EP4609464A1 - Verfahren zum verbinden von einem ableiter mit einer polkappe einer batteriezelle - Google Patents

Verfahren zum verbinden von einem ableiter mit einer polkappe einer batteriezelle

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Publication number
EP4609464A1
EP4609464A1 EP23809110.2A EP23809110A EP4609464A1 EP 4609464 A1 EP4609464 A1 EP 4609464A1 EP 23809110 A EP23809110 A EP 23809110A EP 4609464 A1 EP4609464 A1 EP 4609464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrester
pole cap
tension
opening
dome
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
EP23809110.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Gräf
Bernd Kaiser
Philipp Steiner
Stefan Doose
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.)
Cellforce Group GmbH
Original Assignee
Cellforce Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cellforce Group GmbH filed Critical Cellforce Group GmbH
Publication of EP4609464A1 publication Critical patent/EP4609464A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H01M50/533—Electrode connections inside a battery casing characterised by the shape of the leads or tabs
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/54—Connection of several leads or tabs of plate-like electrode stacks, e.g. electrode pole straps or bridges
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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
    • H01M50/627—Filling ports
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting an arrester to an inner side of a pole cap of an electrochemical cell.
  • anodes When producing electrochemical storage devices, such as lithium-ion batteries, several alternating layers of anodes, cathodes and separators are usually arranged in the form of cell stacks.
  • the respective anodes and cathodes are each electrically contacted by a conductor.
  • U-shaped conductors When using two cell stacks, for example, U-shaped conductors are used, with the two ends facing the two cell stacks and the front side facing the inside of a pole cap.
  • the conductor acts as an electrical interface between the cell stacks and the pole caps.
  • the first pole cap can be welded or soldered to the arrester of the cell stack in a regular manner or without any technical challenges.
  • the second pole cap can no longer be connected directly to the arrester. For this, longer connecting cables must be provided between the second arrester and the cell stack, which means that additional housing volume is required for the longer connecting cables required for installation.
  • the present invention therefore has the object of creating a method for connecting an arrester, in particular a second arrester to be connected, in which the volume of the cell housing can be minimized. This object is achieved by the in claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are part of the subclaims.
  • a method for connecting a conductor to an inner surface of a pole cap of an electrochemical cell.
  • a tension mandrel is pushed through an opening, such as a filling opening, in the pole cap and/or through an opening or recess in the arrester.
  • the opening in the arrester can be designed to correspond to the opening in the pole cap. Depending on the design of the tension mandrel, it may not be necessary to take an opening in the arrester into account if the tension mandrel is mechanically or integrally connected to the arrester.
  • the tension dome can be spread out at the end on a section of the arrester or can be mechanically connected to the arrester in order to form at least a temporary mechanical connection between the tension dome and the arrester.
  • the tension dome can be permanently connected to the arrester at the end or can be connected.
  • a force is applied to the tension dome, directed out of the filling opening of the pole cap. This presses the arrester against the inside of the pole cap. By pressing or pulling the arrester against the inside of the pole cap, an initial gap between the inside of the pole cap and the arrester can be eliminated, thereby implementing optimal preparation for a subsequent joining step.
  • the arrester is then connected to the pole cap in the joining step, in particular in an electrically conductive manner.
  • the method allows a so-called zero gap to be set between the pole cap and the arrester in order to implement a process-safe connection between the pole cap and the arrester.
  • the method allows the arrester to be pulled or pressed against the pole cap from the outside without exerting a damaging force on the at least one cell stack that is connected to the arrester.
  • the process can minimize the need for additional cell volume, since no additional length is required for the connection between the arrester and the cell stack.
  • the tension dome is moved through an opening in the arrester in the direction of an outside.
  • the tension dome is mechanically, in particular positively, hooked onto the arrester at the end in the area of the opening.
  • the tension dome is inserted through the openings in the pole cap and the arrester and spread at the end in the area of the opening of the arrester mechanically or by overpressure, in particular pneumatically or hydraulically, or by negative pressure, in order to form a temporary or permanent mechanical connection between the tension dome and the arrester.
  • This allows the tension dome to be enlarged in many ways at the end in order to lock the arrester and thus fix it immovably in relation to the tension dome at least in one direction.
  • the tension dome can hook behind the arrester or form a temporary fixed connection with the arrester in order to be able to move the arrester against the pole cap.
  • the tension dome can thus be enlarged or expanded in an opening or recess in the arrester or behind or below the opening in order to be able to move the arrester in at least one direction.
  • the mandrel can be spread at the end in such a way that this end section is deformed and acts as a rivet to form a mechanical connection between the arrester and the pole cap.
  • the tension dome can be designed to pull the arrester and thus press or move it against an inner side of the pole cap.
  • the tension mandrel has an outer tube section which has an expansion section at the end.
  • the expansion section is preferably enlarged at least in some areas by applying excess pressure to the tube section or by pressing in a bolt. This makes it technically easy to expand the end of the tension mandrel.
  • the expansion section can be designed to be elastic at least in some areas in order to increase or reduce the dimensions of the tension mandrel transversely to the pulling direction of the arrester.
  • the tension mandrel can function as a tool with which the expansion section is temporarily expanded.
  • the tension mandrel can serve as a connecting means with which the expansion section can be permanently expanded.
  • the tension dome can be designed in a particularly simple technical way if the expansion section has an expansion element and the expansion element is pulled or pressed into the outer pipe section mechanically or by negative pressure in order to enlarge the expansion section at least in some areas. Accordingly, the expansion element can be spaced away from the outer pipe section by mechanical action or by excess pressure in order to reduce the expansion section again.
  • a return spring can be provided which can automatically space the expansion element away from the outer pipe section along the pulling direction of the tension dome in order to reduce the expansion section.
  • the expansion section can be enlarged by the expansion element along at least one spatial direction transverse to the pulling direction of the tension dome.
  • the expansion element can be designed to be rotationally symmetrical, which makes it possible to implement a uniform enlargement of the expansion section.
  • the mechanical connection between the tension mandrel and the arrester is formed by a rotary movement and/or a translatory movement of the tension mandrel.
  • This allows the tension mandrel to be pushed through the opening and, by means of a rotary movement or lateral movement or pivoting movement, to hook behind the arrester in such a way that it can be pressed against the inside of the pole cap.
  • Such a tension mandrel can also be implemented in a particularly simple technical manner and integrated into an automated process.
  • the tension dome has a receiving section and/or a driver.
  • the receiving section is designed to receive a part of the arrester laterally.
  • the driver can advantageously protrude beyond the receiving section, thereby creating a rear hook of the arrester.
  • the receiving section and the driver can be formed eccentrically with respect to a rotation axis of the tension dome.
  • the tension dome can be pushed through the opening until the arrester and the pole cap are at the same height in the receiving section.
  • An optional limiting element of the tension dome can limit or regulate the required immersion depth of the tension dome through the opening.
  • the driver acts as a counter surface or support surface for the arrester.
  • the receiving section and the driver of the tension mandrel can form a screw shape or thread shape. This allows a tension mandrel inserted into the opening to be rotated, whereby the rotation along the rotation axis of the tension mandrel causes the effective position of the driver to move towards the inside of the pole cap, thus pressing the arrester and the pole cap together.
  • this can also be achieved by a thread of the tension mandrel outside the electrochemical cell, which changes the axial position or depth position of the tension mandrel by rotating at least part of the tension mandrel.
  • An actuator can implement the rotary and/or translatory movement of the tension dome.
  • signals or measurement data from sensors and/or end stops can be used to press the arrester against the inside of the pole cap in a defined manner.
  • a control unit can implement the coordination between the sensors or end stops or end contacts and the actuators.
  • control unit can also control the application of negative or positive pressure to the tension dome.
  • Additional sensors such as pressure sensors and the like, can be used for targeted control of the tension dome.
  • the tension dome can be pushed through the opening in the arrester before the battery cell or the electrochemical cell is installed, so that the driver can hook behind the opening or another section of the arrester at the end or interact with it in a form-fitting or frictional manner.
  • the arrester can then be brought closer to the pole cap with the tension dome, whereby the tension dome can also be pushed through the opening in the pole cap so that the conductor can be pulled against the pole cap on the inside after the battery cell has been installed or the cell housing has been closed.
  • the tension dome can remain in the finished battery cell, at least in sections.
  • the driver of the tension dome is designed to mechanically hook onto the arrester in the area of the opening.
  • the driver can be designed, for example, as a thickened section, as a T-piece at the end, a head or screw head, a spring, a lateral bulge and the like. The driver can prevent the tension dome from slipping freely through the opening of the arrester.
  • the tension dome is designed integrally with the arrester or is connected to the arrester.
  • the tension dome can also be glued, welded, soldered, flanged or clamped to the arrester in order to form a connection between the tension dome and the arrester, which enables a force to be applied to the tension dome in order to pull the arrester against the pole cap.
  • a tension dome that is connected to the arrester in a materially bonded manner, for example by welding or soldering, can be considered as a tension dome that is designed integrally with the arrester.
  • An integral assembly consisting of the tension dome and the arrester can also be formed during production, for example by injection molding.
  • the arrester is moved to the inside of the pole cap in such a way that the tension dome is guided through the opening of the pole cap to the outside. This allows the tension dome to remain in the battery cell in some areas.
  • the section of the tension dome protruding from the opening in the pole cap can be removed by milling, cutting, tearing off and the like.
  • a connection between the arrester and the pole cap can be made via a direct connection between the arrester and the pole cap and/or via an indirect electrically conductive connection that runs from the pole cap via the section of the tension dome remaining in the battery cell and to the arrester.
  • the arrester is connected to the pole cap in a form-fitting or material-fitting or friction-fitting manner by the spread-out spreading section of the tension dome.
  • the arrester can be connected to the pole cap by laser welding, tab welding, so-called e-filling, riveting, tilting, pressing and the like.
  • the tension dome can alternatively or additionally function as a rivet or blind rivet.
  • the driver can couple the arrester and the spreading section to the pole cap, which makes it particularly easy to connect the arrester to the pole cap.
  • the spreading section can advantageously be deformed, in particular fanned out or widened, after the tensile force has been applied to the protruding section of the tension dome.
  • a tension dome designed integrally with the arrester can be used in a similar way.
  • the expansion section can be positioned at a distance from the arrester, which means that it can be deformed inside the opening of the pole cap or outside the opening of the pole cap.
