JP2015505128A - 防湿層を有するハードシェルセルハウジング - Google Patents

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Abstract

本発明は、１個のアルカリ金属セル（１）のためのハードシェルセルハウジングであって、１個のアルカリ金属セルのセル構成要素（３０）を収容するための内部空間を有するハウジング基部本体（２）と、ハウジング基部本体（２）の内部空間を密閉するハウジングカバー（３）と、を含み、ハウジング基部本体（２）は、少なくとも基本的に合成樹脂で形成され、ハウジング基部本体（２）は、少なくとも１つの防湿層（４）を含む、上記ハードシェルセルハウジングに関する。さらに、本発明は、このようなガルバニセル（１）、その製造方法、及び、このようなガルバニセル（１）を備える車両に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、１個のガルバニセルのためのハードシェルセルハウジング、このようなガルバニセル、その製造方法、及び、このようなガルバニセルが具備された車両に関する。
将来的に、例えば太陽光発電所又は風力発電所のような定置型の適用において、ハイブリッド車又は電気自動車のような車両のような移動型の適用において、さらに、例えばラップトップ及び携帯電話のような消費機器分野において、安全性、信頼性、性能、及び寿命に関する要求が非常に高いバッテリシステムが益々使用されるようになることは明らかである。
性能の重要なパラメータは、例えばキログラムあたりのワット時（Ｗｈ／ｋｇ）で示されるエネルギー密度である。ガルバニセルの容量は、所謂活物質又は電気化学的に活性の（ａｋｔｉｖ）物質によって決定される。この活物質の他に、ガルバニセルは、セパレータ、絶縁体、電極バインダ、及び、ハウジング要素又は包装要素のような所謂非活性の（ｐａｓｓｉｖ）物質を有し、これら非活性物質の重量は、活物質の重量と同様に、エネルギー密度に対して影響を及ぼす。
利用分野が広くなる運命にあるのは、特にリチウムイオンセルである。なぜならば、このリチウムイオンセルは、特に、活物質のエネルギー密度が高く、自己放電が非常に僅かな点で優れているからである。リチウムイオンセルは、正極（カソード）と、負極（アノード）と、を有する。その際に、リチウムイオンセルの負極（アノード）の活物質は、リチウムイオン（Ｌｉ＋）を可逆的に入れ（インタカレーション、Ｉｎｔｅｒｋａｌａｔｉｏｎ）又は再び出す（デインタカレーション、Ｄｅｉｎｔｅｒｋａｌａｔｉｏｎ）よう構成され、従って、インタカレーション物質（Ｉｎｔｅｒｋａｌａｔｉｏｎｓｍａｔｅｒｉａｌ）とも呼ばれる。従来のやり方では、黒鉛が負極側でインタカレーション物質として使用される。
更なる魅力的なバッテリシステムは、同じように正極（カソード）と負極（アノード）とを有する再充電可能な金属リチウムシステムであり、このリチウムシステムでは、負極（アノード）の活物質はリチウム挿入物質ではなく、金属リチウム又はリチウム合金である。
機械的な高い安定性を実現し、例えば車両における高い安全性要求を満たすために、このような適用のための金属リチウム負極を有するリチウムイオンセル及びリチウムセルは、従来のやり方では、純粋に金属製のハードシェルセルハウジング、即ち、所謂ハードケース（Ｈａｒｄｃａｓｅ）ハウジングによって、外界からの影響、特に、セル内部への湿気の侵入から保護される。現在では、このようなハードシェルセルハウジングは大抵、冷間深絞り加工法によって、アルミニウムで製造される。機械的な保護と並んで、金属製のハードシェルセルハウジングは、その中に収容されたセルの構成要素も湿気から保護する。なぜならば、金属のハウジング材料は、湿気又は蒸気の障壁として機能するからである。
本発明の主題は、１個のアルカリ金属セル、特にリチウムセルのためのハードシェルセルハウジングであって、
上記ハードシェルセルハウジングは、
‐１個のアルカリ金属セル、特にリチウムセルのセル構成要素を収容するための内部空間を有するハウジング基部本体と、
‐ハウジング基部本体の内部空間を密閉するハウジングカバーと、
を含み、
ハウジング基部本体は、少なくとも基本的に合成樹脂で形成され、少なくとも１つの防湿層を含む、上記ハードシェルセルハウジングである。
アルカリ金属セルは、特に、電気化学的な活物質として、例えば負極物質として、リチウム又はナトリウムのようなアルカリ金属を含むガルバニセルとして理解されうる。
アルカリ金属セルのセル構成要素とは、特に、負極、正極、電解質、及び／又は、電導度塩のようなアルカリ金属セルの電気化学的に活性の構成要素、及び、アルカリ金属セル内の電導体、電気絶縁体及び／又はセパレータのような電気的な構成要素として理解されうる。
防湿層とは、特に、水蒸気拡散抵抗が高い物質から成る層として理解されうる。好適に、防湿層の材料は、ハウジング基部本体又はハウジングカバーをそれで形成する合成樹脂よりも水蒸気拡散抵抗が高い。防湿層の材料の水蒸気拡散抵抗は、特に、ハウジング基部本体又はハウジングカバーをそれで形成する合成樹脂よりも明らかに高く、例えば、５よりも大きく又は５と等しい（≧５）係数（Ｆａｋｔｏｒ）の分だけ、例えば、１０よりも大きく又は１０と等しい（≧１０）の係数の分だけ、又は、５０よりも大きく又は５０と等しく（≧５０）若しくは９０よりも大きく又は９０と等しい（≧９０）の係数の分だけ、場合によっては、１０００よりも大きく又は１０００と等しい（≧１０００）の係数の分だけ高くてもよい。例えば、防湿層の材料は、１０．０００よりも大きく又は１０．０００と等しい（≧１０．０００）水蒸気拡散抵抗係数、特に、１００．０００よりも大きく又は１００．０００と等しい（≧１００．０００）水蒸気拡散抵抗係数、例えば、５００．０００よりも大きく又は５００．０００と等しい（≧５００．０００）水蒸気拡散抵抗係数、又は、９００．０００よりも大きく又は９００．０００と等しい（≧９００．０００）水蒸気拡散抵抗係数、又は、約１．０００．０００よりも大きく又は１．０００．０００と等しい（≧１．０００．０００）水蒸気拡散抵抗係数を有してもよい。
