WO2011012204A1 - Elektrodenanordnung für eine batterieeinzelzelle - Google Patents

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WO2011012204A1 PCT/EP2010/004040 EP2010004040W WO2011012204A1 WO 2011012204 A1 WO2011012204 A1 WO 2011012204A1 EP 2010004040 W EP2010004040 W EP 2010004040W WO 2011012204 A1 WO2011012204 A1 WO 2011012204A1
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battery cell
electrode
foils
electrode arrangement
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PCT/EP2010/004040
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English (en)
French (fr)
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Dirk Schröter
Jens Meintschel
Rainer Kaufmann
Wolfgang Warthmann
Arnold Lamm
Andreas Gutsch
Claudia Brasse
Claus-Rupert Hohenthanner
Jörg Kaiser
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to an electrode arrangement for a single cell battery in lithium-ion technology, according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a single battery cell with such an electrode assembly. Moreover, the invention relates to a method for producing such
  • the invention also relates to the use of such a single battery cell or a single battery cell obtained by the method.
  • Batteries in lithium-ion technology are known from the general state of the art. These batteries have a very high power density. Therefore, they are predestined for applications which should save the highest possible amount of electrical power with comparatively small space and low tolerable weight of the battery. Preferred applications are therefore electrical or partially electric (hybridized) powertrains in means of transport of all kinds, especially in motor vehicles.
  • the battery individual cells as round battery individual cells, which are arranged in a cup-shaped housing and usually in
  • Cover area of the housing have the appropriate connections.
  • a battery which is constructed from such single battery cells
  • DE 10 2008 010 837.5 which has not been pre-published.
  • the application describes such a battery and is particularly concerned with the cooling of the same.
  • the cooling of such a battery generally plays a significant role.
  • the battery cells are prismatic and can be stacked to the battery.
  • a particularly preferred embodiment of this type provides so-called bipolar compassionflachzellen, which are constructed so that on one side of an electrically insulating frame, a first cladding sheet, which is connected to the first pole of the battery, and that on the other side of the electrically insulating Frame another cover plate is connected, which is connected to the other pole of the battery.
  • the battery cells are stacked and typically clamped together so that on one side of the stack of battery cells one battery pole comes to rest, while on the other side of the stack of battery cells the other battery is located.
  • Such battery individual cells are described for example in the earlier German application with the file number DE 10 2007 063 181.4.
  • the battery individual cells have two metallic cladding sheets, which through the electrically insulating frame
  • the cladding sheets are also used as varnishleitbleche, which conduct waste heat arising in the battery to the outside of the battery single cell.
  • the metallic cladding sheets communicate with a cooling device,
  • This cooling device is typically actively cooled by a cooling fluid or the air conditioning coolant of an air conditioning system.
  • the electrochemically active materials are arranged in the interior of the single battery cell, ie between the enveloping plates and surrounded by the electrically insulating frame in the prismatic cell, in the design set out above, or in the interior of the cup-shaped housing in the round cell. These consist of one
  • the electrode arrangement has anode and cathode foils, which are alternately stacked one above the other with electrically isolated but, due to their porosity for ions permeable separators, interposed therebetween.
  • the anode or cathode foils typically consist of copper or aluminum foils, or of films of suitable alloys of these metals.
  • the metallic foils of one pole typically protrude beyond the separators on one side, while the metallic ones of the two poles Slides of the other pole do this on another side.
  • the thus stacked films of the electrode assembly can then be used as a film stack in a prismatic cell or as a film roll, usually wound around a core in a cup-shaped or round battery single cell. Regardless of the design of the
  • Single battery cell then comes to the electrode assembly in the housing nor an electrolyte to complete the chemically active area of the single battery cell and activate.
  • thermoplastic material electrically insulating frame For example, to connect the metallic Hüllbleche safely and reliably with a made of thermoplastic material electrically insulating frame.
  • Electrode assembly Extremely sensitive are the separators made of a plastic material. Although the metallic anode and cathode films, which usually still have an inorganic coating, are significantly more temperature-resistant, they are also highly thermally conductive and thus conduct the temperature from the region of the housing or its welded edge regions into the electrode arrangement. Already above 130 ° C melt the materials of conventional separators made of organic material or plastic and irreversibly lose their porosity. This blocks the desired current paths for the ions. In general, this so-called “shut-down effect" is as
  • Safety mechanism desired to prevent uncontrolled melting of the separator to form holes at correspondingly high temperatures. In that case, large shorts between the anode and the cathode would result, which would result in a fire and possibly an explosion of the single cell of the battery could have. Since the Separate easily melt at 130 ° C, lose their porosity and thus block the flow of current, the cell is early irreversibly put out of order, so that further melting of the separator can be prevented to form the said critical holes.
  • Manufacturing process allows, and also reduces the space requirement of the respective single battery cell with the same performance.
  • the separator consists at least partially of an inorganic material, it can be achieved in the case of the electrode arrangement according to the invention that it has a much higher thermal stability. This can on the one hand be achieved that damage to the separators can be prevented when using appropriate welding process or other working with thermal energy manufacturing processes. This allows the use of simple and efficient methods, even in close proximity to the electrode assembly. On the other hand, with
  • Electrode arrangement is the separator of a carrier material, in particular a fabric or a non-woven, formed, which is coated with ceramic particles.
  • the carrier material or fleece can be formed, for example, from plastic fibers or other organic materials.
  • the coating with the inorganic ceramic particles nevertheless results in a comparatively good temperature resistance with correspondingly high resistance of the separator.
  • Electrode arrangement thus makes it possible to use a simple, inexpensive to manufacture and yet lightweight and temperature-resistant separator in the electrode assembly, which also has a sufficiently large flexibility to use the electrode assembly in different designs, for example, to wind the electrode assembly.
  • the electrode arrangement is designed so that the anode foils and / or the cathode foils are welded together to form a connection region.
  • Terminal areas are welded to current conductors or the corresponding poles is possible in the structure according to the invention, without any damage to the separators would be feared.
  • Electrode arrangement specified The electrode arrangement of the single battery cell is arranged in a housing, wherein a part of the housing at least with the electrode films of a pole of the electrode assembly directly or via a
  • Connecting element is welded.
  • the single battery cell has a very simple and efficient construction to be produced.
  • One of the poles is placed on a part of the housing or is passed over the housing, so that can be dispensed with additional power conductors, which would require space and weight.
  • Electrode arrangement it is possible to weld them to the corresponding part of the housing, without having to consider special measures or provide appropriate cooling, as well as welding in the immediate vicinity of the electrode assembly the temperature-resistant separators with the inorganic material can not harm.
  • the individual battery cell according to the invention can thus be produced simply and efficiently and requires less installation space than conventional cells, so that a battery constructed on the basis of these individual battery cells can achieve a high power volume.
  • Claim 8 describes a method for producing a single battery cell with the electrode arrangement according to the invention.
  • the welding takes place by a pressure welding process.
  • Such a pressure welding process takes place in such a way that the components to be welded are placed between two electrodes or sonotrodes, through which a current then flows or which are moved with ultrasound. Between the components, this results in a corresponding heat flow either by the electric current
  • the materials melt and combine with each other during cooling.
  • the advantage of such pressure welding processes lies in particular in the fact that different materials can be welded together, for example the aluminum or aluminum-containing material of the cathode foil with, for example, an iron-based part of the housing of the single cell battery.
