WO2011012201A1 - Batterie und verfahren zum herstellen einer batterie - Google Patents

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WO2011012201A1
WO2011012201A1 PCT/EP2010/004037 EP2010004037W WO2011012201A1 WO 2011012201 A1 WO2011012201 A1 WO 2011012201A1 EP 2010004037 W EP2010004037 W EP 2010004037W WO 2011012201 A1 WO2011012201 A1 WO 2011012201A1
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plastic
battery
frame flat
cladding
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PCT/EP2010/004037
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Dirk Schröter
Jens Meintschel
Rainer Kaufmann
Arnold Lamm
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Daimler Ag
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    • 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 a battery having a plurality of bipolar compassionflachzellen, according to the vaguely defined in the preamble of claim 1.
  • Art also relates to a method for producing a battery with bipolar compassionflachzellen.
  • the invention relates to the use of such a battery or a battery obtained by the method for manufacturing.
  • Batteries having a configuration of a plurality of battery cells are known from the general state of the art.
  • the individual battery cells can be constructed as termed by conventionflachzellen.
  • Each of the individual frame flat cells is formed of an insulating frame and two electrically conductive cladding sheets on each side of the electrically insulating frame.
  • the so-called bipolar design is often found. This means that the
  • Electrochemically active materials of the frame flat cells are connected to one pole of the frame flat cell.
  • the poles are on the outer surface of the frame flat cell.
  • Led housing for example in the form of the cladding on each of the flat sides of the compassionflachzelle.
  • This structure is known in principle from the non-prepublished German application with the file number DE 10 2007 063 181.4.
  • frame flat cells are described, which are provided with two cladding sheets, so that each of the frame flat cells forms an independent unit by itself, and that a plurality of such frame flat cells can be stacked into a battery.
  • a similar structure, but which is made somewhat more compact, is not from the
  • Frame flat cells then have as a finished cell stack of the individual
  • a cooling device is usually also provided, which is arranged, for example, on one of the longitudinal sides of the cell stack.
  • the heat generated in the frame flat cells can then be dissipated via the cladding sheets of the frame flat cells, which conduct this heat into the region of the cooling device, for example a cooled plate, on one of the longitudinal sides of the battery.
  • the typical application for such batteries is, for example, in electrical, hybridized or partially hybridized powertrains in means of transport, such as e.g.
  • Each of the individual frame flat cells is thus constructed of an insulating frame and two electrically conductive cladding sheets on each side of the electrically insulating frame, wherein one of the cladding sheets may optionally be used by two of the frame flat cells.
  • the active materials are arranged, in particular in the form of anode foils and cathode foils, which are each separated from a separator and electrically insulated from one another.
  • these films can be alternately stacked with respect to their polarity, with one separator each being placed between the films. The electrode stack is then inserted into the frame.
  • the chairflachzelle is then closed in the manufacturing process according to the prior art and the anode or cathode foils can be welded to the respective Hüllblech, as described for example by the non-prepublished German application with the file number DE 10 2007 063 181.
  • characterizing part of claim 1 A method for producing a battery having the features in the characterizing part of claim 13, the
  • the electrode stack in each of the frame flat cells which are stacked to the battery, the electrode stack is first surrounded by a shielding member.
  • the Hüllbleche project beyond this shielding laterally at least partially.
  • a plastic is arranged between the enveloping plates and firmly connected thereto.
  • the actual frame is thus formed here by the combination of the shielding and the plastic.
  • the plastic can according to a favorable development of the invention by injection molding or transfer molding
  • the individual frame flat cells can thus be made more cost effective and denser than is the case in the prior art.
  • the shielding element also has the advantage that it keeps the cladding sheets at the required distance from each other even before the application of the plastic, so that a simple and rapid production of the frame flat cells with high dimensional accuracy is possible.
  • At least one of the cladding sheets of the frame cell has embossed sections, in particular knobs, for positioning the shielding element.
  • Such knobs or other shaped portions may be embossed in one or both of the cladding sheets of each frame flat cell.
  • the positioning of the cladding sheet on the surface of the cladding can then be simple and safe via these sections respectively.
  • the electrode stack can then be arranged inside the shielding element and the whole can be covered with a second shielding element before the plastic is applied.
  • the shielding element is fixed to one of the Hüllbleche.
  • This fixation can, for example, by sticking or a direct
  • the positioning must be taken into account, to which the embossed sections already mentioned above can optionally also be present in this cladding sheet. However, it is also conceivable that the positioning is ensured by other measures.
  • the injection molding machine ensures that the shielding element is positioned precisely relative to the enveloping sheet. This construction of a cladding sheet and the shielding element fixed to this cladding sheet can then be very easily and efficiently completed by a second cladding sheet, which has, for example, the embossed sections.
  • the production can be done easily and efficiently, without a complicated measuring or aligning the Hüllbleche would be necessary to each other, as this is done largely automatically by the pre-fixed to one of the cladding shielding and attached, for example, on the other cladding embossed sections.
  • the applied plastic is flush with the projecting beyond the shielding parts of the Hüllbleche.
  • this structure therefore, only the gap between the Hüllblechen and the shielding is provided with the applied plastic.
  • the applied plastic encases the cladding sheets on at least two of the end faces of the frame flat cells.
  • This structure lends itself in particular when several of the frame flat cells by the application of the Plastic be completed to a whole battery. Then can be done by the plastic fixation of the individual compassionflachzellen within the battery. Due to the complete sheathing in at least two directions on the end faces of the frame flat cells, the battery is then not only mechanically stabilized, but also sealed and electrically insulated. Such a battery can then be used for example without further isolation in a housing or the like, which comes to lie laterally in the region of at least two end faces and, for example, consists of a metallic material to electromagnetic
  • the structure may also include all end faces, but in particular on one of the end faces, it makes sense, the cladding without
  • Frame flat cell or at least the essential part of this frame is shown as the last step in the manufacture or the mechanical production of the cell.
  • the plastic is applied, which forms the later frame around the shielding element together with this.
  • the frame is produced in this step and at the same time the cell is closed with the frame.
  • the shielding element In order to prevent the electrode stack from coming into contact with the plastic during application, it is protected by the shielding element.
  • the thus-prepared battery or frame flat cells for the battery can be quickly and effectively sealed and sealed.
  • the plastic can be applied by injection molding or injection-compression according to a particularly favorable development of the method.
  • the battery or the compassionflachzellen the battery can be easily and efficiently closed.
  • the sprayed plastic material is only for connection and sealing and for mechanical stabilization of the frame flat cells or the battery is used here can be selected from various materials to meet these tasks in the best possible way.
  • the sealing of the interior of the compassionflachzelle with the electrode stack and the electrolyte against unwanted diffusion processes, eg. B. of water in the compassionflachzelle can take over the shielding. Since this does not have to be connected to the cladding during the production process, but is held by the sprayed plastic, one is in the selection of materials for the
  • Shielding element very free. It can be used here suitable plastics or metallic materials, composites or the like, which are
  • the cladding sheets with the shielding element and the electrode stack are loosely mounted, after which they are pressed together at least so much that the shielding element seals the electrode stack against the applied plastic.
  • Injection molding machine is done so that in a single process step, the cladding sheets and the shielding pressed against each other and then the plastic is applied. This is particularly simple and efficient and allows the swift
  • Batteries according to the invention make it possible to produce batteries, for example based on lithium-ion technology, simply, quickly and inexpensively in large quantities.
