EP4623479A1

EP4623479A1 - Zellgehäuse, elementare elektrische speicherzelle und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: EP4623479A1
Application number: EP23832727.4A
Authority: EP
Inventors: Mathias Widmaier
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2023-12-13
Publication date: 2025-10-01
Also published as: CN120129990A; DE102022134442A1; WO2024132809A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellgehäuse und eine damit aufgebaute elementare elektrische Speicherzelle zum Aufbau eines wiederaufladbaren Batteriemoduls, das insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem vorgesehen ist, wie es z.B. in Elektrofahrzeugen verbaut ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellgehäuses. Um ein verbessertes Zellgehäuse (5) einer elementaren Speicherzelle (3) umfassend einen Zellbecher (6) oder Zellmantel (6a) und einen Zelldeckel (7), in dem mindestens ein elektrischer Pol (8) als Kontakt angeordnet ist, sowie eine damit aufgebaute elementare elektrische Speicherzelle zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass das Zellgehäuse (5) einen Zellbecher (6) oder Zellmantel (6a) mit einem Aluminium-Stahlverbund und einem Zelldeckel (7) aus Aluminium umfasst, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind.

Description

Zellgehäuse , elementare elektrische Speicherzelle und Verfahren zur Herstellung

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Zellgehäuse und eine damit aufgebaute elementare elektrische Speicherzelle zum Aufbau eines wiederaufladbaren Batteriemoduls , das insbesondere für ein Hochvolt-Batteriesystem vorgesehen ist , wie es z . B . in Elektrofahrzeugen verbaut ist , und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellgehäuses .

Aktuell wird unterschieden zwischen Zellgehäusen aus vernickeltem Stahl , die regelmäßig für Rundzellen verwendet werden, und Zellgehäusen aus Aluminium, die vor allem für prismatische Zellen, aber auch teilweise für Rundzellen verwendet werden . Eine Verbindungstechnologie zwischen einer j eweiligen Deckelbaugruppe und einem zugehörigen Zellbecher unterscheidet zwischen Zellgehäusen aus vernickeltem Stahl und Zellgehäusen aus Aluminium . So erfolgt die Verbindung bei Zellgehäusen aus vernickeltem Stahl in aller Regel durch Crimpen, und bei Aluminium durch Laserschweißen . Beim Crimpen wird außerdem eine zusätzliche Kunststof fdichtung benötigt , um eine erforderliche Flüssigkeits- und Gas-Dichtigkeit der betref fenden Zelle im Bereich des Deckels zu gewährleisten . Zellgehäuse aus den genannten beide Materialien weisen j eweils eine Reihe von Vor- und Nachteilen auf , wie nachfolgend exemplarisch auf geführt .

Nachteile eines Zellgehäuses aus vernickeltem Stahl :

- Zwischen Deckel und Becher ist keine Laserschweißung für eine Rundzelle möglich . Ein Deckel muss auf den Becher gecrimpt werden . Daraus ergeben sich eine schlechte Raumausnutzung u . a . durch ein Totvolumen in der Zelle , da ein Bereich der Crimpung freigehalten werden muss und der Zellwickel hier nicht hineinragen kann, siehe Figur 3a der angehängten Zeichnung .

- Die Fertigung dieser Zellgehäuse bedingt ein Abhängigkeit von Nickel als verhältnismäßig seltenem Metall . Eine zukünftige Entwicklung der Kosten sowie ein Maß der Verfügbarkeit dieses Metalls sind unklar .

- Die Vernickelung von Stahl benötigt gi ftige Chemi kalien und hat durch notwendiges Di f fusionsglühen bei hohen Temperaturen einen hohen CCA-Abdruck .

- Stahl hat im Vergleich zu Aluminium schlechtere Kühleigenschaften durch eine geringere Wärmeleitfähigkeit .

- Vor allem durch an dem Becher freiliegenden und nicht durch eine Nickelschicht geschützten Stahl besteht die Ge fahr einer Schnittkantenkorrosion, siehe Figur 5 der angehängten Zeichnung .

- Korrosionsgefahr durch eine unvollständige oder beschädigte Nickelbeschichtung aufgrund der sehr geringen Dicke der Nickelschicht von nur einigen Mikrometern oder bereits durch Kratzer oder Risse beim Herstellprozess der Becher und der Batteriezelle insbesondere durch Tief ziehen .

- Schlechte Fügbarkeit und Korrosionsgefahr nach dem Fügen von Aluminiumzellverbindern mit Zellgehäusen aus vernickeltem Stahl , wobei das Zellgehäuse den negativen Pol der betref fenden Zelle bildet .