  • a hole weld for example in the form of laser welding, can be implemented through the pole cap and/or in the area of the opening of the pole cap.
  • a section of the tension mandrel that protrudes from the battery cell can be removed particularly easily if the tension mandrel has a predetermined breaking point.
  • the tension mandrel is subjected to a tensile force and/or a torque in such a way that at least a section of the tension mandrel is severed along the predetermined breaking point. This measure enables the removal of a protruding tension mandrel, which remains permanently in the battery cell in sections, without additional tools or with minimal tool expenditure.
  • Any remaining tear-off edge or stump of the tension dome can be removed by welding, milling, grinding and the like.
  • the tilting or pressing of the arrester can be done, for example, by notching or deforming the pole cap in at least one lateral section. This is achieved in particular by plastically deforming the pole cap at least in some areas and results in a mechanical connection between the pole cap and the arrester.
  • the pole cap can grip the arrester on the inside in order to be able to form an electrical contact on the side walls of the pole cap and the arrester.
  • the pole cap has at least one connection opening.
  • a line weld or a hole weld or a A soldered connection is made to form a material bond between the arrester and the pole cap. This measure ensures that a material bond is formed between the pole cap and the arrester. In addition, the formation of such a connection can be reliably checked as part of quality management.
  • the method can be used in an automated production of cells or battery cells if, after connecting the arrester to the pole cap, the tension dome is removed from the filling opening and the filling opening is used to fill an electrolyte.
  • the tube section of the tension dome that protrudes from the pole cap opens into an opening designed as a filling opening, which is used to fill the electrolyte.
  • This measure enables the tension dome to be used as a filling nozzle before the protruding section of the tension dome is cut off. This measure allows the tension dome to be used simultaneously for a variety of possible tasks in the context of battery cell production.
  • tension domes used in parallel can simultaneously lock several arresters and press them against the inside of several pole caps.
  • the respective pole caps and arresters can then be electrically coupled simultaneously by several parallel connections.
  • This measure can be implemented equally well with a tension mandrel that remains permanently in the battery cell in sections or with a temporarily inserted tension dome. After the expansion sections of the tension domes have been reduced again, in the case of temporarily used tension domes, these can be pulled out of the openings or filling openings to enable the cells to be filled afterwards. This measure allows the filling opening to be used for several tasks, tightening the arrester and filling the cell.
  • the temporarily used tension domes can use the expansion section essentially to lock the arrester.
  • the tension domes that remain permanently in the battery cell in sections can, on the other hand, use the expansion section to permanently lock the pole cap in order to realize the function of a rivet.
  • the filling opening is sealed fluid-tight after filling with the electrolyte.
  • This step of the method can be implemented in a technically simple manner, for example by inserting a plug or blind plug or by sealing the filling opening with a material bond.
  • the cells can be filled particularly quickly if a vacuum or negative pressure is created in the internal volume of the cell beforehand.
  • the tension dome is spread and/or hooked at the end in the area of a recess in the arrester designed as a blind hole or as an extruded profile in order to mechanically couple it.
  • This measure allows cost-effective extruded profiles to be used which are tailored to the dimensions of the pole caps.
  • the manufacture of the arresters can thus be designed to be particularly simple from a technical point of view.
  • extruded profiles can be used for both temporarily and permanently used tension domes.
  • spreading sections can reach into a section of the profile in order to be able to move the arrester from the outside.
  • a A permanently deformable expansion section or a driver interacts with the section of the profile in a form-fitting, material-fitting or friction-fitting manner in order to be able to move the arrester from the outside.
  • blind holes and recesses or grooves in extruded profiles can enable the arrester to be pulled towards the pole cap and the cell to be filled with an electrolyte solution at the same time.
  • the arrester can be electrically connected to the pole cap in a particularly simple technical manner if the arrester has at least one lateral connection section which essentially corresponds to an inner contour of the pole cap in the area of the inside.
  • the arrester is connected to the pole cap by plastically deforming the pole cap in the area of the connection section. For example, notching or pressing in the pole cap on the outside in the area of the connection section can create an electrically conductive connection between the pole cap and the arrester.
  • the arrester can be connected to the pole cap in an electrically conductive manner in a particularly simple technical manner if the arrester is connected to the pole cap at least in part by means of a weld through the pole cap.
  • an arrester that is pulled or pressed onto the inside of the pole cap by the tension dome can be connected in a material-locking manner along the welded through using laser welding.
  • the arrester is electrically connected to the pole cap by welding a joint between the expansion section and the opening of the pole cap, in particular in the area of a predetermined breaking point. conductively connected. This allows the arrester to be indirectly connected to the pole cap via a section of the tension dome, for example between the driver and the spreading section. In addition to the forces acting between the arrester, the driver, the spreading section and the pole cap, optimal or additional welding or soldering can improve the electrical contact resistance between the components.
  • an edge-side welded connection can be formed between the arrester and the pole cap in the area of the edges of the openings or filling openings. This can be achieved with or without a permanently used tension dome or section of the tension dome.
  • the method can advantageously be implemented with one or more tension domes.
  • a tension dome that is only temporarily inserted from the outside or a tension mandrel that remains permanently or a combination of temporarily and permanently inserted tension domes can be used.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a battery cell with two cell stacks connected in parallel and oppositely arranged pole caps,
  • Fig. 2 is a detailed view B of Fig. 1 to illustrate a method according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 3 is a detailed view illustrating an arrester connected to a pole cap by means of a penetration weld
  • Fig. 4 is a detailed view illustrating an arrester connected to a pole cap by means of a plug weld
  • Fig. 5 is a plan view of a pole cap of the battery cell shown in Fig. 1,
  • FIG. 6 Detailed views of a battery cell with an arrester designed as an extruded profile
  • Fig. 7 Detailed views of a battery cell to illustrate a connection of a conductor with a pole cap by plastic deformation
  • FIG. 8 schematic detailed views to illustrate a method according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 9 schematic detailed views to illustrate a method according to a third embodiment of the invention.
  • identical reference numerals indicate the same elements or structural components.
  • the sizes and relative positions of the elements in the figures are not necessarily drawn to scale and some of these elements are shown enlarged and positioned for clarity.
  • the special shapes of the elements shown are not intended to provide information about the actual shape of the individual elements, but have merely been selected for easier recognition in the illustrations.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an electrochemical cell or battery cell 100 with two cell stacks 101, 102 connected in parallel and pole caps 10 arranged opposite one another.
  • the battery cell 100 has a double-sided or opposite arrangement of pole caps 10.
  • Two cell stacks 101, 102 are arranged in the cell housing 110, each of which is electrically connected to a conductor 20 at the front via connecting lines 103.
  • the cell housing 110 can have a rectangular or square cross-section, for example, and can be closed at the front directly or indirectly by the pole caps 10 in order to accommodate an electrolyte solution.
  • At least one filling opening 12 is provided, which extends through at least one pole cap 10.
  • the arresters 20 are designed as U-shaped arresters and have two legs 21, each of which electrically contacts a cell stack 101, 102.
  • the legs 21 of the arresters 20 are connected to one another by a crosspiece 22.
  • the crosspiece 22 is electrically connected to an inner side 11 of the pole cap 10, so that the cell stacks 101, 102 are designed to be electrically conductive with the pole caps 10.
  • a first arrester 20 can be connected in an electrically conductive manner to a first pole cap 10 in a technically simple manner.
  • a subsequent connection of a second arrester 20 with a second pole cap 10 requires additional measures, which are described in more detail below. To avoid internal damage to the battery cell 100, no direct force may be applied to the cell stacks 101, 102.
  • FIG. 2 shows a detailed view B from Fig. 1 to illustrate a method according to an embodiment of the invention, which also describes a possibility for forming the zero gap.
  • the internal components such as the cell stacks 101, 102 and the connecting lines 103, are not shown in Fig. 2 and the following figures.
  • a tension dome 30 that can be spread at the end is pushed from the outside or from an outer side A through an opening 12 of the pole cap 10.
  • the opening 12 is designed as a filling opening for introducing an electrolyte solution into the housing volume V.
  • the tension dome 30 is also pushed through or into an opening 23 or recess 24 of the arrester 20 that corresponds to the opening 12.
  • An arrester 20 with such a recess 24 is illustrated, for example, in Fig. 5.
  • the tension dome 30 remains temporarily in or on the components 10, 20 in order to be able to adjust the zero gap.
  • the tension dome 30 is then spread at the end in the area of the opening 23 or recess 24 of the arrester 20 in order to form a temporary mechanical connection between the tension dome 30 and the arrester 20.
  • a force F is applied to the tension dome 30, directed out of the opening 12 of the pole cap 10.
  • the arrester 20 is pressed against the inner side 11 of the pole cap 10.
  • the arrester 20 By pressing the arrester 20 against the inner side 11 of the pole cap 10, the initial gap 13 between the inner side 11 of the pole cap 10 and the arrester 20 is eliminated, so that optimal preparation for a subsequent joining step is realized. Then, in the joining step, the arrester 20 is connected to the pole cap 10 in an electrically conductive and preferably also mechanical manner.
  • the tension dome 30 has an outer tube section 31 and an end-side expansion section 32.
  • an expansion element 33 is arranged in the expansion section 32.
  • the expansion element 33 is designed to be conical and taper in the direction of the force F and can be pulled into the tube section by mechanical actuation or by a vacuum in such a way that the end-side expansion section increases in cross-section.
  • the arrow in the tube section 31 schematically illustrates the movement of the expansion element 33. This cross-section increase results in the expansion section 32 being locked in place with the opening 23 of the arrester 20.
  • the locking can be designed as a restriction of the mobility of the arrester 20 by an at least partial positive locking of the spreading section 32.
  • a rear hook of the spreading section 32 occurs below the opening 23 of the arrester 20 in order to be able to pull the arrester 20 against the inner side 11 of the pole cap 10.
  • the connecting lines 103 provide a decoupling between the cell stacks 101, 102 and the arrester 20.
  • the connecting lines 103 can, for example, be designed to be slightly longer than a distance between the legs 21 of the arrester 20 and the front sides of the cell stacks 101, 102.
  • Fig. 3 shows a detailed view to illustrate an arrester 20 connected to a pole cap 10 by means of a through-weld 40.
  • Fig. 4 shows a detailed view to illustrate an arrester 20 connected to a pole cap 10 by means of a hole weld 41.