  • the anode foils made of copper or a copper-containing material can be welded to an aluminum-containing part of the battery housing. The use of such pressure welding method is therefore particularly simple and efficient, since it is independent of the materials for
  • connection of both poles can be used equally. Furthermore, one is in the choice of materials for the housing, the pole elements and / or possibly.
  • connection elements relatively free. The selection may therefore be primarily for the sake of
  • Electrode arrangement further simplified and optimized in terms of manufacturing costs. The ability to easily and inexpensively manufacture battery cells in this way and a variety of such battery cells to a large battery
  • Storage battery for storing traction energy for an at least partially electrically powered means of transport on land, in the water or in the air.
  • the thus-available high-performance batteries can be used advantageously as relatively inexpensive and high power volume batteries preferably in motor vehicles with electric drive or hybrid drive or mild hybrid drive, in particular also because of the inventive
  • Electrode arrangement a very secure structure arises, which also in case of damage to the battery, as he is to be feared for example in a crash of the vehicle, the maximum security.
  • FIG. 1 shows an exemplary electrode arrangement according to the invention
  • Fig. 2 is a single battery cell in a possible embodiment according to the invention.
  • Fig. 3 is an exploded view of a single battery cell in another
  • FIG. 5 shows an exemplary structure for welding an electrode arrangement to a part of a housing of a single battery cell
  • Fig. 6 shows an exemplary structure of a device for closing the
  • the electrode assembly 1 consists of anode foils 2 and cathode foils 3, which typically consist of copper or aluminum or suitable alloys with copper or aluminum in the case of a lithium-ion battery.
  • the cathode foils 3 typically consist of copper or aluminum or suitable alloys with copper or aluminum in the case of a lithium-ion battery.
  • Electrode sheets 2, 3 are provided with a typically inorganic coating.
  • the anode foils 2 are stacked alternately with the cathode foils 3, wherein a separator 4 is arranged in each case between the foils of different polarity.
  • the purpose of the separator 4 is to electrically insulate the anode foils 2 from the cathode foils 3 and thereby to be permeable to ions. Later, an electrolyte is then introduced into the region of the anode foils 2 and the cathode foils 3, so that the electrochemically active structure of the electrode arrangement 1 is functional.
  • the separator 4 is also ideally formed of a flexible material, so that it allows a certain flexibility of the electrode assembly 1 together with the anode foils 2 and the cathode foils 3. Contrary to conventional
  • the present separator 4 is composed of a carrier material in the form of a non-woven or a fabric.
  • This carrier material also consists of organic plastic fibers, which are connected to a fabric or particularly simple and inexpensive to a nonwoven fabric.
  • This nonwoven as carrier material of the separator 4 is then coated with inorganic materials, in particular with ceramic particles.
  • the separator 4 is thus ultimately a plastic fleece coated with ceramic particles, which can realize a direct electrical separation of the anode foils 2 and the cathode foils 3. It can be about the porosity of the separator 4 and the fleece and the collecting therein
  • Electrolyte the conduction of ions from the anode foil 2 to the cathode foil 3 in the desired manner, so that a functional electrode assembly 1 is formed for a lithium-ion battery.
  • the separator inorganic material is particularly temperature-resistant, since the separator, in contrast to a pure porous plastic film can withstand relatively high temperatures. Unlike a plastic film, which melts from about 130 ° C and thus loses its porosity, the separator according to the invention can also higher
  • the separator 4 according to the invention is particularly stable and also withstands mechanical impairments very well, so that no extreme holes or the like in the separator 4 are to be feared even after extreme loads on the electrode assembly 1, which would allow the anode foils 2 and the cathode foils 3 in the area of such a hole and cause a large-area short circuit.
  • Such a large-area short circuit should be avoided in any case, since it would typically result in a fire or even explosion of a battery single cell 5 equipped with the electrode assembly 1, of which different types are described below.
  • the separator 4 is so flexible that the electrode assembly 1 a high
  • the electrode assembly 1 can be wound around a core 6, as shown in the illustration of a possible
  • Battery single cell 5 can be seen in Figure 2.
  • the single battery cell 5 according to FIG. 2 shows the typical structure for a single round battery cell 5 with a single cell
  • the electrode assembly 1 can be seen inside the cup-shaped housing part 7, consists of a stack of electrodes analogous to the representation in Figure 1, which was wound around the core 6 accordingly.
  • the anode foils 2 protrude accordingly and are connected via a serpentine-shaped current conductor 9 to a first pole element 10 of the single battery cell 5.
  • This pole element 10 is guided by means of electrically insulating materials 11 through the lid 8 accordingly.
  • the cathode foils 3 are above the
  • Electrode assembly 1 and are connected via a current collector 12 to the bottom of the cup-shaped housing part 7.
  • the cup-shaped housing part 7 is also made of an electrically conductive material, for example made of aluminum.
  • Batterieeinzelzelle 5 The current can then flow through the cup-shaped housing part 7 and the lid 8 in the second pole member 13 which is fixedly connected to the lid 8.
  • the electrode arrangement or the electrode winding 1 in the single battery cell 5 according to FIG. 2 is now constructed in the above-mentioned manner with the separators 4 made of at least partially inorganic material.
  • the electrode coil 1 is therefore relatively resistant to the input of heat. Therefore, the two current conductors 9, 12 can easily and inexpensively with the electrode coil 1 and the cup-shaped
  • cup-shaped housing part 9 and cover 8 are welded.
  • the entire structure of cup-shaped housing part 9 and cover 8 can then also be closed safely and reliably after pressing the lid 8 by welding, for example by laser welding, in the region of the overlap between the cup-shaped housing part 7 and the cover 8.
  • an alternative embodiment is a single battery cell 5 in one
  • the single battery cell 5 according to FIG. 3 is very simple and constructed with comparatively few components. It is therefore compact and can be produced with minimal effort and thus at relatively low cost.
  • the construction of the single battery cell 5 according to FIG. 3 is a so-called frame flat cell.
  • the battery single cell 5 consists of an electrically insulating frame 14, which is preferably constructed of a thermoplastic material or at least portions of thermoplastic material. This frame 14, together with two enveloping plates 15, 16, the housing of the single battery cell 5. For this purpose, the two enveloping plates 15, 16 easy with the
  • the single cell battery 5 is called bipolar
  • Battery single cell 5 constructed, which means that both poles are placed on mutually insulated areas of the housing.
  • the electrode arrangement 1 has connecting regions 17 in its edge regions. These connection regions 17 are formed from the mutually guided and interconnected films 2, 3 of the respective pole. In the illustration of FIG. 4, this is illustrated by a detail enlargement for one of the poles. Again, the corresponding separators 4 can be seen again, of which only a few are exemplarily provided with a reference numeral.
  • the anode foils 2 and the cathode foils 3 are alternately stacked between the separators.
  • the cathode foils 3 are now led out of the stack on one side of the electrode arrangement 1.
  • the anode foils 2 are led out accordingly.
  • the led out cathode foils 3 are then connected to one another in the region outside the separators 4 to the connection region 17 of the electrode arrangement 1, in particular pressed together and optionally welded.
  • the structure of the electrode assembly 1, as shown in Figure 3 forms by the at least pressed electrode films 2, 3 in the connection areas 17 a self-contained structure, which can be handled comparatively easy.
  • Batterieeinzelzelle 5 can be omitted.
