WO2011012210A1 - Verfahren zum herstellen einer bipolaren rahmenflachzelle - Google Patents

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WO2011012210A1
WO2011012210A1 PCT/EP2010/004050 EP2010004050W WO2011012210A1 WO 2011012210 A1 WO2011012210 A1 WO 2011012210A1 EP 2010004050 W EP2010004050 W EP 2010004050W WO 2011012210 A1 WO2011012210 A1 WO 2011012210A1
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frame
hot pressing
foils
sheets
cladding
Prior art date
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PCT/EP2010/004050
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English (en)
French (fr)
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Dirk Schröter
Wolfgang Warthmann
Rainer Kaufmann
Jens Meintschel
Arnold Lamm
Claus-Rupert Hohenthanner
Jörg Kaiser
Sören Trantow
Original Assignee
Daimler Ag
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Publication date
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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 method for producing a bipolar compassionflachzelle for a battery.
  • a cooling device which is arranged for example on one of the long sides of the stack.
  • the heat generated in the frame flat cells can then be dissipated via cladding sheets of the frame flat cells, which conduct this heat into the region of a cooling device, for example a cooled plate, on one of the longitudinal sides of the battery.
  • Mild hybrid vehicles but also in purely electrically driven vehicles.
  • Each of the individual frame flat cells is constructed from an insulating frame and two electrically conductive cladding sheets on each side of the electrically insulating frame.
  • the active materials are arranged, in particular in the form of anode foils and cathode foils, which are electrically insulated from one another by a separator.
  • these can Foils are alternately stacked with respect to their polarity, with one separator each being placed between the foils. The slides are then placed in the frame.
  • the chairflachzelle is then closed in the manufacturing process according to the prior art and the anode or cathode films can be welded to the respective Hüllblech, as described for example by the non-prepublished German application with the file number DE 10 2007 063 181.4.
  • an electrolyte is typically a liquid electrolyte
  • the inventive method for producing a bipolar compassionflachzelle whose basic structure is derived from the above-mentioned not previously published German application with the file number DE 102007 063 181.4, which is hereby incorporated in its entirety in the application, provides that in a first Step the frame is fixed on the first Hüllblech or at least pre-fixed. This pre-fixation ensures that such a firm connection arises that one
  • Electrolyte can be filled into the interior of the frame, without penetrating into the area between the cladding and frame. Thereafter, the anode and
  • Cathode sheets positioned as a stack in the interior of the frame can be stacked in the frame, or a pre-made stack can be positioned in the frame. Thereafter, the filling of the previous structure with the liquid electrolyte takes place before the compassionflachzelle is completed with a second cladding on the top of the open frame. This second cladding is fixed there accordingly, so that a dense structure is created.
  • the manufacturing method has the advantage that it dispenses with the subsequent filling of the termed by the manufacturing method. This saves on the one hand the manufacturing step associated therewith, while on the other hand makes an opening, which must then be closed again in the frame superfluous.
  • the structure thus has one weak point less, at which during operation of the
  • the frame is designed at least in the region of contact with the cladding sheets of thermoplastic material, wherein the cladding sheets are welded by hot pressing with the frame.
  • This construction allows it in a simple assembly step by a corresponding compression of the Hüllbleche with the frame firmly and securely fix this structure to each other and seal it against the environment tight.
  • the stack of anode foils, Separatorfolien and cathode foils is connected to each other before positioning in the frame. Then creates a correspondingly easy-to-handle stack of the films, which can be easily and easily positioned in the frame.
  • this stack is connected before positioning in the frame with at least one of the Hüllbleche.
  • This connection with the cladding sheet which, for example, as known from the above-mentioned prior art, by
  • Laser welding can take place, can also take place before the positioning of the Hüllbleche and the frame to each other.
  • the connection can be made with one of the cladding sheets, but it is also conceivable already to connect both cladding sheets with the stack of anode foils, Separatorfolien and cathode foils. It then creates a structure which already includes all components including the frame, and which is thus connected to each other, that it can be pulled apart by the mobility of the films accordingly, so that between the Hüllblechen and the frame still appropriate gaps.
  • Fig. 1 is an exploded view of a bipolar chairflachzelle
  • FIG. 2 shows a cross section through part of the mounted bipolar frame flat cell
  • FIG. 3 is a view of a hot pressing device with inserted compassionflachzelle.