  • the battery according to the invention or the battery produced according to the inventive method is extremely robust and tight, even under unfavorable conditions such as vibrations, shocks and the like.
  • the preferred Use of such a battery or a battery produced by the method is therefore in a use for storing traction energy in an electric or partially electrically powered transport.
  • the battery can be used particularly cheap and efficient. Due to the advantages already mentioned above, it is predestined for this use, in particular in a training as a lithium-ion battery.
  • Fig. 1 is an exploded view of a bipolar chairflachzelle
  • FIG. 2 is a sectional view through a frame flat cell
  • Fig. 3 is a partial enlargement of Fig. 2;
  • FIG. 5 shows a cladding sheet with frame positioned thereon
  • Fig. 5 is a partial enlargement of Fig. 5 in a three-dimensional
  • Fig. 7 shows a way to one-piece design of Hüllblech
  • Fig. 8 is a sectional view of a detail of Fig. 7;
  • Fig. 10 is a three-dimensional view of a highly integrated cell stack prior to application of the plastic
  • FIG. 11 shows the illustration according to FIG. 10 in a sectional illustration
  • Fig. 12 shows the illustration of FIG. 11 with applied plastic in one
  • FIG. 13 shows the illustration of FIG. 11 with applied plastic in one
  • FIG. 1 shows a bipolar frame flat cell 1 in an exploded view.
  • the later compassionflachzelle 1 consists of a first Hüllblech 2, which forms, for example, the Hüllblech 2 of the anode side.
  • This first cladding sheet 2 is separated by a shielding element 3 from a second cladding sheet 4, which would then be the cladding sheet 4 of the cathode side in this example.
  • Both enveloping sheets 2, 4 have corresponding folds 2a, 4a on one side. These bends 2a, 4a are designed so that they are adjacent to one another on one side of the later frame flat cell 1, but in such a way that they do not come into electrical contact with one another.
  • the purpose and purpose of the bends 2a, 4a of the respective cover plates 2, 4 is that they are typically arranged on the side on which the compassionflachzelle 1 later, when several of the compassionflachzellen 1 are stacked into a battery, generally on an electrically insulating, thermally conductive film or potting compound with a cooling device, for example a cooling plate in
  • the anode and cathode foils 8, 6 are formed from aluminum and copper or corresponding alloy with aluminum and copper.
  • the electrode stack 5 is shown again in detail. As can be seen, this consists of several of the cathode foils 6, which are stacked separately from the anode foils 8 via the electrically insulating separator 7, which is also preferably designed as a foil.
  • the respective anode foils 8 and cathode foils 6 separated from the separator 7 are stacked alternately.
  • the cathode foils 6 in a first connection region 5 a of the electrode stack 5 correspond to the cladding plate 4 of FIG Cathode side are connected. This can be done for example by welding, as it is known from the older DE 10 2007 063 181.4 of the applicant.
  • the structure on the anode side is comparable. Again, the anode foils are 8 to a
  • Connection area 5b summarized, which is then connected to the anode-side cladding sheet 2, for example, welded.
  • this structure can be seen even more clearly on the anode side.
  • the electrode stack 5 with its structure of Separatorfolien 7, anode foils 8 and
  • Cathode films 6 can be clearly seen in this enlarged view.
  • Electrode stack 5 with its connection areas 5a, 5b already fixed and electrically conductive with the respective cladding sheets 2, 4, as mentioned above.
  • This loosely assembled structure shown in FIGS. 2 and 3 is pressed together by forces, which are indicated by the arrows in FIG.
  • the force must be chosen so large that the Hüllbleche 2, 4 lie so close to the shielding 3, that in the subsequent injection molding or injection-compression molding, in which a plastic 9 is applied to the shielding around 3, the electrode stack 5 so far seals in that the plastic 9 does not come into the region of the electrode stack 5.
  • Frame flat cell 1 experience.
  • the electrode stack 5 can even before insertion into the interior of the
  • Shielding element 3 to be impregnated with the necessary electrolyte. It is alternatively or additionally also conceivable, the electrolyte after completion of the
  • Injection mold in which the plastic 9 is molded, having a corresponding mandrel or the like, which ensures that in the region of the opening in the shielding 3 also in the plastic 9 an opening remains.
  • this opening can be closed, for example, by a plastic plug or the like welded by means of friction welding or ultrasonic welding.
  • the shielding element from a suitable plastic material, which has the desired mechanical strength and the otherwise desired properties, such as
  • the shielding element 3 does not have to be connected directly to the cladding sheets 2, 4, there is a very great variability in the material here.
  • This shielding element 3 can now be fixed correspondingly on one of the cladding sheets, for example on the cladding sheet 2, in order to facilitate the final assembly before the injection of the plastic 9. This fixation can be done for example by gluing or the like. It is also conceivable to inject the shielding element 3 directly to the enveloping sheet 2.
  • the cladding sheet in this case the cladding sheet 4, is embossed Sections 10, in particular in the form of embossed knobs 10, has.
  • the knobs are positioned so that they securely hold the shielding element 3, which is formed as a rectangular element with rounded corners in position. This can also be seen again in the enlarged view of FIG.
  • both of the enveloping sheets 4, 2 to have such impressed nubs 10.
  • only one of the cladding sheets 4 has such nubs and the shielding element 3 is fixed correspondingly to the other cladding sheet 2,
  • the assembly is particularly simple, since only the electrode stack 5 must be inserted and connected to the Hüllblechen 2, 4. Then, the positioning of the Hüllblechs 4 with the studs 10 relative to the shielding 3 can be done simply by hanging, as the
  • the plastic 9 can be applied to close the compassionflachzelle 1 tight.
  • the shielding element 3 made of plastic other materials are possible, for example metallic materials or composite materials. If the selected material is electrically conductive, it must be electrically insulated from one of the cladding sheets.
  • the shielding element 3 in one piece with one of the cladding sheets.
  • the cladding sheet 2 has the shielding element 3 via corresponding bends.
  • the shielding element 3 is made in this case of the metallic material of the Hüllblechs 2. It must therefore be electrically isolated at its later the other cover plate 4 end facing, which
  • the cladding sheet 2 can be done for example by a coating. Due to the technical characteristics of the Abkantens the cladding sheet 2 can not be rectangular in shape, but has no material in the respective corners. However, since this is not necessary for the functionality of the compassionflachzelle, this area can be filled with the plastic accordingly, so still a rectangular
  • the cladding would have a corresponding coating, a
  • Shielding element 3 are placed against each other and connected to the plastic 9, which is indicated in the illustration of Figure 9 so.
  • a seal 11 is shown, which ensures that it does not lead to an electrically conductive connection between the individual
  • FIG. 10 shows a section of a battery 12 with seven individual frame flat cells 1 in this case.
  • the battery 12 is formed of a highly integrated cell stack.
  • This cell stack has only one cladding sheet more than frame flat cells 1 are present. This means that two adjacent frame flat cells 1 "divide" the respective cladding sheet lying between them, the cladding sheet 2, 4 then serving as the one of the frame flat cells 1
  • Anodenblech and for the other compassionflachzellen 1 represents the cathode plate. This structure is per se from the earlier document DE 10 2008 059 949 of
  • Applicant known. It allows a very compact and lightweight construction of a battery 12, which thus allows a high power density and a high power volume.
  • the cell stack of the frame flat cells 1 in the illustration according to FIG. 10 can be seen again in a sectional representation of FIG.
