WO2008125257A1 - Batteriezelle und verfahren zur ihrer herstellung - Google Patents

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WO2008125257A1
WO2008125257A1 PCT/EP2008/002794 EP2008002794W WO2008125257A1 WO 2008125257 A1 WO2008125257 A1 WO 2008125257A1 EP 2008002794 W EP2008002794 W EP 2008002794W WO 2008125257 A1 WO2008125257 A1 WO 2008125257A1
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winding
electrode
cell
battery
cross
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PCT/EP2008/002794
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Inventor
Jens Meintschel
Dirk Schröter
Wolfgang Warthmann
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Daimler Ag
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
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    • H01M10/0587—Construction or manufacture of accumulators having only wound construction elements, i.e. wound positive electrodes, wound negative electrodes and wound separators
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/34—Gastight accumulators
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to cells of an electrochemical storage.
  • Electrochemical storage devices are galvanic elements such as accumulators and batteries, which are collectively referred to as batteries.
  • a galvanic element for example a cell of a lithium-ion battery or nickel-metal hydride battery, usually consists of a container with two electrodes of different chemical substances. A separator isolates the negative from the positive electrode, so that no short circuit can occur.
  • the separator is impregnated with an electrically conductive liquid, the electrolyte.
  • the most common electrolytes are alkalis, inorganic acids or salt solutions.
  • Batteries for portable batteries are usually manufactured in winding technology.
  • the active masses are applied to thin metal conductor foils (Cu for negative, Al for positive electrode) and rolled together with a slightly wider separator tape into a cylindrical (round cell) or flat (prismatic cell) winding. This winding is pushed into a corresponding housing.
  • the amount of electrolyte just wets the active masses. An excess is avoided so that the cell can be operated independently of position.
  • the cells are hermetically sealed. The most common round cells are produced in winding technology.
  • the positive and the negative electrode are - separated by the separator - superposed in strips and wound up.
  • Thin electrodes allow a particularly large surface area.
  • the cell is characterized essentially by its voltage and its capacity. The voltage is fixed by the selected electrode materials, the capacity by the amount of active material (the electrodes).
  • the invention particularly relates to battery cells of a lithium-ion battery or nickel-metal hydride battery, in particular a vehicle battery, in particular a battery for a vehicle with hybrid drive or a fuel cell vehicle, in particular a high-voltage battery
  • the geometric shape of battery cells determines the installation space as an essential factor in battery systems.
  • the installed active mass is decisive for the performance of a battery cell.
  • Main known types are round and prismatic cells. Round cells have a disadvantage over prismatic cells due to the geometry in cell packs or cell assemblies, namely a lower space utilization, but the advantage of a uniform winding and thus the avoidance of kinks in the electrode band. Furthermore, the cooling of round cells is more demanding due to the packing density of the electrodes than with flat prismatic cells.
  • Wound electrodes or methods for winding electrodes are known from the following documents: DE 100 64 477 B4, DE 601 04 862 T2, DE 601 04 890 T2, DE 601 06 480 T2, DE 694 04 291 T2, EP 0 827 222 A2, EP 1 265 306 A1 and WO 01/76002 Al.
  • the invention has for its object to provide battery cells and a corresponding method for their preparation, which allow a high packing density of the cells in a cell assembly or cell block and / or allow internal cooling and / or by the forming less stressed electrodes.
  • An inventive method for producing a battery cell in winding construction in particular a cell of a lithium-ion battery or nickel-metal hydride battery, with a wound around a longitudinal axis of the cell electrode winding of an electrode tape, thus has the peculiarity that the electrode winding by winding of the electrode strip around a dimensionally stable, extending in the direction of the longitudinal axis of the winding core is applied to the winding core and then the electrode winding is converted into a different cross-sectional shape with a pressing from the outside in a radial direction oriented transversely to the longitudinal axis direction on the electrode coil molding press.
