EP4555581A1 - Batterieeinzelzelle, befüllvorrichtung und verfahren zum befüllen der batterieeinzelzelle mit elektrolyt - Google Patents

Batterieeinzelzelle, befüllvorrichtung und verfahren zum befüllen der batterieeinzelzelle mit elektrolyt

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Publication number
EP4555581A1
EP4555581A1 EP23804633.8A EP23804633A EP4555581A1 EP 4555581 A1 EP4555581 A1 EP 4555581A1 EP 23804633 A EP23804633 A EP 23804633A EP 4555581 A1 EP4555581 A1 EP 4555581A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolyte
filling
battery cell
housing
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP23804633.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Malte Henrik Klein
Hendrik Dubbe
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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 EP4555581A1 publication Critical patent/EP4555581A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/627—Filling ports
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    • H01M50/636—Closing or sealing filling ports, e.g. using lids
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    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/691—Arrangements or processes for draining liquids from casings; Cleaning battery or cell casings

Definitions

  • the invention relates to a single battery cell with a housing according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a filling device for filling such a single battery cell with electrolyte.
  • the invention also relates to a method for filling such a single battery cell with electrolyte using such a filling device.
  • 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.
  • the housings for the individual battery cells are evacuated and heated before being filled with electrolyte, before the electrolyte is then filled in through a filling opening.
  • the electrode separator arrangements for example in the form of an electrode stack, which are then 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”.
  • DE 10 2010 052 397 A1 describes a method and a device for filling an electrochemical cell, in which the filling of the electrolyte is to be improved by applying changing pressures to the housing.
  • DE 102021 204659 A1 describes, similarly to US 2018/0309114 A1, a high-voltage battery system in which an external circuit is provided for an electrolyte.
  • the individual battery cells accordingly have openings which are connected to an electrolyte supply and an electrolyte discharge, so that electrolyte can constantly flow through the circuit during operation.
  • DE 102014221 300 A1 also discloses a device and a method for removing particles from individual battery cells.
  • the individual battery cells are rinsed with a rinsing medium, for example the electrolyte that is later used, in order to rinse potential residues from the production of the individual battery cells out of the housings before the individual battery cells are actually filled with the electrolyte.
  • Electrolyte can be used as a rinsing medium, which must be cleaned and processed after the battery cell has been rinsed.
  • DE 102011 115495 A1 shows a complex method for pretreating precursors for an electrochemical cell, wherein these precursors can comprise electrodes pre-wetted with electrolyte, which are pre-processed electrically and mechanically.
  • the object of the present invention is to provide an improved structure for a single battery cell, which facilitates uniform filling with electrolyte. It is also the object to provide a filling device for filling such a single battery cell and a method suitable for this purpose. According to the invention, this object is achieved by a single battery cell with the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. A filling device according to the invention which achieves the above-mentioned object is found in claim 3. Claim 5 specifies a method according to the invention for filling a single battery cell according to the invention with a filling device according to the invention. Advantageous embodiments and further developments of claims 1, 3 and 5 result from the subclaims dependent thereon.
  • the single battery cell according to the invention is not only provided with at least one filling opening for the electrolyte, as is also usual in the prior art. Rather, the single battery cell according to the invention has at least one discharge opening for electrolyte on its housing on a side opposite the filling opening.
  • Such a discharge opening for electrolyte now makes it possible to fill the electrolyte not in a "dead-end" way via the filling opening, but also to partially discharge it again if necessary.
  • the electrolyte can therefore be added in excess in order to always provide sufficient electrolyte so that the electrode separator arrangement can absorb it accordingly.
  • the drain opening can, for example, be positioned at the bottom in the direction of gravity so that the electrolyte drains off automatically. It can then be collected again and refilled.
  • a circulation system with its own conveying device can be particularly advantageous here.
  • the single battery cell according to the invention provides that two filling openings are provided at opposite ends of a first side, with two discharge openings being provided at opposite ends of a second side, which faces away from the first side.
  • two filling openings are provided on one side, each at different ends of this side, for example in the direction of gravity at the top right and left on the side used as a cover. Accordingly, corresponding discharge openings can also be provided on the right and left on the opposite side, in this case the base.