  • the individual frame flat cells 1 are also formed in each case from the electrode stack 5 and a shielding element 3, which is arranged in each case between the enveloping sheets 2, 4 of the frame flat cells 1.
  • a shielding element 3 which is arranged in each case between the enveloping sheets 2, 4 of the frame flat cells 1.
  • This arrangement of the sprayed or spray applied by injection molding plastic 9 is particularly favorable and advantageous because it ensures a very dense formation of the battery. In addition, it isolates the Hüllbleche 2, 4 laterally from other components, such as a battery case or the like.
  • the variants shown in FIGS. 12 and 13 can also be combined with each other. Thus, it is possible, on the side where the cladding sheets 2, 4 carry the folds 2a, 4a, they do not encase with plastic in order to connect these heat-conducting to the cooling device can. On the other sides where the housing of the battery 12 will be placed is a
  • the described battery 12 and the described manufacturing method are simple and efficient, and come out with relatively few assembly steps.
  • the method is accordingly suitable for the battery 12 and / or the
  • Quantity for example, be used for hybrid or electric vehicles, which can use the batteries 12 for storing or caching of electrical energy.

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Abstract

Batterie (12) mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen (1), welche zu der Batterie (12) gestapelt sind. Jede der Rahmenflachzellen (1) weist zwei Hüllbleche (2, 4) auf. Zwischen den Hüllblechen (2, 4) ist ein Elektrodenstapel (5) aus Anodenfolien (8), Separatorfolien (7) und Kathodenfolien (6) angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Elektrodenstapel (5) von einem Abschirmelement (3) umgeben. Die Hüllbleche (2, 4) überragen das Abschirmelement (3) seitlich zumindest teilweise. Um das Abschirmelement (3) herum ist zumindest in den Bereichen, in denen die Hüllbleche (2, 4) das Abschirmelement (3) überragen, ein Kunststoff (9) zwischen den Hüllblechen (2, 4) aufgebracht und fest mit den Hüllblechen (2, 4) verbunden. Die Erfindung beschreibt außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie (12), welche durch Spritzgießen, Spritzprägen oder dergleichen verschlossen wird.

Description

Daimler AG
Batterie und Verfahren zum Herstellen einer Batterie
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie mit bipolaren Rahmenflachzellen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Batterie oder einer nach dem Verfahren zum Herstellen erhaltenen Batterie.
Batterien mit einem Aufbau aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere können die Batterieeinzelzellen dabei als Rahmenflachzellen aufgebaut sein. Jede der einzelnen Rahmenflachzellen ist aus einem isolierenden Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder Seite des elektrisch isolierenden Rahmens gebildet. Bei derartigen Rahmenflachzellen ist die so genannte bipolare Bauweise häufig anzutreffen. Dies bedeutet, dass die
elektrochemisch aktiven Materialien der Rahmenflachzellen mit jeweils einem Pol der Rahmenflachzelle verbunden sind. Die Pole sind dabei auf die Außenfläche des
Gehäuses geführt, beispielsweise in Form der Hüllbleche auf jeder der Flachseiten der Rahmenflachzelle. Dieser Aufbau ist prinzipiell aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2007 063 181.4 bekannt. Hierin sind Rahmenflachzellen beschrieben, welche mit zwei Hüllblechen versehen sind, sodass jede der Rahmenflachzellen für sich eine selbständige Einheit bildet, und dass eine Vielzahl derartiger Rahmenflachzellen zu einer Batterie gestapelt werden können. Ein ähnlicher Aufbau, welcher jedoch etwas kompakter ausgeführt ist, ist aus der nicht
vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2008 059 949.2 bekannt. Hierbei„teilen" sich jeweils zwei benachbarte Rahmenflachzellen das zwischen ihnen liegende Hüllblech. Der Zellenstapel der Rahmenflachzellen, die hier die Batterie bilden, ist dann an einem seiner Enden mit einem abschließenden Hüllblech versehen. Die beiden Hüllbleche an den beiden Enden des Zellenstapels der Batterie werden dementsprechend nicht für zwei Rahmenflachzellen, sondern jeweils nur für eine der Rahmenflachzellen verwendet. Beide Bauformen der Batterie mit den bipolaren
Rahmenflachzellen weisen dann als fertiger Zellenstapel der einzelnen
Rahmenflachzellen am einen Ende des Zellenstapels den einen Pol und am anderen Ende des Zellenstapels den anderen Pol auf.
Beim Aufbau der Batterie aus den Rahmenflachzellen als Lithium-Ionen-Batterie ist üblicherweise außerdem eine Kühleinrichtung vorgesehen, welche beispielsweise auf einer der Längsseiten des Zellenstapels angeordnet ist. Die in den Rahmenflachzellen entstehende Wärme kann dann über die Hüllbleche der Rahmenflachzellen abgeführt werden, welche diese Wärme in den Bereich der Kühleinrichtung, beispielsweise einer gekühlten Platte, auf einer der Längsseiten der Batterie leiten.
Der typische Einsatzzweck für derartige Batterien liegt beispielsweise in elektrischen, hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebssträngen in Transportmitteln, wie z.B.
Elektrofahrzeugen oder Hybrid- oder Mildhybridfahrzeugen.
Jede der einzelnen Rahmenflachzellen ist also aus einem isolierenden Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder Seite des elektrisch isolierenden Rahmens aufgebaut, wobei eines der Hüllbleche gegebenenfalls von zwei der Rahmenflachzellen genutzt sein kann. Im Inneren des elektrisch isolierenden Rahmens sind die aktiven Materialien angeordnet, insbesondere in Form von Anodenfolien und Kathodenfolien, welche jeweils von einem Separator getrennt und elektrisch gegeneinander isoliert werden. Typischerweise können diese Folien hinsichtlich ihrer Polarität abwechselnd gestapelt werden, wobei jeweils ein Separator zwischen den Folien angeordnet wird. Der Elektrodenstapel wird dann in den Rahmen eingelegt. Die Rahmenflachzelle wird bei den Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik anschließend verschlossen und die Anoden- bzw. Kathodenfolien können mit dem jeweiligen Hüllblech verschweißt werden, wie es beispielsweise durch die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2007 063 181 beschrieben ist.