  • Fig. 4 is a sectional view of a hot pressing device with inserted
  • Fig. 5 is a sectional view of a hot pressing device with closed
  • Fig. 6 is a three-dimensional view of a mounted sturdyflachzelle.
  • a bipolar compassionflachzelle can be seen in an exploded view.
  • the frame flat cell 1 consists of a first envelope 2, which
  • the cladding 2 forms the anode side.
  • This first cladding sheet 2 is via an electrically insulating frame 3, which for example consists of a
  • thermoplastic material separated from a second cladding sheet 4, which would 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 lie next to one another on one side of the frame 3, but in such a way that they do not come into electrical contact with one another.
  • the purpose and the function of the folds 2a, 4a of the respective cover plates 2, 4 consists in that they are typically arranged on the side on which the frame flat cell 1 later, when several of the frame flat cells 1 are stacked into a battery, with a corresponding Cooling device, for example, a cooling plate in communication.
  • the folds 2a, 4a of the Hüllbleche 2, 4 now ensure that the contact of the Hüllbleche 2, 4 to the cooling plate has a comparatively large area, so that derived from the Hüllblechen 2, 4 from the interior of the compassionflachzelle 1 heat best possible to the Cooling plate can be discharged. Since this structure of the cooling as well as the connection of the cooling plate to the frame flat cells 1 is known per se and usual, however, this is not discussed in detail in the context of the present invention.
  • the Electrochemically active material Inside the frame 3 is the Electrochemically active material attached.
  • this consists of an electrode stack 5 of cathode foils 6, separators 7 and anode foils 8.
  • 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.
  • 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. Each separated from the separator 7 anode foils 8 and
  • Cathode foils 6 are alternately stacked. In the representation of FIG. 2, it can be seen that the cathode foils 6 are arranged in a first connection region 5 a of the
  • Electrode stack 5 are connected in accordance with the cover plate 4 of the cathode side. This can be done, for example, by welding, as known from the prior art.
  • the structure on the anode side is essentially comparable. Again, the anode foils 8 to a connection area 5b
  • connection region 5b of the anode side is then likewise connected to the anode side
  • Covers 2 connected accordingly, for example, welded.
  • the hot pressing device 9 shown there consists essentially of a support 10 and a corresponding heated punch 11. Ideally, both the support and the punch are designed so that the cover plates 2, 4 rest only in the area on the support 10 or of the Stamp 11 are pressed by the frame 3 between the Hüllblechen 2, 4 comes to rest. In this case, the frame flat cell 1 in the representation of FIG.
  • the first cover plate 2 is already connected to the frame 3 or pre-fixed thereto.
  • the prefixing of the cladding sheet 2 on the frame 3 must be carried out so firmly that no liquid electrolyte, which is filled into the frame 3, penetrates into the area between the frame 3 and the cladding sheet 2. This can be done for example by a corresponding gluing or the like.
  • the first cover plate 2 may already be firmly connected to the frame 3.
  • the frame 3 could be placed on the support 10, after which the first cover plate two in this case is placed on top of the frame 3.
  • Hot pressing device 9 inserted.
  • the electrode stack 5 is positioned accordingly in the frame 3 and the liquid electrolyte is filled in the structure of the frame 3 and the first cover plate 2.
  • the second cover plate 4 is lowered onto the frame 3 and also fixed to the frame 3, which in turn, as shown here, can be done by a corresponding hot pressing step and thus welding.
  • the frame flat cell 1 is finished after this last step and
  • first cover plate 2 had been prefixed only to the frame 3, this can also be finally fixed to the frame 3 in the final hot pressing, for example, in which the support 10 is also heated accordingly, or by the compassionflachzelle is turned and the corresponding step of compression is repeated. If the first cover plate 2 has already been firmly fixed to the frame 3, this is no longer necessary.
  • Frame flat cell 1 preferably can be done in a corresponding pressing chamber 12.
  • This pressing chamber 12 is indicated only schematically in the case shown here. It should be designed as a vacuum chamber, which has a corresponding pressing chamber 12
  • Vacuum pump 13 can be evacuated. The hot pressing of the components is thus carried out in a low-air atmosphere, so that oxidation processes can be avoided.
  • connection areas 5a, 5b of the cell stack 5 or its connection areas 5a, 5b to the respective cover plates 2, 4 has already taken place here.