  • bent portions 18, 19 can be seen on the respective cladding sheets 15, 16. These folds 18, 19 come to lie in the completed cell below the frame 14. Since the two enveloping plates 15, 16 have different polarity, it must be ensured that the folds 18, 19 do not touch below the frame 14, since this equates to a short circuit of the cell.
  • the functionality of the folds 18, 19 is now that is derived by the Hüllbleche 15, 16 in the single battery cell 5 resulting heat. In order to achieve efficient cooling of the battery single cell 1 with minimal expenditure of installation space, several individual battery cells 5 are stacked to form the overall battery.
  • a cooling plate or the like via a heat-conducting, but electrically insulating film or potting compound can be attached.
  • the folds 18, 19 creates a comparatively large area to to transfer the heat from the region of the Hüllbleche 15, 16 in such a cooling device.
  • the attachment of the terminal portions 17 of the electrode assembly 1 according to the invention thus takes place, as already stated above, by welding. Since there is a difference in the materials between at least one of the cladding sheets 15, 16 and one of the terminal regions 17, for example copper in the anode foils 2 and aluminum or iron in the corresponding cladding sheets 15, 16, pressure welding methods, such as spot welding, are preferred welding methods. used.
  • the particularly preferred embodiment provides for ultrasonic welding as a suitable pressure welding method. 5
  • the welding of the one connection region 17 to one of the cladding sheets 15, 16, here for example the cladding sheet 15, is shown again in a corresponding enlargement of the detail.
  • the first cover plate 15 is arranged behind the frame 14 here. Inside the frame 14 and on the
  • Hüllblech 15 is the electrode assembly 1, in such a way that the
  • Electrode assembly 1 comes to rest.
  • This connection region 17 is clamped together with the cladding sheet 15 between an anvil 20 and a sonotrode 21 of a conventional ultrasonic welding device.
  • the material between sonotrode 21 and the counter element of the anvil 20 is heated so that the cladding plate 15 is welded correspondingly to the connection region 17 of the electrode arrangement 1.
  • the individual electrode foils for example the anode foils 2
  • they are also welded together in the area between the sonotrode 21 and the anvil 20.
  • the construction shown in FIG. 5 will then typically set three to five welds along the height of the connection element 17.
  • other methods such as, for example, a roll welding or a laser welding in the overlap of the connection region 17 with the enveloping sheet 15, would also be conceivable.
  • the weld can be arranged very close to the separators 4, without damaging them. This ensures that the connection region 17 can be made comparatively small in the direction of the flat extension of the single battery cell 5, since it is not necessary to space the welds correspondingly far from the separators 4. This will be No installation space in the active area of the electrode arrangement 1 is given away.
  • the production method according to the invention thus makes it possible to achieve a very compact construction
  • the electrode arrangement 1 can be welded with its respective connection areas 17 to the respective cover plates 15, 16, wherein the frame 14 is likewise located between the cover plates 15 and 16, at the latest before the second connection area 17 is welded to the corresponding cover plate. Due to the flexibility of the electrode films 2, 3 am
  • the two Hüllbleche can still be moved against each other, in particular be folded together with the electrode assembly 1 in the manner of a Z. In this phase can then be filled through the resulting opening, for example, the electrolyte.
  • the flexibility allows an exact positioning of the Hüllbleche 15, 16 relative to the frame 14. Thereafter, the two enveloping plates 15, 16 are pressed against each other and thus against the frame 14 via heated punches 22. In this
  • thermoplastic material of the frame 14 is at least partially melted and connects securely, firmly and tightly with the two cladding sheets 15, 16. Also here registered heat, which is indeed registered directly in the thermally conductively connected to the electrode assembly 1 Hüllbleche 15,16, can the
  • Electrode assembly 1 due to the suitable separators 4 do not damage.
  • Battery single cell in lithium-ion technology very simple and inexpensive and allows a single battery cell 5 with high power volume.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung (1) für eine Batterieeinzelzelle (5) in Lithium-Ionen-Technologie. Die Elektrodenanordnung (1) besteht aus abwechselnd gestapelten Anodenfolien (2) und Kathodenfolien (3). Diese sind jeweils durch einen Separator (4) elektrisch gegeneinander isoliert. Erfindungsgemäß ist dieser Separator (4) zumindest teilweise aus einem anorganischen Material ausgebildet. Die Erfindung umfasst ferner eine Batterieeinzelzelle (5) mit einer derartigen Elektrodenanordnung (1) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterieeinzelzelle (5).

Description

Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle in Lithium- Ionen-Technologie, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Batterieeinzelzelle mit einer derartigen Elektrodenanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen
Batterieeinzelzelle. Zuletzt betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung einer solchen Batterieeinzelzelle oder einer nach dem Verfahren erhaltenen Batterieeinzelzelle.
Batterien in Lithium-Ionen-Technologie sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Daher sind sie prädestiniert für Anwendungen, welche bei vergleichsweise geringem Bauraum und geringem tolerierbarem Gewicht der Batterie eine möglichst hohe Menge an elektrischer Leistung speichern sollen. Bevorzugte Anwendungen sind daher elektrische oder teilelektrische (hybridisierte) Antriebsstränge in Transportmitteln aller Art, insbesondere in Kraftfahrzeugen.
Für derartige Batterien sind dabei im Wesentlichen zwei verschiedene Bautypen bekannt. Beide bestehen jeweils aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen. Einer der
gebräuchlichen Bautypen weist die Batterieeinzelzellen als runde Batterieeinzelzellen auf, welche in einem becherförmigen Gehäuse angeordnet sind und üblicherweise im
Deckelbereich des Gehäuses über die entsprechenden Anschlüsse verfügen. Beispielhaft soll bezüglich einer Batterie, welche aus derartigen Batterieeinzelzellen aufgebaut ist, auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2008 010 837.5 verwiesen werden. Die Anmeldung beschreibt eine derartige Batterie und beschäftigt sich insbesondere mit der Kühlung derselben. Da in Lithium-Ionen-Batterien große Mengen an Abwärme auftreten, spielt die Kühlung einer solchen Batterie im Allgemeinen eine nicht unerhebliche Rolle.
In einer alternativen Bauform sind die Batterieeinzelzellen prismatisch ausgebildet und können zur Batterie aufgestapelt werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Bauart sieht sogenannte bipolare Rahmenflachzellen vor, welche so konstruiert sind, dass auf der einen Seite eines elektrisch isolierenden Rahmens ein erstes Hüllblech liegt, welches mit dem ersten Pol der Batterie verbunden ist, und dass auf der anderen Seite des elektrisch isolierenden Rahmens ein weiteres Hüllblech liegt, welches mit dem anderen Pol der Batterie verbunden ist. Die Batterieeinzelzellen werden aufeinander gestapelt und typischerweise miteinander verspannt, sodass auf der einen Seite des Stapels der Batterieeinzelzellen der eine Batteriepol zu liegen kommt, während auf der anderen Seite des Stapels der Batterieeinzelzellen der andere Batteriepol liegt. Derartige Batterieeinzelzellen werden beispielsweise in der älteren deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2007 063 181.4 beschrieben. Die Batterieeinzelzellen weisen zwei metallische Hüllbleche auf, welche durch den elektrisch isolierenden Rahmen
voneinander getrennt sind. Neben der Funktion der Hüllbleche als Pole der
Batterieeinzelzelle werden die Hüllbleche auch als Wärmeleitbleche verwendet, welche in der Batterie entstehende Abwärme nach außerhalb der Batterieeinzelzelle leiten. Dort stehen die metallischen Hüllbleche mit einer Kühleinrichtung in Verbindung,
beispielsweise einer auf zumindest einer Seite der Batterie bzw. des Stapels von
Batterieeinzelzellen angeordneten Kühlplatte. Diese Kühleinrichtung wird typischerweise von einer Kühlflüssigkeit oder dem Klimakühlmittel einer Klimaanlage aktiv gekühlt.