Problematisch bei einer derartigen Rahmenflachzelle bzw. einer aus derartigen
Rahmenflachzellen aufgebauten Batterie ist es nun, dass an zwei verschiedenen Stellen eine Siegelnaht zwischen dem Rahmen und den Hüllblechen vorliegt, da der Rahmen zuerst auf das eine der Hüllbleche und dann auf das andere der Hüllbleche aufgebracht, angeklebt oder angeschmolzen wird. Damit entstehen zwei kritische Stellen, an denen es zu einer Undichtheit kommen kann. Dies ist insbesondere beim Einsatz in
Transportmitteln, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, problematisch, da hier durch Erschütterungen und Vibrationen derartige Siegelnähte undicht werden können. Je mehr derartige Siegelnähte vorhanden sind, desto höher ist die Gefahr, dass eine Undichtheit einer der Rahmenflachzellen auftritt. Eine solche Undichtheit würde dann das Austreten von Elektrolyt aus der Rahmenflachzelle fördern, insbesondere dann, wenn das Innere der Rahmenflachzelle bei einem Ladevorgang unter einem gewissen Überdruck steht. Tritt Elektrolyt aus der Rahmenflachzelle aus, so kann diese ihre elektrochemische Funktionalität nicht mehr erfüllen.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen zu schaffen, welche diese Nachteile vermeidet, und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Batterie anzugeben, welches sicher, einfach und kostengünstig die Herstellung und das dichte Verschließen von Rahmenflachzellen einer Batterie ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Batterie mit den Merkmalen im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 13 kann die
Aufgabe ebenfalls lösen. In den abhängigen Unteransprüchen zur Batterie und zu dem Verfahren sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batterie bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Aufbau der Batterie ist in jeder der Rahmenflachzellen, welche zu der Batterie gestapelt sind, der Elektrodenstapel zuerst von einem Abschirmelement umgeben. Die Hüllbleche überragen dieses Abschirmelement seitlich zumindest teilweise. Zumindest in den Bereichen, in denen die Hüllbleche das Abschirmelement überragen, ist ein Kunststoff zwischen den Hüllblechen angeordnet und fest mit diesen verbunden. Dieser Aufbau ist dabei sehr einfach und effizient. Die einzelnen Rahmenflachzellen werden entsprechend in Form gehalten und durch das Abschirmelement wird verhindert, dass der Kunststoff in Kontakt mit dem Elektrodenstapel kommt. Der Elektrodenstapel wird also gegenüber dem Kunststoff durch das Abschirmelement entsprechend abgeschirmt. Der Kunststoff selbst, welcher dann zwischen den überstehenden Bereichen der Hüllbleche angeordnet ist, verschließt, stabilisiert und dichtet die einzelnen
Rahmenflachzellen ab. Der eigentliche Rahmen wird hier also durch die Kombination aus dem Abschirmelement und dem Kunststoff gebildet. Der Kunststoff kann gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung durch Spritzgießen oder Spritzpressen
aufgebracht sein. Auch vergleichbare oder artverwandte Verfahren hierfür wären denkbar. Der aufgebrachte Kunststoff versiegelt dann jede einzelne der
Rahmenflachzellen nach außen. Da hierbei mit einem einzigen Verfahrensschritt das Aufbringen des Kunststoffs realisiert werden kann, entstehen weniger Probleme hinsichtlich einer eventuellen Undichtheit oder dergleichen, da das Abdichten nicht mehr in mehreren Schritten, sondern in einem einzigen Vorgang erfolgt. Außerdem erlaubt das Abschirmelement, welches nur lose zwischen den Hüllblechen eingelegt ist, und lediglich die Aufgabe hat, den Elektrodenstapel vor dem aufgebrachten Kunststoff zu schützen, die Möglichkeit, bei der Wahl des aufgebrachten Kunststoffs sehr frei wählen zu können. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein Kunststoff aufgebracht wird, welcher ideale Eigenschaften hinsichtlich eines Verbindens und Abdichtens zwischen dem Kunststoff und den Hüllblechen sicherstellt. Dabei muss nicht auf eine entsprechende
Diffusionsdichtheit des Kunststoffs gegenüber dem eingesetzten Elektrolyt und/oder Wasser geachtet werden, da der Elektrolyt durch das Abschirmelement entsprechend abgeschirmt wird. Dies ermöglicht eine sehr große Variabilität bei der Auswahl des aufgebrachten Kunststoffs. Dieser kann dabei hinsichtlich seiner
Abdichtungseigenschaften optimiert werden. Die einzelnen Rahmenflachzellen können damit kostengünstiger und dichter ausgeführt werden, als dies beim Stand der Technik der Fall ist.
Das Abschirmelement weist außerdem den Vorteil auf, dass es die Hüllbleche bereits vor dem Aufbringen des Kunststoffs im benötigten Abstand zueinander hält, sodass eine einfache und schnelle Herstellung der Rahmenflachzellen mit hoher Maßhaltigkeit möglich ist.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens eines der Hüllbleche der Rahmenzelle eingeprägte Abschnitte, insbesondere Noppen, zur Positionierung des Abschirmelements aufweist. Derartige Noppen oder andersartig geformte Abschnitte können in eines oder beide der Hüllbleche jeder Rahmenflachzelle eingeprägt werden. Über diese Abschnitte kann dann die Positionierung des Hüllblech auf der Fläche des Hüllblechs einfach und sicher erfolgen. Im Inneren des Abschirmelements kann dann der Elektrodenstapel angeordnet werden und das Ganze mit einem zweiten Abschirmelement bedeckt werden, ehe der Kunststoff aufgebracht wird.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterie ist es vorgesehen, dass das Abschirmelement an einem der Hüllbleche fixiert ist.
Diese Fixierung kann beispielsweise durch ein Aufkleben oder auch ein direktes
Aufspritzen des Abschirmelements auf das Hüllblech erfolgen. Die Positionierung muss dabei beachtet werden, wozu die oben bereits erwähnten eingeprägten Abschnitte optional auch in diesem Hüllblech vorhanden sein können. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Positionierung über andere Maßnahmen sichergestellt wird. Insbesondere beim Einsatz eines aufgespritzten Abschirmelements stellt die Spritzgussmaschine sicher, dass das Abschirmelement gegenüber dem Hüllblech exakt positioniert ist. Dieser Aufbau aus einem Hüllblech und dem an diesem Hüllblech fixierten Abschirmelement lässt sich dann sehr einfach und effizient durch ein zweites Hüllblech, welches beispielsweise die eingeprägten Abschnitte aufweist, komplettieren. Die Herstellung kann dabei einfach und effizient erfolgen, ohne dass ein aufwendiges Einmessen oder Ausrichten der Hüllbleche zueinander notwendig wäre, da dies durch das an einem der Hüllbleche vorfixierte Abschirmelement und die beispielsweise an dem anderen Hüllblech angebrachten eingeprägten Abschnitte weitgehend selbsttätig erfolgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass der aufgebrachte Kunststoff bündig mit den über das Abschirmelement ragenden Teilen der Hüllbleche abschließt. Bei diesem Aufbau wird also lediglich der Zwischenraum zwischen den Hüllblechen und dem Abschirmelement mit dem aufgebrachten Kunststoff versehen. Dieser Aufbau erlaubt damit die Herstellung einzelner Rahmenflachzellen, welche dann in beliebiger Anzahl zu einer Batterie der gewünschten Größe gestapelt werden können. Da die Hüllbleche die Rahmenflachzelle seitlich begrenzen, ist ein sicheres Aneinanderliegen der Hüllbleche gewährleistet.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es dagegen vorgesehen, dass der aufgebrachte Kunststoff die Hüllbleche an wenigstens zwei der Stirnseiten der Rahmenflachzellen ummantelt. Dieser Aufbau bietet sich dabei insbesondere dann an, wenn mehrere der Rahmenflachzellen durch das Aufbringen des Kunststoffs zu einer gesamten Batterie komplettiert werden. Dann kann durch den Kunststoff eine Fixierung der einzelnen Rahmenflachzellen innerhalb der Batterie erfolgen. Durch das vollständige Ummanteln in wenigstens zwei Richtungen an den Stirnseiten der Rahmenflachzellen wird die Batterie dann nicht nur mechanisch stabilisiert, sondern auch abgedichtet und elektrisch isoliert. Eine derartige Batterie kann dann beispielsweise ohne weitere Isolation in ein Gehäuse oder dergleichen eingesetzt werden, welches seitlich im Bereich der wenigstens zwei Stirnseiten zu liegen kommt und beispielsweise aus einem metallischen Material besteht, um elektromagnetische
Strahlung abzuschirmen. Der Aufbau kann dabei auch alle Stirnseiten umfassen, insbesondere auf einer der Stirnseiten ist es jedoch sinnvoll, die Hüllbleche ohne
Ummantelung durch aufgebrachten Kunststoff zu belassen, um diese beispielsweise an eine Kühleinrichtung oder dergleichen thermisch anbinden zu können. Außerdem kann dies gegebenenfalls von Vorteil sein, um die Hüllbleche auf einer Seite mit elektrischen Elementen, wie beispielsweise einer Zellspannungsüberwachung oder dergleichen, zu kontaktieren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 13 gelöst.
