JP2020525987A - 電池セル - Google Patents

Abstract

本発明は、電極ユニット（１０）が配置されたセルケーシング（３）を備える電池セル（２）、特にリチウムイオン電池であって、電極ユニット（１０）が、負端子（１１）に電気的に接続されたアノード（２１）と、正端子（１２）に電気的に接続されたカソード（２２）とを有し、セルケーシングが、負端子（１１）を形成する第１のケーシング部分（６１）と、正端子（１２）を形成する第２のケーシング部分（６２）とを有する電池セル（２）に関する。第１のケーシング部分（６１）が、銅からなる第１層（８１）と、アルミニウムからなる第２層（８２）とを含むハイブリッド材料により作製されている。

Description

本発明は、電池セルであって、電極ユニットが配置されたセルケーシングを備え、電極ユニットが、負端子に電気的に接続されたアノードと、正端子に電気的に接続されたカソードとを有し、セルケーシングが、負端子を形成する第１のケーシング部分と、正端子を形成する第２のケーシング部分とを有する電池セルに関する。

電気エネルギーは、電池によって貯蔵することができる。電池は、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する。ここでは、一次電池と二次電池とを区別する。一次電池は一度しか機能しないが、蓄電池とも呼ばれる二次電池は再充電可能である。いわゆる「リチウムイオン電池」は、特に蓄電池で使用される。これらは、とりわけ、高いエネルギー密度、熱安定性、および極めて低い自己放電によって傑出している。

リチウムイオン電池は、カソードとも呼ばれる正電極と、アノードとも呼ばれる負電極とを有する。カソードおよびアノードはそれぞれ電流導体を含み、これらの電流導体には活物質が塗布されている。電池セルの電極はフィルム状に形成されており、アノードをカソードから分離するセパレータを介在させて、電極コイルに巻かれるか、または複数の電極層を有する電極スタックに積み重ねられる。電極およびセパレータは、通常は液体電解質によって取り囲まれている。

さらに電池セルは、例えばアルミニウムからなるセルケーシングを有する。電極ユニットは、セルケーシング内に配置されている。セルケーシングは、例えば、角柱状、特に直方体状、または円柱状に構成されている。他の構成のセルケーシングも知られている。

電極ユニットの２つの電極は、端子とも呼ばれる電池セルの極に電気的に接続されている。電池セルの端子はセルケーシングに取り付けることができ、セルケーシングから電気的に絶縁することができる。しかしながら、セルケーシングが、負端子を形成する第１のケーシング部分と、正端子を形成する第２のケーシング部分とを有し、２つのケーシング部分が互いに電気的に絶縁されていることも可能である。

独国特許出願公開第１０２０１１０７６９１９号明細書により、金属ケーシング内に配置された電極ユニットを有する一般的な電池セルが知られている。ケーシングは、絶縁素子によって互いに電気的に絶縁された２つのケーシング部分を含む。電極ユニットのアノードおよびカソードは、２つのケーシング部分のうちのそれぞれ１つに電気的に接続される。したがって、２つのケーシング部分は電池セルの端子を形成する。

米国特許出願公開第２０１４／００１１０７４号明細書により、特に直列に接続された接続素子によって相互接続されたリチウムイオン電池が知られている。電池セルは、電極ユニットが配置された角柱状のそれぞれ１つのセルケーシングを有する。正端子は、角柱状のセルケーシングの蓋と一体的に形成されている。複合材料により作製された負端子は、電池ケーシングの蓋の開口を通って突出している。複合材料は、例えば、銅からなる層、アルミニウムからなる層、およびこれらの層の間にニッケルからなる層を含む。

米国特許出願公開第２０１５／００８６８６７号明細書により、電極ユニットが配置された角柱状のセルケーシングを有するリチウムイオン電池が知られている。正端子および負端子は、それぞれ、セルケーシングの蓋の開口部を通って突出している。負端子は、例えば銅からなる層とアルミニウムからなる層とを含む複合材料を含む。

独国特許出願公開第１０２０１１０７６９１９号明細書 米国特許出願公開第２０１４／００１１０７４号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００８６８６７号明細書