Im Inneren der Batterieeinzelzelle, also zwischen den Hüllblechen und umgeben von dem elektrisch isolierenden Rahmen bei der prismatischen Zelle, in der oben dargelegten Bauform, oder im Inneren des becherförmigen Gehäuses bei der Rundzelle, sind die elektrochemisch wirksamen Materialien angeordnet. Diese bestehen aus einer
Elektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung weist dabei Anoden- und Kathodenfolien auf, welche mit dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden aber aufgrund ihrer Porosität für Ionen durchlässige Separatoren voneinander getrennt abwechselnd übereinander gestapelt sind. Bei Lithium-Ionen-Batterien bestehen die Anoden- bzw. Kathodenfolien typischerweise aus Kupfer- bzw. Aluminiumfolien, oder aus Folien von geeigneten Legierungen dieser Metalle. Die metallischen Folien des einen Pols stehen typischerweise an einer Seite über die Separatoren hinaus, während die metallischen Folien des anderen Pols dies an einer anderen Seite tun. Die so gestapelten Folien der Elektrodenanordnung können dann als Folienstapel in einer prismatischen Zelle oder als Folienwickel, üblicherweise um einen Kern aufgewickelt in einer becherförmigen bzw. runden Batterieeinzelzelle eingesetzt werden. Unabhängig von der Bauform der
Batterieeinzelzelle kommt dann zu der Elektrodenanordnung in dem Gehäuse noch ein Elektrolyt, um den chemisch aktive Bereich der Batterieeinzelzelle fertig zu stellen und zu aktivieren.
Um nun eine sichere und zuverlässige Verbindung der einzelnen Anodenfolien untereinander oder der einzelnen Kathodenfolien untereinander zu gewährleisten und gleichzeitig eine Verbindung der jeweiligen Folienpakete mit den entsprechenden Polen bzw. Stromableitern in der Batterie zu realisieren, werden sehr häufig Schweißverfahren eingesetzt, um diese Verbindungen herzustellen. Außerdem werden sehr häufig beim Verschluss der Gehäuse der Batterieeinzelzellen Verfahren mit Nutzung thermischer Energie, z.B. Heißpressverfahren, eingesetzt, beispielsweise ein Laserschweißen, um einen in das becherförmige Gehäuse einer Rundzelle eingepressten Deckel
entsprechend mit dem Gehäuse zu verbinden, oder Heißpressverfahren, um
beispielsweise die metallischen Hüllbleche mit einem aus thermoplastischem Material gefertigten elektrisch isolierenden Rahmen sicher und zuverlässig zu verbinden.
Nachteilig bei all diesen Fügeverfahren ist der mehr oder weniger große Wärmeeintrag in den Bereich der Batterieeinzelzelle, und hier insbesondere in den Bereich der
Elektrodenanordnung. Extrem empfindlich sind dabei die aus einem Kunststoffmaterial bestehenden Separatoren. Die metallischen Anoden- und Kathodenfolien, welche üblicherweise noch über eine anorganische Beschichtung verfügen, sind zwar deutlich temperaturbeständiger, sie sind jedoch auch sehr gut wärmeleitend und leiten so die Temperatur aus dem Bereich des Gehäuses bzw. ihrer verschweißten Randbereiche in die Elektrodenanordnung. Bereits oberhalb von 130° C schmelzen die Materialien der konventionellen Separatoren aus organischem Material bzw. Kunststoff auf und verlieren dabei irreversibel ihre Porosität. Damit werden die gewünschten Strompfade für die Ionen blockiert. Im Allgemeinen ist dieser sogenannte„Shut-Down-Effekt" als
Sicherheitsmechanismus gewünscht, um bei entsprechend hohen Temperaturen ein unkontrolliertes Aufschmelzen des Separators unter Bildung von Löchern zu verhindern. Dann käme es nämlich zu großflächigen Kurzschlüssen zwischen Anode und Kathode, welche einen Brand und gegebenenfalls eine Explosion der Batterieeinzelzelle zur Folge haben könnten. Da die Separaten bereits bei 130° C leicht aufschmelzen, ihre Porosität verlieren und so den Stromfluss blockieren, wird die Zelle früh irreversibel außer Betrieb gesetzt, sodass ein weiteres Aufschmelzen des Separators unter Bildung der besagten kritischen Löcher verhindert werden kann.
Um nun in der Produktion der Batterieeinzelzelle bzw. beim Verbinden der jeweiligen Folien der Elektrodenanordnung dennoch Schweißverfahren einsetzen zu können, sind entsprechend große Abstände der Schweißstelle von dem Bereich der
Elektrodenanordnung mit den Separatoren notwendig, oder es sind aufwendige
Einrichtungen zur Kühlung vorzusehen. All dies erhöht den Fertigungsaufwand und insbesondere den Bauraumbedarf der jeweiligen Batterieeinzelzelle, sodass dies in einem nicht optimalen Leistungsvolumen der fertigen Batterie resultiert.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Elektrodenanordnung vorzuschlagen, welche die Herstellung einer sicheren und zuverlässigen Batterieeinzelzelle mit einfachen und effizienten
Fertigungsverfahren ermöglicht, und welche darüber hinaus den Bauraumbedarf der jeweiligen Batterieeinzelzelle bei gleich bleibender Leistung verringert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Elektrodenanordnung mit den
Merkmalen im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Ebenso löst eine
Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 die Aufgabe. Die Aufgabe kann letztlich auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 lösen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ferner aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Dadurch, dass der Separator zumindest teilweise aus einem anorganischen Material besteht, kann bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung erreicht werden, dass diese eine weitaus höhere thermische Stabilität aufweist. Damit kann einerseits erreicht werden, dass beim Einsatz von entsprechenden Schweißverfahren oder anderen mit thermischer Energie arbeitenden Fertigungsverfahren eine Schädigung der Separatoren verhindert werden kann. Dies ermöglicht den Einsatz einfacher und effizienter Verfahren, auch in unmittelbarer Nähe zu der Elektrodenanordnung. Andererseits kann mit
Separatoren, welche aufgrund der zumindest teilweisen Ausbildung aus anorganischen Materialien höheren Temperaturen standhalten, die Gefahr einer thermischen Zersetzung des Separators, welche zu großflächigen Kurzschlüssen, bis hin zu einem Brand oder einer Explosion der Batterieeinzelzelle führen könnte, vermieden werden können. Die thermisch gegenüber den bisher eingesetzten Separatoren deutlich stabileren
Separatoren aus zumindest teilweise anorganischen Materialien erlauben damit sehr kompakte Batterieeinzelzellen, welche unter Nutzung einfacher und effizienter
Fertigungsmethoden kostengünstig hergestellt werden können.
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung ist der Separator aus einem Trägermaterial, insbesondere einem Gewebe oder einem Vlies, ausgebildet, welches mit keramischen Partikeln beschichtet ist.