Nachteile eines Zellgehäuses aus Aluminium :

- Höhere Gefahr von Auf reißen, Aufplatzen und/oder Auf schmel zen einer Zellgehäusewand, sogenannte „side wall rupture" , durch eine geringere Festigkeit und eine niedrigere Schmel ztemperatur von Aluminium im Vergleich zu Stahl . Dies kann zu höherer Propagationsgefahr innerhalb des Batteriemoduls führen, wobei aus diesen Bereichen einer Zelle heiße oder sogar brennende Elekt- rolyte austreten und weitere Zellen in einen kritischen Zustand führen können . - Aufgrund der geringeren Festigkeit von Aluminium werden generell dickere Gehäusewandungen aus Aluminium im Vergleich zu Stahl benötigt , was zu einem größeren Bauraumbedarf bei Zellgehäusen aus Aluminium führt .

Diverse weitere Material-Kombinationen und Verbindungs formen zwischen einem Zellbecher und einem Zelldeckel sind u . a . in der DE 10 2012 223 551 Al of fenbart .

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe , ein verbessertes Zellgehäuse sowie eine damit aufgebaute elementare elektrische Speicherzelle und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaf fen .

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst , dass das Zellgehäuse einen Zellbecher oder Zellmantel mit einem Aluminium-Stahl-Verbund und mindestens einen Zelldeckel aus Aluminium umfas st , die miteinander stof f schlüssig verbunden sind . Erfindungsgemäß stellt ein Aluminium-Stahl-Verbund eine rein metallische Sandwich-Struktur dar, die keine weiteren Zwischenschichten aufweist , also im Unterschied zu der Gesamtof fenbarung der DE 10 2012 223 551 Al insbesondere keine zwischenliegenden I solationsschichten . Eine hülsenförmige Wandung eines Zellbechers oder Zellmantels umfasst dabei zumindest bereichsweise einen Aluminium-Stahlverbund mit mindestens zwei Schichten .

Ferner wird diese Aufgabe auch durch eine elementare elektrische Speicherzelle mit den Merkmalen von Anspruch 13 u . a . dadurch gelöst, dass diese Speicherzelle ein Zellgehäuse mit einem Zellbecher mit einem Aluminium-Stahlverbund und einem Zel ldeckel aus Aluminium umfasst , die miteinander stof f schlüssig verbunden sind .

Schließlich ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Zellgehäuses einer elementaren Speicherzelle umfassend einen Zellbecher oder Zellmantel und mindestens einen Zelldeckel , in dem mindestens ein elektrischer Pol als Kontakt angeordnet wird, mit den Merkmalen von Anspruch 14 eine Lösung der vorstehenden Aufgabe , wenn das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist , dass der Zellbecher oder der Zellmantel mit einem Aluminium-Stahlverbund und der mindestens eine Zelldeckel aus Aluminium miteinander unter Verwendung eines oder mehrerer der folgenden Verfahren zur Bildung des Zellgehäuses verbunden werden : stof f schlüssiges Verbinden durch Verschweißen mit oder ohne Material zusatz , Löten oder Kleben . Das stof f schlüssige Verbinden findet dabei insbesondere an einer Endkante des Zellbechers statt . Auch sind Kombinationen dieser Verfahren anwendbar .

Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf , dass die j eweiligen Vorteile von Aluminium und Stahl als Partner in einem gemeinsamen Aufbau kombiniert werden können, wobei diese Partner einige der vorstehend j e Bauform exemplarisch auf gelisteten Nachteile sogar gegenseitig eliminieren können . Das vorgeschlagene Zellgehäuse aus einem Aluminium-Stahlverbund mit einem Zelldeckel aus Aluminium vereint bei stof f schlüssiger Verbindung die Vorteile von Aluminium- und Stahlgehäusen :

- An einer Grenze , an der Zelldeckel und Zellbecher miteinander zur Bildung einer stof f schlüssigen Verbindung in Kontakt stehen, ist eine gute Laserschweißbarkeit gegeben, wodurch bei einer Rundzelle die Crimpung mit einer zusätzlichen Dichtungslage zur Verbindung entfällt und in der Folge kein oder nur ein geringes Totvolumen in der Zelle vorhanden ist , siehe Figuren

3a, b und 5 der nachfolgenden Zeichnung .

- Das Risiko einer „side wall rupture" ist deutlich verringert .

Die Schwachstelle des Zelldeckels aus Aluminium ist unkritisch, da diese Stirn-Fläche des Zellgehäuses vergleichsweise klein ist und sich in einem Modul nicht anderen Zellen gegenüber angrenzend befindet . Ferner ist ein Speichermodul so ausgelegt , dass ein Ausgasen über diese Stirn-Fläche möglich i st . Im Zelldeckel befindet sich i . d . R . weiterhin ein Berst-Element als Entgasungsöf fnung, über welches die Zelle im Notfal l nach Art eines Notventils zur Verringerung der Propagationsgefahr des Speichers kontrolliert entgast werden kann .

- In diesem Aufbau eines Zellgehäuses wird kein Nickel benötigt .