ハウジング基部本体が基本的に合成樹脂で形成され、従来のハードシェルセルハウジングの場合のように金属で形成されないことによって、有利に、ハウジングの重量、並びに、ハウジングの材料費及び製造費が明らかに削減されうる。重量の低減によって、有利に、セルレベルでの特定の重量エネルギーが明らかに改善され、特に移動型の適用において使用される際に特に有利である。
ハウジングカバーを形成するための材料の量は、ハウジング基部本体を形成するための材料の量よりも少ないため、ハウジングカバーの材料の重量は、ハウジング基部本体の材料の重量ほど、ハードシェルセルハウジングの重量に対して影響を与えない。従って基本的には、ハウジングカバーを金属で形成することが可能である。
しかしながら、一実施形態の枠組みにおいて、ハウジング基部本体も、ハウジングカバーも、少なくとも基本的に合成樹脂で形成され、ハウジング基部本体及びハウジングカバーは、少なくとも１つの防湿層を含む。
ハウジング基部本体と、例えば、ハウジングカバーと、が少なくとも基本的に合成樹脂で形成され、従来のハードシェルセルハウジングのように金属で形成されないことによって、有利に、ハウジングの重量、及び、ハウジングの材料費及び製造費が更に削減され、セルレベルでの特定の重量エネルギーが更に改善される。
さらに、合成樹脂は電気絶縁性を有し、金属とは異なって電導性を有さない。このことには、電気的絶縁が簡単であり、そうでなければ高電圧範囲内で発生する絶縁の問題が予防されるという利点がある。
ハウジング基部本体がハウジングカバーによって密閉可能であることによって、ハウジング基部本体内に収容されるセルは、有利に剥き出しの状態ではなく、外部に対して電気的に絶縁され、ハードシェルセルハウジングによって、外部からの機械的な力の影響に対して良好に保護されうる。さらに、ハウジングは基本的に合成樹脂で形成されるため、例えば事故の場合に、金属製のハウジングの破片がセル内に達して、場合によっては内部での短絡を引き起こしうるという危険性が下がる。従って、特に安全性が改善されうる。このことは、特に移動型の適用において、例えば車両内では有利である。
さらに、合成樹脂からハウジングを形成することによって、金属からハウジングを形成することに対して、ハウジングをより自由に成形するという利点がもたらされる。従って、例えば、捲回体（Ｗｉｃｋｅｌ）の形状へとハウジングをより良好に調整することが可能である。例えば、ハウジングの内部空間内では丸みが形成される可能性があり、この丸みを、例えば、セル構成要素の包装、特に捲回型の包装（Ｗｉｃｋｅｌｐａｃｋｕｎｇ）が理想的な角柱形状に調整する。さらに、ハウジング内でセル構成要素をより良好に機械的に保持することが達成され、セルの位置を保つための所謂保持装置が節約されうる。さらに、最適化されたハウジング構成によって、セル内部の空いた空間及び液体電解質が節約され、熱伝達が改善され、より均等な温度分布が達成され、ガルバニ要素の寿命が延長される。更に、合成樹脂でハウジングを形成することによって振動が低減され、これにより有利に、例えば端子及び／又はコレクタ（Ｋｏｌｌｅｋｔｏｒ）と、セルを接続する導体要素と、の間の電気接点の寿命に有利に影響が与えられる。
合成樹脂の（水）蒸気透過性は、合成樹脂の化学的、物理的性質に依存し、ハウジング構造に一般的な安価な合成樹脂によっては、アルカリ金属セル、特にリチウムイオンセルのための基準に当たる蒸気不透過性は、簡単には実現されえないことが判明している。しかしながら、幸いなことに、防湿層の使用がこの状況に抗するということも分かっている。なぜならば、防湿層によって、さもなければ蒸気透過性を有する合成樹脂を水蒸気が透過することによる湿気の侵入を防止することが可能であり、このようにして、アルカリ金属セル及び特にリチウムイオンセルのために適した湿気又は蒸気不透過性を実現することが可能だからである。驚くべきことに、防湿層は、従来使用される圧延されたアルミニウム箔のように、水分子をブロックすることが可能である。従って有利に、ハードシェルセルハウジングによって、塩水噴霧、凝縮水のような外界からの影響からの保護を保証することが可能である。さらに、防湿層によって、場合によっては、電解質溶媒分子の拡散を防止することが可能である。
従って、合成樹脂と防湿層との組み合わせによって、有利に、より重量が軽いハードシェルセルハウジングであって、従来の金属製のハードシェルセルハウジングと似たように又は従来の金属製のハードシェルセルハウジングと全く同様に機械的に安定しており蒸気をブロックすることが可能であり、アルカリ金属セル、例えばリチウムセルのような、特に湿度に敏感な構成要素を有するガルバニ要素のために適しており、ガルバニ要素のための従来の金属製のハウジングと置換可能な上記ハードシェルセルハウジングを提供することが可能である。
リチウムセルとは、特に、電気化学的に活性の物質、例えば負極材料、リチウムを含むアルカリ金属セルとして理解されうる。その際に、リチウムセルとは、酸化リチウムセルのような、金属リチウム負極を有するアルカリ金属セル、及び、リチウムイオンセルのような、リチウム挿入負極（ｌｉｔｈｉｕｍｉｎｔｅｒｋａｌｉｅｒｅｎｄｅ Ａｎｏｄｅ）を有するアルカリ金属セルとして理解されうる。
少なくとも基本的に合成樹脂で形成されるハウジング基部本体又はハウジングカバーとは、特に、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの、合成樹脂が占める材料体積（Ｍａｔｅｒｉａｌｖｏｌｕｍｅｎ）が、特に少なくとも、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの総材料体積の７５パーセントよりも大きいということとして理解されうる。例えば、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの、合成樹脂が占める材料体積は、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの総材料体積の９０パーセントよりも大きく又は９０パーセントと等しく（≧９０）てもよい。特に、少なくとも、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの支持部分は、合成樹脂で形成されてもよい。この他に、少なくとも基本的に合成樹脂で形成されるハウジング基部本体及びハウジングカバーは、他の材料から成る部分を有してもよい。例えば、ハウジング基部本体又はハウジングカバーは、電気的インタフェース、即ち、所謂外部端子、及び／又は、水圧インタフェース及び／又はインタフェース貫通部のような、合成樹脂をベースとしない湿気バリア層及び／又は金属製の構成要素を含む部分を有してもよい。ハウジング基部本体又はハウジングカバーの総材料体積に関して、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの、合成樹脂とは異なる材料で形成される部分は、例えば合計で、材料体積が７５％よりも小さく（＜７５％）、例えば１０％よりも小さく（＜１０％）てもよい。