  • One or more penetrations 40 are created, for example, by laser welding.
  • a welding device (not shown) can be attached to the outside of the front side of the pole cap 10 and can be operated at least in some areas.
  • a weld 40 can, for example, be point-shaped, linear and/or enclose a closed area on the pole cap 10. Due to the relatively low material thickness of the pole cap 10, the crossbar 22 of the conductor 20 arranged behind the pole cap 10 is also melted and thus firmly connected to the pole cap 10.
  • a hole weld 41 can be made, for example, on the edge of the filling opening 12 or in the area of a connection opening 12' (see Fig. 5). In this case, an edge area of the filling opening 12 is melted by a welding process in order to connect the pole cap 10 to the conductor 20. This leaves a fluid channel for filling the battery cell 100 with the electrolyte solution.
  • connection openings 12' can be used to set a welding point, for example by means of laser welding, and thus completely close the connection opening 12'.
  • a corresponding connection opening 12' can preferably be designed as a blind hole.
  • a recess or depression 24 of the arrester 20 or the crossbar 22 of the arrester 20 is positioned behind the opening 12' in the pole cap 10.
  • Fig. 4 shows a detailed view to illustrate a conductor 20 connected to a pole cap 10 by means of a plug weld, in which the conductor 20 can be pulled through the pull dome 30 to the inside 11 of the pole cap 10 not at a corresponding opening 23, but at a depression or recess 24.
  • a material connection between the depression 24 and the pole cap 10 is designed to be particularly fluid-tight and does not require any additional closures 14 (see Fig. 3).
  • the filling opening 12, 23, however, requires a closure 14 after the battery cell 100 has been filled.
  • the closure 14 can be a reversible or an irreversible closure, which allows the housing volume V to be reopened or permanently seals the battery cell 100.
  • the closure 14 can be designed as a plug, as a screw cap, as a melting cap and the like.
  • the recess 24 can have an internal thread so that, as an alternative to a welded connection, a screw connection can be formed by means of a screw (not shown) between the pole cap 10 and the conductor 20.
  • the depression 24 or cutout can be produced by removing material or by a forming process, such as punching, in the crosspiece 22 of the arrester 20.
  • the legs 21 of the arrester 20 can also be formed at the same time, for example with a punching or forming step.
  • Fig. 5 shows a top view of a pole cap 10 of the battery cell 100 shown in Fig. 1.
  • the pole cap 10 has a centrally arranged filling opening 12 and two openings 12', which are arranged above recesses 24 of the conductor 20.
  • the filling opening 12 is arranged above a corresponding opening 23 of the conductor 20 and forms a fluid channel to the housing volume V of the battery cell 100.
  • the openings 12' designed as blind holes can function to form a connection between the pole cap 10 and the conductor 20. So that the weld seam or weld point has as little projection as possible, the pole cap 10 can have a recess or phasing (not shown) in the area of the openings 12'.
  • FIG. 6a and Fig. 6b detailed views of a battery cell 100 with a conductor 20 designed as an extruded profile are shown.
  • Fig. 6a shows a conductor 20 which consists of an extruded profile with a V-shaped recess or recess 24.
  • the recess 24 is T-shaped.
  • the corresponding recesses 24 extend over an entire length of the arrester 20 along a spatial direction.
  • the crossbar 22 of the arrester 20 is interrupted by the recess 24 or has the recess 24.
  • Such arresters 20 can be manufactured particularly easily from a technical perspective, with prefabricated extruded profiles being sawn to a predefined length.
  • Fig. 7a and Fig. 7b show detailed views of a battery cell 100 to illustrate a connection of an arrester 20 to a pole cap 10 by plastic deformation 42.
  • the arrester 20 has at least one lateral connecting section 25.
  • a connecting section 25 is arranged on two opposite sides or edges of the arrester 20 in a transition region between a respective leg 21 and the crosspiece 22, which is designed, for example, as a lateral extension of the crosspiece 22.
  • the lateral connecting sections 25 correspond essentially to a lateral inner contour of the pole cap 10.
  • the plastic deformation the pole cap 10 in the area of the connecting sections 25. This is done, for example, by notching or pressing in the outside of the pole cap 10 in the area of the connecting sections 25 or below the connecting sections 25, thereby creating an electrically conductive connection between the pole cap 10 and the conductor 20.
  • Fig. 8a, Fig. 8b and Fig. 8c show schematic detailed views to illustrate a method according to a second embodiment of the invention.
  • a tension dome 30 is illustrated which can form a mechanical operative connection to the arrester 20 by a rotary movement and/or a translatory movement of the tension dome 30 in order to be able to pull it against the pole cap 10 on the inside.
  • the tension dome 30 shown is designed to be rotatable about a rotation axis R and has an eccentrically shaped receiving section 34 and driver 35.
  • the receiving section 34 is designed as a recess and the driver 35 delimits the end of the receiving section 34.
  • the driver 35 acts as a support surface for the arrester 20.
  • a subsequent step which is illustrated by Fig. 8b, the tension dome 30 is rotated along the rotation axis R, for example by 90° to 180°, whereby the driver 35 can hook behind the arrester 20.
  • the arrester 20 and the pole cap 10 thus protrude into the receiving section.
  • Subsequently pulling the pulling mandrel 30 out of the opening 12 with the pulling force F enables the zero gap to be set and the arrester 20 to be pressed against the pole cap 10, which ensures, for example, reliable welding of the two components 10, 20.
  • This step is shown in Fig. 8c.
  • the pulling mandrel 30 can be rotated further or back along the rotation axis R in order to achieve an alignment of the driver 35 with the opening 12 and to enable the pulling mandrel 30 to be removed from the electrochemical cell 100.
  • Fig. 9a, Fig. 9b and Fig. 9c show schematic detailed views to illustrate a method according to a third embodiment of the invention.
  • a tension dome 30 is inserted, which can remain permanently in the battery cell 100 in sections.
  • the tension dome 30 has a driver 35 formed at the end.
  • the driver 35 acts as a support surface for the arrester 20 in the area of the opening 23 and remains permanently in the battery cell 100.
  • the driver 35 can lock the arrester 20 in one direction or in several directions or limit its movement. In the exemplary embodiment shown, for example, a limitation occurs against a direction of the force F which acts on the tension dome 30 to eliminate the initial gap 13.
  • the tension dome 30 can, for example, be arranged on the arrester 20 before the pole cap 10 is mounted.
  • the pole cap 10 is positioned on the arrester 20 in such a way that the tension dome 30 inserted beforehand is guided through the opening 12.
  • the tension dome 30 can be a component of the arrester 20.
  • An integral unit can be produced from a tension dome 30 and the arrester 20 or can be formed by a materially or positively connecting a tension dome 30 to an arrester 20.
  • the tension dome 30 can thus be welded, tilted, glued, crimped and the like to the arrester 20. This can ensure particularly optimal electrical conductivity between the tension dome 30 and the arrester 20.
  • the tension dome 30 further comprises an outer tube section 31 and a spreading section 32.
  • the spreading section 32 is arranged downstream of the driver 35 in the direction of the outer side A.
  • the spreading section 32 is positioned at a distance from the conductor 20, whereby the latter can be deformed within the opening 12 of the pole cap 10 or outside the opening 12 of the pole cap 10.
  • the tension dome 30 has a predetermined breaking point 36, which is located downstream of the spreading section 32.
  • Fig. 9b illustrates a step of the method in which the force F is set on the tension dome 30.
  • This tension between the components 10, 20, 30 is maintained and the expansion section 32 is expanded.
  • the force N required for plastic deformation is shown schematically and is implemented against the tensile force F on the tension dome 30.
  • the tension dome 30 fulfills the function of a rivet and connects the conductor 20 to the pole cap 10.
  • the pipe section 31 in the area of the expansion section 32 can open into an integrated opening 12" of the tension dome 30, which can be used as a filling opening for filling an electrolyte.
  • a protruding section 31' of the tension dome 30 can then be removed along the predetermined breaking point 36. Overstressing of the predetermined breaking point 36 can be brought about by tilting and/or twisting the section 31' of the tension dome 30 relative to the pole cap 10 or the plastically deformed expansion section 32. This step is illustrated in Fig. 9c. A permanent mechanical connection is thus formed between the tension dome 30, the conductor 20 and the pole cap 10.
  • a section 31" of the tension dome 30 that remains permanently in the battery cell 100 can be mechanically machined in the region of the plastically deformed expansion section 32 in order to prepare an outer surface of the pole cap 10 in accordance with the requirements.
  • the remaining section 31" of the tension dome 30 forms not only the mechanical connection but also an electrically conductive connection between the conductor 20 and the pole cap 10.
  • the deformed expansion section 32 of the remaining section 31" and the transition area to the pole cap 10 can be processed by milling, drilling, grinding, welding and the like.
  • the section 31" can be planed by sliding friction, such as flow drilling processes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von einem Ableiter (20) mit einer Innenseite (11) einer Polkappe (10) einer elektrochemischen Zelle (100), wobei ein Zugdorn (30) durch eine Öffnung (12, 12') der Polkappe (10) und/oder durch eine Öffnung (23) oder Vertiefung (24) des Ableiters (20) hindurch geschoben wird, wobei der Zugdorn (30) dazu eingerichtet ist, zumindest temporär an einem Abschnitt (31'') eine mechanische Verbindung zwischen dem Zugdorn (30) und dem Ableiter (20) auszubilden oder mechanisch mit dem Ableiter (20) verbunden ist, wobei auf den Zugdorn (30) eine aus der Öffnung (12) der Polkappe (10) hinaus gerichtet Kraft (F) eingestellt wird und der Ableiter (20) gegen die Innenseite (11) der Polkappe (10) gepresst wird, wobei der gegen die Innenseite (11) der Polkappe (10) gepresste Ableiter (20) mit der Polkappe (10), insbesondere elektrisch leitend, verbunden wird.

Description

VERFAHREN ZUM VERBINDEN VON EINEM ABLEITER MIT EINER POLKAPPE EINER BATTERIEZELLE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von einem Ableiter mit einer Innenseite einer Polkappe einer elektrochemischen Zelle.