Die verfahrensgemäße Lösung sieht vor, dass der eigentliche Rahmen der
Rahmenflachzelle oder zumindest der wesentliche Teil dieses Rahmens als letzter Schritt bei der Herstellung bzw. der mechanischen Herstellung der Zelle dargestellt wird. Dafür wird in dem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt der Kunststoff aufgetragen, welcher um das Abschirmelement herum zusammen mit diesem den späteren Rahmen bildet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in diesem Schritt also der Rahmen hergestellt und gleichzeitig die Zelle mit dem Rahmen verschlossen. Um zu verhindern, dass der Elektrodenstapel mit dem Kunststoff beim Auftragen in Berührung kommt, wird dieser über das Abschirmelement geschützt. Die so hergestellte Batterie bzw. die Rahmenflachzellen für die Batterie können schnell und effektiv verschlossen und abgedichtet werden.
Der Kunststoff kann gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des Verfahrens dabei durch Spritzgießen oder Spritzprägen aufgebracht werden. Somit kann die Batterie bzw. die Rahmenflachzellen der Batterie einfach und effizient verschlossen werden. Da das aufgespritzte Kunststoffmaterial lediglich zur Verbindung und Abdichtung und zur mechanischen Stabilisierung der Rahmenflachzellen bzw. der Batterie dient, kann hier unter verschiedenen Materialien ausgewählt werden, um diese Aufgaben bestmöglich zu erfüllen. Die Abdichtung des Innenraums der Rahmenflachzelle mit dem Elektrodenstapel und dem Elektrolyt gegen unerwünschte Diffusionsvorgänge, z. B. von Wasser in die Rahmenflachzelle, kann dabei das Abschirmelement übernehmen. Da dieses nicht beim Produktionsprozess mit den Hüllblechen verbunden werden muss, sondern vom aufgespritzten Kunststoff gehalten wird, ist man bei der Materialauswahl für das
Abschirmelement sehr frei. Es können hier geeignete Kunststoffe oder auch metallische Materialien, Verbundwerkstoffe oder dergleichen eingesetzt werden, welche
beispielsweise niedrige Diffusionsraten, hohe Festigkeit, geringe Wärmedehnung oder gute Wärmeleitfähigkeit gewährleisten, je nach gewünschtem Effekt.
Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass die Hüllbleche mit dem Abschirmelement und dem Elektrodenstapel lose montiert werden, wonach sie zumindest so stark miteinander verpresst werden, dass das Abschirmelement den Elektrodenstapel gegenüber dem aufgebrachten Kunststoff abdichtet. Damit kann die Rahmenflachzelle in ihren
mechanischen Abmessungen einfach und effizient dargestellt werden, ehe sie durch den aufgebrachten Kunststoff komplettiert und dadurch dicht verschlossen und mechanisch stabilisiert wird.
In einer besonders günstigen Weiterbildung dieses Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass das Verpressen der Hüllbleche und des Abschirmelements in einer
Spritzgussmaschine erfolgt, sodass in einem einzigen Verfahrensschritt die Hüllbleche und das Abschirmelement gegeneinander gepresst und danach der Kunststoff aufgetragen wird. Dies ist besonders einfach und effizient und erlaubt die zügige
Fertigung einzelner Rahmenflachzellen oder auch der Batterie mit dem Stapel aus Rahmenflachzellen als Ganzes.
Die erfindungsgemäße Batterie sowie das Verfahren zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Batterie ermöglichen es, Batterien beispielsweise auf der Basis von Lithium-Ionen-Technologie einfach, schnell und kostengünstig in großen Stückzahlen herzustellen. Die erfindungsgemäße Batterie oder die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Batterie ist dabei außerordentlich robust und dicht, auch unter ungünstigen Bedingungen wie Vibrationen, Stößen und dergleichen. Die bevorzugte Verwendung einer derartigen Batterie oder einer nach dem Verfahren hergestellten Batterie liegt daher in einer Verwendung zur Speicherung von Traktionsenergie in einem elektrischen oder teilweise elektrisch angetriebenen Transportmittel.
Insbesondere für Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen mit elektrischen Antrieben oder Hybridantrieben kann die Batterie besonders günstig und effizient eingesetzt werden. Aufgrund der oben schon genannten Vorteile ist sie für diese Verwendung, insbesondere in einer Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie, prädestiniert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie und des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung der Batterie mit Rahmenflachzellen und der Verfahrensschritte zu ihrer Herstellung, anhand der beigefügten Figuren.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer bipolaren Rahmenflachzelle;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine Rahmenflachzelle;
Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 2;
Fig. 4 die Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 3 mit aufgebrachtem Kunststoff;
Fig. 5 ein Hüllblech mit daran positioniertem Rahmen;
Fig. 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 5 in einer dreidimensionalen
Darstellung;
Fig. 7 eine Möglichkeit zur einstückigen Ausbildung von Hüllblech und
Abschirmelement;
Fig. 8 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus Fig. 7;
Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer Ausführung mit zweiteiligem
Abschirmelement;
Fig. 10 eine dreidimensionale Ansicht eines hoch integrierten Zellenstapels vor dem Aufbringen des Kunststoffs;
Fig. 11 die Darstellung gemäß Fig. 10 in einer Schnittdarstellung;
Fig. 12 die Darstellung gemäß Fig. 11 mit aufgebrachtem Kunststoff in einer
ersten Variante; und
Fig. 13 die Darstellung gemäß Fig. 11 mit aufgebrachtem Kunststoff in einer
zweiten Variante. In Figur 1 ist eine bipolare Rahmenflachzelle 1 in einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Die spätere Rahmenflachzelle 1 besteht dabei aus einem ersten Hüllblech 2, welches beispielsweise das Hüllblech 2 der Anodenseite bildet. Dieses erste Hüllblech 2 ist über ein Abschirmelement 3 von einem zweiten Hüllblech 4 getrennt, welches in diesem Beispiel dann das Hüllblech 4 der Kathodenseite wäre. Beide Hüllbleche 2, 4 weisen auf einer Seite entsprechende Abkantungen 2a, 4a auf. Diese Abkantungen 2a, 4a sind so ausgeführt, dass sie auf einer Seite der späteren Rahmenflachzelle 1 nebeneinander liegen, jedoch so, dass sie nicht in elektrischem Kontakt zueinander kommen. Der Sinn und die Aufgabe der Abkantungen 2a, 4a der jeweiligen Hüllbleche 2, 4 besteht nun darin, dass sie typischerweise auf der Seite angeordnet sind, auf der die Rahmenflachzelle 1 später, wenn mehrere der Rahmenflachzellen 1 zu einer Batterie gestapelt sind, im Allgemeinen über eine elektrisch isolierende, thermisch leitende Folie oder Vergussmasse mit einer Kühleinrichtung, beispielsweise einer Kühlplatte in
Verbindung stehen. Die Abkantungen 2a, 4a der Hüllbleche 2, 4 sorgen nun dafür, dass der Kontakt der Hüllbleche 2, 4 zu der Kühlplatte eine vergleichsweise große Fläche aufweist, sodass von den Hüllblechen 2, 4 aus dem Inneren der Rahmenflachzelle 1 abgeleitete Wärme bestmöglich an die Kühlplatte abgegeben werden kann. Da dieser Aufbau der Kühlung sowie die Anbindung der Kühlplatte an die Rahmenflachzellen 1 an sich bekannt und üblich ist, wird hierauf im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung jedoch nicht näher eingegangen.