  • This advantageous embodiment of the single battery cell according to the invention can provide that the electrode separator arrangement is surrounded on at least four sides in the housing by an edge channel, with the at least one filling opening and the at least one discharge opening located in the area of this edge channel. This allows electrolyte to be metered into the edge channel at the center of gravity and excess electrolyte to be discharged from the edge channel. If electrolyte is now continuously made available in the area of the edge channel, it can be absorbed very evenly by the electrode separator arrangement. Electrolyte that is not required at the time leaves the edge channel or the housing via the discharge opening and can be made available again via the filling opening if required, as already indicated above.
  • a filling device for filling a single battery cell with electrolyte provides that at least one electrolyte source and one supply line are provided for a single battery cell in the sense described above.
  • the supply line is set up to connect the electrolyte source to the at least one filling opening so that the electrolyte can enter the housing of the individual battery cell via the filling opening.
  • the filling device also comprises at least one discharge line with a conveyor device in the discharge line.
  • the discharge line is set up to connect the at least one discharge opening of the individual battery cell to the electrolyte source to form an electrolyte circuit.
  • such an electrolyte circuit can therefore provide excess electrolyte, which can then be taken up by the electrode separator arrangement in order to impregnate the active material of the electrodes.
  • excess electrolyte that has been supplied can be sucked out again by the electrolyte circulation system in order to prevent channels and areas from being flooded with electrolyte, which may still be needed for moisture or gases to escape from the electrode separator arrangement. This enables very uniform impregnation to take place, in which no gases are trapped in the electrode separator arrangement.
  • the conveying device is designed to suck out electrolyte through the discharge openings and part of the discharge line.
  • the electrolyte is therefore not only allowed to drain away, which would in principle also be possible through gravity and without the use of the filling device, but it is actively sucked out in order to actively counteract spreading to undesirable areas and thus completely enclosing the electrode separator arrangement with electrolyte.
  • the filling device is designed in such a way that a separate electrolyte circuit is provided for each of the pairs of filling opening and discharge opening.
  • two circuits can be provided. These can preferably be arranged on the right and left in relation to the battery housing, with the filling openings being arranged at the top in the direction of gravity, i.e. in the cover of the housing, and the discharge openings being arranged accordingly at the bottom, i.e. in the base of the housing. Overall, this enables the electrolyte to be provided in the right and left edge channels, while the lower and upper edge channels remain open to absorb moisture, gases and the like if necessary.
  • electrolyte is further added in order to fill the remaining areas accordingly and to ensure that the entire electrode-separator arrangement is completely saturated and that the entire housing is at least largely completely filled with electrolyte.
  • the supply of electrolyte is then stopped and the filling openings are closed.
  • the single battery cell 1 consists of a housing designated 2, which in an example of a prismatic single battery cell 1 shown here is formed from several cuboid-shaped housing walls 3. Within this housing 2 there is an electrode-separator arrangement 4, which is designed here 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 single battery cell 1 through the housing wall 3 of the housing 2 shown above.
  • the gases and/or moisture therefore remain in the area designated by 9.
  • this stack 4 In order to ensure that as much gas and/or moisture as possible can escape from the interior of the stack 4 of the electrode separator arrangement, this stack 4 must be prevented from being wetted all around with the electrolyte E for as long as possible.
  • a filling device 22 suitable for this purpose is shown schematically in the illustration in Figure 2.
  • the upper housing wall 3 i.e. the cover of the housing 2 of the single battery cell 1, at opposite ends. They essentially correspond to the two sections of the edge channel 8 in the illustration in Figure 2 to the right and left of the stack 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle (1) mit einem Gehäuse (2) und einer Elektroden-Separatoren-Anordnung, welche in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (2) wenigstens eine Befüllöffnung (10, 11) für einen Elektrolyt (E) aufweist. Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) wenigstens eine auf einer der Befüllöffnung (10, 11) gegenüberliegenden Seite angeordnete Abfuhröffnung (12, 13) für den Elektrolyt (E) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Befüllvorrichtung (22) zum Befüllen einer solchen Batterieeinzelzelle (1) mit Elektrolyt (E) sowie ein Verfahren hierfür.

Description

Batterieeinzelzelle, Befüllvorrichtung und Verfahren zum Befüllen der Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle mit einem Gehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Befüllvorrichtung zum Befüllen einer derartigen Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Befüllen einer derartigen Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt unter Verwendung einer solchen Befüllvorrichtung.
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.