  • a battery cell according to the invention in winding construction in particular a cell of a lithium-ion battery or nickel-metal hydride battery, with a wound around a longitudinal axis of the cell electrode winding of an electrode tape, thus has the special feature that it has an electrode winding, by winding of the electrode tape is applied to the winding core around a dimensionally stable winding core extending in the direction of the longitudinal axis and subsequently converted into a different cross-sectional shape with a molding press pressing on the electrode winding from the outside in a radial direction oriented transversely to the longitudinal axis.
  • an electrode winding is applied to a dimensionally stable winding core (core, winding mandrel, winding rod, winding tube) which has a suitable cross section.
  • the cross section of the winding core may be described by a circular, linear or free-form curve (e.g., circular cylinder, square, hexagon, ellipse, etc.).
  • the winding core may be hollow and e.g. serve as a sheath for a liquid or gaseous cooling medium, or solid to serve as a heat conductor for cooling the cell.
  • the finished cell wrap is therefore pressed to the desired shape, which on the one hand increases the packing density by utilizing settling phenomena and on the other hand, a pack optimal shape (eg square or triangular shape), with the transformed cells under very high packing density
  • a pack optimal shape eg square or triangular shape
  • Optimal space utilization can be arranged in a cell network.
  • the resulting rounded corner areas can be accompanied in the housing by an increased accumulation of material to improve the thermal conductivity.
  • a square shape or even a triangle shape can be package-optimized.
  • the winding core provides a minimum winding radius (to protect the electrode / separator material) and offers Protection against buckling of the cells in very slim constructions (together with the cell housing).
  • the cells are also designed as very dimensionally stable components, including z. B. at internal pressure increase.
  • the winding core can serve as a cooling element.
  • Fig. 1 is a plan view and a cross section of a cell with a rectangular winding core and an electrode winding with the same winding distance and increasing in the corners winding radius.
  • FIG. 2 is a perspective view of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section to FIG. 1.
  • Fig. 4 is a plan view and a cross section of a cell with a rectangular winding core and an electrode winding with variable winding spacing and in the corners same winding radius.
  • FIG. 5 is a perspective view of FIG .. 4
  • FIG. 6 is a longitudinal section of FIG .. 4
  • Fig. 7 is a plan view and a cross section of a cell with a triangular winding core and a
  • Electrode winding with variable winding distance and in the corners same winding radius are Electrode winding with variable winding distance and in the corners same winding radius.
  • FIG. 8 is a perspective view of Fig. 7.
  • FIG. 9 is a longitudinal section to Fig. 7.
  • FIG. 11 shows the electrode winding of FIG. 10 after the forming into a square shape.
  • FIG. 12 shows a cell combination with round cells according to the prior art according to FIG. 10.
  • FIG. 13 shows a cell composite with reshaped cells according to FIG. 11.
  • FIGS. 1 to 13 explain exemplary embodiments and production methods for cells 1 according to the invention.
  • Fig. 1 shows a plan view and a cross section of a cell 1 with a rectangular winding core 2, on which an electrode winding 3 is wound from an electrode tape.
  • the winding core 2 is dimensionally stable and extends in the direction of the longitudinal axis of the cell 1.
  • the winding core 2 has a substantially square cross section with rounded outer corners. It may be formed solid, for example, to serve to dissipate heat from the cell 1, or as shown in Fig. 1 be hollow, for example, to pass a coolant.
  • the electrode winding 3 After winding on the winding core 2, the electrode winding 3 has been formed in a different cross-sectional shape with a molding press pressing on the electrode winding 3 in a radial direction transverse to the longitudinal axis of the cell 1 and subsequently inserted into the cell housing 4.
  • the cell housing 4 has a material reinforcement for dissipating heat from the cell 1, for example to its bottom and a cooling plate arranged there, which correspond in function to the cooling rods known from the prior art.
  • the electrode coil 3 was formed into a cross-sectional shape substantially equal to one square with the molding press, and advantageously has rounded outer corners to prevent kinks in the wound-up electrode tape.
  • the electrode coil 3 can be formed with the molding press in another cross-sectional shape, for example in a circular, linear or free-form curve, in particular a circle, a polygon such as a triangle, square or hexagon or an ellipse.