- Der Gesamtaufbau eines erfindungsgemäßen Zellgehäuses weist im Vergleich zu einem Zellgehäuse aus Stahl aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium bessere Kühleigenschaften auf .

- An einem erfindungsgemäßen Zellgehäuse kann keine Schnittkantenkorrosion auftreten, da eine Stahlschicht stets von Aluminium umschlossen ist .

- Eine Fügbarkeit eines erfindungsgemäßen Zellgehäuses mit einem Aluminium-Zellverbinder ist sehr gut , was i . d . R . für eine Kontaktierung von Rundzellen wichtig ist .

- Eine Dicke der Gehäusewandung eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellgehäuses ist im Vergleich zu einem nur aus Aluminium gebildeten Zellgehäuse deutlich verringert .

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche . Demnach ist der Aluminium-Stahlverbund als Schichtverbund ausgeführt . Zur Herstellung eines derartigen Schichtverbundes sind diverse Verfahren bekannt .

Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung liegt eine Stahlschicht zwischen zwei Aluminium-Schichten angeordnet . Die Aluminium-Schichten dienen damit innen und außen einer Wärmeableitung sowie als voll flächiger Korrosionsschutz für die Stahlschicht .

Vorzugsweise weisen die unterschiedlichen Metallschichten im Wesentlichen gleiche Dicken auf . Derartige Materialien sind u . a . unter der Marke Feran®, oder als Einlageplattierungen z . B . unter der Produktbezeichnung „Edgelay" und mit mindestens einer umschlossenen metallischen Kernzone innerhalb eines anderen umgebenden metallischen Materials als „Corelay" von der Wickeder Group am Markt verfügbar .

In einer Aus führungs form der Erfindung sind Schnittkanten bzw . Endkanten an der Öf fnung des Zellbechers oder eines Zellmantels durch einen den Zellbecher oder Zellmantel abdeckend aufgeschweißten Zelldeckel aus Aluminium geschützt überdeckt . Ein Zellbecher ist nur an einer Seite durch einen Deckel zu verschließen, ein Zellmantel als Rohrstück mit insbesondere rechteckigem Querschnitt hingegen mit zwei Deckeln an j eweils gegenüberliegenden Enden .

Vorteilhafterweise bildet die Schweißnaht an der Endkante des Zellbechers bzw . an Enden eines Zellmantels mindestens nach außen hin eine dauerhaft gasdichte Verbindungen mit dem Zelldeckel . Ein Zellgehäuse ist damit zumindest gegen äußere Einflüsse dauerhaft geschützt .

Vorzugsweise ist die Stahlschicht als Verstärkung mindestens einer breiten Außenfläche eines Zellmantels angeordnet vorgesehen . Damit schützt und unterstützt die Stahlschicht j eweils die größten und damit gegen druckgedingtes Bersten mechanisch anfälligsten Flächen des Zellmantels insbesondere einer flach-prismatischen Speicherzelle .

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Zellmantel einer Zell-Hülse an seinem Umfang bzw . einer Endkante geschlossen . Eine innenliegende Schicht ist damit vor äußeren Einflüs sen geschützt .

In einem Aus führungsbeispiel der Erfindung ist der Zellmantel durch mindestens eine Schweißnaht geschlossen . Bevorzugter Weise handelt es sich bei der Schweißnaht um eine Laser-Schweißnaht . Der Zellmantel wird danach aus mindestens einem mehrere unterschiedliche Schichten aufweisenden Blechstück zusammengesetzt . Bei nur einem Blechstück mit einem vorstehend angedeuteten mindestens abschnittsweisen dreischichtigen Innenaufbau reicht nach entsprechendem Biegen bzw . Kant-Biegen eine Verbindung durch eine Schweißnaht aus . Bei einem Aufbau aus mehreren Blechstücken, insbesondere j e einem Blechstück für eine Seitenfläche , ist in einer Aus führungs form der Erfindung statt einer Biegekante im Bereich einer Kante eine stof f schlüssig Verbindungsstelle insbesondere in Form einer Laser-Schweißnaht vorgesehen sein, wie anhand von Aus führungsbeispielen noch anhand der Zeichnung illustriert und beschrieben wird .

In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist das Zellgehäuse für eine zylindrische Speicherzelle ausgeführt . In einer anderen Aus führungs form der Erfindung ist das Zellgehäuse für eine prismatische Speicherzelle ausgebildet .

Vorteilhafterweise zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse dadurch aus , dass es an einer Mantel fläche mit einer elektrisch isolierenden Kunststof f schicht versehen ist . In einer Aus führungs form der Erfindung ist diese Kunststof f schicht aus einem auf geschrumpften Schlauchmaterial gebildet . Ein derartiger Schlauch kann nach Abschluss der Schweißarbeiten zum Verschließen des Zellgehäuses über die dann fertige elementare Speicherzelle gestülpt und z . B . durch Wärmestrahlung oder einen temperierten Luftstrom um den Mantel des Zellgehäuses herum auf geschrumpft werden, wobei ein Deckel mit mindestens einem elektrischen Anschluss sowie evtl , einer Entlastungsöf fnung sowie ein Boden zur Wärmeabfuhr an einen Modulboden hin nicht mit der Kunststof fschicht überzogen sind .