  • Electrode stack 5 has the advantage that no welding of metallic
  • the heated punch 11 is then moved in the direction of the support 10. There is a corresponding pressure of the heated punch 11 relative to the support 10, which is indicated in the illustration of FIG. 5 by the arrows denoted by F.
  • F the pressure of the heated punch 11 relative to the support 10.
  • Frame flat cell 1 is connected to a sealed dense unit. In the illustration of FIG. 6, this frame flat cell 1 can be seen again in its final mounted state. The frame flat cell 1 can then with other
  • Frame flat cells 1 are stacked in a conventional manner to a battery. Since on one side of the frame flat cell 1, the anode side cladding sheet 2 and on the other side of the frame flat cell 1, the cathode side cladding sheet 4 is arranged, a series connection of the same in the battery can be achieved by simply stacking the compassionflachzellen 1.
  • the pressing chamber 12 should have an air-poor atmosphere in order to prevent oxidation processes.
  • the compression chamber 12 may either over a
  • Vacuum pump 13 are evacuated accordingly, so that only remains of air in the compression chamber 12 are present.
  • a corresponding protective gas which displaces the air or the oxygen in the region of the pressing chamber 12.
  • argon is one of the preferred shielding gases. Accordingly, during the assembly, rinsing of the pressing chamber 12 with protective gas or evacuation of the pressing chamber 12 must take place before the frame flat cell 1 is pressed in each case.
  • a structure for producing the frame flat cells 1 can be realized in which the preassembled frame flat cells 1 are inserted into a lock, so that not the entire pressing chamber 12 but only the lock must be purged or evacuated with protective gas. This allows a simpler faster production process, especially when used in a tile production.
  • the described manufacturing process is simple and efficient, and comes with relatively few assembly steps. It is accordingly suitable for producing low-cost frame flat cells 1, which are in large numbers,

Abstract

Ein Verfahren dient zum Herstellen einer bipolaren Rahmenflachzelle (1) für eine Batterie. Es umfasst die nachfolgenden Schritte: - in einem ersten Schritt wird auf einem Rahmen (3) ein erstes Hüllblech (2) fixiert oder vorfixiert; - in einem zweiten Schritt wird ein Stapel (5) aus Anodenfolien (8), Separatorfolien (7) und Kathodenfolien (6) in dem Rahmen (3) positioniert; - in einem dritten Schritt wird ein flüssiger Elektrolyt (E) in den Rahmen (3) eingefüllt; und - in einem vierten Schritt wird ein zweites Hüllblech (4) auf dem Rahmen (3) fixiert.

Description

Verfahren zum Herstellen einer bipolaren Rahmenflachzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum herstellen einer bipolaren Rahmenflachzelle für eine Batterie.
Der Aufbau derartiger Rahmenflachzellen in bipolarer Bauweise ist bei Einzelzellen für Batterien bekannt und üblich. Die Batterie selbst ist dabei typischerweise aus einem Stapel von einzelnen derartigen Rahmenflachzellen aufgebaut. Durch die bipolare Bauweise der Rahmenflachzellen wird eine Kontaktierung der einzelnen
Rahmenflachzellen beim Stapeln automatisch erreicht. Auf der einen Seite des Stapels liegt dann der eine Batteriepol, während auf der anderen Seite des Stapels der jeweils andere Batteriepol liegt. Beim typischen Aufbau als Lithium-Ionen-Batterie ist
üblicherweise außerdem eine Kühleinrichtung vorgesehen, welche beispielsweise auf einer der Längsseiten des Stapels angeordnet ist. Die in den Rahmenflachzellen entstehende Wärme kann dann über Hüllbleche der Rahmenflachzellen abgeführt werden, welche diese Wärme in den Bereich einer Kühleinrichtung, beispielsweise einer gekühlten Platte, auf einer der Längsseiten der Batterie leiten.
Der typische Einsatzzweck für derartige Batterien liegt beispielsweise in hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebssträngen in sogenannten Hybrid- oder
Mildhybridfahrzeugen, jedoch auch in rein elektrisch angetrieben Fahrzeugen.