  • the winding core 2 can also be removed from the cell 1 in some embodiments.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the winding core 2 of Fig. 1, which is wound with the same winding distance and in the corners increasing winding radius.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the cell 1 of FIG. 1, including the cell bottom 6 and the connection terminals 7.
  • FIG. 4 shows a modification to Fig. 1, wherein the electrode winding 3 is wound with variable winding spacing and in the corners of the same winding radius.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the electrode winding 3 of FIG. 4 and
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a cell 1 according to FIG. 4.
  • Fig. 7 shows a modification to Fig. 4, wherein the electrode winding 3 is wound on a hollow winding core 2 having a substantially triangular cross-section and rounded corners. The electrode coil 3 was then pressed into a triangular shape and the cell case 4 also has a triangular cross-section.
  • FIG. 10 shows a round electrode winding 3 on a square, dimensionally stable, solid winding core 2, in the upper half without molding press and in the lower half with still open pressing tool 8 a molding press, ie before forming.
  • Fig. 11 of the formed by the molding press or the pressing tool 8 electrode winding 3 is shown in the upper and without in the lower half with pressing tool 8.
  • the electrode roll 3 with the molding press is shaped into a cross-sectional shape that corresponds in its contour to the cross-sectional shape of the winding core 2.
  • both the winding core 2 and the deformed electrode winding have a square or substantially square shape.
  • the electrode winding 3 is formed with the molding press in a cross-sectional shape, which is aligned according to the cross section of the winding core 2.
  • Figures 12 and 13 illustrate the advantage of cells 1 according to the invention over cells of the prior art. They each show an equally large space cutout 9 of a battery that is filled with a cell composite.
  • the construction space cutout 9 is filled with unconverted cells 1 according to the prior art and in FIG. 13 with the same, but according to the invention transformed cells 1. It can be seen that a considerably higher packing density of the cell wraps 3 can be achieved with the invention. This also applies to other than the illustrated square cross sections of the cell winding 3, for example, for triangular or other regular polygons. Daimler AG

Abstract

Die Erfindung betrifft in Wickelbauweise hergestellte Batteriezellen (1). Um eine erhöhte Packungsdichte in einem Zellverbund erzielen zu können, wird vorgeschlagen, den auf einen formstabilen Wickelkern (2) aufgewickelten Elektrodenwickel (3) mittels einer Formpresse in eine andere Querschnittsform umzuformen.

Description

Batteriezelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Zellen eines elektrochemischen Speichers. Elektrochemische Speicher sind galvanische Elemente wie Akkumulatoren und Batterien, die im folgenden zusammengefasst als Batterien bezeichnet werden. Ein galvanisches Element, beispielsweise eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, besteht in der Regel aus einem Behälter mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen chemischen Substanzen. Ein Separator isoliert die negative von der positiven Elektrode, damit kein Kurzschluss entstehen kann.
Damit eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wird der Separator mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, getränkt. Als Elektrolyten werden meist Laugen, anorganische Säuren oder Salzlösungen eingesetzt. Zellen für Gerätebatterien werden in der Regel in Wickeltechnik hergestellt. Dabei werden die aktiven Massen auf dünnen metallischen Ableiterfolien (Cu für negative, Al für positive Elektrode) aufgebracht und zusammen mit einem etwas breiteren Separator-Band zu einem zylindrischen (Rundzelle) oder flachen (prismatische Zelle) Wickel aufgerollt. Dieser Wickel wird in ein entsprechendes Gehäuse geschoben. Die Elektrolytmenge benetzt gerade die aktiven Massen. Ein Überschuss wird vermieden, damit die Zelle lageunabhängig betrieben werden kann. Die Zellen werden hermetisch abgedichtet. Die meisten verbreiteten Rundzellen werden in Wickeltechnik hergestellt. Die positive und die negative Elektrode werden - getrennt durch den Separator - in Streifen übereinander gelegt und aufgewickelt. Dünne Elektroden ermöglichen eine besonders große Oberfläche. Die Zelle ist im Wesentlichen durch ihre Spannung und durch ihre Kapazität gekennzeichnet. Die Spannung wird durch die gewählten Elektrodenmaterialien fest vorgegeben, die Kapazität durch die Menge der aktiven Masse (der Elektroden) .