Die beiden Hüllbleche 2, 4 bilden zusammen mit dem Abschirmelement 3 die
provisorische Umhüllung der Rahmenflachzelle 1. Im Inneren des Abschirmelements 3 ist das elektrochemisch aktive Material angebracht. Dieses besteht aus einem
Elektrodenstapel 5 mit Kathodenfolien 6, Separatoren 7 und Anodenfolien 8. Die Anoden- und Kathodenfolien 8, 6 sind dabei aus Aluminium und Kupfer oder entsprechenden Legierung mit Aluminium und Kupfer gebildet. In der Schnittdarstellung der Figur 2 bzw. in der Vergrößerung der Figur 3 ist der Elektrodenstapel 5 nochmals im Detail dargestellt. Wie zu erkennen ist, besteht dieser aus mehreren der Kathodenfolien 6, welche über den elektrisch isolierenden Separator 7, welcher bevorzugt ebenfalls als Folie ausgebildet ist, von den Anodenfolien 8 getrennt gestapelt sind. Die jeweils von dem Separator 7 getrennten Anodenfolien 8 und Kathodenfolien 6 sind dabei abwechselnd gestapelt. In der Darstellung der Figur 2 ist zu erkennen, dass die Kathodenfolien 6 in einem ersten Anschlussbereich 5a des Elektrodenstapels 5 entsprechend mit dem Hüllblech 4 der Kathodenseite verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen, wie es aus der älteren DE 10 2007 063 181.4 der Anmelderin bekannt ist. Der Aufbau auf der Anodenseite ist dabei vergleichbar. Auch hier sind die Anodenfolien 8 zu einem
Anschlussbereich 5b zusammengefasst, welcher dann mit dem anodenseitigen Hüllblech 2 verbunden, beispielsweise verschweißt ist. In der vergrößerten Darstellung der Figur 3 ist dieser Aufbau auf der Anodenseite nochmals deutlicher zu erkennen. Auch der Elektrodenstapel 5 mit seinem Aufbau aus Separatorfolien 7, Anodenfolien 8 und
Kathodenfolien 6 lässt sich in dieser vergrößerten Darstellung deutlich erkennen.
Ansonsten ist in Figur 2 über die Pfeile angedeutet, dass die Hüllbleche 2, 4 auf das Abschirmelement 3 gepresst werden, um so die Hüllbleche 2, 4, den Elektrodenstapel 5 und das Abschirmelement 3 lose mechanisch zu verbinden. Dabei ist der
Elektrodenstapel 5 mit seinen Anschlussbereichen 5a, 5b bereits fest und elektrisch leitend mit den jeweiligen Hüllblechen 2, 4 verbunden, wie es oben erwähnt ist. Dieser in den Figuren 2 und 3 so dargestellte lose montierte Aufbau wird durch Kräfte, welche in Figur 2 durch die Pfeile angedeutet sind, miteinander verpresst. Die Kraft muss dabei so groß gewählt werden, dass die Hüllbleche 2, 4 so dicht an dem Abschirmelement 3 anliegen, dass im nachfolgenden Spritzguss- oder Spritzprägevorgang, in dem ein Kunststoff 9 um das Abschirmelement 3 herum aufgebracht wird, den Elektrodenstapel 5 so weit abdichtet, dass der Kunststoff 9 nicht in den Bereich des Elektrodenstapels 5 kommt.
In der Darstellung der Figur 4 ist derselbe vergrößerte Ausschnitt wie in Figur 3 nochmals dargestellt. Allerdings ist hier bereits in den Bereichen, in denen die Hüllbleche 2, 4 über das Abschirmelement 3 hinausragen, der Kunststoff 9 aufgebracht. Der Kunststoff 9, welcher insbesondere durch Spritzgießen oder ähnliche Verfahren, wie beispielsweise Spritzprägen aufgebracht wird, bildet zusammen mit dem Abschirmelement 3 den eigentlichen Rahmen, verschließt dabei die Rahmenflachzelle 1 und dichtet diese sicher und zuverlässig ab. In der Darstellung der Figur 4 ist zu erkennen, dass der Kunststoff 9 bündig mit den Hüllblechen 2, 4 der Rahmenflachzelle 1 abschließt. Dieser Aufbau ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Rahmenflachzellen 1 einzeln gefertigt werden, und über das Aufbringen, beispielsweise das Aufspritzen, des Kunststoffs 9, sowohl die mechanische Verbindung der Hüllbleche 2, 4 als auch die Abdichtung der
Rahmenflachzelle 1 erfahren. Der Elektrodenstapel 5 kann dabei schon vor dem Einlegen in das Innere des
Abschirmelements 3 mit dem notwendigen Elektrolyten getränkt sein. Es ist alternativ oder ergänzend hierzu auch denkbar, den Elektrolyt nach dem Fertigstellen der
Rahmenflachzelle 1 über eine Öffnung in dem Kunststoff 9 und dem Abschirmelement 3 in das Innere der Rahmenflachzelle 1 einzufüllen und die Öffnung dann zu verschließen. Eine solche Öffnung kann beispielsweise durch Bohren oder dergleichen nach der Herstellung der Rahmenflachzelle 1 in diese eingebracht werden. Es ist auch denkbar, dass das Abschirmelement 3 eine entsprechende Öffnung aufweist, und dass die
Spritzgussform, in welcher der Kunststoff 9 angespritzt wird, einen entsprechenden Dorn oder dergleichen aufweist, welcher sicherstellt, dass im Bereich der Öffnung in dem Abschirmelement 3 auch im Kunststoff 9 eine Öffnung verbleibt. Nach dem Einfüllen des Elektrolyten kann diese Öffnung beispielsweise durch einen mittels Reibschweißen oder Ultraschallschweißen angeschweißten Kunststoffpfropfen oder dergleichen verschlossen werden.