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 über eine Befüllöffnung eingefüllt wird. Im Inneren der Zelle befindet sich dann eine oder mehrere der Elektroden-Separatoren-Anordnungen, beispielsweise in Form eines Elektrodenstapels, welche dabei mit Elektrolyt benetzt werden. Durch Kapillarkräfte wird der Elektrolyt von außen nach innen in diesen Stapel hineingezogen. Der Elektrolyt wird quasi „eingesaugt“. Die DE 10 2010 052 397 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen einer elektrochemischen Zelle, bei welcher dieses Einfüllen des Elektrolyts durch eine Beaufschlagung des Gehäuses mit wechselnden Drücken verbessert werden soll.
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.
Die DE 102021 204659 A1 beschreibt, ähnlich wie auch die US 2018/0309114 A1, ein Hochvolt-Batteriesystem, bei welchem ein externer Kreislauf für einen Elektrolyten vorgesehen ist. Die Batterieeinzelzellen haben dementsprechend Öffnungen, welche mit einer Elektrolytversorgung und einer Elektrolytabfuhr verbunden sind, sodass sich während des Betriebs ständig von Elektrolyt im Kreislauf durchströmt werden können.
Aus der DE 102014221 300 A1 ist ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, um Partikel aus Batterieeinzelzellen zu entfernen. Die Batterieeinzelzellen werden dabei nach der Fertigung von einem Spülmedium, beispielsweise dem später auch eingesetzten Elektrolyten, durchspült, um vor der eigentlichen Befüllung der Batterieeinzelzellen mit dem Elektrolyt potenzielle Rückstände von der Herstellung der Batterieeinzelzellen aus den Gehäusen heraus zu spülen. Als Spülmedium kann Elektrolyt eingesetzt werden, welcher nach dem Spülen der Batteriezelle gereinigt und aufbereitet werden muss.
Zum weiteren Stand der Technik kann ferner auf die DE 102011 115495 A1 verwiesen werden, welche ein komplexes Verfahren zum Vorbehandeln von Vorprodukten für eine elektrochemische Zelle zeigt, wobei diese Vorprodukte mit Elektrolyt vorbenetzte Elektroden umfassen können, welche elektrisch und mechanisch vorbearbeitet werden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin einen verbesserten Aufbau einer Batterieeinzelzelle anzugeben, welcher eine gleichmäßige Befüllung mit Elektrolyt erleichtert. Ebenso ist es die Aufgabe, eine Befüllvorrichtung zum Befüllen einer derartigen Batterieeinzelzelle sowie ein hierfür geeignetes Verfahren anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Eine erfindungsgemäße Befüllvorrichtung, welche die oben genannte Aufgabe löst, findet sich im Anspruch 3. Im Anspruch 5 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung mit einer Befüllvorrichtung gemäß der Erfindung angegeben. Dabei ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Ansprüche 1, 3 und 5 aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle ist es vorgesehen, dass diese nicht nur wenigstens eine Befüllöffnung für den Elektrolyt aufweist, wie es auch im Stand der Technik üblich ist. Vielmehr weist die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle an ihrem Gehäuse auf einer der Befüllöffnung gegenüberliegenden Seite wenigstens eine Abfuhröffnung für Elektrolyt auf. Über eine solche Abfuhröffnung für Elektrolyt wird nun die Möglichkeit geschaffen den Elektrolyt nicht in der Art einer „Sackgassen“-Lösung über die Befüllöffnung einzufüllen, sondern diesen bei Bedarf auch wieder teilweise abzuführen. Der Elektrolyt kann also im Überschuss zudosiert werden, um immer ausreichend Elektrolyt bereitzustellen, sodass die Elektroden-Separatoren-Anordnung diesen entsprechend aufnehmen kann. Durch die Abfuhröffnung gelangt nicht benötigter Elektrolyt wieder aus dem Gehäuse heraus, sodass keine Strömungskanäle von dem Elektrolyt, welcher nicht durch die Kapillarkräfte in die Elektroden-Separatoren-Anordnung eingesaugt worden ist, blockiert werden. Es bleibt damit immer eine Raum um Gase aus der Elektroden-Separatoren-Anordnung aufzunehmen bzw. mit dem überschüssigen Elektrolyt abzuführen. Damit werden Sie nicht im Inneren der Elektroden-Separatoren- Anordnung eingeschlossen und diese wird gleichmäßig durchtränkt. Eine solche gleichmäßige Tränkung sorgt dann für eine gute Performance und eine lange Lebensdauer der Batterieeinzelzelle, da hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und insbesondere hinsichtlich der Alterung kritische Bereiche, bei denen mit Elektrolyt getränkte Bereiche des Aktivmaterials benachbart zu nicht getränkten Bereichen des Aktivmaterials angeordnet sind, vermieden werden können. Genau diese Grenzbereiche sorgen nämlich für eine schnellere Alterung aufgrund von im Betrieb auftretenden hohen Potenzialunterschieden auf kleinstem Raum, welche zu einer Korrosion des Aktivmaterials führen können. Die Abführöffnung kann beispielsweise in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet sein, sodass der Elektrolyt selbsttätig abläuft. Er kann dann wieder gesammelt und neu zugeführt werden. Besonders günstig kann hier eine Kreislaufführung mit einer eigenen Fördereinrichtung sein.