Die Erfindung betrifft insbesondere Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere einer Hochvolt- Batterie
Die geometrische Form von Batteriezellen bestimmt als ein wesentlicher Faktor den Bauraum bei Batteriesystemen. Für die Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle ist die installierte aktive Masse mitbestimmend. Hauptsächliche bekannte Bauformen sind runde und prismatische Zellen. Rundzellen haben auf Grund der Geometrie bei Zellpackungen oder Zellverbünden einen Nachteil gegenüber prismatischen Zellen, nämlich eine geringere Raumausnutzung, aber den Vorteil einer gleichmäßigen Wicklung und somit der Vermeidung von Knickstellen in dem Elektrodenband. Weiterhin ist die Kühlung von Rundzellen auf Grund der Packungsdichte der Elektroden anspruchsvoller als bei flachen prismatischen Zellen.
Aus der Fertigung prismatischer Zellen ist das Umformen von gewickelten Elektroden bekannt. Dabei wird ein Elektrodenwickel erstellt, der dann unter Verformung in eine flache prismatische Form gedrückt wird. Dabei entstehen an den Knickstellen durch die kleinen Krümmungsradien hohe Materialbeanspruchungen, die zum Zerstören bzw. frühzeitigen Altern der Zelle führen. Beim Aufbau von Systemen, Zellverbünden oder Batterien aus mehreren Zellen ergibt sich deshalb ein deutliches Auseinanderdriften der Zeil-Performance. Sie werden deshalb fast ausschließlich in Ein- oder Wenig-Zellen-Anwendungen eingesetzt .
Gewickelte Elektroden oder Verfahren zum Wickeln von Elektroden sind aus folgenden Dokumenten bekannt: DE 100 64 477 B4, DE 601 04 862 T2, DE 601 04 890 T2, DE 601 06 480 T2, DE 694 04 291 T2, EP 0 827 222 A2, EP 1 265 306 Al und WO 01/76002 Al.
Es ist keine konstruktive Lösung einer Zelle mit hoher Packungsdichte und/oder der Möglichkeit einer Innenkühlung und/oder einer durch Umformung wenig beanspruchten Elektrode bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Batteriezellen und ein entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die eine hohe Packungsdichte der Zellen in einem Zellverbund oder Zellblock ermöglichen und/oder eine Innenkühlung gestatten und/oder durch das Umformen wenig beanspruchte Elektroden aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. eine Batteriezelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid- Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband, weist also die Besonderheit auf, dass der Elektrodenwickel durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht und anschließend der Elektrodenwickel mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierter Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt wird.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband, weist also die Besonderheit auf, dass sie einen Elektrodenwickel aufweist, der durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht ist und anschließend mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt worden ist.
Bei der Erfindung ergibt sich eine verbesserte Bauraumausnutzung durch Formpressung von gewickelten Elektroden mit einem formstabilen Wickelkern. Auf Grund der geometrischen Form können auf formstabilen Wickelkernen basierende Zellen stabiler ausgelegt werden, mit geringerer Formänderung bei Innendruck-Erhöhung. Zusätzlich ist im Inneren der Zelle eine Kühlung über den Wickelkern möglich.
Erfindungsgemäß wird auf einen formstabilen Wickelkern (Kern, Wickeldorn, Wickelstab, Wickelrohr) , der einen geeigneten Querschnitt hat, ein Elektrodenwickel aufgebracht. Der Querschnitt des Wickelkerns kann beispielsweise durch eine Kreis-, lineare oder Freiform- Kurve beschrieben werden (z.B. Kreiszylinder, Quadrat, Sechseck, Ellipse, etc.). Der Wickelkern kann hohl sein und z.B. als Umhüllung für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium dienen, oder massiv sein, um als Wärmeleiter zum Kühlen der Zelle zu dienen.
