the Z-shaped fold. The electrodes would then continue to be individual sheets and the separator would be a strip material folded into a Z-shape. Furthermore, it would also be conceivable to realize both the electrodes and the separator as strip material folded in a Z-shape, which would then be pushed into one another. This structure is also fundamentally known from the prior art.
  • Fig. 2 shows the impregnation of an electrode-separator arrangement with electrolyte analogous to the illustration in Fig. 1, but with the housing according to the invention.
  • the individual battery cell 1 consists of a housing designated 2, which in an example of a prismatic individual battery cell 1 shown here is formed from several cuboid-shaped housing walls 3. Inside this housing 2 there is an electrode-separator arrangement 4, which is designed here, for example, as a stack of electrodes and separators. It is therefore also referred to below as stack 4. Electrical connection lugs 5, 6 protrude from the individual battery cell 1 through the housing wall 3 of the housing 2 shown above. Between these connection lugs 5, 6 there is a filling opening for electrolyte E, designated 7, which is indicated here and in the following figures by irregular cross-hatching.
  • the electrolyte E is filled into the opening 7 according to the arrow shown, the housing 2 having been previously evacuated.
  • an edge channel 8 which is formed between the end faces of the stack 4 and the housing walls 3, the electrolyte E now begins to distribute, while at the same time it is released from the areas in which it is present in the edge channel 8 by the capillary forces the stack 4 is sucked in.
  • this takes place primarily from the side of the filling opening 7.
  • the electrolyte E has already advanced further into the edge channel 8 and into the stack 4.
  • the entire edge channel 8 is filled with electrolyte E and the electrolyte has largely distributed within the stack 4, so that the stack 4 is largely soaked. If gases and/or moisture 9 remain in the stack 4 despite the evacuation and typically heating of the individual battery cell 1 before impregnation with the electrolyte E, then these are now enclosed within the stack by the electrolyte E sucked into the stack 4 on all sides and remain , as indicated by the white oval in the illustration in Figure 3, within the stack, typically slightly below the middle. In these areas, complete wetting of the active materials of the electrodes is not achieved. Due to the electrolyte E being sucked in from all sides, the gases and/or moisture cannot easily escape from the stack 4. In practice, this leads to a reduction in the capacity and service life of the individual battery cell 1.
  • a roughened surface 10 is provided on the housing walls 3, namely on their surfaces facing the stack 4.
  • this roughened surface is indicated by a dash-dotted line and provided with the reference number 10.
  • the sequence of the chronologically successive states in Figure 2a), b) and c) is to be understood analogously to that in Figure 1.
  • the roughened surface 10 means that the electrolyte E experiences a higher pressure loss after it has been filled into the edge channel 8. It will therefore not move as quickly in the edge channel 8 as with the construction according to the prior art.
  • the stack 4 thus increasingly sucks in the electrolyte E from the area of the edge channel 8 on the side of the filling opening 7 and from the edge channel 8 laterally only to the extent that electrolyte is present.
  • the spread of the electrolyte in the stack 4 therefore changes, so that moisture and gases 9 are no longer enclosed in the middle of the stack 4, but from the edge channel 8, which is still partially free at the time the stack 4 is completely soaked, in particular at the filling opening 7 opposite side of the stack 4, can be recorded.
  • the stack is completely soaked without creating an area with trapped residual gases and moisture 9 within the stack 4.
  • Such an area again designated 9 here, moves in the edge channel 8.
  • it is not critical there. Due to the roughened surface 10 and the resulting increased pressure loss during the spread of the electrolyte E in the edge channel 8, a significantly improved impregnation of the stack 4 with the electrolyte E is achieved, which in particular leads to a complete impregnation of the stack 4 and thus a high capacity and Lifespan of the individual battery cell 1 leads.