ハウジング基部本体又はハウジングカバーが、合成樹脂のみで、又はほぼ合成樹脂のみで製造されるということが可能である。合成樹脂をベースとする防湿層を使用する場合には、ハウジング基部本体又はハウジングカバーを、例えば合成樹脂のみで形成することが可能である。防湿効果を実現するために少ない材料しか必要ではないため、例えば金属製の防湿層を使用する場合に、ハウジング基部本体又はハウジングカバーは例えば、当該ハウジング基部本体又はハウジングカバーが僅かな量の金属又は半金属を含む場合にも、ほぼ合成樹脂のみで形成されていると言える。
更なる別の実施形態の枠組みにおいて、アルカリ金属セルはリチウムイオンセルである。
リチウムイオンセルは、リチウムセルの特別な形態であり、金属リチウム負極ではなくて、リチウムイオンが可逆的その中に入り又はそこから再び出ることが可能な、所謂インタカレーション物質、例えば黒鉛から成る負極を有する。さらに、リチウムイオンセルは、当該リチウムイオンセルが、通常では湿気に極めて敏感な電導度塩、例えば、状況によってはその場で水からフッ化水素（ＨＦ）へと加水分解しうるヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を含むという点で、金属リチウム負極を有するリチウムセルと区別される。防湿層によって、有利に、特に水蒸気の形態により、合成樹脂を透過してハウジング内部へと湿気が侵入することと、フッ化水素へとリチウムイオンセルの電導度塩が加水分解することと、が防止されうる。
他の実施形態の枠組みにおいて、ハウジング基部本体の内部空間は、１個の捲回型セル（Ｚｅｌｌｗｉｃｋｅｌ）、特に、捲回型リチウムイオンセルを収容するよう設計される。
捲回型セル（英語では「ゼリーロール」（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ））とは、特に、アルカリ金属セルのセル構成要素の特別な構成、即ち捲回体の形状による（ｗｉｃｋｅｌｆｏｅｒｍｉｇ）構成として理解される。捲回型セルは、例えば、アルカリ金属セルの電気化学的に活性の構成要素の他に、導体膜のような電気的導体要素と、１つ以上の絶縁膜及び／又は１つ以上のセパレータ膜のような電気的絶縁要素と、を含む捲回体の形状による構成要素であってもよい。
他の実施形態の枠組みにおいて、防湿層は、ハウジング基部本体の（又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバー）の材料に直接的に塗布される。従って有利に、保持層又は接着層のような追加的な層を省略し、重量、コスト、及び必要な空間をさらに削減することが可能である。
他の実施形態の枠組みにおいて、防湿層は、金属層、有機層、高分子層、又はガラス層である。このような層によって、有利に、防湿効果を実現することが可能である。
防湿層は、例えば、１μｍより大きく又は１μｍと等しい（≧１μｍ）厚さから、２０μｍより小さく又は２０μｍと等しい（≦２０μｍ）厚さの層の厚さを有してもよい。
他の実施形態の枠組みにおいて、防湿層は、蒸着処理によって、スパッタリングによって、ガルバニックコーティングによって、噴霧処理によって、浸し塗りによって、及び／又は、圧延クラッド法によって、特に、蒸着処理によって、スパッタリングによって、ガルバニックコーティングによって、及び／又は、圧延クラッド法によって塗布される。この塗装技術は、防湿層の塗布のために有利であることが分かっている。その際に、防湿層は、或る処理工程において、ハウジング基部本体及びハウジングカバーに塗布されてもよい。場合によっては、防湿層の塗布の前に、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの土台、特に合成樹脂に、プラズマ処理又はコロナ処理を施してもよい。このようにして、有利に、土台への防湿層の付着を改善することが可能である。
他の実施形態の枠組みにおいて、防湿層は金属層である。特に、防湿層は、アルミニウム及び／又はクロム及び／又はシリコン及び／又は鉄を含んでもよい。特に、防湿層は、アルミニウム及び／又はクロム及び／又はシリコン及び／又は特殊鋼で形成されてもよい。金属製の防湿層は、例えば、蒸着処理によって、スパッタリングによって、ガルバニックコーティングによって塗布されてもよい。
場合によっては、金属製の防湿層は、ナノ構造を有する超疎水性の層であってもよい。その際に、超疎水性の性質は、特に、所謂ロータス効果と類似して、特にナノメートル範囲内での構造によって実現されうる。例えば、金属製の防湿層は、ナノ構造を有する少なくとも１つの半金属、特にナノ構造を有するシリコンを含んでもよい。特に、防湿層は、ナノ構造を有する少なくとも１つの半金属、例えばナノ構造を有するシリコンで構成されてもよい。
防湿層が金属層である限りにおいて、防湿層の少なくとも１つの部分、例えば内部空間に接する部分に、電気絶縁材料から成る絶縁層を塗布することが可能である。しかしながら、電気的絶縁は、他の措置によっても、例えば、後に解説する合成樹脂包装膜でのセル構成要素の包装によっても得ることが可能である。
しかしながら、防湿層は有機層であってもよい。特に、防湿層はパリレンを含んでもよく、又はパリレンで形成されてもよい。
特に、防湿層は高分子層であってもよい。例えば、防湿層は、パリレン、及び／又は、ナノ構造を有する少なくとも１つのポリオレフィンを含んでもよく、又は、パリレン、及び／又は、ナノ構造を有する少なくとも１つのポリオレフィンで形成されてもよい。