Ein reines Wickeln auf einen formgebenden Zellkern führt zu keiner wesentlichen Erhöhung der Packungsdichte, da die durch die Zunahme des Radius an den Ecken die Wickelform sich immer weiter einem Kreiszylinder annähert. Dabei geht im Inneren Bauraum durch den eckigen Wickel verloren.
Der fertig gestellte Zellwickel wird daher auf die gewünschte Form verpresst, was zum einen die Packungsdichte durch Ausnutzung von Setzungserscheinungen erhöht und zum anderen eine packungs-optimale Form (z.B. Quadrat- oder Dreieckform) ergibt, mit der sich die umgeformten Zellen in sehr hoher Packungsdichte unter optimaler Raumausnutzung in einem Zellverbund anordnen lassen. Die dabei entstehenden gerundeten Eckenbereiche können im Gehäuse von einer verstärkten Materialanhäufung zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit begleitet werden. So kann z.B. eine Quadratform oder auch eine Dreieckform Package-optimiert sein. Der Wickelkern gibt einen minimalen Wickelradius (zum Schutz des Elektroden-/Separatormaterials) vor und bietet Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken Konstruktionen (zusammen mit dem Zellgehäuse).
Durch die Beibehaltung eines Wickelkerns wird neben der Vorgabe eines minimalen Wickelradius (zum Schutz des Elektrodenmaterials) auch ein hoher Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken Konstruktionen in Zusammenhang mit dem Zeltgehäuse gewährleitstet .
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- Eine ungünstige Bauraumausnutzung durch zylindrische Zellform und die dabei entstehenden Zwischenräume werden vermieden und eine höhere Packungsdichte erreicht.
- Eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums bzw. eine kompakte Bauweise eines Zellverbunds bzw. einer Batterie wird ermöglicht.
- Die Zellen sind weiterhin als sehr formstabile Bauelemente ausgeführt, auch z. B. bei Innendruck-Erhöhung.
- Der Wickelkern kann als Kühlelement dienen.
- Kritische Biegeradien an den Zellelektroden werden durch den formstabilen Wickelkern vermieden.
- Eine höhere Packungsdichte des aktiven Materials in der Zelle (bessere Bauraumausnutzung) .
- Batteriesysteme können durch dicht beeinanderliegende Zellen kompakter gebaut werden.
- Die Möglichkeit zur Ausnutzung von Eckbereichen mit Materialanhäufung zur Wärmeabfuhr.
- Es ergeben sich sehr stabile Zellen, die in Crashkonzepte von Fahrzeugen (Abstützungsfunktion) eingebunden werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern und einem Elektrodenwickel mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius.
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 1.
Fig. 3 einen Längsschnitt zu Fig. 1.
Fig. 4 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern und einem Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius.
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 4.
Fig. 6 einen Längsschnitt zu Fig. 4.
Fig. 7 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit dreieckigem Wickelkern und einem
Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius.
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 7.
Fig. 9 einen Längsschnitt zu Fig. 7.
Fig. 10 einen runden Elektrodenwickel vor dem Umformen.
Fig. 11 den Elektrodenwickel von Fig. 10 nach dem Umformen in eine quadratische Form.
Fig. 12 einen Zellverbund mit runden Zellen nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 10.
Fig. 13 einen Zellverbund mit umgeformten Zellen gemäß Fig. 11.
Die Fig. 1 bis 13 erläutern Ausführungsbeispiele und Fertigungsverfahren für erfindungsgemäße Zellen 1. Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle 1 mit rechteckigem Wickelkern 2, auf den ein Elektrodenwickel 3 aus einem Elektrodenband aufgewickelt ist. Der Wickelkern 2 ist formstabil und erstreckt sich in Richtung der Längsachse der Zelle 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Wickelkern 2 im Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Außenecken. Er kann massiv ausgebildet sein, um beispielsweise zum Ableiten von Wärme aus der Zelle 1 zu dienen, oder wie in Fig. 1 dargestellt hohl sein, beispielsweise um ein Kühlmittel durchzuleiten.