Jeder der einzelnen Rahmenflachzellen ist dabei aus einem isolierenden Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder Seite des elektrisch isolierenden Rahmens aufgebaut. Im Inneren des elektrisch isolierenden Rahmens sind die aktiven Materialien angeordnet, insbesondere in Form von Anodenfolien und Kathodenfolien, welche von einem Separator elektrisch gegeneinander isoliert werden. Typischerweise können diese Folien hinsichtlich ihrer Polarität abwechselnd gestapelt werden, wobei jeweils ein Separator zwischen den Folien angeordnet wird. Die Folien werden 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 063 181.4 beschrieben ist.
Um die Rahmenflachzelle dann in ihren aktiven Zustand zu bringen, wird das Innere des Rahmens, in dem sich die Anoden- und Kathodenfolien befinden, außerdem mit einem Elektrolyten befüllt. Dieser Elektrolyt ist typischerweise ein flüssiger Elektrolyt,
beispielsweise auf der Basis von Lithium-Ionen. Um diesen Elektrolyten in die
Rahmenflachzelle einfüllen zu können, weist diese typischerweise eine Öffnung auf. In den meisten Fällen wird diese Öffnung im Bereich des Rahmens angeordnet. Sie wird nach dem Befüllen mit dem Elektrolyten entsprechend verschlossen, beispielsweise durch einen Blindniet oder eine Verschlussschraube. Es ist auch denkbar einen Stopfen in die Öffnung einzubringen und diesen entsprechend zu verkleben oder in den Rahmen einzuschmelzen.
Dieser Schritt bei der Herstellung ist vergleichsweise kompliziert und schafft im Bereich der Öffnung eine Schwachstelle im System, welche zu Leckagen neigt. Eine Leckage der Rahmenflachzelle, würde jedoch zu einem Auslaufen des Elektrolyten oder einen
Eindringen von Feuchtigkeit, und damit zu einer Schädigung der Funktionalität der Rahmenflachzelle führen. Im Zweifelsfall kann es durch derartige Leckagen, welche insbesondere durch die Druck- und Temperaturschwankungen in einer Rahmenflachzelle noch verstärkt werden, zu einem Ausfall von Rahmenflachzellen kommen. Je nach Elektrolyt kann es außerdem ein Sicherheitsrisiko darstellen, wenn dieser frei in der Batterie herumläuft. Außerdem erfordert der Herstellungsschritt des Befüllens einen entsprechenden Aufwand sowie ein zusätzliches Bauteil und gegebenenfalls das Setzen einer Öffnung, beispielsweise durch bohren. All dies macht die Herstellung der
Rahmenflachzelle aufwändiger und damit teurer.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rahmenflachzelle für eine Batterie anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches die Herstellung einer einfachen, kostengünstigen und ideal abgedichteten Rahmenflachzelle ermöglicht.
Erfindungsgemäß diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Herstellungsschritten in Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer bipolaren Rahmenflachzelle, deren prinzipieller Aufbau sich aus der oben bereits erwähnten nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102007 063 181.4 ergibt, welche hiermit in ihrer Gesamtheit in die Anmeldung mit aufgenommen wird, sieht vor, dass in einem ersten Schritt der Rahmen auf dem ersten Hüllblech fixiert oder zumindest vorfixiert wird. Diese Vorfixierung stellt sicher, dass eine so feste Verbindung entsteht, dass ein
Elektrolyt in das Innere des Rahmens eingefüllt werden kann, ohne in den Bereich zwischen Hüllblech und Rahmen vorzudringen. Danach werden die Anoden- und
Kathodenfolien als Stapel in dem Inneren des Rahmens positioniert. Sie können beispielsweise in den Rahmen eingestapelt werden, oder es kann ein vorgefertigter Stapel im Rahmen positioniert werden. Danach erfolgt das Befüllen des bisherigen Aufbaus mit dem flüssigen Elektrolyt, bevor die Rahmenflachzelle mit einem zweiten Hüllblech auf der Oberseite des offenen Rahmens abgeschlossen wird. Dieses zweite Hüllblech wird dort entsprechend fixiert, sodass ein dichter Aufbau entsteht.