Um nun bei der Herstellung der Batterie bzw. der Rahmenflachzelle 1 eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Positionierung des Abschirmelements 3 und der Hüllbleche 2, 4 zueinander zu schaffen ist es denkbar, dass das Abschirmelement an einem der
Hüllbleche fixiert ist. Hierzu wäre es beispielsweise möglich, das Abschirmelement aus einem geeigneten Kunststoffmaterial auszubilden, welches die gewünschte mechanische Festigkeit und die ansonsten gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise
Diffusionsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit oder dergleichen aufweist. Da das Abschirmelement 3 nicht direkt mit den Hüllblechen 2, 4 verbunden werden muss, besteht hier eine sehr große Variabilität beim Material. Dieses Abschirmelement 3 kann nun an einem der Hüllbleche, beispielsweise am Hüllblech 2, entsprechend fixiert werden, um die endgültige Montage vor dem Aufspritzen des Kunststoffs 9 zu erleichtern. Diese Fixierung kann beispielsweise durch ein Verkleben oder dergleichen erfolgen. Es ist auch denkbar, das Abschirmelement 3 unmittelbar an das Hüllblech 2 anzuspritzen. Dabei entsteht dann ein Aufbau, bei welchem die Positionierung des Abschirmelements 3 gegenüber dem Hüllblech 2 problemlos möglich ist, da diese durch geeignete Anschläge für das in eine Spritzgussmaschine eingelegte Hüllblech 2 vor dem Anspritzen des Abschirmelements 3 gesichert ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch möglich und in der Darstellung der Figuren 5 und 6 zu erkennen, dass das Hüllblech, in diesem Fall das Hüllblech 4, eingeprägte Abschnitte 10, hier insbesondere in Form von eingeprägten Noppen 10, aufweist. Die Noppen sind dabei so positioniert, dass sie das Abschirmelement 3, welches als rechteckiges Element mit gerundeten Ecken ausgebildet ist, sicher in Position halten. Dies ist auch in der vergrößerten Darstellung der Figur 6 nochmals zu erkennen. Es ist nun möglich, dass beide der Hüllbleche 4, 2 derartige eingeprägte Noppen 10 aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass nur eines der Hüllbleche 4 derartige Noppen aufweist und das Abschirmelement 3 an dem anderen Hüllblech 2 entsprechend fixiert,
beispielsweise angeklebt oder angespritzt, ist. Dann ist die Montage besonders einfach, da lediglich der Elektrodenstapel 5 eingelegt und mit den Hüllblechen 2, 4 verbunden werden muss. Dann kann die Positionierung des Hüllblechs 4 mit den Noppen 10 gegenüber dem Abschirmelement 3 einfach durch Auflegen erfolgen, da sich das
Hüllblech 4 aufgrund der Noppen 10 selbsttätig positioniert. Danach kann dann der Kunststoff 9 aufgebracht werden, um die Rahmenflachzelle 1 dicht zu verschließen. Alternativ zu der Ausbildung des Abschirmelements 3 aus Kunststoff sind, auch andere Materialien möglich, beispielsweise metallische Materialien oder Verbundwerkstoffe. Falls der gewählte Werkstoff elektrisch leitend ausgebildet ist, so muss dieser gegenüber einem der Hüllbleche elektrisch isoliert werden.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Abschirmelement 3 einstückig mit einem der Hüllbleche auszuführen. In der Darstellung der Figur 7 ist eine solche Möglichkeit gezeigt, bei der beispielhaft das Hüllblech 2 über entsprechende Abkantungen das Abschirmelement 3 aufweist. Prinzipbedingt ist das Abschirmelement 3 in diesem Fall aus dem metallischen Material des Hüllblechs 2 ausgeführt. Es muss an seinem später dem anderen Hüllblech 4 zugewandten Ende daher elektrisch isoliert werden, was
beispielsweise durch eine Beschichtung erfolgen kann. Aufgrund der technischen Gegebenheiten des Abkantens kann das Hüllblech 2 dabei nicht rechteckig ausgebildet sein, sondern weist in den jeweiligen Ecken kein Material auf. Da dies jedoch für die Funktionalität der Rahmenflachzelle nicht notwendig ist, kann dieser Bereich mit dem Kunststoff entsprechend ausgefüllt werden, sodass dennoch eine rechteckige
Rahmenflachzelle entsteht. In der Darstellung der Figur 8 ist das über Abkanten angebrachte Abschirmelement 3 nochmals in einer Schnittdarstellung zu erkennen.
Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch möglich, beispielsweise bei einem Hüllblech 2 aus Aluminium das Abschirmelement durch Tiefziehen des Hüllblechs 2 entsprechend einzubringen. Dabei wäre es auch denkbar, das Abschirmelement lediglich über die halbe Höhe der späteren Rahmenflachzelle 2 auszubilden und den
entsprechenden Aufbau auf dem Hüllblech 4 der gegenüberliegenden Seite ebenso auszubilden. Die Hüllbleche würden über eine entsprechende Beschichtung, eine
Dichtung oder dergleichen entlang der umlaufenden Kanten eines derartigen
Abschirmelements 3 aneinander gelegt und mit dem Kunststoff 9 verbunden werden, was in der Darstellung der Figur 9 so angedeutet ist. Dabei ist zwischen den beiden Hälften 3a, 3b des Abschirmelements 3 beispielhaft eine Dichtung 11 gezeigt, welche sicherstellt, dass es nicht zu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den einzelnen
Hüllblechen 2, 4 kommt.
Die dreidimensionale Darstellung der Figur 10 zeigt einen Ausschnitt aus einer Batterie 12 mit in diesem Fall sieben einzelnen Rahmenflachzellen 1. Die Besonderheit gegenüber einem Aufbau aus selbtragenden Rahmenflachzellen 1 , welche jeweils als eigenes Bauteil hergestellt und dann zur Batterie 12 verbaut werden können, liegt bei der
Darstellung der Batterie 12 in Figur 10 darin, dass hier die Batterie 12 aus einem hoch integrierten Zellenstapel ausgebildet ist. Dieser Zellenstapel weist dabei lediglich ein Hüllblech mehr auf, als Rahmenflachzellen 1 vorhanden sind. Dies bedeutet, dass sich zwei benachbarte Rahmenflachzellen 1 das jeweils zwischen ihnen liegende Hüllblech zu „teilen", wobei das Hüllblech 2, 4 dann für die eine der Rahmenflachzellen 1 das
Anodenblech und für die anderen Rahmenflachzellen 1 das Kathodenblech darstellt. Auch dieser Aufbau ist an sich aus der älteren Schrift DE 10 2008 059 949 der
Anmelderin bekannt. Er ermöglicht einen sehr kompakten und leichten Aufbau einer Batterie 12, welche damit eine hohe Leistungsdichte und ein hohes Leistungsvolumen erlaubt.
Der Zellenstapel der Rahmenflachzellen 1 in der Darstellung gemäß Figur 10 ist in einer Schnittdarstellung der Figur 11 nochmals zu erkennen. Die einzelnen Rahmenflachzellen 1 werden auch hier jeweils aus dem Elektrodenstapel 5 und einem Abschirmelement 3 gebildet, welches jeweils zwischen den Hüllblechen 2, 4 der Rahmenflachzellen 1 angeordnet ist. Wie auch in den folgenden Figuren ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die obere Rahmenflachzelle 1 mit allen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Aufbau teilen sich die benachbarten Rahmenflachzellen 1 das zwischen ihnen liegende Hüllblech 2, 4. Der Aufbau einer derartigen Batterie 12 muss daher als Ganzes lose montiert bereitgestellt werden, da die Rahmenflachzellen 1 aufgrund ihres gemeinsamen dazwischen liegenden Hüllblechs 2, 4 nicht mehr voneinander getrennt werden können. Dieser Stapel wird dann mit dem Kunststoff 9 entsprechend verspritzt, wie es auch bei den Einzelzellen in der Darstellung der Figur 4 bereits gezeigt worden ist. Dieser Zustand mit eingebrachtem Kunststoff 9 ist in Figur 12 zu erkennen, wobei hier der Kunststoff bündig mit den Hüllblechen 2, 4 aufgebracht worden ist. Auch hierbei kann das lose Verpressen des Zellenstapels in einer Spritzgussmaschine oder einer
Spritzprägemaschine erfolgen, wonach der Kunststoff aufgespritzt wird. Im Falle der Spritzprägemaschine würde dann durch eine weitere Erhöhung des Druckes der
Kunststoff in seine endgültige Form gepresst, um die Batterie 12 durch eine abdichtende Verbindung der Rahmenflachzellen 1 fertig zu stellen.