  • Optional elevations 11 are also shown in the illustrations in Figure 2. These ideally extend over the entire width of the stack 4 in the stacking direction into the edge channel 8. In addition to the roughened surface 10, these elevations 11 provide additional flow resistance for the electrolyte E. They can be arranged specifically, for example, at the locations shown in Figure 2 in order to influence and slow down the flow of the electrolyte E along the right and left side edges of the stack 4 in the edge channels 8 and then to reliably keep the side opposite the filling opening 7 free of electrolyte until the end.
  • the elevations can be designed in any shape. Semi-cylindrical elevations 11 are shown here purely as an example. They could also be designed as hooks or something similar. They could also be implemented as knobs on larger areas of the inner surface of the housing walls 3 or the like. They reinforce the effect described above, which basically emanates from the roughened surfaces 10, if required, but are not absolutely necessary as a supplement to the roughened surface 10.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (2) für eine Batterieeinzelzelle (1) aus wenigstens einer Elektroden-Separatoren-Anordnung (4), welche mit einem flüssigen Elektrolyt (E) getränkt ist, wobei Gehäusewände (3) die wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) umgeben. Das erfindungsgemäße Gehäuse ist dadurch gekennzeichnet, dass die der wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) zugewandten Oberflächen der Gehäusewände (3) zumindest teilweise mit einer aufgerauten Oberfläche (10) versehen sind.

Description

Gehäuse für eine Batterieeinzelzelle
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine Batterieeinzelzelle mit wenigstens einer Elektroden-Separatoren-Anordnung, welche mit einem flüssigen Elektrolyt getränkt ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterieeinzelzelle mit einem solchen Gehäuse.
Derartige Batterieeinzelzellen sind soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie bestehen beispielsweise aus einem Wickel oder Stapel als Elektroden- Separatoren-Anordnung, wobei wenigstens eine derartige Elektroden-Separatoren- Anordnung in dem Gehäuse angeordnet ist. Daneben sind auch, und dies gilt insbesondere für prismatische Batterieeinzelzellen-Anordnungen mit zwei Stapeln, also zwei eigenständigen Elektroden-Separatoren-Anordnungen, aus dem Stand der Technik bekannt.
In der Praxis werden die Elektroden-Separatoren-Anordnungen nun in das Gehäuse eingebracht und im Anschluss mit Elektrolyt befüllt. Ganz allgemein beschreibt die DE 199 11 800 C1 ein geeignetes Verfahren und Vorrichtung zum Einfüllen des Elektrolyten. Die DE 102008 010 827 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verschließen einer Elektrolyteinfüllöffnung einer Batterieeinzelzelle.
In der heutigen Praxis ist es so, dass die Gehäuse für die Batterieeinzelzellen vor der Befüllung mit Elektrolyt evakuiert und erwärmt werden, bevor anschließend der Elektrolyt eingefüllt wird. Im Inneren der Zelle befindet sich dann eine oder mehrere der Elektroden- Separatoren-Anordnungen, beispielsweise in Form eines Elektrodenstapels, welcher dabei mit Elektrolyt benetzt wird. Durch Kapillarkräfte wird der Elektrolyt von außen nach innen in diesen Stapel hineingezogen. Der Elektrolyt wird quasi „eingesaugt“. Im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 ist im Artikel „Visualization of electrolyte filling process and influence of vacuum during filling for hard case prismatic lithium ion cells by neutron imaging to optimize the production process” von Weydanz et al. ein solcher Ablauf beschrieben. Dabei sind entsprechende Aufnahmen einer Batterieeinzelzelle während der Befüllung mit Elektrolyt gezeigt. Diese Aufnahmen zeigen, dass der Elektrolyt eine gewisse Zeit nach dem Einfüllen in das Gehäuse den gesamten Elektrodenstapel umgibt und von allen Seiten aus gleichmäßig in den Elektrodenstapel eingesaugt wird. Dies führt in der Praxis dazu, dass trotz der Evakuierung eventuell noch in dem Elektrodenstapel verbliebene Feuchtigkeit und Gase sich am Ende des Befüllungsprozesses in der Mitte des Elektrodenstapels konzentrieren. Derartige Stellen, welche nicht oder nicht vollständig mit dem Elektrolyt getränkt sind, führen in der Praxis dann zu einer Beeinträchtigung der Performance der Batterieeinzelzelle und verringern deren Lebensdauer.