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in schematischer Darstellung :

Figuren la bis 1c : eine Draufsicht auf ein erstes Aus führungsbeispiel eines Zellgehäuses einer prismatischen Elementarzelle mit einer Schnittansicht und einer Einzelheit ;

Figuren 2a und 2b : eine Draufsicht auf ein Zell-Gehäuse einer prismatischen Elementarzelle mit einer Schnittansicht zur Darstellung weiterer Aus führungsbeispiele für den Aufbau eines Zell- Gehäuses insbesondere im Bereich eines Zellmantels ;

Figuren 3a und 3b : eine Gegenüberstellung von Schnittdarstellungen einer durch Crimpen mit einem Zelldeckel verschlossenen bekannten Stahl zelle und einer laserverschweißten Zelle aus einem Aluminium-Stahl-Verbund und einem Zelldeckel aus Aluminium;

Figur 4 : eine dreidimensionale Darstellung eines bekannten Batteriemoduls mit durch Zell-Separatoren voneinander getrennten prismatischen Elementarzellen und

Figur 5 : eine dreidimensionale Schnittdarstellung einer bekannten zylindrischen Elementarzelle .

Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend primär ein Einsatz von Aus führungsbeispielen der Erfindung in Form eines prismatischen Zellgehäuses vor dem Hintergrund eines Einsatzes in einem Batteriemodul für einen Batteriespeicher in einem Personen- Fahrzeug in Form eines Autos dargestellt und beschrieben . Es ist aber für den Fachmann of fensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung eines nachstehend beschriebenen Zellgehäuses auf ein Batteriemodul mit zylindrischen Elementarzellen sowie auf einen Einsatz in sonstigen Fahrzeugen, wie Flugzeuge oder Boote mit elektro-motorischem Antrieb, sowie auch auf stationäre Einsätze z . B . zur Stromversorgung möglich ist .

Figur 4 zeigt ein in Umrissen angedeutetes Modulgehäuse 1 eines bekannten Batteriemoduls 2 in dreidimensionaler Darstellung . In dem Batteriemodul 2 sind elementare Speicherzellen 3 prismatischer Bauform nach dem Stand der Technik in der Regel unter Trennung direkt benachbarter elementarer Speicherzellen 3 in einer Reihe bzw . Spalte durch j e einen Zell-Separator 4 angeordnet , wie in der Explosionsdarstellung von Figur 4 angedeutet . Jede elementare Speicherzelle 3 weist ein Zellgehäuse 5 aus einem prismatischen Zellbecher 6 und einem rechteckigen Zelldeckel 7 auf . Der Zelldeckel 7 trägt bei prismatischen Speicherzellen 3 in der Regel zwei Kontakte 8 für die unterschiedlichen elektrischen Polaritäten sowie eine Entgasungsöf fnung 9 .

Gemäß der Darstellung von Figur 4 erstreckt sich j eder Zell-Separator 4 zwischen direkt benachbarten elementaren Speicherzellen 3 von einem Modulboden 10 über eine große Seitenfläche 11 als Teil einer Mantel fläche 12 der hier als schmale Prismen ausgebildeten Zellbecher 6 der elementaren Speicherzellen 3 zu einem nicht weiter dargestellten Modul-Deckel hin . Erst nach diesem in Figur 4 angedeuteten Zusammenbau schließt sich eine elektri sche Verschaltung der elementaren Speicherzellen 3 durch ein hier nicht weiter dargestelltes Zellkontaktiersystem an, bevor das Modulgehäuse 1 durch einen Modul-Deckel geschlossen wird . Nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe derartiger Zell-Separatoren 4 darin, durch dünnwandige , flexible und thermisch dämmende Materialien im Fall einer thermischen Überlast einer einzelnen elementaren Speicherzelle 3 eine Verzögerung des Wärmeübertrags von der betreffenden Zelle 3 zu benachbarten Zellen 3 hin zu bewirken . Damit soll ein thermisches Ereignis bzw . Thermal runaway event verzögert werden . Jeder der Zell-Separatoren 4 trennt benachbarte elementare Speicherzellen 3 elektrisch voneinander und verhindert damit auch einen Verschleiß durch vibrationsbedingte mechanische Reibung direkt benachbarter elementarer Speicherzel len 3 aneinander .