Das Herstellungsverfahren hat dabei den Vorteil, dass es auf die nachträgliche Befüllung der Rahmenflachzelle mit dem Elektrolyten verzichtet. Dies spart einerseits den damit verbunden Herstellungsschritt ein, während es andererseits eine Öffnung, welche dann wieder verschlossen werden muss in dem Rahmen überflüssig macht. Der Aufbau hat damit eine Schwachstelle weniger, an welcher während des Betriebs der
Rahmenflachzelle eine Undichtheit beziehungsweise eine Leckage auftreten könnte, welche zum Eindringen von Feuchtigkeit in die Rahmenflachzelle oder zum Auslaufen des Elektrolyten führen würde.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der Rahmen zumindest im Bereich des Kontakts mit den Hüllblechen aus thermoplastischen Material ausgeführt ist, wobei die Hüllbleche durch Heißpressen mit dem Rahmen verschweißt werden. Dieser Aufbau erlaubt es in einem einfachen Montageschritt durch ein entsprechendes Verpressen der Hüllbleche mit dem Rahmen diesen Aufbau fest und sicher aneinander zu fixieren und ihn gegenüber der Umgebung dicht zu versiegeln.
In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Stapel der Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien vor dem Positionieren in dem Rahmen untereinander verbunden wird. Dann entsteht ein entsprechend gut zu handhabender Stapel aus den Folien, welcher leicht und einfach in dem Rahmen positioniert werden kann.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass dieser Stapel vor dem Positionieren in den Rahmen mit wenigstens einem der Hüllbleche verbunden wird. Dieses Verbinden mit dem Hüllblech, welches beispielsweise, wie aus dem oben erwähnten Stand der Technik bekannt, durch
Laserschweißen erfolgen kann, kann auch vor der Positionierung der Hüllbleche und des Rahmens aufeinander erfolgen. Hierfür kann beispielsweise die Verbindung mit einem der Hüllbleche hergestellt werden, es ist jedoch auch denkbar bereits beide Hüllbleche mit dem Stapel aus Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien zu verbinden. Es entsteht dann ein Aufbau, welcher bereits alle Bauteile inklusive des Rahmens umfasst, und welcher somit miteinander verbunden ist, dass er durch die Beweglichkeit der Folien entsprechend auseinandergezogen werden kann, sodass zwischen den Hüllblechen und dem Rahmen noch entsprechende Zwischenräume entstehen.
Es ist auch denkbar, diesen Verfahrensschritt des Verbindens erst dann durchzuführen, wenn der Rahmen bereits auf dem ersten Hüllblech fixiert oder vorfixiert ist. Dann entsteht ein entsprechender Aufbau bei welchem durch die Flexibilität der Folien lediglich das zweite Hüllblech noch in einem Abstand von dem Rahmen gehalten werden kann. Dieser Abstand von dem Rahmen reicht jedoch aus, um den Elektrolyten gemäß dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren entsprechend einzufüllen, bevor in dem vierten Schritt auch das zweite Hüllblech mit dem Rahmen fixiert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung der Rahmenflachzelle und der Verfahrensschritte bei ihrer Herstellung, anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer bipolaren Rahmenflachzelle;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil der montierten bipolaren Rahmenflachzelle; Fig. 3 eine Ansicht einer Heißpressvorrichtung mit eingelegter Rahmenflachzelle; Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Heißpressvorrichtung mit eingelegter
Rahmenflachzelle in einer Vakuumkammer;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Heißpressvorrichtung mit verschlossener
eingelegter Rahmenflachzelle in einer Vakuumkammer; und
Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht einer montierten Rahmenflachzelle.
In Fig. 1 ist eine bipolare Rahmenflachzelle in einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Die Rahmenflachzelle 1 besteht dabei aus einem ersten Hüllblech 2, welches
beispielsweise das Hüllblech 2 der Anodenseite bildet. Dieses erste Hüllblech 2 ist über einen elektrisch isolierenden Rahmen 3, welcher beispielsweise aus einem
thermoplastischen Material gebildet ist, 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 des Rahmens 3 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, mit einer entsprechenden 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, so dass 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 elektrisch isolierenden Rahmen 3 die Umhüllung der Rahmenflachzelle 1. Im Inneren des Rahmens 3 ist das elektrochemisch aktive Material angebracht. Dieses besteht beispielsweise bei einer Lithium-Ionen- Zelle aus einem Elektrodenstapel 5 von 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 Fig. 2 durch den Rahmen 3 und die beiden Hüllbleche 2, 4 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 Fig. 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 ein Schweißen erfolgen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Aufbau auf der Anodenseite ist dabei im Wesentlichen vergleichbar. Auch hier sind die Anodenfolien 8 zu einem Anschlussbereich 5b
zusammengefasst, welcher in der Darstellung der Fig. 2 so nicht zu erkennen ist. Dieser Anschlussbereich 5b der Anodenseite ist dann ebenfalls mit dem anodenseitigen
Hüllblech 2 entsprechend verbunden, beispielsweise verschweißt.