Das Trägermaterial oder Vlies kann dabei beispielsweise auch aus Kunststofffasern oder anderen organischen Materialien ausgebildet sein. Durch die Beschichtung mit den anorganischen keramischen Partikeln entsteht dennoch eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit bei entsprechend hoher Widerstandsfähigkeit des Separators. Dieser bevorzugte Aufbau des Separators in der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung erlaubt es somit, einen einfachen, kostengünstig herzustellenden und dennoch leichten und temperaturbeständigen Separator in der Elektrodenanordnung einzusetzen, welcher außerdem eine ausreichend große Flexibilität aufweist, um die Elektrodenanordnung in verschieden Bauformen verwenden zu können, beispielsweise um die Elektrodenanordnung aufzuwickeln.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenanordnung so ausgebildet, dass die Anodenfolien und/oder die Kathodenfolien untereinander zu einem Anschlussbereich verschweißt sind.
Damit entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, welcher es erlaubt, die
Elektrodenanordnung als eine Art Halbzeug herzustellen und durch das Verschweißen der Anodenfolien und/oder der Kathodenfolien untereinander die Anordnung der Folien und der Separatoren entsprechend zu sichern und damit einen einfachen und effizienten Einbau in eine Batterieeinzelzelle während ihrer Fertigung zu gewährleisten. Aufgrund der Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen Separatoren ist dieses Verschweißen problemlos auch in unmittelbarer Nähe zu den Separatoren möglich. Damit lassen sich sehr kompakte Elektrodenanordnungen und damit auch kompakte Batterieeinzelzellen mit einem hohen Leistungsvolumen realisieren. Auch ein späteres erneutes
Aufschmelzen beim Einbau in eine Batterieeinzelzelle, beispielsweise indem die
Anschlussbereiche an Stromableiter oder die entsprechenden Pole angeschweißt werden, ist beim erfindungsgemäßen Aufbau möglich, ohne dass eine Schädigung der Separatoren zu befürchten wäre.
In Anspruch 6 ist eine Batterieeinzelzelle mit einer solchen erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung angegeben. Die Elektrodenanordnung der Batterieeinzelzelle ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, wobei ein Teil des Gehäuses zumindest mit den Elektrodenfolien eines Pols der Elektrodenanordnung direkt oder über eine
Anschlusselement verschweißt ist.
Die Batterieeinzelzelle weist dabei einen sehr einfachen und effizient zu fertigenden Aufbau auf. Einer der Pole ist auf einen Teil des Gehäuses gelegt oder wird über das Gehäuse geleitet, sodass auf zusätzliche Stromleiter, welche Bauraum und Gewicht benötigen würden, verzichtet werden kann. Durch die erfindungsgemäße
Elektrodenanordnung ist es möglich, diese mit dem entsprechenden Teil des Gehäuses zu verschweißen, ohne dabei besondere Maßnahmen beachten zu müssen oder eine entsprechende Kühlung vorzusehen, da auch ein Schweißen in unmittelbarer Nähe zu der Elektrodenanordnung den temperaturbeständigen Separatoren mit dem anorganischen Material nichts anhaben kann. Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle lässt sich somit einfach und effizient herstellen und benötigt gegenüber herkömmlichen Zellen weniger Bauraum, sodass eine auf Basis dieser Batterieeinzelzellen aufgebaute Batterie ein hohes Leistungsvolumen zu erreichen vermag.
In Anspruch 8 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung beschrieben.
Bei diesem Herstellungsverfahren wird zuerst die Elektrodenanordnung in einem
Gehäuse bzw. dem Teil eines Gehäuses der Batterie positioniert, wobei zumindest einer der Pole der Elektrodenanordnung direkt oder über ein Anschlusselement mit einem Teil des Gehäuses und/oder einem Polelement der Batterieeinzelzelle verschweißt ist. Dieses erfindungsgemäße Herstellungsverfahren greift die oben bereits genannten Vorteile wieder auf. Durch ein Anordnen der Elektrodenanordnung in dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle und dem anschließenden Verschweißen mit dem Gehäuse, entweder direkt oder über ein Anschlusselement bzw. mit einem durch das Gehäuse
hindurchgeführten Pol, wird eine sehr einfache und effiziente Fertigung möglich. Dabei kann das Verschweißen ohne weitere Maßnahmen wie eine Kühlung oder das Setzen kurzer Schweißnähte mit vergleichsweise langen Pausen dazwischen realisiert werden. Die Herstellung der Batterieeinzelzelle ist somit auch sehr schnell und kostengünstig möglich.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verschweißen durch ein Pressschweißverfahren erfolgt.
Ein solches Pressschweißverfahren, insbesondere ein Ultraschallschweißen oder ein Punktschweißen, erfolgt dabei so, dass die zu verschweißenden Bauteile zwischen zwei Elektroden bzw. Sonotroden gelegt werden, durch welche dann ein Strom fließt oder welche mit Ultraschall bewegt werden. Zwischen den Bauteilen ergibt sich dadurch ein entsprechender Wärmefluss entweder durch den dem elektrischen Strom
entgegengesetzten Widerstand oder die Reibung aufgrund der Ultraschallbewegung. Die Materialien schmelzen auf und verbinden sich beim Abkühlen miteinander. Der Vorteil derartiger Pressschweißverfahren liegt nun insbesondere darin, dass verschiedene Materialien miteinander verschweißt werden können, beispielsweise das Aluminium bzw. aluminiumhaltige Material der Kathodenfolie mit einem beispielsweise eisenbasierten Teil des Gehäuses der Batterieeinzelzelle. Ebenso können die aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material bestehenden Anodenfolien mit einem aluminiumhaltigen Teil des Batteriegehäuses zu verschweißen. Der Einsatz derartiger Pressschweißverfahren ist also besonders einfach und effizient, da er unabhängig von den Materialien zum
Anschluss beider Pole gleichermaßen eingesetzt werden kann. Ferner ist man bei der Wahl der Materialien für das Gehäuse, die Polelemente und/oder evtl.
Anschlusselemente relativ frei. Die Auswahl kann daher primär aus Gründen der
Bestmöglichen und kostengünstigsten Herstellung der Einzelteile erfolgen. Damit wird die Herstellung einer derartigen Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung weiter vereinfacht und hinsichtlich der Herstellungskosten optimiert. Die Möglichkeit auf diese Art einfach und kostengünstig Batterieeinzelzellen herzustellen und eine Vielzahl derartiger Batterieeinzelzellen zu einer großen Batterie
zusammenzufügen ermöglicht es, mit geringem Aufwand und hohem Leistungsvolumen in einen verfügbaren Bauraum eine vergleichsweise kleine Batterie mit entsprechend hoher elektrischer Leistung einzusetzen. Diese Maßnahmen sowie die vergleichsweise kostengünstige Herstellung, welche hohe Stückzahlen ermöglicht, prädestiniert die Batterie bzw. die nach dem oben genannten Verfahren hergestellte Batterieeinzelzellen jeweils mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung zum Einsatz als
Speicherbatterie zur Speicherung von Traktionsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.