Figur 5 zeigt eine dreidimensionale Schnittdarstellung einer bekannten elementaren Speicherzelle 3 in zylindrischer Bauform des Zellgehäuses 5 . An einem oberen Ende 13 eines Zellbechers 6 dieser elementaren Speicherzelle 3 läuft der Zellbecher 6 in eine ungefähr S- förmige Crimpung aus , durch die ein mehrschichtiger Wickelkörper W als eigentlicher Energiespeicher elektrisch isoliert in seiner Position innerhalb des Zellgehäuses 5 bzw . in dem Zellbecher 6 fixiert ist . Zudem schließt diese Crimpung im weiteren Verlauf über eine zusätzlich eingefügte Dichtung G das Zellgehäuse 5 mit dem Zelldeckel 7 , der einen Kontakt 8 sowie eine Entgasungsöf fnung 9 trägt . Eine Endkante 14 des Zel lbechers 6 an dem oberen Ende 13 zeigt sich als ungeschützt blanke und damit nicht gegen Korrosion geschützte metallische Schnittkante . Zudem zeigt sich unter dem Zelldeckel 7 ein Totvolumen 17 , das prinzipiell nicht für die Speicherung elektrischer Energie nutzbar ist und damit nur einen Verlust an Bauraum innerhalb eines Modulgehäuses 1 eines Batteriemoduls 2 darstellt .

Die Abbildung von Figur la zeigt nun als seitliche Schnittansicht in einer Mittelebene ein Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zellgehäuses 5 einer prismatischen Speicherzelle 3 mit vorteilhaften Eigenschaften ohne Darstellung eines detaillierten Innenaufbaus . In diesem Aus führungsbeispiel eines Zel lgehäuses 5 besteht der Zellbecher 6 aus einem als dreischichtige metallische Sandwich-Struktur ausgeführten Aluminium-Stahlverbund, der in der linken Häl fte dieser Abbildung mit dem Zelldeckel 7 aus einer Aluminiumschicht a verschweißt ist , wie durch die unterschiedlichen Schraf furen der j eweiligen Schnittflächen angedeutet . Die unterschiedlichen Metallschichten dieser Verbundschichten weisen im Wesentlichen gleiche Dicken auf . Durch eine beim Verschweißen eingestellte Temperatur schmel zen aber nur die j eweiligen Aluminium-Schichten a soweit auf , dass sich eine stof fliche Vermischung der verschiedenen Aluminium-Schichten in einer Schweißnaht 15 ergibt . Eine j eweilige Stahlschicht e des Zellbechers 6 ragt mit Endkanten damit aufgrund des höheren Schmel zpunktes von Stahl in die aus Aluminium bestehende Schweißnaht 15 hinein . Die Schweißnaht 15 erzeugt damit an der Endkante 14 des Zellbechers 6 insbesondere nach außen hin dauerhaft gasdichte Verbindungen 16 mit dem Zelldeckel 7 .

Figur 1b zeigt eine Draufsicht auf die prismatische Speicherzelle 3 mit einem teilweise weggeschnittenen und zum anderen Teil bereits auf geschweißten Zelldeckel 7 unter Andeutung einer Schnittebene A-A von Figur la . Hieran ist ersichtlich, das s die Schweißnaht 15 in ihrer Breite einer Dicke der dreischichtigen metallischen Sandwich-Struktur des Zellbechers 6 entspricht und mit diesem im Wesentlichen bündig abschließt .

In Figur 1c ist eine Einzelheit X von Figur la vergrößert dargestellt . Vormalige Endkanten 14 des Zellbechers 6 sind durch den in diesem Aus führungsbeispiel auf geschweißten Zelldeckel 7 aus Aluminium, der den Zellbecher 6 abdeckt , bzw . die Schweißnaht 15 als Ergebnis eines Laser-Schweißprozesses ohne zusätzliche Material zufuhr in eine Auf schmel z zone geschützt überdeckt . An der Ski z ze von Figur 1c ist ferner erkennbar, dass die Schweißnaht 15 eine Auf schmel z zone an dem Zelldeckel 7 sowie dem Zellbecher 6 unter stof flicher Verbindung der Aluminium-Schichten a bildet , durch die gasdichte Verbindungen 16 um die in die Schweißnaht 15 hinein vorstehende Stahlschicht e des Zellbechers 6 schaf ft . Die Stahlschicht e des Zellbechers 6 ist damit von innen wie von außen her umfassend vor Korrosion insbesondere durch ein Elektrolyt der elementaren Speicherzelle 3 geschützt und stärkt die Wand des Zellbechers 6 zudem bei stärkerem Innendruck der betref fenden Speicherzelle 3 mechanisch vor dem Ef fekt einer „side wall rupture" .