Zum Stand der Technik kann ferner auf die DE 102004 038 072 A1 und auf die DE 698 06 722 T2 verwiesen werden, welche angerauhte Oberflächen in Batterieeinzelzellen beschreiben. Die eingebrachte Rauheit dient dabei der Kontaktverbesserung und/oder der Verbesserung der Haftreibung zur mechanischen Stabilisierung. Die DE 10 2019208 063 A1 beschreibt das Einbringen von Strukturen in Batterieeinzelzellen über einen Laser- oder Elektronenstrahl.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Gehäuse für eine Batterieeinzelzelle anzugeben, welches dahingehend optimiert ist, dass das Befüllen mit flüssigem Elektrolyt in seinem Ablauf verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gehäuse mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem wird die Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit einem derartigen Gehäuse gelöst. Auch hierbei ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den abhängigen Unteransprüchen.
Den Überlegungen liegt der in der Praxis meistens genutzte Prozess zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt zugrunde. Hierfür wird das Gehäuse mit der wenigstens einen eingebrachten Elektroden-Separatoren-Anordnung evakuiert und beispielsweise durch eine später im Sinne des oben genannten Standes der Technik zu verschließende Befüllöffnung mit Elektrolyt befüllt. Der Elektrolyt beginnt dann sich von der Seite aus, von welcher er in das Gehäuse eingefüllt worden ist, einerseits direkt in die Elektroden- Separatoren-Anordnung zu bewegen, da er von dieser über die Kapillarkräfte eingesaugt wird. Darüber hinaus, und dieser Vorgang erfolgt typischerweise schneller, verbreitet sich der Elektrolyt entlang der inneren Oberfläche der Gehäusewände und strömt um die Elektroden-Separatoren-Anordnung herum, sodass diese letztlich von allen Seiten beginnt, den Elektrolyt einzusaugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse ist es nun vorgesehen, dass die Gehäusewände, welche die wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung umgeben, auf ihren der wenigstens einen Elektroden-Separatoren-Anordnung zugewandten Oberfläche zumindest teilweise, gemäß einer sonders günstigen Ausgestaltung vollständig, mit einer aufgerauten Oberfläche versehen sind. Eine solche aufgeraute Oberfläche sorgt dafür, dass der Elektrolyt sich in dem Randkanal, welcher zwischen den Gehäusewänden und der wenigstens einen Elektroden-Separatoren-Anordnung entsteht, nicht mehr so schnell fortbewegt, wie bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik. Die aufgeraute Oberfläche erhöht den Druckverlust und verzögert so die Ausbreitung des Elektrolyts im Randkanal. Der Elektrolyt kann sich nun nicht mehr so schnell wie im Stand der Technik um die gesamte Elektroden-Separatoren-Anordnung herum verteilen. Das Einsaugen des Elektrolyts über die Kapillarkräfte in die Elektroden-Separatoren-Anordnung erfolgt dann so, dass diese zeitlich primär von der Seite der Elektrolytbefüllung aus erfolgt und dann zunehmend von den Seitenkanten von ihren der Öffnung für die Elektrolytbefüllung zugewandten Enden her. Das der Öffnung zur Elektrolytbefüllung