Der Elektrodenwickel 3 ist nach dem Wickeln auf den Wickelkern 2 mit einer von außen, in radialer, quer zur Längsachse der Zelle 1 orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel 3 pressenden Formpresse in einer anderen Querschnittsform umgeformt worden und wurde danach in das Zellgehäuse 4 eingesetzt. In den Eckbereichen 5 weist das Zellgehäuse 4 eine Materialverstärkung zum Wärmeabführen von der Zelle 1, beispielsweise zu ihrem Boden und einer dort angeordneten Kühlplatte, auf, die in ihrer Funktion den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlstäben entsprechen.
Der Elektrodenwickel 3 wurde mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt, die im wesentlichen einem Quadrat entspricht und weist vorteilhafterweise abgerundete Außenecken auf, um Knickstellen in dem aufgewickelten Elektrodenband zu vermeiden. In anderen Ausführungsformen kann der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse auch in eine andere Querschnittsform umgeformt werden, beispielsweise in eine Kreis-, lineare oder Freiform-Kurve, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder eine Ellipse. Nach dem Umformen des Elektrodenwickels 3 kann der Wickelkern 2 in manchen Ausführungsformen auch aus der Zelle 1 entfernt werden.
Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wickelkerns 2 von Fig. 1, der mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius gewickelt ist. Die Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Zelle 1 von Fig. 1 einschließlich des Zellbodens 6 und der Anschlussterminals 7.
Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 1, wobei der Elektrodenwickel 3 mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius gewickelt ist. Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Elektrodenwickels 3 von Fig. 4 und die Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Zelle 1 gemäß Fig. 4.
Die Fig. 7 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 4, wobei der Elektrodenwickel 3 auf einen hohlen Wickelkern 2 mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt und abgerundeten Ecken aufgewickelt ist. Der Elektrodenwickel 3 wurde anschließend in eine dreieckige Form verpresst und das Zellgehäuse 4 hat ebenfalls einen dreieckigen Querschnitt.
Die Fig. 10 zeigt einen runden Elektrodenwickel 3 auf einem quadratischen, formstabilen, massiven Wickelkern 2, in der oberen Hälfte ohne Formpresse und in der unteren Hälfte mit noch geöffnetem Presswerkzeug 8 einer Formpresse, d.h. vor dem Umformen. In Fig. 11 ist der durch die Formpresse bzw. das Presswerkzeug 8 umgeformte Elektrodenwickel 3 dargestellt, in der oberen ohne und in der unteren Hälfte mit Presswerkzeug 8. Um eine möglichst geringer Belastung der Elektrodenbahnen des Elektrodenwickels 3 beim Umformen zu erzielen, ist vorteilhafterweise wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt vorgesehen, dass der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die hinsichtlich ihrer Kontur der Querschnittsform des Wickelkerns 2 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben sowohl der Wickelkern 2 als auch der umgeformte Elektrodenwickel eine quadratische oder im Wesentlichen quadratische Form. Aus dem gleichen Grund ist es auch vorteilhaft, wenn der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die entsprechend zu dem Querschnitt des Wickelkerns 2 ausgerichtet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 11 bedeutet dies, dass die Ecken des quadratischen Querschnitts des Wickelkerns 2 zu den Ecken des quadratischen Querschnitts des umgeformten Elektrodenwickels 3 ausgerichtet sind bzw. dass die Diagonalen des quadratischen Querschnitts des Wickelkerns 2 mit den Diagonalen des quadratischen Querschnitts des umgeformten Elektrodenwickels 3 zusammenfallen.