In dem Bereich zwischen den Hüllblechen 2, 4 und dem Rahmen 3 befindet sich außerdem ein flüssiger Elektrolyt, welcher in der Darstellung der Figuren nicht explizit zu erkennen ist.
In den Bereichen, in denen die beiden Hüllbleche 2, 4 den Rahmen 3 berühren, sind diese im endgültig monierten Zustand der Rahmenflachzelle 1 mit dem Rahmen 3 verbunden beziehungsweise an diesem fixiert. Um ein Austreten von Elektrolyt aus der Rahmenflachzelle 1 zu verhindern, muss diese Verbindung entsprechend sicher und dicht ausgeführt werden. Insbesondere wird sie daher über ein Heißpressverfahren realisiert, bei dem, wie es nachfolgend beschrieben wird, die Hüllbleche 2, 4 über einen
entsprechend beheizten Stempel gegen den Rahmen 3 gepresst werden. Dabei kommt es zu einem Aufschmelzen des thermoplastischen Materials des Rahmens, welches sich dann sicher und zuverlässig mit dem Material der Hüllbleche 2, 4 verbindet und die Rahmenflachzelle 1 so dicht und sicher verschließt. Ein entsprechender Aufbau zur Durchführung dieses Heißpressens ist in Fig. 3 zu erkennen. Die dort dargestellte Heißpressvorrichtung 9 besteht im wesentlichen aus einer Auflage 10 sowie einem entsprechenden beheizten Stempel 11. Idealerweise ist sowohl die Auflage als auch der Stempel dabei so ausgeführt, dass die Hüllbleche 2, 4 nur in dem Bereich auf der Auflage 10 aufliegen beziehungsweise von dem Stempel 11 verpresst werden, indem der Rahmen 3 zwischen den Hüllblechen 2, 4 zu liegen kommt. Dabei ist die Rahmenflachzelle 1 in der Darstellung der Fig. 3 bereits entsprechend vormontiert, sodass das erste Hüllblech 2 bereits mit dem Rahmen 3 verbunden beziehungsweise an diesem vorfixiert ist. Die Vorfixierung des Hüllblechs 2 am Rahmen 3 muss dabei so fest erfolgen, dass kein flüssiger Elektrolyt, welcher in den Rahmen 3 eingefüllt wird, in den Bereich zwischen dem Rahmen 3 und dem Hüllblech 2 eindringt. Dies kann beispielsweise durch ein entsprechendes verkleben oder dergleichen erfolgen. Alternativ hierzu kann das erste Hüllblech 2 auch bereits fest mit dem Rahmen 3 verbunden sein. Hierfür könnte in einem hier nicht dargestellten Fertigungsschritt zuerst der Rahmen 3 auf die Auflage 10 aufgelegt werden, wonach das erste Hüllblech zwei in diesem Fall oben auf den Rahmen 3 aufgelegt wird. Durch ein Absenken des beheizten Stempels 11 kann dann ein Heißverpressen des ersten Hüllblechs 2 mit dem Rahmen 3 erfolgen, bei dem der mit dem Hüllblech 2 in Kontakt stehende Bereich des Rahmens 3 entsprechend aufschmilzt und so eine feste und dichte Fixierung des ersten Hüllblechs 2 an dem Rahmen 3 durch das Heißpressen ermöglicht.
Der Aufbau mit an dem Rahmen 3 vorfixiertem oder bereits fest an dem Rahmen 3 fixiertem Hüllblech 2 wird dann entsprechend der Darstellung in Fig. 3 in die
Heißpressvorrichtung 9 eingelegt. Der Elektrodenstapel 5 wird entsprechend in dem Rahmen 3 positioniert und der flüssige Elektrolyt wird in den Aufbau aus Rahmen 3 und erstem Hüllblech 2 eingefüllt. Dann wird das zweite Hüllblech 4 auf den Rahmen 3 abgesenkt und ebenfalls an dem Rahmen 3 fixiert, was wiederum, wie hier dargestellt, durch einen entsprechenden Heißpressschritt und damit ein Verschweißen erfolgen kann. Die Rahmenflachzelle 1 ist nach diesem letzten Schritt fertig hergestellt und
entsprechend versiegelt.