Bei der Herstellung von elektrochemischen Speichern, wie beispielsweise einer Lithium- lonen-Batterien, werden üblicherweise mehrere, einander abwechselnde, Lagen von Anoden, Kathoden und Separatoren in Form von Zellstacks angeordnet. Die jeweiligen Anoden und Kathoden werden durch jeweils einen Ableiter elektrisch kontaktiert. Bei der Verwendung von zwei Zellstacks werden beispielsweise U-förmige Ableiter verwendet, bei welchen die beiden Enden zu den zwei Zellstacks und die Stirnseite zu einer Innenseite einer Polkappe gerichtet ist. Die Ableiter fungiert als eine elektrische Schnittstelle zwischen den Zellstacks und den Polkappen.
Durch die beidseitige bzw. gegenüberliegende Anordnung von Polkappen kann die erste Polkappe regulär bzw. ohne technische Herausforderungen mit dem Ableiter des Zellstacks verschweißt oder verlötet werden. Die zweite Polkappe kann nicht mehr direkt mit dem Ableiter verbunden werden. Hierfür müssen längere Verbindungsleitungen zwischen dem zweiten Ableiter und dem Zellstack bereitgestellt werden, wodurch ein zusätzliches Gehäusevolumen für die montagebedingt längeren Verbindungsleitungen notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Verbinden eines Ableiters, insbesondere eines zweiten zu verbindenden Ableiters, zu schaffen, bei dem das Volumen des Zellgehäuses minimiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von einem Ableiter mit einer Innenseite einer Polkappe einer elektrochemischen Zelle bereitgestellt.
In einem Schritt wird ein Zugdom durch eine Öffnung, wie beispielsweise Befüllöffnung, der Polkappe und/oder durch eine Öffnung oder Ausnehmung des Ableiters hindurch geschoben. Die Öffnung des Ableiters kann hierbei zu der Öffnung der Polkappe korrespondierend ausgestaltet sein. Je nach Ausgestaltung des Zugdorns, kann ein Berücksichtigen einer Öffnung des Ableiters entfallen, sofern der Zugdom mit dem Ableiter mechanisch oder integral verbunden ist.
Der Zugdom kann endseitig an einem Abschnitt des Ableiters gespreizt werden oder mit dem Ableiter mechanisch verbunden sein, um eine zumindest temporäre mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom und dem Ableiter auszubilden. Je nach Ausgestaltung kann der Zugdom endseitig dauerhaft mit dem Ableiter verbunden sein oder verbindbar sein.
In einem weiteren Schritt wird auf den Zugdom eine aus der Befüllöffnung der Polkappe hinaus gerichtet Kraft eingestellt. Hierdurch wird der Ableiter gegen die Innenseite der Polkappe gepresst. Durch das Pressen bzw. Ziehen des Ableiters gegen die Innenseite der Polkappe kann ein initialer Spalt zwischen der Innenseite der Polkappe und dem Ableiter eliminiert werden, wodurch eine optimale Vorbereitung für einen nachfolgenden Fügeschritt umgesetzt wird. Anschließend wird in dem Fügeschritt der Ableiter mit der Polkappe, insbesondere elektrisch leitend, verbunden. Durch das Verfahren kann ein sogenannter Nullspalt zwischen der Polkappe und dem Ableiter eingestellt werden, um eine prozesssichere Verbindung zwischen der Polkappe und dem Ableiter umzusetzen. Insbesondere kann durch das Verfahren der Ableiter gegen die Polkappe von außen gezogen oder gedrückt werden ohne eine schädigende Krafteinwirkung auf den mindestens einen Zellstack auszuüben, welcher mit dem Ableiter verbunden ist.
Des Weiteren kann mittels des Verfahrens der Bedarf an zusätzlichem Zellvolumen minimiert werden, da keine zusätzliche Länge für die Verbindung zwischen dem Ableiter und dem Zellstack erforderlich ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Zugdom durch eine Öffnung des Ableiters hindurch in Richtung einer Außenseite bewegt. Der Zugdom wird endseitig im Bereich der Öffnung mechanisch, insbesondere formschlüssig, mit dem Ableiter verhakt. Alternativ wird der Zugdom durch die Öffnungen in der Polkappe und dem Ableiter hineingesetzt und endseitig im Bereich der Öffnung des Ableiters mechanisch oder durch Überdruck, insbesondere pneumatisch oder hydraulisch, oder durch Unterdrück gespreizt, um eine temporäre oder permanente mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom und dem Ableiter auszubilden. Hierdurch kann der Zugdom endseitig vielseitig vergrößert werden, um den Ableiter zu arretieren und somit zumindest entlang einer Richtung gegenüber dem Zugdom unbeweglich zu fixieren. Je nach Ausgestaltung kann der Zugdom den Ableiter hinterhaken oder eine temporäre feste Verbindung mit dem Ableiter eingehen, um den Ableiter gegen die Polkappe bewegen zu können. Somit kann der Zugdom in einer Öffnung oder Ausnehmung des Ableiters vergrößert bzw. expandiert werden oder hinter bzw. unterhalb der Öffnung, um den Ableiter entlang zumindest einer Richtung bewegen zu können. Der Zugdorn kann dabei endseitig derart gespreizt werden, dass dieser Endabschnitt sich verformt und quasi als Niet fungiert, um eine mechanische Verbindung zwischen dem Ableiter und der Polkappe auszubilden.
Insbesondere kann der Zugdom dazu eingerichtet sein, den Ableiter zu ziehen und somit gegen eine Innenseite der Polkappe zu pressen bzw. zu bewegen.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Zugdorn einen äußeren Rohrabschnitt auf, welcher einen endseitigen Spreizabschnitt aufweist. Vorzugsweise wird der Spreizabschnitt durch ein Beaufschlagen des Rohrabschnitts mit Überdruck oder durch ein Einpressen eines Bolzens zumindest bereichsweise vergrößert. Hierdurch kann der Zugdom technisch einfach endseitig expandiert werden. Dabei kann der Spreizabschnitt zumindest bereichsweise elastisch ausgestaltet sein, um die Abmessung des Zugdoms quer zur Zugrichtung des Ableiters zu vergrößern oder zu verkleinern. Der Zugdom kann als ein Werkzeug fungieren, bei dem der Spreizabschnitt zeitweise expandiert wird, Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Zugdom als Verbindungsmittel dienen, bei dem der Spreizabschnitt dauerhaft expandiert werden kann.
Der Zugdom kann technisch besonders einfach ausgestaltet sein, wenn der Spreizabschnitt ein Spreizelement aufweist und das Spreizelement mechanisch oder durch Unterdrück in den äußeren Rohrabschnitts gezogen oder gepresst wird, um den Spreizabschnitt zumindest bereichsweise zu vergrößern. Entsprechend kann das Spreizelement durch mechanische Einwirkung oder durch Überdruck vom äußeren Rohrabschnitt beabstandet werden, um den Spreizabschnitt erneut zu verkleinern. Je nach Ausgestaltung kann eine Rückstellfeder vorgesehen sein, welche das Spreizelement automatisiert vom äußeren Rohrabschnitt entlang der Zugrichtung des Zugdoms beabstanden kann, um den Spreizabschnitt zu verkleinern. Der Spreizabschnitt kann durch das Spreizelement entlang zumindest einer Raumrichtung quer zur Zugrichtung des Zugdoms vergrößern. Je nach Ausgestaltung kann das Spreizelement rotationssymmetrisch ausgestaltet sein, wodurch eine gleichmäßige Vergrößerung des Spreizabschnitts umsetzbar ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform wird die die mechanische Verbindung zwischen dem Zugdorn und dem Ableiter durch eine rotatorische Bewegung und/oder eine translatorische Bewegung des Zugdoms ausgebildet. Hierdurch kann der Zugdom durch die Öffnung hindurch geschoben und mittels einer Drehbewegung oder seitlich gerichteten Bewegung bzw. Schwenkbewegung den Ableiter derart hinterhaken, dass dieser gegen die Innenseite der Polkappe pressbar ist. Ein derartiger Zugdom kann ebenfalls technisch besonders einfach realisiert und in einen automatisierten Prozess integriert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Zugdom einen Aufnahmeabschnitt und/oder einen Mitnehmer auf. Der Aufnahmeabschnitt ist dazu eingerichtet seitlich einen Teil des Ableiters aufzunehmen. Vorteilhafterweise kann der Mitnehmer über den Aufnahmeabschnitt hinausragen, wodurch ein Hinterhaken des Ableiters realisiert wird. Der Aufnahmeabschnitt und der Mitnehmer können exzentrisch gegenüber einer Drehachse des Zugdoms geformt sein.
Beispielsweise kann der Zugdom durch die Öffnung geschoben werden, bis der Ableiter und die Polkappe auf einer gemeinsamen Höhe des Aufnahmeabschnitts sind. Ein optionales Begrenzungselement des Zugdoms kann die erforderliche Eintauchtiefe des Zugdoms durch die Öffnung hindurch begrenzen bzw. regeln. Der Mitnehmer fungiert als Konterfläche bzw. Auflagefläche für den Ableiter. Je nach Ausgestaltung können der Aufnahmeabschnitt und der Mitnehmer des Zugdoms eine Schraubenform bzw. Gewindeform ausbilden. Somit kann ein in die Öffnung eingesetzter Zugdom rotiert werden, wobei durch die Rotation entlang der Rotationsachse des Zugdoms die effektive Position des Mitnehmers in Richtung der Innenseite der Polkappe wandert und somit den Ableiter und die Polkappe zusammenpresst. Dies kann alternativ auch durch ein Gewinde des Zugdorns außerhalb der elektrochemischen Zelle realisiert werden, welches durch eine Rotation von zumindest einem Teil des Zugdoms die axiale Position bzw. Tiefenposition des Zugdoms verändert.
Ein Aktuator kann die rotatorische und/oder translatorische Bewegung des Zugdoms umsetzen. Optional können Signale bzw. Messdaten von Sensoren und/oder Endanschlägen für ein definiertes Anpressen des Ableiters an die Innenseite der Polkappe herangezogen werden. Eine Steuereinheit kann die Koordination zwischen den Sensoren bzw. Endanschlägen oder Endkontakten und den Aktuatoren umsetzen.