有機的又は高分子的な防湿層は、例えば、噴霧処理又は浸し塗りによって、特に噴霧処理によって塗布されてもよい。
特に、有機的又は高分子的な防湿層は、ナノ構造を有する超疎水性の層であってもよい。その際に、超疎水性の性質は、特に、所謂ロータス効果と類似して、特にナノメートル範囲内での構造によって実現されうる。例えば、金属製の防湿層は、ナノ構造を有する少なくとも１つのポリオレフィン、特に、ナノ構造を有するポリプロピレン（ＰＰ）及び／又はポリエチレン（ＰＥ）を含んでもよい。特に、防湿層は、ナノ構造を有する少なくとも１つのポリオレフィン、例えば、ナノ構造を有するポリプロピレン（ＰＰ）及び／又はポリエチレン（ＰＥ）で形成されてもよい。
しかしながら、防湿層はガラス層であってもよい。例えば、防湿層は、二酸化ケイ素を含んでもよい。
特に、防湿層は、ナノ構造を有する少なくとも１つのポリオレフィン、例えば、ナノ構造を有するポリプロピレン（ＰＰ）及び／又はポリエチレン（ＰＥ）、及び／又はナノ構造を有する少なくとも１つの半金属、例えば、ナノ構造を有するシリコンで形成されてよい。
超疎水性の材料には、当該超疎水性の材料が、有機カーボネート及び／又はリチウム電導度塩のような電気化学的に活性のセル構成要素と直接接触しているとしても、化学的及び電気化学的に、長期に渡って安定しうるという利点がある。特に良好な結果が、有利に、ナノ構造を有するポリプロピレン（ＰＰ）を用いて得られた。
他の実施形態の枠組みにおいて、少なくとも、ハウジング基部本体の、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの、ハウジングが閉じた状態で外側に存在する面が、特に基本的に完全に、防湿層によって覆われる。
他の実施形態の枠組みにおいて、少なくとも、ハウジング基部本体の、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの、ハウジングが閉じた状態で内側に存在する面が、特に基本的に完全に、防湿層によって覆われる。内側に存在する防湿層の利用には、既に解説した利点の他に、特に、以下で詳細に解説されるハウジング基部本体の内部空間が分離壁によって区画に分けられるハードシェルセルハウジングの実施形態において、モジュールのセルが故障した場合に当該モジュールの他のセルをより良好に保護出来るという利点がある。
他の実施形態の枠組みにおいて、防湿層は、ハウジング基部本体、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの合成樹脂に組み込まれる。その際に特に、防湿層は、ハウジングが閉じた状態で、防湿層がハウジングの内部空間を基本的に完全に包む（ｕｍｇｅｂｅｎ）ように、ハウジング基部本体又はハウジングカバーの合成樹脂に組み込まれる。
他の実施形態の枠組みにおいて、ハウジング基部本体、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーは少なくとも基本的に、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される少なくとも１つの重合体を含む合成樹脂で形成される。例えば、ハウジング基部本体及びハウジングカバーは、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン‐ポリエチレン共重合体（ＰＰ／ＰＥ）、又は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で形成されてよい。これら合成樹脂は、有利に、十分な温度安定性と、良好な耐化学薬品性と、良好な機械的安定性と、を有する。
ハウジング基部本体又はハウジングカバーは、壁の厚さが、例えば、１００μｍよりも薄く（＞１００μｍ）てもよい。
ハウジング基部本体、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーは、例えば、熱成形処理又は射出成形処理によって、特に射出成形処理によって、特に合成樹脂で製造されてもよい。合成樹脂のためにこれらの処理を利用することによって、例えば車両内にバッテリをより最適に収容することを可能とする多くの形状を実現することが可能である。
他の実施形態の枠組みにおいて、ハウジング基部本体及びハウジングカバーは、ハウジングの密閉時にさねはぎ接合を形成するよう構成された接合要素を有する。特に、さねはぎ接合を形成するための接合要素は、ハウジング基部本体の内部空間の開口部に沿って、特にその周りを完全に回って又は隙間なく延びている。従って、有利に、ハードシェルセルハウジングの気密な閉鎖と、ハウジングの密閉時の良好な密閉効果と、が得られる。特に、ハウジング基部本体の、ハウジング基部本体の内部空間の開口部を画定する壁の表面に、少なくとも１つの凹状及び／又は凸状の接合要素を形成することが可能であり、その際特にハウジングカバーは、これに対応する、さねはぎ接合を形成するための接合要素を有する。
本実施形態の枠組みにおいて密閉効果をさらに改善するために、好適に、さねはぎ接合を形成するための接合要素も、部分的又は完全に防湿層によって覆われ、又は、当該接合要素に組み込まれた防湿層が設けられる。特に、ハウジングの密閉時又はさねはぎ接合の形成時に、接合要素を覆う防湿層は互いに接触可能であってもよく、例えば互いに押圧可能であってもよい。従って有利に、湿気の侵入を特に効果的に予防し、湿気又は蒸気不透過性をさらに向上させることが可能である。
従って、他の実施形態の枠組みにおいて、はねはぎ接合を形成するための接合要素は、部分的又は完全に防湿層によって覆われ、又は、当該接合要素に組み込まれた防湿層が設けられる。防湿特性を有さない絶縁層が設けられる限りにおいて、防湿層は、好適に、さねはぎ接合を形成するための接合要素の領域内では、絶縁層によって覆われない。
さらに、ハードシェルセルハウジングは温度調整装置を有してもよい。温度調整装置は、例えば板状に、例えば冷却板の形態により成形されてもよい。温度調整装置に温度調整媒体、特に冷却媒体を供給するために、ハードシェルセルハウジングはさらに、少なくとも２つの、特に外部からアクセス可能な水圧インタフェース（ｈｙｄｒａｕｌｉｓｃｈｅ Ｓｃｈｎｉｔｔｓｔｅｌｌｅ）を有してもよい。