Die so erhältlichen Hochleistungsbatterien können als vergleichsweise kostengünstige und ein hohes Leistungsvolumen aufweisende Batterien bevorzugt in Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybrid-Antrieb bzw. Mild-Hybrid-Antrieb vorteilhaft eingesetzt werden, insbesondere auch deshalb, weil durch die erfindungsgemäße
Elektrodenanordnung ein sehr sicherer Aufbau entsteht, welcher auch im Falle einer Beschädigung der Batterie, wie er beispielsweise bei einem Crash des Fahrzeugs zu befürchten ist, die maximale Sicherheit bietet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Batterieeinzelzelle in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer weiteren
Ausführungsform;
Fig. 4 einen Ausschnitt einer Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 5 einen beispielhaften Aufbau zum Verschweißen einer Elektrodenanordnung mit einem Teil eines Gehäuses einer Batterieeinzelzelle; und
Fig. 6 einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung zum Verschließen der
Batterieeinzelzelle gemäß Fig. 3. In der Darstellung der Figur 1 ist eine Elektrodenanordnung 1 beispielhaft dargestellt. Die Elektrodenanordnung 1 besteht aus Anodenfolien 2 und Kathodenfolien 3, welche bei einer Lithium-Ionen-Batterie typischerweise aus Kupfer bzw. Aluminium oder geeigneten Legierungen mit Kupfer bzw. Aluminium bestehen. Außerdem können die
Elektrodenfolien 2, 3 mit einer typischerweise anorganischen Beschichtung versehen werden. Die Anodenfolien 2 sind abwechselnd mit den Kathodenfolien 3 gestapelt, wobei zwischen den Folien unterschiedlicher Polarität jeweils ein Separator 4 angeordnet ist. Der Separator 4 hat die Aufgabe, die Anodenfolien 2 von den Kathodenfolien 3 elektrisch gegeneinander zu isolieren und dabei für Ionen durchlässig zu sein. Später wird in den Bereich der Anodenfolien 2 und der Kathodenfolien 3 dann ein Elektrolyt eingebracht, sodass der elektrochemisch aktive Aufbau der Elektrodenanordnung 1 funktionsfähig ist.
Der Separator 4 ist dabei in idealer Weise ebenfalls aus einem flexiblen Material ausgebildet, sodass er zusammen mit den Anodenfolien 2 und den Kathodenfolien 3 eine gewisse Flexibilität der Elektrodenanordnung 1 zulässt. Entgegen herkömmlicher
Separatoren aus Kunststofffolien mit einer gewissen für das Funktionsprinzip
erforderlichen Porosität, ist der hier vorliegende Separator 4 aus einem Trägermaterial in Form eines Vlieses oder eines Gewebes aufgebaut. Dieses Trägermaterial besteht ebenfalls aus organischen Kunststofffasern, welche entsprechend zu einem Gewebe oder besonders einfach und kostengünstig zu einem Vlies verbunden sind. Dieses Vlies als Trägermaterial des Separators 4 wird dann mit anorganischen Materialien beschichtet, insbesondere mit keramischen Partikeln. Der Separator 4 ist letztendlich also ein mit keramischen Partikeln beschichtetes Kunststoff-Vlies, welches eine direkte elektrische Trennung der Anodenfolien 2 und der Kathodenfolien 3 realisieren kann. Dabei kann über die Porosität des Separators 4 bzw. des Vlieses und den sich darin sammelnden
Elektrolyt die Leitung von Ionen von der Anodenfolie 2 zur Kathodenfolie 3 in der gewünschten Art und Weise erfolgen, sodass eine funktionsfähige Elektrodenanordnung 1 für eine Lithium-Ionen-Batterie entsteht.
Der Aufbau mit dem erfindungsgemäßen Separator 4 aus zumindest teilweise
anorganischem Material ist dabei besonders temperaturbeständig, da der Separator im Gegensatz zu einer reinen porösen Kunststofffolie vergleichsweise hohe Temperaturen ertragen kann. Anders als eine Kunststofffolie, welche ab ca. 130° C aufschmilzt und damit ihre Porosität verliert, kann der erfindungsgemäße Separator auch höheren
Temperaturen standhalten, ohne die Porosität seines als Trägermaterial genutzten Vlieses zu verlieren. Da die Beschichtung mit keramischen Partikeln keine geschlossene Oberfläche bildet, sondern lediglich aus punktuell verteilten Partikeln besteht, kann nach wie vor die elektrische Leitung gewährleistet werden. Der erfindungsgemäße Separator 4 ist dabei besonders stabil und hält auch mechanischen Beeinträchtigungen sehr gut stand, sodass auch nach Extrembelastungen der Elektrodenanordnung 1 keine großflächigen Löcher oder dergleichen in dem Separator 4 zu befürchten sind, welche es erlauben würden, dass sich die Anodenfolien 2 und die Kathodenfolien 3 im Bereich eines solchen Lochs berühren und einen großflächigen Kurzschluss auslösen. Ein solcher großflächiger Kurzschluss ist in jedem Fall zu vermeiden, da er typischerweise einen Brand oder gar eine Explosion einer mit der Elektrodenanordnung 1 ausgerüsteten Batterieeinzelzelle 5, von welcher nachfolgend noch verschiedene Typen beschrieben werden, nach sich ziehen würde.
Der Separator 4 ist dabei so flexibel, dass die Elektrodenanordnung 1 eine hohe
Flexibilität als Ganzes aufweist. So kann die Elektrodenanordnung 1 beispielsweise um einen Kern 6 aufgewickelt werden, wie dies in der Darstellung einer möglichen
Batterieeinzelzelle 5 in der Figur 2 zu erkennen ist. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß Figur 2 dabei den typischen Aufbau für eine runde Batterieeinzelzelle 5 mit einem im
Wesentlichen becherförmigen Gehäuseteil 7 und einem Deckel 8. Im Inneren des becherförmigen Gehäuseteils 7 ist die Elektrodenanordnung 1 zu erkennen. Sie besteht dabei aus einem Stapel der Elektroden analog der Darstellung in Figur 1 , welcher um den Kern 6 entsprechend aufgewickelt wurde. In Richtung des Deckelelements 8 stehen dabei die Anodenfolien 2 entsprechend über und sind über einen schlangenförmig gefalteten Stromableiter 9 mit einem ersten Polelement 10 der Batterieeinzelzelle 5 verbunden. Dieses Polelement 10 ist mittels elektrisch isolierender Materialien 11 durch den Deckel 8 entsprechend hindurchgeführt. Auf der anderen Seite der aufgewickelten Elektrodenanordnung 1 stehen dementsprechend die Kathodenfolien 3 über die
Elektrodenanordnung 1 über und sind über einen Stromableiter 12 mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils 7 verbunden. Das becherförmige Gehäuseteil 7 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium hergestellt. Durch die Verbindung der Kathodenfolien 3 über den Stromableiter 12 mit dem becherförmigen Gehäuseteil 7 bildet dieses den zweiten Batteriepol der
Batterieeinzelzelle 5. Der Strom kann dann über das becherförmige Gehäuseteil 7 und den Deckel 8 in das zweite Polelement 13 fließen, welches fest mit dem Deckel 8 verbunden ist. Die Elektrodenanordnung bzw. der Elektrodenwickel 1 in der Batterieeinzelzelle 5 gemäß Figur 2 ist nun in der oben genannten Art mit den Separatoren 4 aus zumindest teilweise anorganischem Material aufgebaut. Der Elektrodenwickel 1 ist daher vergleichsweise resistent gegen den Eintrag von Wärme. Daher können die beiden Stromableiter 9, 12 einfach und kostengünstig mit dem Elektrodenwickel 1 und dem becherförmigen
Gehäuseteil 7 bzw. dem Polelement 10 verschweißt werden. Der gesamte Aufbau aus becherförmigem Gehäuseteil 9 und Deckel 8 kann dann nach dem Einpressen des Deckels 8 ebenfalls durch Schweißen, beispielsweise durch Laserschweißen, im Bereich des Überlapps zwischen dem becherförmigen Gehäuseteil 7 und dem Deckel 8 sicher und zuverlässig verschlossen werden. Obwohl über das becherförmige Gehäuseteil 7 dann Wärme in den Bereich des Elektrodenwickels 1 eingeleitet wird, muss während des Schweißens keine Kühlung des Gehäuseteils 7 oder dergleichen vorgesehen werden, da die Elektrodenanordnung 1 , wie oben bereits ausgeführt, durch den Einsatz der
Separatoren aus zumindest teilweise anorganischem Material vergleichsweise
temperaturbeständig ist.