Analog hierzu kann die Steuereinheit auch die Beaufschlagung des Zugdoms mit Unterdrück oder Überdruck steuern. Dabei können weitere Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren und dergleichen für eine gezielte Steuerung des Zugdoms verwendet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Zugdom vor der Montage der Batteriezelle bzw. der elektrochemischen Zelle durch die Öffnung in dem Ableiter hindurch geschoben werden, sodass der Mitnehmer endseitig an der Öffnung oder einem anderen Abschnitt des Ableiters hinterhaken oder formschlüssig oder reibschlüssig wechselwirken kann. Anschließend kann der Ableiter mit dem Zugdom an die Polkappe angenähert werden, wobei der Zugdom dabei auch durch die Öffnung in der Polkappe hindurchgeführt werden kann, um nach der Montage der Batteriezelle bzw. nach dem Verschließen des Zellgehäuses den Ableiter innenseitig gegen die Polkappe ziehen zu können. Der Zugdom kann dabei zumindest abschnittsweise in der fertiggestellten Batteriezelle verbleiben.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Mitnehmer des Zugdoms dazu eingerichtet, mit dem Ableiter im Bereich der Öffnung mechanisch zu verhaken. Der Mitnehmer kann beispielsweise als ein verdickter Abschnitt, als ein endseitiges T-stück, ein Kopf bzw. Schraubkopf, eine Feder, eine seitliche Ausbeulung und dergleichen ausgestaltet sein. Durch den Mitnehmer kann ein freies hindurchrutschen des Zugdoms durch die Öffnung des Ableiters unterbunden werden.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist der Zugdom integral mit dem Ableiter ausgeführt oder ist mit dem Ableiter verbunden. Der Zugdom kann dabei neben dem mechanischen Wechselwirken mit dem Ableiter auch mit dem Ableiter verklebt, verschweißt, verlötet, gebördelt oder geklemmt werden, um eine Verbindung zwischen dem Zugdom und dem Ableiter auszubilden, welche ein Aufbringen einer Kraft auf den Zugdom ermöglicht, um den Ableiter gegen die Polkappe zu ziehen.
Ein stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen oder Löten, mit dem Ableiter verbundener Zugdom kann beispielsweise als ein integral mit dem Ableiter ausgestalteter Zugdom betrachtet werden. Dabei kann auch im Rahmen einer Fertigung eine integrale Baugruppe bestehend aus dem Zugdom und dem Ableiter, beispielsweise durch Spritzguss, ausgebildet werden.
Vorteilhafterweise wird der Ableiter derart an die Innenseite der Polkappe bewegt, dass der Zugdom durch die Öffnung der Polkappe zur Außenseite hindurchgeführt ist. Hierdurch kann der Zugdom bereichsweise in der Batteriezelle verbleiben. Nach dem Verbinden der Polkappe mit dem Ableiter kann der aus der Öffnung der Polkappe hinausragende Abschnitt des Zugdoms durch Fräsen, Schneiden, Abreißen und dergleichen, entfernt werden. Dabei kann je nach Ausgestaltung eine Verbindung zwischen dem Ableiter und der Polkappe über eine direkte Verbindung zwischen dem Ableiter und der Polkappe und/oder über eine indirekte elektrisch leitfähige Verbindung, die von der Polkappe über den in der Batteriezelle verbleibenden Abschnitt des Zugdoms und zum Ableiter erfolgen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Ableiter formschlüssig oder stoffschlüssig oder reibschlüssig durch den gespreizten Spreizabschnitt des Zugdoms mit der Polkappe verbunden. Beispielsweise kann der Ableiter durch Laser-Schweißen, Tab-Anschweißen, sogenanntes E-Filling, Vernieten, Verkanten, Verpressen und dergleichen mit der Polkappe verbunden werden. Hierdurch kann die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Polkappe und dem Ableiter vielseitig realisiert werden. Dabei kann der Zugdom alternativ oder zusätzlich als ein Niet oder Blindniet fungieren. Der Mitnehmer kann dabei den Ableiter und der Spreizabschnitt mit der Polkappe gekoppelt werden, wodurch der Ableiter technisch besonders einfach mit der Polkappe verbindbar ist. Dabei kann der Spreizabschnitt vorteilhafterweise nach dem Aufbringen der Zugkraft auf den hinausragenden Abschnitt des Zugdoms verformt, insbesondere aufgefächert oder verbreitert, werden.
Ein integral mit dem Ableiter ausgestalteter Zugdom kann analog eingesetzt werden. Der Spreizabschnitt kann hierbei von dem Ableiter beabstandet positioniert sein, wodurch dieser innerhalb der Öffnung der Polkappe oder außerhalb der Öffnung der Polkappe verformt werden kann. Des Weiteren kann eine Lochschweißung, beispielsweise in Form von Laser- Schweißen, durch die Polkappe und/oder im Bereich der Öffnung der Polkappe umgesetzt werden.
Ein aus der Batteriezelle hinausragender Abschnitt des Zugdoms kann technisch besonders einfach entfernt werden, wenn der Zugdorn eine Sollbruchstelle aufweist. Vorteilhafterweise wird nach dem Spreizen des Spreizabschnitts der Zugdom derart mit einer Zugkraft und/oder einem Drehmoment beaufschlagt, dass zumindest ein Abschnitt des Zugdoms entlang der Sollbruchstelle abgetrennt wird. Diese Maßnahme ermöglicht ein Entfernen eines überstehenden Zugdoms, welcher abschnittsweise permanent in der Batteriezelle verbleibt ohne zusätzliche Werkzeuge oder mit einem minimalen Werkzeugaufwand.
Eine möglicherweise verbleibende Abrisskante oder Stumpf des Zugdoms kann durch Schweißen, Fräßen, Schleifen und dergleichen beseitigt werden.
Das Verkanten oder Verpressen des Ableiters kann beispielsweise durch ein Einkerben oder Verformen der Polkappe in mindestens einem seitlichen Abschnitt erfolgen. Dies wird insbesondere durch eine zumindest bereichsweise plastische Verformung der Polkappe erreicht und resultiert in einer mechanischen Verbindung zwischen der Polkappe und dem Ableiter. Hierfür kann die Polkappe innenseitig den Ableiter umgreifen, um einen elektrischen Kontakt auch an Seitenwänden der Polkappe und des Ableiter ausbilden zu können.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Polkappe mindestens eine Verbindungsöffnung auf. Bevorzugterweise wird durch die mindestens eine Verbindungsöffnung eine Linienschweißung oder eine Lochschweißung oder eine Lötverbindung eingebracht, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ableiter und der Polkappe auszubilden. Durch diese Maßnahme kann die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Polkappe und dem Ableiter sichergestellt werden. Darüber hinaus kann die Ausbildung einer derartigen Verbindung zuverlässig im Rahmen eines Qualitätsmanagements überprüft werden.
Das Verfahren kann in einer automatisierten Fertigung von Zellen bzw. Batteriezellen eingesetzt werden, wenn nach dem Verbinden des Ableiters mit der Polkappe, der Zugdom aus der Befüllöffnung entfernt und die Befüllöffnung zum Befüllen eines Elektrolyts verwendet wird.
Alternativ mündet der Rohrabschnitt des Zugdoms, welcher aus der Polkappe hinausragt, in einer als Befüllöffnung ausgestalteten Öffnung, welche zum Befüllen des Elektrolyts verwendet wird. Diese Maßnahme ermöglicht den Einsatz des Zugdoms als Füllstutzen vor dem Abtrennen des hinausragenden Abschnitts des Zugdoms. Durch diese Maßnahme kann der Zugdom gleichzeitig für eine Vielzahl von möglichen Aufgaben im Rahmen einer Batteriezellen-Herstellung verwendet werden.
Insbesondere können je nach Ausgestaltung mehrere parallel verwendete Zugdomen gleichzeitig mehrere Ableiter arretieren und gegen mehrere Polkappen innenseitig pressen. Die jeweiligen Polkappen und Ableiter können dann gleichzeitig durch mehrere parallele Verbindungen elektrisch leitend gekoppelt werden. Dies resultiert in einer optimalen Skalierbarkeit des Verfahrens für eine schnelle Serienfertigung von Batteriezellen. Diese Maßnahme ist gleichermaßen mit einem abschnittsweise permanent in der Batteriezelle verbleibenden Zugdorn oder mit einem temporär eingesetzten Zugdom umsetzbar. Nach dem erneuten Verkleinern der Spreizabschnitte der Zugdomen, bei temporär eingesetzten Zugdomen, können diese aus den Öffnungen oder Befüllöffnungen herausgezogen werden, um ein darauf folgendes befüllen der Zellen zu ermöglichen. Durch diese Maßnahme kann die Befüllöffnung für mehrere Aufgaben, das Anziehen des Ableiters und das Befüllen der Zelle, eingesetzt werden. Die temporär eingesetzten Zugdomen können den Spreizabschnitt im Wesentlichen zum Arretieren des Ableiters einsetzen. Die abschnittsweise dauerhaft in der Batteriezelle verbleibenden Zugdomen können hingegen den Spreizabschnitt zum dauerhaften Arretieren der Polkappe einsetzen, um die Funktionsweise eines Niets zu realisieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Befüllöffnung nach dem Befüllen mit dem Elektrolyt fluiddicht verschlossen. Dieser Schritt des Verfahrens kann beispielsweise durch ein Einsetzen eines Stopfens bzw. Blindstopfens oder durch ein stoffschlüssiges Verschließen der Befüllöffnung technisch einfach realisiert werden.
Das Befüllen der Zellen kann besonders schnell erfolgen, wenn im Vorfeld ein Vakuum bzw. ein Unterdrück im Innenvolumen der Zelle erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Zugdom endseitig im Bereich einer als Sackloch oder als Strangpress-Profil ausgestalteten Ausnehmung des Ableiters gespreizt und/oder verhakt, um diesen mechanisch zu koppeln. Durch diese Maßnahme können kosteneffiziente Strangpress-Profile verwendet werden, welche auf die Maße der Polkappen zugeschnitten sind. Die Herstellung der Ableiter kann somit technisch besonders einfach ausgestaltet sein. Derartige Strangpress-Profile können sowohl für temporär als auch permanent eingesetzte Zugdomen genutzt werden. Bei temporär eingesetzten Zugdomen, können Spreizabschnitte in einen Abschnitt des Profils hineingreifen, um den Ableiter von außen bewegen zu können. Bei einem permanent eingesetzten Zugdom, welcher abschnittsweise in der Batteriezelle verbleibt, kann ein dauerhaft verformbarer Spreizabschnitt oder ein Mitnehmer mit dem Abschnitt des Profils formschlüssig oder stoffschlüssig oder reibschlüssig wechselwirken, um ein Bewegen des Ableiters von außen realisieren zu können.