さらに、ハードシェルセルハウジングは、少なくとも２つの、特に外部からアクセス可能な電気インタフェース（端子）を有してもよく、この少なくとも２つの、特に外部からアクセス可能な電気インタフェースを介して、ハウジング内部のアルカリ金属セルを電気的に接触させることが可能である。
本発明に係るハードシェルセルの更なる別の実施形態及び利点に関しては、本発明に係るガルバニ要素、本発明に係る方法、及び図面と関連する解説を参照されたい。
本発明の更なる別の主題は、本発明に係るハードシェルセルハウジングを備えたガルバニセルである。その際に特に、ハードシェルセルハウジングのハウジング基部本体の内部空間内に、１個のアルカリ金属セルのセル構成要素が配置されてもよい。その際に例えば、ハウジング基部本体の内部空間には、１個の捲回型（リチウムイオン）セルが配置されてもよい。
アルカリ金属セルは、特にリチウムセルであってもよい。特に、アルカリ金属セルは、リチウムイオンセルであってもよい。一構成の枠組みにおいて、ハウジング基部本体の内部空間内には、１個の捲回型セル、捲回型リチウムイオンセルが配置される。
リチウムイオンセルとして構成されたアルカリ金属セルは、特に、リチウムイオンが可逆的にその中に入り又はそこから出ることが可能なインタカレーション物質から成る負極を含んでもよい。例えば、リチウムイオンセルの負極は、黒鉛、グラフェン、炭素ナノチューブ、硬質炭素、軟質炭素、及び／又は、カーボン・シリコン混和物のような炭素をベースとするインタカレーション物質を含んでもよい。正極物質として、リチウムイオンセルは、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）及び／又はニッケルコバルトマンガン酸リチウム（ＮＣＭ）のような、層構造を有する遷移金属酸化物を含んでもよい。さらに、リチウムイオンセルは、特に、少なくとも１つの電導度塩、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）及び／又はホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、及び場合によっては、少なくとも１つの溶媒、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）及び／又は炭酸ジメチル（ＤＭＣ）を含んでもよい。負極と正極との間に、リチウムイオンセルは、特にセパレータを含むことが可能である。負極と正極とを電気的に接触させるために、リチウムイオンセルは、特に電気的な導体膜を含んでもよい。負極側の導体膜は、例えば銅で形成されてもよく、正極側の導体膜は、アルミニウムで形成されてもよい。
一実施形態の枠組みにおいて、アルカリ金属セルのセル構成要素、特に捲回型リチウムイオンセルは合成樹脂包装膜で包装される。アルカリ金属セルのこのように合成樹脂包装膜で包装されたセル構成要素、特に、このように合成樹脂包装膜で包装された捲回型（リチウムイオン）セルは、その後ハウジング基部本体内に配置されてもよい。
合成樹脂包装膜によって、セル構成要素、特に捲回型セルを、特に更なる処理工程を設けることなく、電気的に絶縁させることが可能である。合成樹脂包装膜によって電気的絶縁が保証されるため、合成樹脂包装膜は他の電気的構成要素と接触してもよく、その際に、短絡が起きることはない。従って、特に、隣接する金属製の防湿層に関して電気的絶縁が保証されうる。
さらに、合成樹脂包装膜によって、セルが正しく機能するために有利でありうる定められた圧力を、セル構成要素、特に捲回型セルに対して加えることが可能である。
合成樹脂包装膜で包装されたセル構成要素が、ハードシェルセルハウジングのハウジング基部本体の、ハウジングカバーにより閉鎖可能な内部空間内に配置され、及び、セルが従来の剥き出しのモジュール構造形態により構成されないことによって、有利に、機械的な影響からの保護が保証され、車両のような移動型の適用においては特に有利である。
以上、本実施形態によって、有利に、金属製のハウジングを設けずに、重量、並びに、材料費及び製造費をさらに最小に抑えることが可能である。
特別な構成の枠組みにおいて、合成樹脂包装膜は、少なくとも１つの極性変性された、特にグラフト化されたポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン、例えば、マレイン酸グラフトポリプロピレンを含む。特に、合成樹脂包装膜は、少なくとも１つの極性変性された、特にグラフト化されたポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン、例えば、マレイン酸グラフトポリプロピレンで形成されてもよい。
極性変性されたポリオレフィンは、有利に、金属への極めて高い付着性を有しうる。従って有利に、合成樹脂包装膜と、導体ピン、例えば銅、アルミニウム、又はニッケルから成る所謂コレクタのような金属製の導体要素と、の間の良好な密閉効果が得られる。
特に捲回型セルのセル構成要素は、例えば合成樹脂包装膜で密閉されてもよい。
合成樹脂包装膜は、有利に薄く形成することが可能であり、例えば、膜の厚さは、２０μｍよりも大きく又は２０μｍと等しい（≧２０μｍ）厚さから、１００μｍよりも小さく又は１００μｍ（≦１００μｍ）と等しい厚さであってもよい。
合成樹脂包装膜も同様に、少なくとも１つの防湿層を有してもよい。この少なくとも１つの防湿層は、特に、本発明に係るハードシェルセルハウジングとの関連で解説された形態の防湿層であってもよい。防湿層は、包装膜の合成樹脂に組み込まれてもよく、及び／又は、包装膜の外側及び／又は内側を覆ってもよい。合成樹脂包装膜が金属製の防湿層を有する限りにおいて、合成樹脂包装膜は、包装膜の、例えば内側に存在する１つ以上の絶縁層又は合成樹脂膜層によって、セル構成要素又は他の電導要素から電気的に絶縁されうる。
内部空間内に配置されたアルカリ金属セルの電気的な接触は、特に、特に外部からアクセス可能な、少なくとも２つの電気的インタフェース（端子）を介して行なうことが可能である。