Falls das erste Hüllblech 2 lediglich am Rahmen 3 vorfixiert worden war, kann dieses beim abschließenden Heißpressen ebenfalls mit dem Rahmen 3 endgültig fixiert werden, beispielsweise in dem die Auflage 10 ebenfalls entsprechend beheizt wird, oder indem die Rahmenflachzelle gewendet wird und der entsprechende Schritt der Verpressens wiederholt wird. Ist das erste Hüllblech 2 bereits fest an dem Rahmen 3 fixiert worden, entfällt dies.
In der Schnittdarstellung der Fig. 4 ist zu erkennen, dass das Heißpressen der
Rahmenflachzelle 1 bevorzugt in einer entsprechenden Presskammer 12 erfolgen kann. Diese Presskammer 12 ist im hier dargestellten Fall lediglich schematisch angedeutet. Sie soll als Vakuumkammer ausgebildet sein, welche über eine entsprechende
Vakuumpumpe 13 evakuiert werden kann. Das Heißpressen der Bauteile erfolgt somit in einer luftarmen Atmosphäre, sodass Oxidationsvorgänge vermieden werden können.
In der Darstellung der Fig. 4 ist außerdem zu erkennen, dass hier bereits eine Verbindung des Zellenstapels 5 beziehungsweise seiner Anschlussbereiche 5a, 5b mit den jeweiligen Hüllblechen 2, 4 erfolgt ist. Diese Verbindung der Anschlussbereiche 5a, 5b des
Elektrodenstapels 5 hat dabei den Vorteil, dass kein Schweißen von metallischen
Materialien mehr erfolgen muss, wenn der Elektrolyt bereits in die Rahmenflachzelle 1 eingefüllt ist. Aufgrund der Flexibilität der als Folien ausgebildeten Elektroden in dem Elektrodenstapel 5 ist es entsprechend möglich die beiden Hüllbleche 2, 4 soweit von einander abzuheben, dass durch den entstehenden Abstand der Elektrolyt entsprechend eingefüllt werden kann, wie dies hier durch den mit E bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Nachdem der Elektrolyt E in das Innere des Rahmens 3 eingefüllt ist, wird das zweite Hüllblech 4 mit dem Elektrodenstapel 5 entsprechend abgesenkt, sodass das Hüllblech 4 ebenfalls auf dem Rahmen 3 zu liegen kommt.
Wie in der nachfolgenden Fig. 5 zu erkennen ist, wird dann der beheizte Stempel 11 in Richtung der Auflage 10 gefahren. Es kommt zu einem entsprechenden Druck des beheizten Stempels 11 gegenüber der Auflage 10, welcher in der Darstellung der Fig. 5 durch die mit F bezeichneten Pfeile angedeutet ist. Durch diese Druckkräfte und die Temperatur durch den beheizten Stempel 11 , sowie die gegebenenfalls auch beheizte Auflage 10, kommt es nun zu einem Heißverpressen der beiden Hüllbleche 2, 4 und des Rahmens 3. Da der Rahmen 3, zumindest im Bereich, in dem er die Hüllbleche berührt aus einem entsprechenden thermoplastischen Material ausgebildet ist, kommt es nun zu einem Verschweißen der beiden Hüllbleche 2, 4 und des Rahmens 3. Die
Rahmenflachzelle 1 wird dabei zu einer abgeschlossenen dichten Einheit verbunden. In der Darstellung der Fig. 6 ist diese Rahmenflachzelle 1 in ihrem endgültigen montierten Zustand nochmals zu erkennen. Die Rahmenflachzelle 1 kann dann mit weiteren
Rahmenflachzellen 1 in an sich bekannter Weise zu einer Batterie gestapelt werden. Da auf der einen Seite der Rahmenflachzelle 1 das anodenseitige Hüllblech 2 und auf der anderen Seite der Rahmenflachzelle 1 das kathodenseitige Hüllblech 4 angeordnet ist, kann durch ein einfaches Stapeln der Rahmenflachzellen 1 eine Reihenschaltung derselben in der Batterie erreicht werden.