Die Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung sieht es dabei vor, dass zwei Befüllöffnungen an gegenüberliegenden Enden einer ersten Seite vorgesehen sind, wobei zwei Abfuhröffnungen an gegenüberliegenden Enden einer zweiten Seite vorgesehen sind, welche der ersten Seite abgewandt ist. Bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung sind also zwei Befüllöffnungen auf der einen Seite jeweils an verschiedenen Enden dieser Seite, beispielsweise in Richtung der Schwerkraft oben rechts und links an der als Deckel genutzten Seite vorgesehen. Dementsprechend können auf der gegenüberliegenden Seite, hier also dem Boden, entsprechende Abfuhröffnungen ebenfalls rechts und links vorgesehen werden. Hierdurch kann der oben beschriebene Mechanismus auf beiden Seiten eingesetzt werden, sodass die beiden seitlichen Randkanäle zur Bereitstellung von Elektrolyt dienen, wobei überschüssiger Elektrolyt durch die Abfuhröffnungen wie oben bereits beschrieben abgeführt wird, bis die Elektroden-Separatoren-Anordnung vollständig mit Elektrolyt getränkt ist.
Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung kann es dabei vorsehen, dass die Elektroden-Separatoren-Anordnung an zumindest vier Seiten in dem Gehäuse von einem Randkanal umgeben ist, wobei die wenigstens eine Befüllöffnung und die wenigstens eine Abfuhröffnung im Bereich dieses Randkanals liegen. Hierdurch kann Elektrolyt im Schwerpunkt in den Randkanal zudosiert und überschüssiger Elektrolyt aus dem Randkanal abgeführt werden. Wird nun im Bereich des Randkanals kontinuierlich Elektrolyt zur Verfügung gestellt, kann dieser durch die Elektroden-Separatoren-Anordnung sehr gleichmäßig aufgenommen werden. Zum Zeitpunkt nicht benötigter Elektrolyt gelangt über die Abfuhröffnung aus dem Randkanal bzw. dem Gehäuse und kann bei Bedarf wieder, wie oben bereits angedeutet, über die Befüllöffnung erneut zur Verfügung gestellt werden.
Eine Befüllvorrichtung zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle mit Elektrolyt sieht es vor, dass bei einer Batterieeinzelzelle in dem oben beschriebenen Sinn wenigstens eine Elektrolytquelle und eine Zufuhrleitung vorgesehen sind. Die Zufuhrleitung ist dazu eingerichtet die Elektrolytquelle mit der wenigstens einen Befüllöffnung zu verbinden, sodass der Elektrolyt über die Befüllöffnung in das Gehäuse der Batterieeinzelzelle gelangen kann. Die Befüllvorrichtung umfasst außerdem wenigstens eine Abfuhrleitung mit einer Fördereinrichtung in der Abfuhrleitung. Die Abfuhrleitung ist dazu eingerichtet die wenigstens eine Abfuhröffnung der Batterieeinzelzelle mit der Elektrolytquelle zur Ausbildung eines Elektrolytkreislaufs zu verbinden. Über einen solchen Elektrolytkreislauf kann also, wie es oben bereits dargelegt worden ist, Elektrolyt im Überschuss zur Verfügung gestellt werden, welcher dann von der Elektroden-Separatoren-Anordnung aufgenommen werden kann, um das Aktivmaterial der Elektroden zu tränken. Gleichzeitig kann durch die Kreislauführung des Elektrolyts überschüssiger zugeführter Elektrolyt wieder abgesaugt werden, um so zu verhindern, dass Kanäle und Bereiche mit Elektrolyt geflutet werden, welche gegebenenfalls noch zum Austritt von Feuchtigkeit oder Gasen aus der Elektroden-Separatoren-Anordnung benötigt werden. Hierdurch kann eine sehr gleichmäßige Tränkung erfolgen, bei welcher keine Gase in der Elektroden-Separatoren- Anordnung eingeschlossen werden.