本発明に係るガルバニ要素の更なる別の実施形態及び利点に関しては、本発明に係るハードシェルセルハウジング、本発明に係る方法、及び図面と関連する解説を参照されたい。
本発明の更なる別の主題は、本発明に係るガルバニセルを製造する方法であって、
上記方法は、以下の処理工程を含み、即ち、
ａ）１個のアルカリ金属セルのセル構成要素を収容するための内部空間を有する、合成樹脂製のハウジング基部本体と、場合によっては、ハウジング基部本体の内部空間を密閉するための、合成樹脂製のハウジングカバーと、を準備／形成する工程と、
ｂ）１個のアルカリ金属セルのセル構成要素、特に捲回型（リチウムイオン）セルをセルハウジング基部本体の内部空間へと入れる工程と、
ｃ）ハウジングカバーによってハウジング基部本体の内部空間を密閉し、特に気密に密閉する工程と、
を含み、
処理工程ａ）において、及び／又は、処理工程ｃ）の後に続く処理工程ｄ）において、ハウジング基部本体の合成樹脂、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの合成樹脂に、例えば、本発明に係る方法の枠組みにおいて解説された塗装技術によって、少なくとも１つの防湿層が付けられ又は被せられ、及び／又は、
処理工程ａ）において、少なくとも１つの防湿層が、ハウジング基部本体の合成樹脂、又は、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの合成樹脂に組み込まれる、上記方法である。
処理工程ｃ）とｄ）との間に、本方法は、特に溶接によって、例えばプラズマ溶接によって、ハウジングカバーとハウジング基部本体とを素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇｅｓ Ｖｅｒｂｉｎｄｅｎ）する工程ｃ１）を含んでもよい。その際に、例えば周回する溶接継ぎ目の形態により、連続的な、特に隙間無く及び／又は周回する素材結合領域が創出されうる。従って有利に、蒸気不透過性がさらに改善されうる。さらに、後続の工程ｄ）において、素材結合領域にも、有利に、少なくとも１つの防湿層を被せることが可能である。
ハウジング基部本体及びハウジングカバーの合成樹脂への防湿層の付着を改善するために、防湿層の塗布の前に、ハウジング基部本体及びハウジングカバーの合成樹脂の表面にプラズマ処理及び／又はコロナ処理を施すことは有利でありうる。
一構成の枠組みにおいて、処理工程ｂ）で、そのセル構成要素、特に捲回型セルが合成樹脂包装膜で包装されたアルカリ金属セルが、ハウジング基部本体の内部空間内へと入れられる。
一構成の枠組みにおいて、セル構成要素、特に捲回型セルの包装は、アルカリ金属セルのセル構成要素、特に捲回型セルが合成樹脂包装膜で被覆され、続いてその開口部が例えば溶接によって密封されることにより行われる。特に、アルカリ金属セルのセル構成要素、特に捲回型セルが、袋状に成形された合成樹脂膜に入れられ、続いてその開口部が例えば溶接により密閉される。
アルカリ金属セルのセル構成要素の電気的接触のために、アルカリ金属セルは、特に電気的導体要素を含んでもよい。この電気的導体要素は、例えば、導体膜、導体ピン（コレクタ）、導体ケーブル、導体板の形態により構成されてもよい。
捲回型セルの場合、例えば、２つの電気的な導体ピン（コレクタ）が、当該２つの電気的な導体ピンが導体膜のうちの各１つ（正極又は負極の導体膜）と電気的に接触する位置で、捲回型セルに挿入されることによって、コイルに組み込まれた電気導体膜を電気的に接触させることが可能である。導体ピン（コレクタ）は、特に、それと接触する導体膜と同じ材料で形成されてもよい。例えば、アルミニウム製の正極の導体膜は、アルミニウム製の導体ピン（コレクタ）と電気的に接触してもよく、銅製の負極の導体膜は、銅製の導体ピン（コレクタ）と電気的に接触してもよい。その際に、導体ピン（コレクタ）の挿入方向は、例えば、コイルの軸に対して平行であってもよい。
導体ピン（コレクタ）の挿入は、基本的に、合成樹脂包装膜でのアルカリ金属セルのセル構成要素、特に捲回型セルの包装の前にも、当該包装の後にも行うことが可能である。
本発明の更なる別の主題は、本発明に係る方法に従って製造されるガルバニセルである。
本発明の更なる別の主題は、本発明に係る少なくとも１つのガルバニセルを備える移動型又は定置型システム、例えば車両である。
本発明に係る方法、当該方法を用いて製造されるガルバニセル、及び、本発明に係る移動型又は定置型システムの更なる別の実施形態及び利点は、本発明に係るハードシェルセルハウジング、本発明に係るガルバニセル、本発明に係る方法、及び図面と関連する解説を参照されたい。
本発明に係る主題の更なる利点及び有利な構成が図面によって解説され、以下の明細書の記載において解説される。その際に、図面は単に記述しているにすぎず、本発明を何らかの形態に制限することは意図されていないことに注意されたい。
本発明に係るハードシェルセルハウジング、及び、１個のガルバニセルのため又は１個のガルバニセルを有するガルバニ要素の一実施形態の概略的な斜視図を示す。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 図１で示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する概略図である。 ハウジングを気密に密閉するために、ハウジング基部本体とハウジングカバーとに、さねはぎ接合を形成するための接合要素が具備された本発明に係るハードシェルセルハウジングの一実施形態の概略的な横断面を示す。
図１は、外界の影響から１個のガルバニセルのセル構成要素を保護するハードシェルセルハウジングを有するガルバニ要素１を示している。ガルバニセルは、特に、リチウムイオンセルであってもよい。その際に、ガルバニセルのセル構成要素は、特に、捲回型セルの形態により形成されてもよい。