gegenüberliegende Ende der Elektroden-Separatoren-Anordnung bleibt aufgrund des höheren Druckverlustes wegen der aufgerauten inneren Oberfläche der Gehäusewände relativ lang ohne Elektrolyt im dortigen Randkanal. Bei entsprechender Auslegung des Randkanals und geeigneter Wahl der Rauheit der aufgerauten Oberfläche führt dies dazu, dass die der Öffnung zur Elektrolytbefüllung abgewandte Seitenkante der Elektroden-Separatoren- Anordnung, bis zur völligen Durchtränkung der Elektroden-Separatoren-Anordnung mit dem Elektrolyt, frei von Elektrolyt bleibt. Eventuelle Gase und Restfeuchtigkeit in der Elektroden-Separatoren-Anordnung können auf dieser Seite also dem eingesaugten Elektrolyt ausweichen und aus der Elektroden-Separatoren-Anordnung in den dort zumindest teilweise noch freien Randkanal austreten. Dieser aufgrund der aufgerauten inneren Oberfläche der Gehäusewände mögliche veränderte Ablauf bei der Elektrolytbefüllung führt nun dazu, dass der Elektrolyt die Elektroden-Separatoren-Anordnung vollständig tränken kann, wobei unerwünschte Gase und Feuchtigkeit nicht im Inneren der Elektroden-Separatoren-Anordnung eingeschlossen werden sondern in den noch nicht mit Elektrolyt gefüllten Bereich des Randkanals, typischerweise auf der der Öffnung zur Elektrolytbefüllung gegenüberliegenden Seite der Elektroden-Separatoren-Anordnung, ausweichen können. Feuchtigkeit und Restgase können so die Elektroden-Separatoren-Anordnung vollständig verlassen. Im Randkanal sind die Gase und die Feuchtigkeit, anders als im Inneren der Elektroden-Separatoren- Anordnung, unschädlich, sodass sie dort ohne nachteilig hinsichtlich der Performance und Lebendsauer der Batterieeinzelzelle zu wirken, verbleiben können.
Das erfindungsgemäße Gehäuse sieht es dabei vor, dass anstelle einer vollständigen bzw. vollständig gleichmäßigen Verteilung der Rauheit über die inneren Oberflächen der Gehäusewände, wie sie im Stand der Technik zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit genutzt wird, eine sich verändernde Rauheit auf den Gehäusewänden vorgesehen wird, sodass dem Elektrolyt in unterschiedlichen Kontaktbereichen mit dem Gehäuse ein unterschiedlicher Druckverlust entgegengestellt wird. Hierdurch lässt sich der Elektrolyt sehr gezielt in Bereiche, in denen er gewünscht ist, leiten und von Bereichen, in denen er nicht gewünscht ist, fernhalten.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses kann es dabei vorgesehen sein, dass die aufgeraute Oberfläche durch eine Oberflächenbearbeitung erzielt wird. Eine solche Oberflächenbearbeitung, welche gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung insbesondere als Laserbearbeitung realisiert werden kann, erlaubt es sehr gezielt die inneren Oberflächen der Gehäusewände mit der gewünschten Rauigkeit zu versehen. Dabei ist es auch denkbar zum Beispiel sich verändernde Rauigkeiten vorzusehen, sodass im ersten Teil des Randkanals von der Befüllöffnung für den Elektrolyt ausgesehen die Druckverluste geringer sind als im weiteren Verlauf des Randkanals, insbesondere in dem Bereich, welcher der Befüllöffnung für den Elektrolyt gegenüberliegt.