電極ユニットが配置された電池ケーシングを備える電池セル、特にリチウムイオン電池が提案される。この場合、電極ユニットは、負端子に電気的に接続されたアノードと、正端子に電気的に接続されたカソードとを有する。セルケーシングは、第１のケーシング部分と第２のケーシング部分とを有する。第１のケーシング部分は負端子を形成し、第２のケーシング部分は正端子を形成する。

本発明によれば、セルケーシングの第１のケーシング部分は、銅からなる第１層とアルミニウムからなる第２層とを含むハイブリッド材料により作製されている。銅からなる第１層とアルミニウムからなる第２層とは、特に導電的に互いに接続されている。したがって、電流は、銅からなる第１層から、アルミニウムからなる第２層へ流れることができ、反対方向にも流れることができる。

好ましくは、第１のケーシング部分のハイブリッド材料は、ちょうど２つの層、すなわち銅からなる第１層とアルミニウムからなる第２層とを含む。したがって、第１のケーシング部分のハイブリッド材料は、好ましくは第３の層を含まない。

この場合、銅からなるハイブリッド材料の第１層は、アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層に直接に隣接することが好ましい。
したがって、特に、第１層と第２層との間に中間層は設けられていない。

本発明の好ましい実施形態によれば、電極ユニットのアノードは、銅からなるハイブリッド材料の第１層に接続されている。例えば、電極ユニットのアノードと、銅からなるハイブリッド材料の第１層とは、素材の接着により（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）互いに結合され、特に溶接されている。有利には、この場合、アノードは、銅からなる電流導体を有し、この電流導体は、銅からなるハイブリッド材料の第１層に、素材の接着により結合され、特に溶接される。したがって、同様の材料を溶接することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、セルケーシングの第１のケーシング部分は、銅からなるハイブリッド材料の第１層が電極ユニットに向いており、アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層が電極ユニットに向いていないように配置される。これは、銅からなるハイブリッド材料の第１層がセルケーシングの内部に向いており、アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層が外側を向いていることを意味する。

好ましくは、セルケーシングの第２のケーシング部分はアルミニウムにより作製されている。特に、セルケーシングの第２のケーシング部分はアルミニウムからなり、したがって、さらなる材料を有していない。例えば、この場合、電極ユニットのカソードと、アルミニウムからなるセルケーシングの第２のケーシング部分とは、互いに素材の接着により結合され、特に溶接されている。有利には、カソードはアルミニウムからなる電流導体を有し、この電流導体は、アルミニウムからなるセルケーシングの第２のケーシング部分に素材の接着により結合され、特に溶接されている。したがって、同様の材料を溶接することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、２つのケーシング部分、ひいては２つの端子も互いに電気的に絶縁する絶縁要素が設けられている。同時に、絶縁要素は、例えば、電解質が電池ケーシングの内部から漏れ出ることができず、湿気が電池ケーシングの内部に入り込むことができないように、電池ケーシングの内部を外部に対して封止する。

特に有利には、電極ユニットは絶縁要素内に保持されている。したがって、絶縁要素は、もう１つの別の機能を果たす。

セルケーシングの第１のケーシング部分およびセルケーシングの第２のケーシング部分も形状に基づいた嵌合により絶縁要素内に保持されている。したがって、絶縁要素は、もう１つの別の機能を果たす。

本発明による電池セルは、有利には、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、特に家庭でのネットワーク安定化のための定置の電池、船舶用途、例えば造船またはジェットスキーにおける電池、または航空用途、特に航空機建造における電池に使用される。他の用途も考えられる。

発明の利点
本発明による電池セルは、単純化された堅牢な設計を有する。有利には、必要とされる構成要素の数も低減されている。有利には、電極と端子との間の電気抵抗が低減されている。これにより、例えば、高速放電装置を電池セルに組み込むことが可能になる。特に、絶縁要素がいくつかの機能を果たすので、セルケーシング内のスペースが節約される。一方では、絶縁要素は、極性の異なる電極、コネクタ要素、およびケーシング部分を互いに電気的に絶縁する役割を果たす。他方では、絶縁要素は、コネクタ要素およびケーシング部品を形状に基づいた嵌合により収容し、保持する役割も果たす。さらに、絶縁部材は、従来のリテーナと同様に、セルケーシング内に電極ユニットを位置決めする役割を果たす。さらに、単純化された方法で、電池モジュール内にいくつかの電池セルを組み込むことが可能である。このような電池モジュール内の全ての電池セルは、アルミニウムからなる端子のみを有する。したがって、これらの端子は、例えば溶接によって比較的容易に互いに結合されている。