In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform eine Batterieeinzelzelle 5 in einer
Explosionsdarstellung zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß Figur 3 ist dabei sehr einfach und mit vergleichsweise wenigen Bauteilen aufgebaut. Sie ist damit entsprechend kompakt und kann mit minimalem Aufwand und damit zu vergleichsweise günstigen Kosten hergestellt werden. Der Aufbau der Batterieeinzelzelle 5 gemäß Figur 3 ist eine sogenannte Rahmenflachzelle. Die Batterieeinzelzelle 5 besteht aus einem elektrisch isolierenden Rahmen 14, welcher bevorzugt aus einem thermoplastischen Material aufgebaut ist oder zumindest Teilbereiche aus thermoplastischem Material aufweist. Dieser Rahmen 14 bildet zusammen mit zwei Hüllblechen 15, 16 das Gehäuse der Batterieeinzelzelle 5. Hierzu werden die beiden Hüllbleche 15, 16 einfach mit dem
Rahmen 14 verbunden. Dazwischen kommt die Elektrodenanordnung 1 zu liegen, welche in diesem Fall typischerweise als Stapel von Elektrodenfolien 2, 3 und Separatoren 4 ausgebildet ist. Die Batterieeinzelzelle 5 ist dabei als sogenannte bipolare
Batterieeinzelzelle 5 aufgebaut, was bedeutet, dass beide Pole auf gegeneinander isolierte Bereiche des Gehäuses gelegt sind. In dem hier dargestellten Aufbau ist es nun so, dass die Elektrodenanordnung 1 in ihren Randbereichen jeweils Anschlussbereiche 17 aufweist. Diese Anschlussbereiche 17 sind aus den zueinander geführten und miteinander verbundenen Folien 2, 3 des jeweiligen Pols gebildet. In der Darstellung der Figur 4 ist dies an einer Ausschnittsvergrößerung für einen der Pole dargestellt. Auch hier sind wieder die entsprechenden Separatoren 4 zu erkennen, von welchen hier nur einige beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Zwischen den Separatoren liegen abwechselnd gestapelt die Anodenfolien 2 und die Kathodenfolien 3. In dem in Figur 4 dargestellten Beispiel sind nun die Kathodenfolien 3 auf der einen Seite der Elektrodenanordnung 1 aus dem Stapel herausgeführt. Analog dazu werden auf der anderen Seite der Elektrodenanordnung 1 die Anodenfolien 2 entsprechend herausgeführt. Die herausgeführten Kathodenfolien 3 sind dann im Bereich außerhalb der Separatoren 4 zu dem Anschlussbereich 17 der Elektrodenanordnung 1 miteinander verbunden, insbesondere verpresst und gegebenenfalls verschweißt. Der Aufbau der Elektrodenanordnung 1 , wie er in Figur 3 dargestellt ist, bildet durch die zumindest verpressten Elektrodenfolien 2, 3 in den Anschlussbereichen 17 einen in sich abgeschlossenen Aufbau, welcher vergleichsweise einfach gehandhabt werden kann. Dieser Aufbau der Elektrodenanordnung 1 wird nun in den Rahmen 14 und zwischen die beiden Hüllbleche 15, 16 entsprechend eingelegt. Jeweils einer der Anschlussbereiche 17 wird mit jeweils einem der Hüllbleche 15, 16 verschweißt. Sofern die Elektrodenfolien 2, 3 bisher nur miteinander verpresst sind, werden diese bei diesem Herstellungsschritt ebenfalls mit verschweißt und entsprechend sicher miteinander verbunden, sodass im Sinne der Vereinfachung der Fertigung auf ein Schweißen außerhalb der
Batterieeinzelzelle 5 verzichtet werden kann.
In der Darstellung der Figur 3 sind außerdem abgekantete Bereiche 18, 19 an den jeweiligen Hüllblechen 15, 16 zu erkennen. Diese Abkantungen 18, 19 kommen dabei bei der komplettierten Zelle unterhalb des Rahmens 14 zu liegen. Da die beiden Hüllbleche 15, 16 unterschiedliche Polarität aufweisen, ist dafür zu sorgen, dass die Abkantungen 18, 19 sich unterhalb des Rahmens 14 nicht berühren, da dies einem Kurzschluss der Zelle gleichkommt. Die Funktionalität der Abkantungen 18, 19 ist nun die, dass durch die Hüllbleche 15, 16 in der Batterieeinzelzelle 5 entstehende Wärme abgeleitet wird. Um mit minimalem Aufwand an Bauraum eine effiziente Kühlung der Batterieeinzelzelle 1 zu erreichen, werden mehrere Batterieeinzelzellen 5 zu der Gesamtbatterie gestapelt. Auf der Seite mit den Abkantungen 18, 19 kann dann eine Kühlplatte oder dergleichen über eine wärmeleitende jedoch elektrisch isolierende Folie oder Vergussmasse angebracht werden. Durch die Abkantungen 18, 19 entsteht eine vergleichsweise große Fläche, um die Wärme aus dem Bereich der Hüllbleche 15, 16 in eine solche Kühleinrichtung zu übertragen.
Die Befestigung der Anschlussbereiche 17 der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 1 erfolgt also, wie oben bereits ausgeführt, durch Verschweißen. Da zumindest zwischen einem der Hüllbleche 15, 16 und einem der Anschlussbereiche 17 ein Unterschied in den Materialien vorliegt, beispielsweise Kupfer bei den Anodenfolien 2 und Aluminium oder Eisen bei dem entsprechenden Hüllblech 15, 16, werden als Schweißverfahren bevorzugt Pressschweißverfahren, wie beispielsweise ein Punktschweißen, eingesetzt. Die besonders bevorzugte Ausführungsform sieht ein Ultraschallschweißen als geeignetes Pressschweißverfahren vor. In einer entsprechenden Ausschnittsvergrößerung ist in Figur 5 das Verschweißen des einen Anschlussbereichs 17 mit einem der Hüllbleche 15,16, hier beispielsweise dem Hüllblech 15, nochmals dargestellt. Das erste Hüllblech 15 ist hier hinter dem Rahmen 14 angeordnet. Im Inneren des Rahmens 14 und auf dem
Hüllblech 15 befindet sich die Elektrodenanordnung 1 , und zwar so, dass der
Anschlussbereich 17 auf der in Richtung des Hüllblechs 15 unteren Kante der
Elektrodenanordnung 1 zu liegen kommt. Dieser Anschlussbereich 17 wird zusammen mit dem Hüllblech 15 zwischen einem Amboss 20 und einer Sonotrode 21 einer an sich bekannten Ultraschallschweißvorrichtung eingespannt. Durch die Ultraschallbewegung der Sonotrode 21 wird das Material zwischen Sonotrode 21 und dem Gegenelement des Ambosses 20 aufgeheizt, sodass das Hüllblech 15 mit dem Anschlussbereich 17 der Elektrodenanordnung 1 entsprechend verschweißt. Falls die einzelnen Elektrodenfolien, beispielsweise die Anodenfolien 2, untereinander noch nicht verschweißt sind, werden diese im Bereich zwischen der Sonotrode 21 und dem Amboss 20 ebenfalls miteinander verschweißt. Der in Figur 5 dargestellte Aufbau wird dann typischerweise drei bis fünf Schweißstellen entlang der Höhe des Anschlusselements 17 setzen. Alternativ dazu wären jedoch auch andere Verfahren, wie beispielsweise ein Rollschweißen oder ein Laserschweißen im Überlapp des Anschlussbereichs 17 mit dem Hüllblech 15 denkbar.