Das Verwenden von Sacklöchern und von Vertiefungen bzw. Nuten von Strangpress- Profilen kann ein zeitgleiches Heranziehen des Ableiters an die Polkappe und das Befüllen der Zelle mit einer Elektrolytlösung ermöglichen.
Der Ableiter kann technisch besonders einfach mit der Polkappe elektrisch verbunden werden, wenn der Ableiter zumindest einen seitlichen Verbindungsabschnitt aufweist, welcher im Wesentlichen mit einer Innenkontur der Polkappe im Bereich der Innenseite korrespondiert. Dabei wird der Ableiter durch ein plastisches Verformen der Polkappe im Bereich des Verbindungsabschnitts mit der Polkappe verbunden. Beispielsweise kann ein außenseitiges Einkerben oder Eindrücken der Polkappe im Bereich des Verbindungsabschnitts eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Polkappe und dem Ableiter herstellen.
Der Ableiter kann technisch besonders einfach mit der Polkappe elektrisch leitfähig verbunden werden, wenn der Ableiter mittels einer Durchschweißung durch die Polkappe hindurch mit der Polkappe zumindest bereichsweise verbunden wird. Beispielsweise kann ein an die Innenseite der Polkappe durch den Zugdom angezogener bzw. angepresster Ableiter mit Hilfe von Laserschweißen stoffschlüssig entlang der eingebrachten Durchschweißung verbunden werden.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung wird der Ableiter durch eine Schweißung eines Stoßes zwischen dem Spreizabschnitt und der Öffnung der Polkappe, insbesondere im Bereich einer Sollbruchstelle mit der Polkappe elektrisch leitend verbunden. Hierdurch kann der Ableiter indirekt über einen Abschnitt des Zugdoms, beispielsweise zwischen dem Mitnehmer und dem Spreizabschnitt, mit der Polkappe verbunden werden. Neben den wirkenden Kräften zwischen dem Ableiter, dem Mitnehmer, dem Spreizabschnitt und der Polkappe kann eine optimale bzw. zusätzliche Schweißung oder Lötung den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Komponenten verbessern.
Alternativ oder zusätzlich kann eine randseitige Schweißverbindung zwischen dem Ableiter und der Polkappe im Bereich von Kanten der Öffnungen oder Befüllöffnungen ausgebildet werden. Dies kann mit oder ohne eines permanent verwendeten Zugdoms bzw. Abschnitts des Zugdoms realisiert werden.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise mit einem oder mehreren Zugdomen umgesetzt werden. Dabei kann ein ausschließlich temporär von außen eingesetzter Zugdom oder ein ausschließlich permanent verbleibender Zugdorn oder eine Kombination aus temporär und permanent eingesetzten Zugdomen genutzt werden.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit zwei parallel angeschlossenen Zellstacks und gegenüberliegend angeordneten Polkappen,
Fig. 2 eine Detailansicht B aus Fig. 1 zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, Fig. 3 eine Detailansicht zum Veranschaulichen eines mittels einer Durchschweißung mit einer Polkappe verbundenen Ableiters,
Fig. 4 eine Detailansicht zum Veranschaulichen eines mittels einer Lochschweißung mit einer Polkappe verbundenen Ableiters,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Polkappe der in Fig. 1 gezeigten Batteriezelle,
Fig. 6 Detailansichten einer Batteriezelle mit einem als Strang press-Profil ausgestalteten Ableiter,
Fig. 7 Detailansichten einer Batteriezelle zum Veranschaulichen einer Verbindung eines Ableiters mit einer Polkappe durch plastische Verformung,
Fig. 8 schematische Detailansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
Fig. 9 schematische Detailansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In den Abbildungen kennzeichnen identische Bezugsziffern dieselben Elemente bzw. konstruktiven Bestandteile. Die Größen und relativen Positionen der Elemente in den Abbildungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, und einige dieser Elemente sind vergrößert dargestellt und der Übersicht halber angepasst positioniert. Darüber hinaus sollen die besonderen Formen der gezeichneten Elemente keine Informationen über die tatsächliche Form der einzelnen Elemente vermitteln, sondern wurden lediglich zur leichteren Erkennbarkeit in den Abbildungen ausgewählt.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Zelle bzw. Batteriezelle 100 mit zwei parallel angeschlossenen Zellstacks 101 , 102 und gegenüberliegend angeordneten Polkappen 10. Die Batteriezelle 100 weist eine beidseitige bzw. gegenüberliegende Anordnung von Polkappen 10. In dem Zellgehäuse 110 sind zwei Zellstacks 101 , 102 angeordnet, welche jeweils stirnseitig über Verbindungsleitungen 103 mit einem Ableiter 20 elektrisch leitfähig verbunden sind. Das Zellgehäuse 110 kann beispielsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen und stirnseitig direkt oder indirekt durch die Polkappen 10 verschließbar sein, um eine Elektrolytlösung aufzunehmen.
Zum Einbringen der Elektrolytlösung in ein Gehäusevolumen V der Batteriezelle 100 ist mindestens eine Befüllöffnung 12 vorgesehen, die sich durch mindestens eine Polkappe 10 hindurch erstreckt.
Die Ableiter 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel als U-förmige Ableiter ausgestaltet und weisen zwei Schenkel 21 auf, welche jeweils einen Zellstack 101 , 102 elektrisch kontaktieren. Die Schenkel 21 der Ableiter 20 sind durch einen Quersteg 22 miteinander verbunden. Der Quersteg 22 wird hierbei mit einer Innenseite 11 der Polkappe 10 elektrisch leitend verbunden, sodass die Zellstacks 101 , 102 mit den Polkappen 10 elektrisch leitend ausgestaltet sind. Diese Details sind beispielsweise in der Fig. 2 veranschaulicht.
Ein erster Ableiter 20 kann technisch einfach mit einer ersten Polkappe 10 elektrisch leitend verbunden werden. Ein anschließendes Verbinden eines zweiten Ableiters 20 mit einer zweiten Polkappe 10 erfordert jedoch zusätzliche Maßnahmen, die im Folgenden näher beschrieben werden. Zum Vermeiden von internen Beschädigungen der Batteriezelle 100 darf keine direkte Krafteinwirkung auf die Zellstacks 101 , 102 erfolgen.
Für eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem Ableiter 20 und der Polkappe 10 muss ein initialer Spalt 13 mit einem Abstand d zwischen der Innenseite 11 der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 eliminiert und ein sogenannter Nullspalt ausgebildet werden. In der Fig. 2 ist eine Detailansicht B aus Fig. 1 zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt, welches auch eine Möglichkeit beschreibt, den Nullspalt auszubilden. Der Übersicht halber sind die internen Komponenten, wie die Zellstacks 101 , 102 und die Verbindungsleitungen 103, in der Fig. 2 und den folgenden Figuren nicht dargestellt.
In einem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein endseitig spreizbarer Zugdom 30 von außen bzw. von einer Außenseite A aus durch eine Öffnung 12 der Polkappe 10 hindurch geschoben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 12 als eine Befüllöffnung zum Einleiten einer Elektrolytlösung in das Gehäusevolumen V ausgestaltet. Der Zugdom 30 wird darüber hinaus auch durch eine der Öffnung 12 korrespondierende Öffnung 23 oder Ausnehmung 24 des Ableiters 20 hindurch bzw. hinein geschoben. Ein Ableiter 20 mit einer derartigen Ausnehmung 24 ist beispielsweise in der Fig. 5 illustriert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verbleibt der Zugdom 30 temporär in bzw. an den Komponenten 10, 20, um den Nullspalt einstellen zu können.
Der Zugdom 30 wird anschließend endseitig im Bereich der Öffnung 23 oder Ausnehmung 24 des Ableiters 20 gespreizt, um eine temporäre mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom 30 und dem Ableiter 20 auszubilden. In einem weiteren Schritt wird auf den Zugdom 30 eine aus der Öffnung 12 der Polkappe 10 hinaus gerichtet Kraft F eingestellt. Hierdurch wird der Ableiter 20 gegen die Innenseite 11 der Polkappe 10 gepresst.
Durch das Pressen des Ableiters 20 gegen die Innenseite 11 der Polkappe 10 wird der initiale Spalt 13 zwischen der Innenseite 11 der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 eliminiert, sodass eine optimale Vorbereitung für einen nachfolgenden Fügeschritt realisiert wird. Anschließend wird in dem Fügeschritt der Ableiter 20 mit der Polkappe 10 elektrisch leitend und vorzugsweise auch mechanisch verbunden.
Der Zugdom 30 weist einen äußeren Rohrabschnitt 31 und einen endseitigen Spreizabschnitt 32 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Spreizabschnitt 32 ein Spreizelement 33 angeordnet. Das Spreizelement 33 ist konisch in Richtung der Kraft F sich verjüngend ausgestaltet und kann durch eine mechanische Betätigung oder durch einen Unterdrück derart in den Rohrabschnitt gezogen werden, dass der endseitige Spreizabschnitt eine Querschnittsvergrößerung erlangt. Der Pfeil im Rohrabschnitt 31 veranschaulicht schematisch die Bewegung des Spreizelements 33. Diese Querschnittsvergrößerung resultiert in einer Arretierung des Spreizabschnitts 32 mit der Öffnung 23 des Ableiters 20.
Die Arretierung kann als eine Einschränkung der Beweglichkeit des Ableiters 20 durch einen zumindest bereichsweisen Formschluss des Spreizabschnitts 32 ausgestaltet sein. In der Fig. 2 erfolgt beispielsweise ein Hinterhaken des Spreizabschnitts 32 unterhalb der Öffnung 23 des Ableiters 20, um den Ableiter 20 gegen die Innenseite 11 der Polkappe 10 ziehen zu können. Durch das Beaufschlagen des Ableiters 20 mit der Kraft F wird zeitgleich keine Kraft auf die Zellstacks 101 , 102 ausgeübt. Vorzugsweise erfolgt durch die Verbindungsleitungen 103 eine Entkopplung zwischen den Zellstacks 101 , 102 und dem Ableiter 20. Hierfür können die Verbindungsleitungen 103 beispielsweise geringfügig länger ausgestaltet sein als ein Abstand zwischen den Schenkeln 21 des Ableiters 20 und den Stirnseiten der Zellstacks 101 , 102.