Alternativ hierzu oder auch kombiniert damit kann die aufgeraute Oberfläche der Gehäusewände gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung auch durch eine Beschichtung erreicht werden. Eine solche Beschichtung, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als keramische Beschichtung ausgestaltet ist, kann ebenfalls eingesetzt werden, um die Rauheit der Gehäusewände zu verändern. Insbesondere eine keramische Beschichtung hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass sie sowohl chemisch als auch thermisch sehr beständig ist, sodass eine Reaktion zwischen der Beschichtung und dem Elektrolyt ausgeschlossen werden kann und dementsprechend durch die Beschichtung neben einer Beeinflussung der Rauheit der Oberfläche auch ein Schutz für das Material der Gehäusewand erreicht werden kann.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Gehäuses gemäß der Erfindung sieht es dabei vor, dass ergänzend zu der aufgerauten Oberfläche der Gehäusewände Erhebungen als Strömungswiderstände vorgesehen sind. Diese Erhebungen sind ebenfalls auf den der Elektroden-Separatoren-Anordnung zugewandten Seite der Gehäusewände angeordnet. Sie sind zumindest in den Bereichen angeordnet, welche den Seitenkanten der Elektroden-Separatoren-Anordnung zugewandt sind. Sie erstrecken sich in Stapelrichtung bei einer als Stapel ausgebildeten Elektroden-Separatoren- Anordnung idealerweise über die gesamte Breite des Gehäuses in Stapelrichtung. Ergänzend zu der aufgerauten Oberfläche, welche den Strömungswiderstand für den Elektrolyt erhöht, erhöhen auch diese Erhebungen den Strömungswiderstand und bilden Barrieren für den Elektrolyt, indem zwischen den Seitenkanten der Elektroden- Separatoren-Anordnung und den Erhebungen nur kleine Spalte verbleiben. An idealer Stelle positionierte Erhebungen können damit das Vordringen des Elektrolyt ergänzend zu den aufgerauten Oberflächen im Sinne einer Verlangsamung der Strömung im Randkanal beeinflussen und können somit für eine noch bessere und gleichmäßigere Durchtränkung der Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt sorgen.
Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle sieht nun ein derartiges Gehäuse vor. Dieses kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung prismatisch ausgebildet sein. Alternativ kann die Batteriezelle auch in Form einer Rundzelle ausgebildet sein, bei welcher es zu ähnlichen Problemen bei der Elektrolytbenetzung kommen kann, insbesondere sofern es sich um großformatige Zellen handelt.
Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle sieht es dabei vor, dass die Elektroden-Separatoren-Anordnung in Form wenigstens eines Stapels ausgebildet ist. Die Elektroden und der Separator sind dabei beispielsweise in Form von einzelnen Blättern ausgebildet und werden aufeinandergestapelt. Alternativ dazu wäre auch ein grundlegend aus dem Stand der Technik bekannter Z-förmig gefalteter Separator denkbar, bei welchem die einzelnen Elektroden unterschiedlicher Polarität dann seitlich in die bei der Z-förmigen Faltung entstehenden Taschen eingeschoben werden. Die Elektroden wären dann weiterhin einzelne Blätter, der Separator ein Z-förmig gefaltetes Bandmaterial. Ferner wäre es ebenso denkbar, sowohl die Elektroden als auch den Separator als Z-förmig gefaltetes Bandmaterial zu realisieren, welche dann ineinandergeschoben werden würden. Auch dieser Aufbau ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gehäuses sowie der damit zu erzielenden verbessernden Tränkung der Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der Tränkung einer Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik aus dem „Journal of Power Sources“; und
Fig. 2 eine Darstellung der Tränkung einer Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt analog zur Darstellung in Fig. 1 , jedoch mit dem Gehäuse gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist in Anlehnung an den eingangs genannten Artikel im Journal of Power Sources 380 (2018) 126-134 gezeigt, wie eine herkömmliche Batterieeinzelzelle 1 mit Elektrolyt getränkt wird. Die Batterieeinzelzelle 1 besteht aus einem mit 2 bezeichneten Gehäuse, welches bei einem hier dargestellten Beispiel einer prismatischen Batterieeinzelzelle 1 aus mehreren quaderförmig zusammengesetzten Gehäusewänden 3 ausgebildet ist. Innerhalb dieses Gehäuses 2 befindet sich eine Elektroden-Separatoren-Anordnung 4, welche hier beispielhaft als Stapel von Elektroden und Separatoren ausgebildet ist. Sie wird deshalb nachfolgend auch als Stapel 4 bezeichnet. Elektrische Anschlussfahnen 5, 6 ragen durch die hier oben dargestellte Gehäusewand 3 des Gehäuses 2 aus der Batterieeinzelzelle 1 heraus. Zwischen diesen Anschlussfahnen 5, 6 befindet sich eine mit 7 bezeichnete Befüllöffnung für Elektrolyt E, welcher hier und in den nachfolgenden Figuren jeweils durch eine unregelmäßige Kreuzschraffur angedeutet ist.