以下に図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

電池セルを示す概略断面図である。 図１の電池セルのセルケーシングを示す斜視断面図である。

本発明の実施形態の以下の説明では、同一または類似の要素は、同一の符号を付し、これらの要素については個々の場合に繰り返し説明しない。図面は、本発明の主題を概略的にのみ示す。

図１は、電池セル２の概略断面図を示す。電池セル２は、導電性を有するように構成されたセルケーシング３を備える。セルケーシング３は、周方向の絶縁要素８０によって互いに電気的に絶縁されている第１ケーシング部分６１と第２ケーシング部分６２とを有する。第１ケーシング部分６１は負端子１１を形成し、第２ケーシング部分６２は正端子１２を形成する。電池セル２によって供給される電圧は、端子１１、１２を介して測定することができる。さらに、電池セル２は、端子１１、１２を介して充電することもできる。

この場合、第１のケーシング部分６１は２つの金属材料層を含むハイブリッド材料により作製されている。この場合、第２のケーシング部分６２はアルミニウムにより作製されている。したがって、２つのケーシング部分６１、６２は導電性である。

電池セル２のセルケーシング３の内部には、２つの電極、すなわちアノード２１およびカソード２２を有する電極ユニット１０が配置されている。この場合、電極ユニット１０は電極コイルとして形成されており、アノード２１およびカソード２２はそれぞれフィルム状に構成されており、セパレータ１８を介して電極コイルに巻かれている。電極ユニット１０が電極スタックとして構成されていることも可能であり、この場合にはアノード２１の層とカソード２２の層とが、セパレータ１８のそれぞれ１層を挟んで上下に積層されている。

この場合、電池セル２のセルケーシング３の内部には、液体電解質が設けられている。アノード２１、カソード２２およびセパレータ１８を有する電池セル２の電極ユニット１０は、液体電解質によって取り囲まれている。

アノード２１は、フィルム状に構成されたアノード活物質４１を含む。アノード２１はさらに、フィルム状に構成された電流導体３１を含む。アノード２１のアノード活物質４１と電流導体３１とは、互いに平坦に重ね合わされ、互いに接続されている。したがって、アノード２１もフィルム状に形成されている。

カソード２２は、フィルム状に構成されたカソード活物質４２を含む。カソード２２はさらに、フィルム状に構成された電流導体３２を含む。カソード２２のカソード活物質４２と電流導体３２とは、互いに平坦に重ね合わされ、互いに接続されている。したがって、カソード２２もフィルム状に形成されている。

アノード２１の電流導体３１は、導電性を有するように構成されており、金属、例えば銅からなる。アノード２１の電流導体３１からはアノード接触ラグが突出しており、負のコネクタ要素５１に電気的に接続されている。負のコネクタ要素５１は、第１ケーシング部６１に電気的に接続されている。これにより、アノード２１は、負のコネクタ要素５１を介して電池セル２の負極端子１１に電気的に接続されている。あるいは、アノード接触ラグは、第１のケーシング部分６１に直接に接続することもできる。この場合、負のコネクタ要素５１は必要とされない。

カソード２２の電流導体３２は導電性を有するように構成されており、金属、例えばアルミニウムにより作製されている。カソード２２の電流導体３２からは、カソード接触ラグが突出し、正のコネクタ要素５２に電気的に接続されている。正のコネクタ要素５２は、第２のケーシング部分６２に電気的に接続されている。したがって、カソード２２は、正のコネクタ要素５２を介して電流セル２の正端子１２に電気的に接続される。あるいは、カソード接触ラグは、第２のケーシング部分６２に直接に接続することもできる。この場合、正のコネクタ要素５２は必要とされない。

図２は、図１の電池セル２のセルケーシング３の斜視断面図を示す。セルケーシング３の内側に配置された電池セル２の電極ユニット１０は図示されていない。

負端子１１を形成する第１ケーシング部分６１と正端子１２を形成する第２ケーシング部分６２とは、周方向の絶縁要素８０によって互いに電気的に絶縁されている。絶縁要素８０は、電池ケーシング３の内部を外部に対して封止する役割をも果たし、したがって、特に、電解質が電池ケーシング３の内部から漏れ出ることができず、湿気が電池ケーシング３の内部に浸入することもできない。