Die Fig. 3 zeigt eine Detailansicht zum Veranschaulichen eines mittels einer Durchschweißung 40 mit einer Polkappe 10 verbundenen Ableiters 20. Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 ist in der Fig. 4 gezeigt, die eine Detailansicht zum Veranschaulichen eines mittels einer Lochschweißung 41 mit einer Polkappe 10 verbundenen Ableiters 20 darstellt.
Eine oder mehrere Durchschweißungen 40 werden beispielsweise durch Laserschweißen erzeugt. Nach dem Einstellen des Nullspalts zwischen dem Ableiter 20 und der Polkappe kann außenseitig auf der Stirnseite der Polkappe 10 eine nicht dargestellte Schweißvorrichtung angesetzt und zumindest bereichsweise betätigt werden.
Eine Durchschweißung 40 kann beispielsweise punktförmig, linienförmig und/oder eine geschlossene Fläche auf der Polkappe 10 umschließen. Aufgrund der relativ geringen Materialstärke der Polkappe 10 wird der hinter der Polkappe 10 angeordnete Quersteg 22 des Ableiters 20 ebenfalls geschmolzen und somit stoffschlüssig mit der Polkappe 10 verbunden. Eine Lochschweißung 41 kann beispielsweise randseitig der Befüllöffnung 12 oder im Bereich einer Verbindungsöffnung 12' erfolgen (s. Fig. 5). Dabei wird ein Randbereich der Befüllöffnung 12 durch ein Schweißverfahren geschmolzen, um die Polkappe 10 mit dem Ableiter 20 zu verbinden. Hierdurch bleibt noch ein Fluidkanal, um die Batteriezelle 100 mit der Elektrolytlösung zu befüllen.
Werden, wie in Fig. 5 angedeutet, weitere Öffnungen bzw. Verbindungsöffnungen 12' verwendet, können diese dazu eingesetzt werden, einen Schweißpunkt, beispielsweise mittels Laserschweißen, zu setzen und somit die Verbindungsöffnung 12' vollständig zu verschließen. Eine entsprechende Verbindungsöffnung 12' kann vorzugsweise als ein Sackloch ausgestaltet sein. Dabei ist hinter der Öffnung 12' in der Polkappe 10 eine Ausnehmung bzw. Vertiefung 24 des Ableiters 20 oder der Quersteg 22 des Ableiters 20 positioniert.
Weiterhin wird in der Fig. 4 eine Detailansicht zum Veranschaulichen eines mittels einer Lochschweißung mit einer Polkappe 10 verbundenen Ableiters 20 dargestellt, bei dem der Ableiter 20 nicht an einer korrespondierenden Öffnung 23, sondern an einer Vertiefung oder Ausnehmung 24 durch den Zugdom 30 an die Innenseite 11 der Polkappe 10 gezogen werden kann. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Vertiefung 24 und der Polkappe 10 ist besonders fluiddicht ausgestaltet und erfordert keine zusätzlichen Verschlüsse 14 (s. Fig. 3). Die Befüllöffnung 12, 23 erfordert nach dem Befüllen der Batteriezelle 100 hingegen einen Verschluss 14.
Der Verschluss 14 kann ein reversibler oder ein irreversibler Verschluss sein, welcher ein erneutes Öffnen des Gehäusevolumens V ermöglicht oder die Batteriezelle 100 endgültig versiegelt. Beispielsweise kann der Verschluss 14 als ein Stopfen, als ein Schraubverschluss, als ein Schmelzverschluss und dergleichen ausgestaltet sein. Bei einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann die Vertiefung 24 ein Innengewinde aufweisen, sodass, alternativ zu einer Schweißverbindung, eine Schraubverbindung mittels einer, nicht dargestellten, Schraube zwischen der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 ausbildbar ist.
Die Vertiefung 24 bzw. Ausnehmung kann durch Materialabtrag oder durch ein Umformverfahren, wie beispielsweise Stanzen, in den Quersteg 22 des Ableiters 20 hergestellt werden. Dabei können zeitgleich auch die Schenkel 21 des Ableiters 20, beispielsweise mit einem Stanz- bzw. Umformschritt, ausgebildet werden.
Die Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Polkappe 10 der in Fig. 1 gezeigten Batteriezelle 100. Dabei weist die Polkappe 10 eine mittig angeordnete Befüllöffnung 12 und zwei Öffnungen 12‘, welche über Vertiefungen 24 des Ableiters 20 angeordnet sind. Die Befüllöffnung 12 ist über einer korrespondierenden Öffnung 23 des Ableiters 20 angeordnet und bildet einen Fluidkanal zum Gehäusevolumen V der Batteriezelle 100.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel können beispielsweise die als Sacklöcher ausgestalteten Öffnungen 12' zum Ausbilden einer Verbindung zwischen der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 fungieren. Damit die eingebrachte Schweißnaht oder Schweißpunkt einen möglichst minimalen Überstand aufweist, kann die Polkappe 10 eine nicht dargestellte Vertiefung oder Phasung im Bereich der Öffnungen 12' aufweisen.
In der Fig. 6a und Fig. 6b sind Detailansichten einer Batteriezelle 100 mit einem als Strangpress-Profil ausgestalteten Ableiter 20 dargestellt. Dabei zeigt die Fig. 6a einen Ableiter 20, welcher aus einem Strangpress-Profil mit einer V-förmigen Ausnehmung bzw. Vertiefung 24. Im Vergleich hierzu ist in der Fig. 6b die Vertiefung 24 T-förmig ausgestaltet.
Die entsprechenden Vertiefungen 24 erstrecken sich über eine gesamte Länge des Ableiters 20 entlang einer Raumrichtung. Der Quersteg 22 des Ableiters 20 wird durch die Vertiefung 24 unterbrochen bzw. weist die Vertiefung 24 auf. Derartige Ableiter 20 können technisch besonders einfach hergestellt werden, wobei vorgefertigte Strangpress-Profile auf eine vordefinierte Länge gesägt werden.
Aufgrund der sich über die gesamte Länge oder Breite des Ableiters 20 erstreckende Vertiefung 24 wird zwar mit der Öffnung 12' der Polkappe 10 ein Sackloch ausgebildet, jedoch ist ein zusätzlicher Verschluss 14 vorteilhaft, um eine Leckage der Elektrolytlösung zu vermeiden. Diese Ausgestaltung ist in der Fig. 6b schematisch illustriert.
Die Fig. 7a und die Fig. 7b zeigen Detailansichten einer Batteriezelle 100 zum Veranschaulichen einer Verbindung eines Ableiters 20 mit einer Polkappe 10 durch plastische Verformung 42. Für eine derartige elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 weist der Ableiter 20 zumindest einen seitlichen Verbindungsabschnitt 25 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind an zwei gegenüberliegenden Seiten bzw. Kanten des Ableiters 20 in einem Übergangsbereich zwischen jeweils einem Schenkel 21 und dem Quersteg 22 ein Verbindungsabschnitt 25 angeordnet, welcher beispielhaft als eine seitliche Verlängerung des Querstegs 22 ausgebildet ist.
Die seitlichen Verbindungsabschnitte 25 korrespondieren im Wesentlichen mit einer seitlichen Innenkontur der Polkappe 10. In der Fig. 7b wird die plastische Verformung der Polkappe 10 im Bereich der Verbindungsabschnitte 25 veranschaulicht. Dies erfolgt beispielsweise durch ein außenseitiges Einkerben oder Eindrücken der Polkappe 10 im Bereich der Verbindungsabschnitte 25 bzw. unterhalb der Verbindungsabschnitte 25, wodurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Polkappe 10 und dem Ableiter 20 entsteht.
In der Fig. 8a, Fig. 8b und Fig. 8c sind schematische Detailansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zum in Fig. 2 gezeigten Zugdom 30 wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Zugdom 30 illustriert, welcher durch eine rotatorische Bewegung und/oder eine translatorische Bewegung des Zugdoms 30 eine mechanische Wirkverbindung zum Ableiter 20 ausbilden kann, um diesen innenseitig gegen die Polkappe 10 ziehen zu können.
Der Einfachheit halber ist der dargestellte Zugdom 30 um eine Rotationsachse R drehbar ausgestaltet und weist einen exzentrisch geformten Aufnahmeabschnitt 34 und Mitnehmer 35 auf. Der Aufnahmeabschnitt 34 ist als eine Aussparung ausgestaltet und der Mitnehmer 35 begrenzt endseitig den Aufnahmeabschnitt 34. Dabei fungiert der Mitnehmer 35 als eine Auflagefläche für den Ableiter 20. Nach dem Einsetzen des Zugdoms 30 in die Öffnung 12 befindet sich der Aufnahmeabschnitt 34 auf einer gemeinsamen axialen Höhe bzw. Tiefe mit dem Ableiter 20 und der Polkappe 10. Dieser Schritt ist in der Fig. 8a gezeigt.
In einem anschließenden Schritt, welcher durch die Fig. 8b veranschaulicht ist, wird der Zugdom 30 entlang der Rotationsachse R, beispielsweise um 90° bis 180° gedreht, wodurch der Mitnehmer 35 den Ableiter 20 hinterhaken kann. Der Ableiter 20 und die Polkappe 10 ragen somit in den Aufnahmeabschnitt hinein. Ein anschließendes Herausziehen des Zugdorns 30 aus der Öffnung 12 hinaus mit der Zugkraft F ermöglicht das Einstellen des Nullspalts und ein Anpressen des Ableiters 20 gegen die Polkappe 10, wodurch beispielsweise ein zuverlässiges Verschweißen der beiden Komponenten 10, 20 sichergestellt wird. Dieser Schritt ist in der Fig. 8c gezeigt. Nach dem Verschweißen des Ableiters 20 mit der Polkappe 10 kann der Zugdom 30 entlang der Rotationsachse R weitergedreht oder zurückgedreht werden, um eine mit der Öffnung 12 fluchtende Ausrichtung des Mitnehmers 35 zu erzielen und ein Entfernen des Zugdoms 30 aus der elektrochemischen Zelle 100 zu ermöglichen.
In der Fig. 9a, Fig. 9b und Fig. 9c sind schematische Detailansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zu den bereits gezeigten Ausführungsbeispielen wird im ersten Schritt, welcher durch die Fig. 9a veranschaulicht ist, ein Zugdom 30 eingesetzt, welcher abschnittsweise permanent in der Batteriezelle 100 verbleiben kann.