Der Elektrolyt E wird gemäß dem dargestellten Pfeil in die Öffnung 7 eingefüllt, wobei das Gehäuse 2 zuvor evakuiert worden ist. In einem Randkanal 8, welcher zwischen den Stirnseiten des Stapels 4 und den Gehäusewänden 3 ausgebildet ist, beginnt sich nun der Elektrolyt E zu verteilen, während er gleichzeitig aus den Bereichen heraus, in denen er in dem Randkanal 8 vorhanden ist, durch die Kapillarkräfte in den Stapel 4 eingesaugt wird. Zu dem in Figur 1a) dargestellten ersten Zeitpunkt erfolgt dies primär von der Seite der Befüllöffnung 7 aus. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt in der Figur 1b) ist der Elektrolyt E in dem Randkanal 8 und in dem Stapel 4 bereits weiter vorgedrungen. In der Darstellung der Figur 1c) ist der gesamte Randkanal 8 mit Elektrolyt E befüllt und der Elektrolyt hat sich innerhalb des Stapels 4 weitgehend verteilt, sodass der Stapel 4 weitgehend getränkt ist. Sind trotz des Evakuierens und typischerweise eines Erwärmens der Batterieeinzelzelle 1 vor der Tränkung mit dem Elektrolyt E Gase und/oder Feuchtigkeit 9 in dem Stapel 4 verblieben, dann werden diese nun von dem allseitig in den Stapel 4 eingesaugten Elektrolyt E innerhalb des Stapels eingeschlossen und verbleiben, wie es in der Darstellung der Figur 3 durch das weiße Oval angedeutet ist, innerhalb des Stapels, typischerweise etwas unterhalb der Mitte. In diesen Bereichen ist dann keine vollständige Benetzung der Aktivmaterialien der Elektroden erreicht. Aufgrund des von allen Seiten eingesaugten Elektrolyts E können die Gase und/oder die Feuchtigkeit auch nicht ohne weiteres aus dem Stapel 4 entweichen. Dies führt in der Praxis zu einer Verminderung der Kapazität und der Lebensdauer der Batterieeinzelzelle 1.
In der Darstellung der Figur 1 verbleiben also die Gase und/oder Feuchtigkeit in dem mit 9 bezeichneten Bereich. Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen wird bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Batterieeinzelzelle 1 bzw. ihres Gehäuses 2 in der Darstellung der Figur 2 eine aufgeraute Oberfläche 10 an den Gehäusewänden 3 vorgesehen und zwar auf ihren dem Stapel 4 zugewandten Oberflächen. In den Darstellungen der Figur 2 ist diese aufgeraute Oberfläche durch eine strichpunktierte Linie angedeutet und mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Ansonsten ist der Ablauf der zeitlich nacheinander folgenden Zustände in Figur 2a), b) und c) analog wie in Figur 1 zu verstehen. Durch die aufgeraute Oberfläche 10 wird nun erreicht, dass der Elektrolyt E nach dem Einfüllen in dem Randkanal 8 einen höheren Druckverlust erfährt. Er wird sich damit in dem Randkanal 8 nicht so schnell fortbewegen wie bei dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik. Der Stapel 4 saugt damit den Elektrolyt E aus dem Bereich des Randkanals 8 auf der Seite der Befüllöffnung 7 verstärkt ein und aus dem Randkanal 8 seitlich nur soweit Elektrolyt vorhanden ist. Die Ausbreitung des Elektrolyts in dem Stapel 4 verändert sich daher, sodass Feuchtigkeit und Gase 9 nicht mehr in der Mitte des Stapels 4 eingeschlossen werden, sondern von dem zum Zeitpunkt der vollständigen Tränkung des Stapels 4 noch teilweise freien Randkanal 8, insbesondere auf seiner der Befüllöffnung 7 abgewandten Seite des Stapels 4, aufgenommen werden können.