セルケーシング３の第１のケーシング部分６１およびセルケーシング３の第２のケーシング部分６２は、形状に基づいた嵌合により（ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）絶縁要素８０内に保持される。この場合、絶縁要素８０は、第１のケーシング部分６１および第２のケーシング部分６２に接着される。

図３は、図１の電池セル２の一部の断面図を示す。電池ケーシング３の内部に配置された電池セル２の電極ユニット１０は絶縁要素８０に隣接しており、形状に基づいた嵌合により絶縁要素８０内に保持されている。

第１ケーシング部分６１は、銅からなる第１層８１とアルミニウムからなる第２層８２とを有するハイブリッド材料により作製されている。銅からなるハイブリッド材料の第１層８１は、アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層８２に隣接している。

セルケーシング３の第１のケーシング部分６１は、銅からなるハイブリッド材料の第１層８１が電極ユニット１０に向いているように配置されている。アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層８２は、電極ユニット１０とは反対側を向いている。したがって、銅からなるハイブリッド材料の第１層８１は、電池ケーシング３の内部に向いている。アルミニウムからなるハイブリッド材料の第２層８２は外側を向いており、したがって、内側の電極ユニット１０に向いていない。

電極ユニット１０のアノード２１は、銅からなるハイブリッド材料の内側に位置する第１層８１に接続されている。電極ユニット１０のアノード２１と、銅からなるハイブリッド材料の内側に向いた第１層８１とは、素材の接着により互いに結合され、特に溶接されている。

本発明は、本明細書に記載された例示的な実施形態およびこれらで強調された態様に限定されない。むしろ、特許請求の範囲によって特定される範囲内で、専門家が取り扱う枠組み内にある多数の変化形が可能である。

Claims (10)

1. 電極ユニット（１０）が配置されたセルケーシング（３）を備える電池セル（２）、特にリチウムイオン電池であって、
   電極ユニット（１０）が、負端子（１１）に電気的に接続されたアノード（２１）と、正端子（１２）に電気的に接続されたカソード（２２）とを有し、
   セルケーシング（３）が、負端子（１１）を形成する第１のケーシング部分（６１）と、正端子（１２）を形成する第２のケーシング部分（６２）とを有する電池セル（２）において、
   第１のケーシング部分（６１）が、銅からなる第１層（８１）と、アルミニウムからなる第２層（８２）とを含むハイブリッド材料により作製されていることを特徴とする電池セル（２）。
2. 請求項１に記載の電池セル（２）において、
   前記第１のケーシング部分（６１）の前記ハイブリッド材料が、ちょうど２つの層、すなわち銅からなる前記第１層（８１）とアルミニウムからなる前記第２層（８２）とを含む電池セル（２）。
3. 請求項１または２に記載の電池セル（２）において、
   前記第１層（８１）が、前記第２層（８２）に直接に隣接する電池セル（２）。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池セル（２）において、
   前記アノード（２１）が、前記第１層（８１）に接続されている電池セル（２）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池（２）において、
   前記１層（８１）が前記電極ユニット（１０）に向いており、前記第２層（８２）が前記電極ユニット（１０）に向いていないように、前記第１のケーシング部分（６１）を配置した電池セル（２）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池（２）において、
   前記第２のケーシング部分（６２）がアルミニウムにより作製されている電池セル（２）。
7. 請求項１に記載の電池（２）において、
   前記ケーシング部分（６１、６２）を互いに電気的に絶縁する絶縁要素（８０）が設けられている電池セル（２）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池（２）において、
   前記電極ユニット（１０）が、形状に基づいた嵌合により前記絶縁要素（８０）内に保持されている電池セル（２）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電池（２）において、
   前記第１のケーシング部分（６１）および前記第２のケーシング部分（６２）が、形状に基づいた嵌合により前記絶縁要素（８０）内に保持されている電池セル（２）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の電池セル（２）の使用法において、
    電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、定置の電池、海洋用途の電池、または航空用途の電池に使用する使用法。

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