Wie bereits erwähnt kann es dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung zum Absaugen von Elektrolyt durch die Abfuhröffnungen und einen Teil der Abfuhrleitung vorgesehen ist. Der Elektrolyt wird also nicht nur ablaufen gelassen, was prinzipiell auch durch die Schwerkraft und ohne den Einsatz der Befüllvorrichtung möglich wäre, sondern er wird aktiv abgesaugt, um einer Ausbreitung in unerwünschte Bereiche und damit ein vollständiges Umschließen der Elektroden-Separatoren-Anordnung mit Elektrolyt aktiv entgegenzuwirken.
Die Befüllvorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass für jedes der Paare aus Befüllöffnung und Abfuhröffnung ein eigener Elektrolytkreislauf vorgesehen ist. Es können also bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung der Batterieeinzelzelle gemäß Anspruch 3 unter Verwendung einer besonders günstigen Ausgestaltung der Befüllvorrichtung zwei Kreisläufe bereitgestellt werden. Vorzugsweise können diese rechts und links bezogen auf das Batteriegehäuse angeordnet sein, wobei die Befüllöffnungen in Richtung der Schwerkraft oben, also auf in dem Deckel des Gehäuses angeordnet sind und die Abfuhröffnungen entsprechend unten, also im Boden des Gehäuses. Dies ermöglicht insgesamt eine Bereitstellung des Elektrolyten in dem rechten und linken Randkanal, während der untere und obere Randkanal offen bleiben, um bei Bedarf Feuchtigkeit, Gase und dergleichen aufnehmen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit Elektrolyt, unter Verwendung einer Befüllvorrichtung nach einem Ansprüche3 oder 4, sieht es dabei vor, dass Elektrolyt über die wenigstens eine Befüllöffnung dem Inneren des Gehäuses der Batterieeinzelzelle zugeführt wird, wobei zumindest in einer ersten zeitlichen Phase der Befüllung Elektrolyt aus der wenigstens einen Abfuhröffnung abgeführt und im Kreislauf zurückgeführt wird. In der ersten Phase der Befüllung wird also bei dem Verfahren ein entsprechender Überschuss an Elektrolyt bereitgestellt, wobei diese erste zeitliche Phase der Befüllung idealerweise so lange andauert, bis die Elektroden-Separatoren-Anordnung weitgehend vollständig mit Elektrolyt getränkt ist. Ein Zeitrahmen hierfür kann beispielsweise empirisch ermittelt oder durch Simulation abgeschätzt werden.
Ferner ist es vorgesehen, dass die Kreislaufführung zu Beginn einer zweiten zeitlichen Phase beendet wird, wonach die Abfuhröffnungen verschlossen werden. Die Abfuhröffnungen werden also verschlossen, um das Abfließen von Elektrolyt zu verhindern. Die Kreislaufführung wird beendet, wobei weiterhin Elektrolyt zugeführt werden kann, welcher nun die weiteren Bereiche des Randkanals füllen kann. Damit wird ein ausreichender Überschuss an Elektrolyt in dem Gehäuse sichergestellt, sodass und eventuell nicht vollständig getränkte Bereiche innerhalb der Elektroden-Separatoren- Anordnung den Elektrolyt aufnehmen können. Der Überschuss an Elektrolyt stellt dann auch im Betrieb sicher, dass dieser ausreichend zur Verfügung steht.
Dabei wird nun ferner in dieser zweiten zeitlichen Phase weiterhin Elektrolyt zugeführt, um die verbleibenden Bereiche entsprechend zu füllen und für eine vollständige Tränkung der gesamten Elektroden-Separatoren-Anordnung und eine zumindest weitgehend vollständige Füllung des gesamten Gehäuses mit Elektrolyt zu sorgen. Dabei wird nach der zweiten zeitlichen Phase dann auch die Zufuhr des Elektrolyt gestoppt und die Befüllöffnungen werden verschlossen.
Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass das Verschließen der Abfuhröffnungen und der Befüllöffnungen oder auch alternativ nur einer der Arten der Öffnungen durch ein Einschweißen von Verschlussstopfen erfolgt. Ein solches Einschweißen von Verschlussstopfen kann beispielsweise bei einem Kunststoffgehäuse, Verbundgehäuse oder einem Metallgehäuse, insbesondere bei einem Aluminiumgehäuse ideal eingesetzt werden, um das Gehäuse dicht und sicher zu verschließen. Hierfür können beispielsweise durch geeignete Schweißverfahren Verschlussstopfen eingebracht und in den entsprechenden Öffnungen gesichert werden. Dies kann beispielsweise ein Reibschweißen aber auch ein Ultraschallschweißen oder dergleichen erfolgen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterieeinzelzelle, der Vorrichtung und des Verfahrens 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 und einer Vorrichtung 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 des dargestellten Pfeils 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 1c) 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. Damit nun aber möglichst alles an Gasen und/oder Feuchtigkeit aus dem Inneren des Stapels 4 der Elektroden-Separatoren-Anordnung entweichen kann, muss möglichst lange vermieden werden, dass dieser Stapel 4 umlaufend mit dem Elektrolyt E benetzt wird. In der Darstellung der Figur 2 ist eine hierfür geeignete Befüllvorrichtung 22 schematisch dargestellt. An die Stelle der einen Befüllöffnung 7 gemäß dem Stand der Technik treten nun zwei Befüllöffnungen 10, 11, welche auf der oberen Gehäusewand 3, also dem Deckel des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle 1 an gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Sie korrespondieren im Wesentlichen mit den beiden Abschnitten des Randkanals 8 in der Darstellung der Figur 2 rechts und links seitlich neben dem Stapel 4. Auf der gegenüberliegenden Gehäusewand 3, also der Unterseite bzw. dem Boden des Gehäuses 2, sind jeweils korrespondierende Abfuhröffnungen 12, 13 angeordnet. Die beiden Befüllöffnungen 10, 11 sind über Befüllleitungen 14, 15 mit jeweils einer Elektrolytquelle 16, 17 verbunden, wobei hier auch eine einzige Elektrolytquelle 16, 17, beispielsweise ein gemeinsamer Vorratsbehälter für Elektrolyt zum Einsatz kommen könnte. Die entsprechenden Abfuhröffnungen 12, 13 sind über jeweils eine Abfuhrleitung 18, 19 ebenfalls mit der jeweiligen Elektrolytquelle 16, 17 verbunden. Zum Absaugen des überschüssigen Elektrolyts E aus den beiden rechten und linken Bereichen des Randkanals 8 sind dabei Fördereinrichtungen 20, 21 vorgesehen. Hierdurch wird für das eine Paar aus Befüllöffnung 10 und Abfuhröffnung 12 ebenso wie für das andere Paar aus Befüllöffnung 11 und Abfuhröffnung 13 jeweils ein Kreislauf für den Elektrolyt E ausgebildet.
In einer ersten zeitlichen Phase der Befüllung des Gehäuses 2 mit dem Elektrolyt E können nun diese beiden Kreisläufe entsprechend betrieben werden, in dem über die Elektrolytquellen 16, 17 Elektrolyt quasi im Überschuss zugeführt wird und gleichzeitig ein Teil dieses Elektrolyts E über die Fördereinrichtungen 20, 21 und die Abfuhrleitungen 18, 19 durch die Abfuhröffnungen 12, 13 wieder abgesaugt wird. Dies erfolgt zeitlich so lange, bis der Stapel 4 mit dem Elektrolyt E weitgehend getränkt ist. Über die Kreislaufführung und insbesondere das Absaugen über die Abfuhröffnungen 12, 13 wird dabei erreicht, dass die in der Darstellung der Figur 2 oberhalb und unterhalb des Stapels 4 liegenden Bereiche des Randkanals 8 nicht vollständig mit Elektrolyt gefüllt sind, sodass Gase und/oder Feuchtigkeit aus dem Stapel 4 in eben diese Bereiche ungehindert austreten können.