In der Darstellung der Figur 13 ist eine weitere alternative Ausführungsform gezeigt. Hierbei ist der Kunststoff 9 nicht lediglich bündig mit den Hüllblechen 2, 4 aufgespritzt, sondern ummantelt die Hüllbleche 2, 4 auf wenigstens zwei der Seiten der
Rahmenflachzellen 1. Diese Anordnung des aufgespritzten oder durch Spritzprägen aufgebrachten Kunststoffs 9 ist dabei besonders günstig und vorteilhaft, da sie eine sehr dichte Ausbildung der Batterie sicherstellt. Außerdem isoliert sie die Hüllbleche 2, 4 seitlich gegenüber anderen Bauelementen, wie beispielsweise einem Batteriegehäuse oder dergleichen. Die in den Figuren 12 und 13 dargestellten Varianten können dabei auch untereinander kombiniert werden. So ist es möglich, auf der Seite an denen die Hüllbleche 2, 4 die Abkantungen 2a, 4a tragen, diese nicht mit Kunststoff zu ummanteln, um diese wärmeleitend an die Kühleinrichtung anbinden zu können. Auf den anderen Seiten, an denen das Gehäuse der Batterie 12 angeordnet werden wird, ist eine
Ummantelung dagegen sinnvoll, um die Batterie elektrisch nach außen zu isolieren und hermetisch abzudichten.
Die beschriebene Batterie 12 und das beschriebene Herstellungsverfahren sind dabei einfach und effizient, und kommen mit vergleichsweise wenigen Montageschritten aus. Das Verfahren ist dementsprechend geeignet, um die Batterie 12 und/oder die
Rahmenflachzellen 1 kostengünstig zu produzieren. Sie können dann in großer
Stückzahl, beispielsweise für hybridisierte oder elektrische Fahrzeuge eingesetzt werden, welche die Batterien 12 zur Speicherung bzw. Zwischenspeicherung von elektrischer Energie nutzen können.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen, welche zu der
Batterie gestapelt sind, und welche für jede der Rahmenflachzellen zwei
Hüllbleche aufweisen, zwischen welchen ein Elektrodenstapel aus Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrodenstapel (5) von einem Abschirmelement (3) umgeben ist, welches die Hüllbleche (2, 4) seitlich zumindest teilweise überragen, wobei um das
Abschirmelement (3) herum zumindest in den Bereichen, in denen die Hüllbleche (2, 4) das Abschirmelement (3) überragen, Kunststoff (9) zwischen den
Hüllblechen (2, 4) angeordnet und fest mit den Hüllblechen (2, 4) verbunden ist.
2. Batterie nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff (9) durch Spritzgießen oder Spitzpressen aufgebracht ist.
3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Hüllbleche (2, 4) für jede Rahmenflachzelle (1 ) vorgesehen sind.
4. Batterie nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Hüllblech (2, 4) für jede Rahmenflachzelle (1 ) sowie ein abschließendes Hüllblech (4) auf einer Seite des Zellenstapels vorgesehen ist.
5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Hüllbleche (2, 4) jeder Rahmenflachzelle (1 ) eingeprägte Abschnitte (10), insbesondere Noppen, zur Positionierung des Abschirmelements (3) aufweist.
6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abschirmelement (3) aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
7. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abschirmelement (3) zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, und gegenüber wenigstens einem der Hüllbleche (2, 4) eine Isolierung aufweist.
8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abschirmelement (3) an einem der Hüllbleche (2, 4) fixiert ist.
9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Abschirmelement (3) einstückig mit einem der Hüllbleche (2, 4) ausgebildet ist.
10. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aufgebrachte Kunststoff (9) bündig mit den über das Abschirmelement (3) ragenden Teilen der Hüllbleche (2, 4) abschließt.
11. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aufgebrachte Kunststoff (9) die Hüllbleche (2, 4) an wenigstens zwei der Stirnseiten der Rahmenflachzelle (1) ummantelt.
12. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch aktive Material der Rahmenflachzellen (1 ) in Lithium-Ionen- Technologie ausgebildet ist.
13. Verfahren zum Herstellen einer Batterie mit bipolaren Rahmenflachzellen,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jede Rahmenflachzelle
13.1 in einem ersten Schritt ein Abschirmelement (3) auf einem ersten Hüllblech (2) positioniert wird, so dass das erste Hüllblech (2) zumindest teilweise über das Abschirmelement (3) ragt;
13.2 in einem zweiten Schritt ein Elektrodenstapel (5) aus Anodenfolien (8),
Separatorfolien (7) und Kathodenfolien (6) in dem Abschirmelement (3) und zwischen dem ersten und einem zweiten Hüllblech (4) positioniert wird, so dass das zweite Hüllblech (4) zumindest teilweise über das Abschirmelement (3) ragt;
13.3 in einem dritten Schritt ein Kunststoff (9) um das Abschirmelement (3) herum, zumindest in den Bereichen, in den die Hüllbleche (2, 4) das Abschirmelement überragen aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff (9) durch Spritzgießen oder Spritzprägen aufgebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hüllbleche (2, 4) mit dem Abschirmelement (3) und dem Elektrodenstapel (5) lose montiert werden, wonach sie zumindest so stark miteinander verpresst werden, dass das Abschirmelement (3) den Elektrodenstapel (5) gegenüber dem aufgebrachten Kunststoff (9) abdichtet.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verpressen der Hüllbleche (2, 4) und des Abschirmelementes (3) in einer Spritzgussmaschine erfolgt, und der Kunststoff (9) danach in der Maschine aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Verpressen der Hüllbleche (2, 4) und des Abschirmelementes (3) in einer
Spritzprägemaschine erfolgt, wobei nach dem Aufbringen des Kunststoffs (9) der Druck auf den Kunststoff (9), die Hüllbleche (2, 4) und das Abschirmelement (3) so weit erhöht wird, dass der Kunststoff (9) in seine endgültige Form gepresst wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Batterie (12) aus mehreren Rahmenflachzellen (1 ) durch das Aufbringen des Kunststoffs (9) als Ganzes fertig gestellt und verschlossen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Abschirmelement (3) durch eingeprägte Abschnitte (10), insbesondere
eingeprägte Noppen, in einem der Hüllbleche (2, 4) jeder der Rahmenflachzellen (1 ) in Position gehalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Folien des Elektrodenstapels (5) untereinander verbunden, insbesondere verschweißt werden, und dass danach der Elektrodenstapel (5) mit dem jeweiligen Hüllblech (2, 4) verbunden, insbesondere verschweißt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrodenstapel (5) mit Elektrolyt getränkt in den Rahmenflachzellen (1 ) positioniert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrolyt nach der Herstellung der Batterie (12) oder der Rahmenflachzelle (1 ) durch eine Öffnung in dem Kunststoff (9) und dem Abschirmelement (3), welche nachträglich eingebracht wird oder beim Aufbringen des Kunststoffs (9) frei gelassen wird, eingefüllt wird, wonach die Öffnung verschlossen wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrochemisch aktiven Bestandteile der Rahmenflachzellen (1 ) in Lithium- Ionen-Technologie ausgebildet werden.
24. Verwendung einer Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einer Batterie erhältlich nach einem der Ansprüche 13 bis 23 zur Speicherung von
Traktionsenergie in einem elektrisch oder teilweise elektrisch angetriebenen Transportmittel.
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