図１は、ハードシェルセルハウジングが、ガルバニセルのセル構成要素を収容するための内部空間（図示せず）を有するハウジング基部本体２と、ハウジング基部本体２の内部空間を密閉するハウジングカバー３と、を有することを示している。その際に、ハウジング基部本体２とハウジングカバー３とは、基本的に合成樹脂で形成される。その際に、ハウジング基部本体２及びハウジングカバー３の、図示されるようにハウジングが閉じた状態で外側に存在する面は、防湿層４によって、基本的に完全に覆われており、この防湿層４は、ハウジング基部本体２の内部空間にセル構成要素を入れた後、ハウジング基部本体２の内部空間をハウジングカバー３で密閉した後で、ハウジング基部本体２及びハウジングカバー３の合成樹脂に塗装技術によって塗布されたものである。その際、ハウジング基部本体２及びハウジングカバー３の、ハウジングを閉じた状態で外側に存在する面を基本的に完全に覆うということは、他の構成要素によって、例えば電気的インタフェース（端子）５、６を機械的に固定するための平座金５ａ、５ｂによって塗布の際に既に覆われているハウジング基部本体２及びハウジングカバー３の表面部分は塗装されないままでありうるということとして理解されうる。この場合にも、湿気の侵入からの保護が保証されうる。なぜならば、一方では、上記表面部分を覆う構成要素が防湿効果を有している可能性があり、他方では、上記表面部分を覆う構成要素は、それ自体に防湿効果が無くても、後に行われる噴霧処理によって同様に防湿層４が設けられ、防湿効果が備えられうるからである。ハウジング基部本体２とハウジングカバー３との間の継ぎ目箇所、及び、安全弁７は防湿層４の下に存在するため点線で示されている。
図２ａ〜図６は、図１に示されたハードシェルセルハウジング又はガルバニ要素を製造するよう構成された本発明に係る方法の一実施形態を解説する。
図２ａは、下の底縁に対して直交する巻き付け方向を有する捲回型セル３０、例えば、捲回型リチウムイオンセルが準備されること、及び、銅製の負極側の導体膜３１も、正極側の導体膜３２も、外部から接触可能であることを示している。捲回型セル３０は、電気的絶縁物質から成る膜３３によって、ばらばらにならないよう保たれている。
図２ｂ及び図２ｃは、図２ａに示された捲回型セル３０の負極側の導体膜３１と正極側の導体膜３２とを電気的に接触させるための導体要素の形成又は構成の可能性を示している。その際に、図２ｂは、導体要素を個別の状態で示し、図２ｃは、導体要素を組み立てた状態で示している。導体要素５、６は、一方では、ハウジングの外での電気的接触のための電気的インタフェース（端子）として、他方では、ハウジング内部で導体膜３１、３２を電気的に接触させるための導体ピン（コレクタ、Ｋｏｌｌｅｋｔｏｒ）として形成される。その際に、導体要素５、６は、それぞれが接触する導体膜３１、３２と同じ材料で形成される。図２ｂ及び図２ｃは、導体要素５、６がそれぞれ、ハウジングカバー３の開口部を通って案内されうることを示している。ハウジングカバーが金属、例えばアルミニウムで形成される場合については、導体要素５、６をハウジングカバーから電気的に絶縁させるために、絶縁要素３６、３７が設けられる。ハウジングカバーが合成樹脂で形成される場合には、有利に、絶縁要素３６、３７を省略することが可能であり、このことによって、重量、材料費及び組立費が更に削減される。図２ｂ及び図２ｃはさらに、導体要素５、６が、固定要素３４、３５によって機械的にハウジングカバー３と結合されることを示している。示される実施形態の枠組みにおいて、機械的な固定はねじ結合によって行われ、その際に、導体要素５、６には雄ねじが付けられ、これに対応する雌ねじ及び場合によっては平座金３５と協働する。
図３は、図２ｂ及び図２ｃで示された導体要素が、カバー３が取り付けられた状態で、導体要素５が負極側の導体膜に電気的に接触し他の導体要素６が正極側の導体膜に電気的に接触するように、図２ａに示された捲回型セル３０に挿入されうることを示している。
図４は、捲回型セル３０が完全に入った後でハウジングカバー３がハウジング基部本体２の内部空間を密閉するように、図３で示された構成がハウジング基部本体２の内部空間内へと入れられることを示している。
図５は、ハードシェルセルハウジングが閉鎖された後で、ハウジング基部本体２及びハウジングカバー３の外側の面、及び、接合箇所、及び、場合によってはこれらに隣接する構成要素（例えば平座金３５）に、ここでは図解する理由から噴霧技術として示される塗装技術によって、防湿層４が付けられることを示している。
例えば図６で示される、ハウジング基部本体２とハウジングカバー３とが噛み合う構成では、ハウジング基部本体２の内部空間が、既に、２つのハウジング構成要素を結合することによって気密に密閉されうる。しかしながら、ハウジング基部本体２とハウジングカバー３とを、例えばプラズマ溶接によって互いに溶接し、又は接着させることも同様に可能である。
図６は、ハードシェルセルハウジングの更なる別の実施形態を含んでおり、ここでは、ハウジングを気密に密閉するために、ハウジング基部本体２とハウジングカバー３に、さねはぎ接合を形成するための接合要素Ｚが備えられている。その際に、接合要素Ｚは、好適に、ハウジング基部本体２の内部空間の開口部の輪郭に沿った形状を有する。その際に、接合要素Ｚも同様に少なくとも部分的に防湿層４によって、差込み接合の形成時にハウジング基部本体２の接合要素Ｚの防湿層４とハウジングカバー３の接合要素Ｚの防湿層４とが隣接するように、覆われる。従って、有利に、特に良好な密閉効果が実現されうる。

Claims (15)

  1. １個のアルカリ金属セル（１）のためのハードシェルセルハウジングであって、
    ‐１個のアルカリ金属セルの前記セル構成要素（３０）を収容するための内部空間を有するハウジング基部本体（２）と、
    ‐前記ハウジング基部本体（２）の前記内部空間を密閉するハウジングカバー（３）と、
    を含み、
    前記ハウジング基部本体（２）は、少なくとも基本的に合成樹脂で形成され、少なくとも１つの防湿層（４）を含む、ハードシェルセルハウジング。
  2. 前記アルカリ金属セルは、リチウムイオンセルである、請求項１に記載のハードシェルセルハウジング。
  3. 前記ハウジング基部本体（２）の前記内部空間は、１個の捲回型セル（３０）を収容するよう設計される、請求項１又は２に記載のハードシェルセルハウジング。
  4. 前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）は、少なくとも基本的に合成樹脂で構成され、