Wenn nach dieser ersten zeitlichen Phase der Kreislaufführung der Stapel 4 nun vollständig oder zumindest weitgehend mit dem Elektrolyt E getränkt ist können die beiden Kreisläufe bzw. die Fördereinrichtungen 20, 21 abgeschaltet und die Abfuhröffnungen verschlossen werden, beispielsweise durch das Einschweißen von Verschlussstopfen. Im Anschluss daran kann in einer zweiten zeitlichen Phase weiterhin noch eine gewisse Menge des Elektrolyts E aus den Elektrolytquellen 16, 17 zugeführt werden, um als Überschuss in das Gehäuse 2 dosiert zu werden, sodass bisher noch nicht gefüllte Bereiche des Gehäuses 2 ebenfalls mit Elektrolyt gefüllt werden. Am Ende dieser zweiten zeitlichen Phase wird auch diese ergänzende Zufuhr des Elektrolyts E abgeschaltet und die Befüllöffnungen 10, 11 werden, beispielsweise ebenfalls durch ein Einschweißen von Verschlussstopfen, verschlossen. Der Stapel 4 der Batterieeinzelzelle 1 kann so weitgehend vollständig mit dem Elektrolyt E getränkt werden, ohne dass, vergleichbar wie beim in Figur 1c) dargestellten Stand der Technik, Bereiche 9 mit Gasen und/oder Feuchtigkeit innerhalb des Stapels 4 verbleiben. Vielmehr wird eine gleichmäßige und homogene Durchtränkung der gesamten Elektroden in der Elektroden-Separatoren-Anordnung des Stapels 4 mittels der in Figur 2 gezeigten Befüllvorrichtung 22 erreicht.

Claims

Patentansprüche Batterieeinzelzelle (1) mit einem Gehäuse (2) und einer Elektroden-Separatoren- Anordnung, welche in dem Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (2) wenigstens eine Befüllöffnung (10, 11) für einen Elektrolyt (E) aufweist, wobei das Gehäuse (2) wenigstens eine auf einer der Befüllöffnung (10, 11) gegenüberliegenden Seite angeordnete Abfuhröffnung (12, 13) für den Elektrolyt (E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Befüllöffnungen (10, 11) an gegenüberliegenden Enden einer ersten Seite vorgesehen sind, wobei zwei Abfuhröffnungen (12, 13) an gegenüberliegenden Enden einer zweiten Seite, welche der ersten Seite gegenüber liegt, vorgesehen sind. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden-Separatoren-Anordnung an zumindest vier Seiten in dem Gehäuse (2) von einem Randkanal (8) umgeben ist, wobei die wenigstens eine Befüllöffnung (10, 11) und die wenigstens eine Abfuhröffnung (12, 13) in den Bereich des Randkanals (8) mündet. Befüllvorrichtung (22) zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit Elektrolyt (E), welche wenigstens eine Elektrolytquelle (16, 17) und wenigstens eine Zufuhrleitung (14, 15) für den Elektrolyt (E) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Elektrolytquelle (16, 17) mit der wenigstens einen Befüllöffnung (10, 11) zu verbinden, wobei wenigstens eine Abfuhrleitung (18, 19) und eine darin angeordnete Fördereinrichtung (20, 21) vorgesehen sind, wobei die Abfuhrleitung (18, 19) dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Abfuhröffnung (12, 13) mit der Elektrolytquelle (16, 17) zur Ausbildung eines Elektrolytkreislaufs zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der Paare aus Befüllöffnung (10, 11) und Abfuhröffnung (12, 13) ein eigener Elektrolytkreislauf vorgesehen ist. Befüllvorrichtung (22) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fördereinrichtung (20, 21) zur Absaugung von Elektrolyt (E) durch die Abfuhröffnung (12, 13) und einen Teil der Abfuhrleitung (18, 19) vorgesehen ist. Verfahren zum Befüllen einer Batterieeinzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit Elektrolyt (E) unter Verwendung einer Befüllvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei Elektrolyt (E) über die wenigstens eine Befüllöffnung (10, 11) dem Inneren des Gehäuses (2) der Batterieeinzelzelle (1) zugeführt wird, wobei zumindest in einer ersten zeitlichen Phase der Befüllung Elektrolyt (E) aus der wenigstens eine Abfuhröffnung (12, 13) abgeführt und im Kreislauf zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislaufführung zu Beginn einer zweiten zeitlichen Phase beendet wird, wonach die wenigstens eine Abfuhröffnung (12, 13) verschlossen wird, wobei in der zweiten zeitlichen Phase dem Gehäuse (2) weiterhin Elektrolyt (E) zugeführt wird, wobei nach der zweiten zeitlichen Phase die Zufuhr des Elektrolyts (E) gestoppt und die wenigstens eine Befüllöffnung (10, 11) verschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschließen der Abfuhröffnung (12, 13) und/oder der Befüllöffnung (10, 11) durch das Einschweißen eines Verschlussstopfens erfolgt.
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