Die Verwendung eines Laser-Schweißprozesses ohne zusätzliche Material zufuhr in eine definiert temperierte Auf schmel zzone hinein wird im Rahmen der Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schon aufgrund des in einem Verbindungsbereich ausreichend zur Verfügung stehenden und vergleichsweise leicht bzw . niedrig schmel zbaren Aluminiums bevorzugt . Vergleichbare Ergebnisse mit Schutz vor Korrosion sowie Sicherstellung von Gasdichtigkeit und mechanischer Belastbarkeit sind aber auch als Ergebnis hier nicht weiter zeichnerisch dargestellter Verbindungsverfahren realisierbar, wie z . B . Verschweißen mit Material zusatz in einer Schweißzone , was auch als elektrisches Schweißen durchführbar ist , Löten oder auch Kleben . Bei letzterer Lösung ist die stof f schlüssige Verbindung in einem Aus führungsbeispiel unter Einsatz bekannter Zusätze im Kleber z . B . in Form von Graphit- und/oder Metallpulver ausreichend elektrisch leitfähig ausgebildet .

Die Abbildungen der Figuren 2a und 2b stellen weitere Aus führungsbeispiele von Zellgehäusen 5 dar, insbesondere mit Alternativen eines Aufbaus sowie einer Herstellung im Bereich eines Zellmantels 6a . Hierzu werden prismatische Zellen 3 betrachtet , bei denen das Zellgehäuse 5 eine Höhe H von ca . 300 mm bis größer als 800 mm und bis ca . 1 . 000 mm aufweist , wobei die Abmessung eines Zelldeckels 7 einer Breite b sowie einer Tiefe t des prismatischen Zellgehäuses 5 entsprechend Abmessungen von ca . 20 mm x 80 - 100 mm betragen . Ein derartiges Zellgehäuse 5 stellt einen sehr schlanken, langen und flachen Körper dar . Zur Herstellung eines derartigen Zellgehäuses 5 wird nun statt eines Zellbechers 6 ein hülsenförmiger Zellmantel 6a hergestellt , wie in Figur 2a als Schnitt durch eine Mittelebene des verkürzt dargestellten Zellgehäuses 5 angedeutet . Nun wird hier nicht nur an dem oberen Ende 13 ein Zelldeckel 7 über der Endkante 14 auf geschweißt , sondern nach einem Einschieben eines nicht weiter dargestellten Wickels mit dem eigentlich elektro-chemisch aktiven Speichermaterial und entsprechenden Anschluss-Fahnen zur Kontaktierung elektrischer Pole 8 auch an einem unteren Ende 18 des Zellmantels 6a . Der Zellmantel 6a wird also durch Aufschweißen von zwei Zelldeckeln 7 zu einem geschlossenen Zellgehäuse 5 gasdicht verschlossen . Damit sind Schweißnähte 15 aus Aluminium an beiden Enden des Zellmantels 6a, dem oberen Ende 13 und dem unteren Ende 18 , als gasdichte Verbindungen 16 vorgesehen, durch die auch die Stahlschicht e im Innenbereich der Zelle 3 vollständig und damit auch gasdicht und korrosionsbeständig umschlossen i st .

Die Abbildung von Figur 2b stellt eine Schnittfläche des Zellmantels 6a in einer hori zontalen Ebene dar . Im Gegensatz zu der in Figur 1b dargestellten Aus führungs form wird ein Einsatz mindestens einer Stahlschicht e im Wesentlichen auf den Bereich der breiten Seitenflächen 11 beschränkt , da diese mit den Maßen b x H hinsichtlich einer Druckbelastung mechanisch wesentlich anfälliger für ein Bersten als die angrenzenden tiefen Seitenflächen 19 mit der deutlich kleineren Fläche t x H sind .

Dazu sind in Figur 2b zwei Aus führungs formen angedeutet . In der oberen Häl fte von Figur 2b stellt j ede der vier Seitenflächen des im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts einen Streifen dar . Benachbart angrenzende Strei fen sind durch Schweißnähte 15 aus Aluminium miteinander gasdicht verbunden . Nur die breiten Seitenflächen 11 umfassen eine dreischichtige Sandwich-Struktur mit zwei Aluminium-Schichten a und dazwischenliegender Stahl schicht e . Die beiden tiefen Seitenflächen 19 mit den Abmessungen t x H bestehen bei gleicher Schichtdicke nur aus einer Aluminium-Schicht a . Zur Ausbildung der vier Laser-Schweißnähte 15 wird auch hier auf die Einzelheit von Figur 1c verwiesen .