    前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）は、少なくとも１つの防湿層（４）を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  5. 前記ハウジング基部本体（２）、又は、前記ハウジング基部本体及び前記ハウジングカバー（３）は少なくとも基本的に、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される少なくとも１つの重合体を含む合成樹脂で形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のハードシェルハウジング。
  6. 前記防湿層は、前記ハウジング基部本体（２）の材料、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の材料に直接的に塗布される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  7. 少なくとも、前記ハウジング基部本体（２）の、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の、前記ハウジングが閉じた状態で内側に存在する面が、防湿層（４）によって覆われ、及び／又は、
    少なくとも、前記ハウジング基部本体（２）の、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の、前記ハウジングが閉じた状態で外側に存在する面が、防湿層（４）によって覆われ、及び／又は、
    前記防湿層（４）は、前記ハウジング基部本体（２）、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の前記合成樹脂に組み込まれ、前記防湿層（４）は、前記ハウジングが閉じた状態で前記防湿層（４）が前記ハウジング内部空間を基本的に完全に包むように、前記ハウジング基部本体（２）、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の合成樹脂に組み込まれる、前記請求項１〜６のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  8. 前記防湿層は、金属層、有機層、高分子層、又はガラス層である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  9. 前記防湿層は、蒸着処理によって、スパッタリングによって、ガルバニックコーティングによって又は噴霧処理によって又は浸し塗りによって、特に、蒸着処理によって、スパッタリングによって、又は、ガルバニックコーティングによって塗布される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  10. 前記防湿層は金属層であり、特に、前記防湿層は、アルミニウム及び／又はクロム及び／又はシリコンを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  11. 前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）は、前記ハウジングの密閉時にさねはぎ接合を形成するよう構成された接合要素（Ｚ）を有し、
    特に、前記さねはぎ接合を形成するための前記接合要素（Ｚ）は、前記ハウジング基部本体（２）の前記内部空間の開口部の周りを回り、
    特に、前記さねはぎ接合を形成するための前記接合要素（Ｚ）は、前記防湿層（４）で覆われ、又は、前記接合要素（Ｚ）に組み込まれた防湿層（４）が設けられる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジング。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のハードシェルセルハウジングを備えたガルバニセルであって、前記ハードシェルセルハウジングの前記ハウジング基部本体（２）の内部空間には、１個のアルカリ金属セルの前記セル構成要素（３０）、特に１個の捲回型（リチウムイオン）セルが配置される、ガルバニセル。
  13. 前記アルカリ金属セルの前記セル構成要素（３０）、特に前記捲回型リチウムイオンセルは、合成樹脂包装膜で包装される、請求項１２に記載のガルバニ要素。
  14. 前記合成樹脂包装膜は、少なくとも１つの極性変性された、特にグラフト化されたポリオレフィン、特に、マレイン酸グラフトポリプロピレンを含む、請求項１３に記載のガルバニ要素。
  15. 請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のガルバニセルを製造する方法であって、
    前記方法は、以下の処理工程を含み、即ち、
    ａ）１個のアルカリ金属セルの前記セル構成要素（３０）を収容するための内部空間を有する、合成樹脂製のハウジング基部本体（２）と、場合によっては、前記ハウジング基部本体（１３）の前記内部空間を密閉するための、合成樹脂製のハウジングカバー（３）と、を準備する工程と、
    ｂ）１個のアルカリ金属セルの前記セル構成要素（３０）、特に捲回型（リチウムイオン）セルを前記セルハウジング基部本体（２）の前記内部空間へと入れる工程と、
    ｃ）前記ハウジングカバー（３）によって前記ハウジング基部本体（２）の前記内部空間を密閉し、特に気密に密閉する工程と、
    を含み、
    処理工程ａ）において、及び／又は、処理工程ｃ）の後に続く処理工程ｄ）において、前記ハウジング基部本体（２）の前記合成樹脂、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の前記合成樹脂に、少なくとも１つの防湿層（４）が付けられ、及び／又は、
    処理工程ａ）において、少なくとも１つの防湿層（４）が、前記ハウジング基部本体（２）の前記合成樹脂、又は、前記ハウジング基部本体（２）及び前記ハウジングカバー（３）の前記合成樹脂に組み込まれる、方法。
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