Die Figuren 12 und 13 veranschaulichen den Vorteil erfindungsgemäßer Zellen 1 gegenüber Zellen nach dem Stand der Technik. Sie zeigen jeweils einen gleich großen Bauraumausschnitt 9 einer Batterie, der mit einem Zellverbund ausgefüllt ist. In Fig. 12 ist der Bauraumausschnitt 9 mit nicht umgeformten Zellen 1 nach dem Stand der Technik und in Fig. 13 mit denselben, aber erfindungsgemäß umgeformten Zellen 1 gefüllt. Man erkennt, dass mit der Erfindung eine erheblich höhere Packungsdichte der Zellwickel 3 erzielt werden kann. Dies gilt entsprechend auch für andere als die dargestellten quadratischen Querschnitte der Zellwickel 3, beispielsweise für dreieckige oder andere regelmäßige Vielecke. Daimler AG
Bezugszeichenliste
1 Zelle
2 Wickelkern
3 Elektrodenwickel
4 Zellgehäuse
5 Eckbereich
6 Zellboden
7 Anschlussterminal
8 Presswerkzeug
9 Bauraumausschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle (1) in Wickelbauweise, insbesondere einer Zelle (1) einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle (1) gewickelten Elektrodenwickel (3) aus einem Elektrodenband, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern (2) auf den Wickelkern (2) aufgebracht und anschließend der Elektrodenwickel (3) mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierter Richtung auf den Elektrodenwickel (3) pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wickelkern (2) mit einem Querschnitt verwendet wird, der im wesentlichen einer Kreis-, linearen oder Freiform- Kurve entspricht, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder einer Ellipse.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wickelkern (2) verwendet wird, dessen Außenecken abgerundet sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein massiver Wickelkern (2) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Wickelkern (2) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die im wesentlichen einer Kreis-, linearen oder Freiform-Kurve entspricht, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder einer Ellipse.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit der Formpresse in eine Querschnittsform mit abgerundeten Außenecken umgeformt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die hinsichtlich ihrer Kontur der Querschnittsform des Wickelkerns (2) entspricht .
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die entsprechend zu dem Querschnitt des Wickelkerns (2) ausgerichtet ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius gewickelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenwickel (3) mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius gewickelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern (2) nach dem Umformen aus der Zelle (1) entfernt wird.
13. Batteriezelle (1) in Wickelbauweise, insbesondere eine Zelle (1) einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel- Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle (1) gewickelten Elektrodenwickel (3) aus einem Elektrodenband, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche hergestellt ist.
14. Batteriezelle (1) in Wickelbauweise, insbesondere eine Zelle (1) einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel- Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle (1) gewickelten Elektrodenwickel (3) aus einem Elektrodenband, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrodenwickel (3) aufweist, der durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern (2) auf den Wickelkern (2) aufgebracht ist und anschließend mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel (3) pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt worden ist.
15. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wickelkern (2) mit einem Querschnitt aufweist, der im wesentlichen einer Kreis-, linearen oder Freiform- Kurve entspricht, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder einer Ellipse.
16. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wickelkern (2) mit abgerundeten Außenecken aufweist .
17. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen massiven Wickelkern (2) aufweist.
18. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohlen Wickelkern (2) aufweist.
19. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Formpresse umgeformte Elektrodenwickel (3) eine Querschnittsform aufweist, die im wesentlichen einer Kreis-, linearen oder Freiform-Kurve entspricht, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder einer Ellipse.
20. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Formpresse umgeformte Elektrodenwickel (3) eine Querschnittsform mit abgerundeten Außenecken aufweist .
21. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrodenwickel (3) aufweist, der mittels einer Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt ist, die hinsichtlich ihrer Kontur der Querschnittsform des Wickelkerns entspricht.
22. Batteriezelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrodenwickel (3) aufweist, der mittels einer Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt ist, die entsprechend zu dem Querschnitt des Wickelkerns (2) ausgerichtet ist.
23. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrodenwickel (3) aufweist, der mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius gewickelt ist.
24. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektrodenwickel (3) aufweist, der mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius gewickelt ist.
25. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern (2) nach dem Umformen aus der Zelle (1) entfernt ist.
26. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie in den Eckbereichen eine Materialverstärkung (5) zum Wärmeabführen von der Zelle (1) aufweist.
27. Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie oder Niekel-Metallhydrid-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass sie Batteriezellen (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 26 aufweist .
28. Batterie nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Fahrzeugbatterie, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen- Fahrzeug, insbesondere eine Hochvolt-Batterie ist.
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