Da die Stahlschicht e mindestens eine große bzw . breite Außenfläche 11 des schlanken Hohlkörpers verstärkend abdecken soll , kann die Stahlschicht e auch bis in die beidseitig an dem Zellmantel 6a angrenzenden tiefen Außenflächen 19 hinein gezogen sein, wie deutlich in der unteren Häl fte von Figur 2b gezeigt . Ein derartig aufgebauter Zellmantel 6a wird in diesem Aus führungsbeispiel aus einem einzigen Abschnitt eines Metallblechs mit den Abmessungen H x (b + t + b + t ) zur Darstellung der Mantel fläche 12 hergestellt . In Abständen, die im Wesentlichen der Tiefe t der Seitenflächen 19 entsprechen, sind in einem Sandwich-Metallverbund- Blech die Stahlschichten e nach Art von Kernen von Aluminium dicht umschlossen . Dieser Metallblech-Abschnitt wei st eine konstante Dicke auf und umfasst dabei zwei voneinander getrennte Abschnitte mit Aluminium-Stahl-Aluminium-Sandwich-Strukturen . Die Stahlbleche e sind dabei bei fast beliebiger Querschnitts form quasi als Einlagen außenseitig durch Schichten a aus Aluminium umschlossen, wobei für die Stahlschicht e mit Blick auf die Aufgabe einer mechanischen Verstärkung der breiten Seitenflächen 11 j eweils eine rechteckige Querschnitts fläche bevorzugt ist , wie in Figur 2b in der unteren Häl fte dargestellt . Derartige Aluminium- Stahl-Aluminium-Sandwich-Strukturen sind z . B . unter der Bezeichnung „Corelay" am Markt erhältlich . Dabei sind in deren Herstellung Parameter der Geometrie sowie der verwendeten Materialien in weiten Bereichen auswählbar .

Der Zellmantel 6a ist in dem zweiten Aus führungsbei spiel von Figur 2b durch nur eine einzige Laser-Schweißnaht 15 an seinem Umfang geschlossen . In diesem Aus führungsbeispiel entsteht der Zellmantel 6a durch Kant-Biegen um 90 ° - hier mit entsprechenden Mindest-Biegeradien angedeutet - und ist mit nur einer Schweißnaht 15 in einer Mitte einer schmalen bzw . tiefen Seitenfläche 19 geschlossen . Dazu sind in diesem Aus führungsbeispiel zwei stumpf voreinander stehende Endkanten der Mantelfläche 12 , die nur aus Aluminium bestehen, miteinander ohne zusätzlichen Materialeintrag verschweißt . An die Fertigstellung eines Zellmantels 6a nach einem der beiden vorstehend beschriebenen Verfahren schließt sich ein abdeckendes Auflegen eines Zelldeckels 7 mit randseitiger Laser-Verschweißung an, um damit einen Zellbecher 6 zu schaf fen .

Figuren 3a und 3b zeigen eine Gegenüberstellung von Schnittdarstellungen einer durch Crimpen mit einem Zelldeckel 7 verschlossenen Stahl zelle und einer laserverschweißten Speicherzelle 2 aus einem Aluminium-Stahl-Verbund bei j eweils gleichen Größen eines Außendurchmessers D sowie einer Höhe H der zylindri schen Zellgehäuse 6 . Eine Wandstärke der Stahl zelle entspricht im Wesentlichen derj enigen der aus einem Aluminium-Stahl-Verbund gefertigten Zelle , also d_a ~ db . Allerdings ist eine Höhe eines hier nur angedeuteten Wickelkörpers W innerhalb des Zellgehäuses 6 in diesen Darstellungen deutlich unterschiedlich . Wie schon in der Schnittdarstellung von Figur 5 angedeutet weist die Speicherzelle 3 mit dem aus Stahlblech gebildeten Zellgehäuse 5 nach Figur 3a ein für die elektro-chemische Speicherung elektrischer Energie in der Speicherzelle 3 prinzipiell nicht nutzbares Totvolumen 17 über den Bereich der Crimp-Verbindung von Zellbecher 6 und Zelldeckel 7 bis zu dem Wickelkörper W auf , so dass bei Ausbildung einer hier nicht weiter dargestellten Anschlussgeometrie etc . stets gilt : h_a < h . Damit weist eine erfindungsgemäße Speicherzelle 2 mit einem Zellgehäuse 5 aus einem laserverschweißten Aluminium- Stahl-Verbund bei j eweils gleichen Außenabmessungen des Zellgehäuses 5 gegenüber einer bekannten Stahl zelle mit Crimpverbindung bei gleichen Volumen eines Zellgehäuses 5 mehr Plat z für einen Wickelkörper W und folglich stets eine größere Kapazität auf . Auch bei einem Einsatz gemäß der Darstellung von Figur 4 wird aus Sicherheitsgründen eine zusätzliche I solierung an Außenbereichen der elementaren Speicherzellen 3 angebracht . Hierzu wird das Zellgehäuse 5 an der Mantel fläche 12 in nicht weiter zeichnerisch dargestellter Weise mit einer elektrisch isolierenden Kunststof fschicht versehen . Die Kunststof f schicht ist aus einem aufgeschrumpften Schlauchmaterial gebildet , so dass in vorbestimmter Weise ein Zelldeckel 7 und auch ein Bereich des Zel lbechers 6 bzw . Zellmantels 6a, über den eine Speicherzelle 3 in einem verbauten Zustand zur Wärmeabfuhr in Kontakt mit dem Modulboden 10 steht , einfach und zuverlässig frei von thermischen Barrieren gehalten werden .