Augrund der Temperaturbeständigkeit der Separatoren 4 und der ohnehin vorhandenen Temperaturbeständigkeit der Elektrodenfolien 2, 3 kann die Schweißstelle dabei sehr dicht bei den Separatoren 4 angeordnet werden, ohne diese zu schädigen. Damit wird erreicht, dass der Anschlussbereich 17 in Richtung der flächigen Ausdehnung der Batterieeinzelzelle 5 vergleichsweise klein ausgeführt werden kann, da es nicht nötig ist, die Schweißstellen entsprechend weit von den Separatoren 4 zu beabstanden. Damit wird kein Bauraum im Aktiven Bereich der Elektrodenanordnung 1 verschenkt, Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lässt sich somit eine sehr kompakte
Batterieeinzelzelle 5 mit hohem Leistungsvolumen realisieren.
In der Darstellung der Figur 6 ist abschließend eine beispielhafte Möglichkeit zum
Verschließen einer derartigen Batterieeinzelzelle 5 gezeigt. Die Elektrodenanordnung 1 kann mit ihren jeweiligen Anschlussbereichen 17 mit den jeweiligen Hüllblechen 15, 16 verschweißt sein, wobei der Rahmen 14 sich ebenfalls zwischen den Hüllblechen 15 und 16 befindet, spätestens bevor der zweite Anschlussbereich 17 mit dem entsprechenden Hüllblech verschweißt wird. Aufgrund der Flexibilität der Elektrodenfolien 2, 3 am
Übergang vom Anschlussbereich 17 in den Stapel der Elektrodenanordnung 1 können die beiden Hüllbleche noch gegeneinander bewegt werden, insbesondere zusammen mit der Elektrodenanordnung 1 in der Art eines Z aufgeklappt werden. In dieser Phase kann dann durch die entstehende Öffnung beispielsweise der Elektrolyt eingefüllt werden. Außerdem lässt die Flexibilität eine exakte Positionierung der Hüllbleche 15, 16 gegenüber dem Rahmen 14 zu. Danach werden die beiden Hüllbleche 15, 16 über beheizte Stempel 22 gegeneinander und damit gegen den Rahmen 14 gepresst. Bei diesem
Heißpressverfahren mittels der beheizten Stempel 22, welches in Figur 6 beispielhaft angedeutet ist, kann der Verschluss der Batterieeinzelzelle 5 erfolgen. Dabei wird das thermoplastische Material des Rahmens 14 zumindest partiell aufgeschmolzen und verbindet sich sicher, fest und dicht mit den beiden Hüllblechen 15, 16. Auch hierbei eingetragene Wärme, welche ja unmittelbar in die mit der Elektrodenanordnung 1 wärmeleitend verbundnen Hüllbleche 15,16 eingetragen wird, kann die
Elektrodenanordnung 1 aufgrund der hierfür geeigneten Separatoren 4 nicht schädigen. Alternativ zum Einfüllen des Elektrolyten vor dem Heißverpressen der Hüllbleche 15, 16 und des Rahmens 14 wäre es auch denkbar, den Elektrolyt nach der Fertigstellung der Zelle über eine Öffnung in dem Rahmen 14 entsprechend einzubringen und diese Öffnung beispielsweise durch einen Stopfen oder dergleichen wieder zu verschließen.
Alles in allem entsteht so ein Aufbau, welcher die Herstellung einer solchen
Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie sehr einfach und kostengünstig ermöglicht und eine Batterieeinzelzelle 5 mit hohem Leistungsvolumen erlaubt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie, wobei die Elektroden als abwechselnd gestapelte Anoden- und Kathodenfolien ausgebildet sind, welche jeweils von einem Separator elektrisch gegeneinander isoliert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Separator (4) zumindest teilweise aus einem anorganischen Material besteht.
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Separator (4) aus einem Trägermaterial, insbesondere einem Gewebe oder einem Vlies, besteht, welches mit keramischen Partikeln beschichtet ist.
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trägermaterial aus organischen Fasern, insbesondere Kunststofffasern, besteht.
4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kathodenfolien (3) aus Aluminium oder einem aluminiumhaltigen Material, und die Anodenfolien (2) aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material ausgebildet sind.
5. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenfolien (2) und/oder die Kathodenfolien (3) untereinander zu einem Anschlussbereich (17) verschweißt sind.
6. Batterieeinzelzelle mit einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodenanordnung (1) in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei ein Teil des Gehäuses (7, 15, 16) direkt oder über ein Anschlusselement (12) mit zumindest einem Pol der Elektrodenfolien (2, 3) der Elektrodenanordnung (1) verschweißt ist.
7. Batterieeinzelzelle nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch,
ihre Ausbildung als Rahmenflachzelle, wobei zwei leitende Hüllbleche (15, 16) durch einen elektrisch isolierenden Rahmen (14) voneinander getrennt sind, wobei die Elektrodenanordnung (1) als Elektrodenstapel ausgebildet ist, und wobei die Anodenfolien (2) mit dem einen Hüllblech (15) und die Kathodenfolien (3) mit dem anderen Hüllblech (16) verschweißt sind.
8. Verfahren zum Herstellen einer Batterieeinzelzelle mit einer Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodenanordnung (1) in einem Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) positioniert wird, wobei zumindest einer der Pole der Elektrodenanordnung (1) direkt oder über ein Anschlusselement (12) mit einem Teil des Gehäuses (7, 15, 16) und/oder einem Polelement (10) der Batterieeinzelzelle (5) verschweißt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Verschweißen ein Pressschweißverfahren eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Verschweißen ein Ultraschallschweißen eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) nach dem Einbringen der
Elektrodenanordnung (1) zumindest teilweise durch Schweißen verschlossen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse der Batterieeinzelzelle (5) nach dem Einbringen der
Elektrodenanordnung (1) zumindest teilweise durch Heißpressen verschlossen wird.
13. Verwendung einer Batterieeinzelzelle nach Anspruch 6 oder 7 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 8 bis 12
in einer Speicherbatterie zur Speicherung von Traktionsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der Luft.
14. Verwendung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speicherbatterie für ein Kraftfahrzeug mit elektrischem oder teilelektrischem Antriebsstrang eingesetzt wird.
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