Wie es in der Darstellung der Figur 2c) zu erkennen ist, ist der Stapel damit vollständig getränkt, ohne dass ein Bereich mit eingeschlossenen Restgasen und Feuchtigkeit 9 innerhalb des Stapels 4 entsteht. Ein solcher hier wiederum mit 9 bezeichneter Bereich wandert in dem Randkanal 8. Er ist dort, anders als der beim Stand der Technik innerhalb des Stapels 4 liegende Bereich 9, unkritisch. Durch die aufgeraute Oberfläche 10 und den damit erhöhten Druckverlust bei der Ausbreitung des Elektrolyts E in dem Randkanal 8 wird also eine deutlich verbesserte Tränkung des Stapels 4 mit dem Elektrolyt E erreicht, welche insbesondere zu einer vollständigen Tränkung des Stapels 4 und damit einer hohen Kapazität und Lebensdauer der Batterieeinzelzelle 1 führt.
In den Darstellungen der Figur 2 sind außerdem optionale Erhebungen 11 mit eingezeichnet. Diese erstrecken sich idealerweise über die gesamte Breite des Stapels 4 in Stapelrichtung in den Randkanal 8. Ergänzend zu der aufgerauten Oberfläche 10 sorgen diesen Erhebungen 11 für weitere Strömungswiderstände für den Elektrolyt E. Sie lassen sich gezielt beispielsweise an denen in der Figur 2 angeordneten Stellen anordnen, um einerseits die Strömung des Elektrolyt E entlang der rechten und linken Seitenkante des Stapels 4 in den Randkanälen 8 entsprechend zu beeinflussen und zu bremsen und dann um die der Befüllöffnung 7 gegenüberliegende Seite bis zum Schluss zuverlässig von Elektrolyt freizuhalten. Die Erhebungen können in beliebiger Form ausgeführt sein. Hier sind rein beispielhaft halb-zylinderförmig ausgestaltete Erhebungen 11 angedeutet. Sie könnten auch als Haken oder ähnliches ausgebildet sein. Sie ließen sich auch als Noppen auf größeren Bereichen der inneren Oberfläche der Gehäusewände 3 realisieren oder dergleichen. Sie verstärken den oben beschriebenen grundsätzlich von den aufgerauten Oberflächen 10 ausgehenden Effekt bei Bedarf, sind jedoch als Ergänzung zur aufgerauten Oberfläche 10 nicht zwingend notwendig.

Claims

Patentansprüche Gehäuse (2) für eine Batterieeinzelzelle (1) aus wenigstens einer Elektroden- Separatoren-Anordnung (4), welche mit einem flüssigen Elektrolyt (E) getränkt ist, wobei Gehäusewände (3) die wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) umgeben, wobei die der wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) zugewandten Oberflächen der Gehäusewände (3) zumindest teilweise mit einer aufgerauten Oberfläche (10) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche (10) hinsichtlich ihrer Rauheit über die Ausdehnung der der wenigstens einen Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) zugewandten Oberflächen der Gehäusewände (3) variiert. Gehäuse (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die der wenigstens einen Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) zugewandten Oberflächen der Gehäusewände (3) vollständig mit einer aufgerauten Oberfläche (10) versehen sind. Gehäuse (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche (10) durch eine Oberflächenbearbeitung realisiert ist. Gehäuse (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbearbeitung als Laserbearbeitung ausgebildet ist. Gehäuse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Oberfläche (10) durch eine Beschichtung realisiert ist. Gehäuse (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als keramische Beschichtung ausgeführt ist. Gehäuse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der wenigstens einen Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) zugewandten Oberflächen der Gehäusewände (3) Erhebungen (11) als Strömungswiderstände aufweisen. Batterieeinzelzelle (1) mit einem Gehäuse (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Elektroden-Separatoren-Anordnung (4) als wenigstens ein Stapel (4) ausgebildet ist. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) prismatisch ausgebildet ist.
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