Die vorstehend beschriebenen Aus führungsbeispiele eines Zellgehäuses bieten für zylindrische wie auch prismatische Speicherzellen neuartige Möglichkeiten einer Dimensionierung grundsätzlich leistungs fähigerer elementarer Speicherzellen 3 unter Einhaltung bekannter Außen-Dimensionen bei ef fektiverem Schutz vor Korrosion und gegen druckbedingtes Bersten unter Verwendung grundsätzlich frei am Markt bekannter Materialien bei deutlich geminderten Totvolumen-Anteilen innerhalb einer erfindungsgemäß aufgebauten Speicherzelle insbesondere im Bereich eines Zelldeckels .

Bezugszeichenliste

1 Modulgehäuse

2 Batteriemodul

3 elementare Speicherzelle als prismatische Rundzelle

4 Zell-Separator

5 Zellgehäuse

6 Zellbecher

6a Zellmantel , Rohrkörper mit rechteckigem Querschnitt

7 Zelldeckel

8 Kontakt / elektrischer Pol

9 Entgasungsöf fnung

10 Modulboden

11 breite Seitenfläche (b x H) als Teil einer Mantel fläche 12 des Zellbechers 6 der elementaren Speicherzelle 3

12 Mantel fläche

13 oberes Ende des Zellbechers 6/des Zellmantels 6a

14 Endkante am oberen Ende 13 d . Zellbechers 6 / Zellmantels 6a

15 Schweißnaht aus Aluminium

16 gasdichte Verbindung

17 Totvolumen

18 unteres Ende des Zellmantels 6a als Teil der Mantel fläche 12

19 tiefe bzw . schmale Seitenfläche ( t x H) a Aluminiumschicht b Breite des prismatischen Zellgehäuses 6

D Außendurchmesser des zylindrischen Zellgehäuses 6 e Stahlschicht

G Dichtung

H Höhe des Zellgehäuses 6 da Innendurchmesser des Zellgehäuses 6 db Innendurchmesser des Zellgehäuses 6 h_a Höhe eines Wickelkörpers innerhalb des Zellgehäuses 6 h Höhe eines Wickelkörpers innerhalb des Zellgehäuses 6 t Tiefe des prismatischen Zellgehäuses 6

W Wickelkörper

Claims

Ansprüche

1. Zellgehäuse (5) einer elementaren Speicherzelle (3) umfassend einen Zellbecher (6) oder Zellmantel (6a) und einen Zelldeckel (7) , in dem mindestens ein elektrischer Pol (8) als Kontakt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (5) einen Zellbecher (6) oder Zellmantel (6a) mit einem Aluminium-Stahlverbund und mindestens einen Zelldeckel (7) aus Aluminium umfasst, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind.

2. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Stahlverbund als Schichtverbund ausgeführt ist.

3. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schichtverbund eine Stahlschicht (e) zwischen zwei Aluminium-Schichten (a) angeordnet ist.

4. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Metallschichten (a, e) im Wesentlichen gleiche Dicken aufweisen.

5. Zellgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Endkanten (14) des Zellbechers (6) oder eines Zellmantels (6a) durch einen abdeckend auf geschweißten Zelldeckel (7) aus Aluminium bzw. eine Schweißnaht (15) geschützt überdeckt sind.

6. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (15) an der Endkante (14) des Zellbechers (6) oder an Enden (13, 18) eines Zellmantels (6a) mindestens nach außen hin eine dauerhaft gasdichte Verbindungen (16) mit dem Zelldeckel (7) bildet.

7. Zellgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlschicht (e) als Verstärkung mindestens einer breiten Außenfläche (11) eines Zellmantels

(6a) angeordnet ist.

8. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellmantel (6a) an seinem Umfang bzw. einer Endkante (14) geschlossen ist.

9. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellmantel (6a) durch mindestens eine Laser-Schweißnaht (15) geschlossen ist.

10. Zellgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (5) für eine prismatische Speicherzelle (3) ausgebildet ist.

11. Zellgehäuse einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (5) an einer Mantelfläche (12) mit einer elektrisch isolierenden Kunststoff schicht versehen ist.

12. Zellgehäuse nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff schicht aus einem aufgeschrumpften Schlauchmaterial gebildet ist.

13. Elementare elektrische Speicherzelle (3) zum Aufbau eines wiederaufladbaren Batteriemoduls, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (3) ein Zellgehäuse (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Zellgehäuses (5) einer elementaren Speicherzelle (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Zellbecher oder Zellmantel und mindestens einen Zelldeckel, in dem mindestens ein elektrischer Pol (8) als Kontakt angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellbecher (6) oder der Zellmantel (6a) mit einem Aluminium-Stahlverbund und mindestens einen Zelldeckel (7) aus Aluminium miteinander zur Bildung des Zellgehäuses (5) durch stoff schlüssiges Verbinden durch Verschweißen mit oder ohne Materialzusatz, Löten oder Kleben verbunden werden, insbesondere an einer Endkante (14) des Zellbechers (6) .