Der Zugdom 30 weist einen endseitig ausgebildeten Mitnehmer 35 auf. Der Mitnehmer 35 fungiert als eine Auflagefläche für den Ableiter 20 im Bereich der Öffnung 23 und verbleibt permanent in der Batteriezelle 100. Der Mitnehmer 35 kann je nach Ausgestaltung den Ableiter 20 in eine Richtung oder in mehrere Richtungen arretieren bzw. in seiner Bewegung begrenzen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt beispielsweise eine Begrenzung entgegen einer Richtung der Kraft F, welche auf den Zugdom 30 zum Beseitigen des initialen Spalts 13 einwirkt.
Der Zugdom 30 kann beispielsweise vor der Montage der Polkappe 10 an dem Ableiter 20 angeordnet werden. Die Polkappe 10 wird derart an den Ableiter 20 positioniert, dass der im Vorfeld eingesetzte Zugdom 30 durch die Öffnung 12 hindurch geführt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Zugdom 30 ein Bestandteil des Ableiters 20 sein. Dabei kann eine integrale Einheit aus einem Zugdom 30 und dem Ableiter 20 hergestellt oder durch ein stoffschlüssiges oder formschlüssiges Verbinden eines Zugdoms 30 mit einem Ableiter 20 ausgebildet werden. Somit kann der Zugdom 30 mit dem Ableiter 20 verschweißt, verkantet, verklebt, gecrimpt und dergleichen ausgestaltet sein. Hierdurch kann eine besonders optimale elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Zugdom 30 und dem Ableiter 20 gewährleistet werden.
Der Zugdom 30 weist weiterhin einen äußeren Rohrabschnitt 31 und einen Spreizabschnitt 32 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spreizabschnitt 32 in Richtung der Außenseite A dem Mitnehmer 35 nachgelagert angeordnet.
Der Spreizabschnitt 32 ist von dem Ableiter 20 beabstandet positioniert, wodurch dieser innerhalb der Öffnung 12 der Polkappe 10 oder außerhalb der Öffnung 12 der Polkappe 10 verformt werden kann. Darüber hinaus weist der Zugdom 30 eine Sollbruchstelle 36 auf, welche dem Spreizabschnitt 32 nachgelagert ist.
In der Fig. 9b wird ein Schritt des Verfahrens veranschaulicht, bei dem auf den Zugdom 30 die Kraft F eingestellt wird. Hierdurch wird der initiale Spalt 13 zwischen dem Ableiter 20 und der Innenseite 11 der Polkappe 10 beseitigt. Diese Spannung zwischen den Komponenten 10, 20, 30 wird aufrechterhalten und der Spreizabschnitt 32 gespreizt, Dies kann beispielsweise durch ein Einführen eines nicht gezeigten Spreizelements in Form eines Bolzens durch den Rohrabschnitt 31 realisiert werden, welcher in einer Querschnittsvergrößerung infolge von plastischer Verformung des Spreizabschnitts 32 resultiert. Die zur plastischen Verformung erforderliche Kraft N ist schematisch eingezeichnet und wird entgegen der Zugkraft F auf den Zugdom 30 realisiert. Durch die Verformung des Spreizabschnitts 32 erfüllt der Zugdom 30 die Funktion eines Niets und verbindet den Ableiter 20 mit der Polkappe 10. Je nach Ausgestaltung kann der Rohrabschnitt 31 im Bereich des Spreizabschnitts 32 in einer integrierten Öffnung 12“ des Zugdoms 30 münden, welche als Befüllöffnung zum Befüllen eines Elektrolyts genutzt werden kann.
Anschließend kann ein abstehender Abschnitt 31' des Zugdoms 30 entlang der Sollbruchstelle 36 entfernt werden. Eine Überbeanspruchung der Sollbruchstelle 36 kann durch ein Kippen und/oder Verdrehen des Abschnitts 31' des Zugdoms 30 relativ zur Polkappe 10 bzw. dem plastisch verformten Spreizabschnitt 32 herbeigeführt werden. Dieser Schritt ist in der Fig. 9c veranschaulicht. Somit wird eine permanente mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom 30, dem Ableiter 20 und der Polkappe 10 ausgebildet.
Ein in der Batteriezelle 100 dauerhaft verbleibender Abschnitt 31“ des Zugdoms 30 kann im Bereich des plastisch verformten Spreizabschnitts 32 mechanisch bearbeitet werden, um eine äußere Oberfläche der Polkappe 10 entsprechend den Anforderungen vorzubereiten.
Der verbleibende Abschnitt 31 “ des Zugdoms 30 bildet neben der mechanischen Verbindung auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ableiter 20 und der Polkappe 10 aus. Optional kann der verformte Spreizabschnitt 32 des verbleibenden Abschnitts 31“ und der Übergangsbereich zu der Polkappe 10 durch Fräsen, Bohren, Schleifen, Schweißen und dergleichen bearbeitet werden. Beispielsweise kann der Abschnitt 31" durch Gleitreiben, wie Flowdrill-Verfahren, geplant werden.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Verbinden von einem Ableiter (20) mit einer Innenseite (11) einer Polkappe (10) einer elektrochemischen Zelle (100), wobei ein Zugdom (30) durch eine Öffnung (12, 12‘) der Polkappe (10) und/oder durch eine Öffnung (23) des Ableiters (20) hindurch geschoben wird, wobei der Zugdom (30) dazu eingerichtet ist, zumindest temporär an einem Abschnitt (31“) eine mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom (30) und dem Ableiter (20) auszubilden oder mechanisch mit dem Ableiter (20) verbunden ist, wobei auf den Zugdom (30) eine aus der Öffnung (12) der Polkappe (10) hinaus gerichtet Kraft (F) eingestellt wird und der Ableiter (20) gegen die Innenseite (11) der Polkappe (10) gepresst wird, wobei der gegen die Innenseite (11) der Polkappe (10) gepresste Ableiter (20) mit der Polkappe (10), insbesondere elektrisch leitend, verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Zugdom (30) durch eine Öffnung (23) des Ableiters (20) hindurch in Richtung einer Außenseite (A) bewegt wird, wobei der Zugdom (23) endseitig im Bereich der Öffnung (23) mechanisch, insbesondere formschlüssig, mit dem Ableiter (20) verhakt; oder wobei der Zugdom (30) endseitig im Bereich der Öffnung (23) des Ableiters (20) mechanisch oder durch Überdruck, insbesondere pneumatisch oder hydraulisch, oder durch Unterdrück gespreizt wird, um eine temporäre oder dauerhafte mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom (30) und dem Ableiter (20) auszubilden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Zugdom (30) einen äußeren Rohrabschnitt (31) aufweist, weicher einen endseitigen Spreizabschnitt (32) aufweist, wobei der Spreizabschnitt (32) durch ein Beaufschlagen des Rohrabschnitts (31) mit Überdruck oder durch ein Einpressen eines Bolzens oder eines Spreizelements (33) zumindest bereichsweise vergrößert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Spreizabschnitt (32) ein Spreizelement
(33) aufweist, wobei das Spreizelement (33) mechanisch oder durch Unterdrück in den äußeren Rohrabschnitt (31) gezogen oder gepresst wird, um den Spreizabschnitt (32) zumindest bereichsweise zu vergrößern.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die mechanische Verbindung zwischen dem Zugdom (30) und dem Ableiter (20) durch eine rotatorische Bewegung und/oder eine translatorische Bewegung des Zugdoms (30) ausgebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Zugdom (30) einen Aufnahmeabschnitt
(34) und/oder einen Mitnehmer (35) aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Mitnehmer (35) des Zugdoms (30) dazu eingerichtet ist, mit dem Ableiter (20) im Bereich der Öffnung (23) mechanisch zu verhaken.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Zugdom (30) integral mit dem Ableiter (20) ausgeführt ist oder mit dem Ableiter (20) verbunden ist, wobei der Ableiter (20) derart an die Innenseite (11) der Pol kappe (10) bewegt wird, dass der Zugdom (30) durch die Öffnung (12) der Polkappe (10) zur Außenseite (A) hindurchgeführt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ableiter (20) formschlüssig oder stoffschlüssig oder reibschlüssig durch den gespreizten Spreizabschnitt (32) des Zugdoms (30) mit der Polkappe (10) verbunden wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zugdom (30) eine Sollbruchstelle (36) aufweist, wobei nach dem Spreizen des Spreizabschnitts (32) der Zugdom (30) derart mit einer Zugkraft und/oder einem Drehmoment beaufschlagt wird, dass zumindest ein Abschnitt (31 ') des Zugdoms (30) entlang der Sollbruchstelle (36) abgetrennt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Polkappe (10) mindestens eine Verbindungsöffnung (12‘) aufweist, wobei durch die mindestens eine Verbindungsöffnung (12‘) eine Linienschweißung oder eine Lochschweißung oder eine Lötverbindung eingebracht wird, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ableiter (20) und der Polkappe (10) auszubilden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei nach dem Verbinden des Ableiters (20) mit der Polkappe (10), der Zugdom (30) aus der als Befüllöffnung ausgestalteten Öffnung (12) entfernt und die Öffnung (12) zum Befüllen eines Elektrolyts verwendet wird, oder wobei der Rohrabschnitt (31) des Zugdoms (30) in einer als Befüllöffnung ausgestalteten Öffnung (12“) mündet, welche zum Befüllen des Elektrolyts verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zugdom (30) endseitig im Bereich einer als Sackloch oder als Strangpress-Profil ausgestalteten Vertiefung (24) des Ableiters (20) gespreizt und/oder verhakt wird, um diesen mechanisch zu koppeln. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Ableiter (20) zumindest einen seitlichen Verbindungsabschnitt (25) aufweist, welcher im Wesentlichen mit einer Innenkontur der Polkappe (10), insbesondere im Bereich der Innenseite (11) korrespondiert, wobei der Ableiter (20) durch ein plastisches Verformen (42) der Polkappe (10) im Bereich des Verbindungsabschnitts (25) mit der Polkappe (10) verbunden wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Ableiter (20) durch eine Durchschweißung (40) durch die Polkappe (10) und/oder durch eine Schweißung eines Stoßes zwischen dem Spreizabschnitt (32) und der Öffnung (12) der Polkappe (10), insbesondere im Bereich einer Sollbruchstelle (36), mit der Polkappe (10) zumindest bereichsweise verbunden wird.
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