Um die endgültige Montage der Rahmenflachzelle 1 in der Presskammer 12
entsprechend realisieren zu können, sollte die Presskammer 12, wie bereits erwähnt, eine luftarme Atmosphäre aufweisen, um Oxidationsvorgänge zu verhindern. Um dies zu erreichen, kann die Presskammer 12 entweder, wie oben beschrieben, über eine
Vakuumpumpe 13 entsprechende evakuiert werden, sodass lediglich Reste an Luft in der Presskammer 12 vorhanden sind. Alternativ hierzu wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Presskammer 12 mit einem entsprechenden Schutzgas zu befüllen, welches die Luft beziehungsweise den Sauerstoff im Bereich der Presskammer 12 verdrängt. Für derartige Montagezwecke ist dabei Argon eines der bevorzugten Schutzgase. Bei der Montage muss dementsprechend vor dem Verpressen der Rahmenflachzelle 1 jeweils ein Spülen der Presskammer 12 mit Schutzgas oder ein Evakuieren der Presskammer 12 erfolgen. Um diesen Ablauf entsprechend zu vereinfachen, kann auch ein Aufbau zur Herstellung der Rahmenflachzellen 1 realisiert werden, bei dem die vormontierten Rahmenflachzellen 1 in eine Schleuse eingelegt werden, sodass nicht die gesamte Presskammer 12 sondern lediglich die Schleuse mit Schutzgas gespült oder evakuiert werden muss. Dies ermöglicht einen einfacheren zügigeren Ablauf der Fertigung, insbesondere beim Einsatz in einer Fliesfertigung.
Das beschriebene Herstellungsverfahren ist dabei einfach und effizient, und kommt mit vergleichsweise wenigen Montageschritten aus. Es ist dementsprechend geeignet, um kostengünstige Rahmenflachzellen 1 zu produzieren, welche in großer Zahl,
beispielsweise für hybridisierte oder elektrische Fahrzeuge eingesetzt werden, welche entsprechende Batterien zur Speicherung beziehungsweise Zwischenspeicherung von elektrischer Energie nutzen können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer bipolaren Rahmenflachzelle für eine Batterie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
1.1 in einem ersten Schritt wird auf einem elektrisch isolierenden Rahmen (3) ein erstes Hüllblech (2) fixiert oder vorfixiert;
1.2 in einem zweiten Schritt wird ein Stapel (5) aus Anodenfolien (8),
Separatorfolien (7) und Kathodenfolien (6) in dem Rahmen (3) positioniert;
1.3 in einem dritten Schritt wird ein flüssiger Elektrolyt (E) in den Rahmen (3)
eingefüllt; und
1.4 in einem vierten Schritt wird ein zweites Hüllblech (4) auf dem Rahmen (3) fixiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rahmen (3) zumindest im Bereich des Kontakts mit den Hüllblechen (2, 4) aus thermoplastischem Material ausgeführt ist, wobei die Hüllbleche (2, 4) durch Heißpressen auf dem Rahmen (3) fixiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder zwei,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anodenfolien (8), die Separatorfolien (7) und die Kathodenfolien (6) vor dem positionieren in dem Rahmen (3) bereits zu einem Elektrodenstapel (5) gestapelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenfolien (8) und die Kathodenfolien (7) nach dem Stapeln und vor dem Positionieren in dem Rahmen (3) untereinander verbunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrodenstapel (5) vor dem positionieren in dem Rahmen (3) mit wenigstens einem der Hüllbleche (2, 4) verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung zu dem wenigstens einen der Hüllbleche (2, 4) durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Hüllblech (2) so mit dem Rahmen (3) vorfixiert ist, dass kein
Elektrolyt (E) zwischen das erste Hüllblech (2) und den Rahmen (3) eindringt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Hüllblech (2) bereits fertig an dem Rahmen (3) fixiert ist, insbesondere durch Heißpressen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heißpressen in einer luftarmen Atmosphäre durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heißpressen durch einen beheizten Stempel (11 ) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heißpressen in einer Presskammer (12) erfolgt, nachdem diese evakuiert oder mit einem Schutzgas befüllt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die vormontierte Rahmenflachzelle (1 ) über eine Schleuse in die evakuierte oder mit Schutzgas befüllte Presskammer (12) eingebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
ein flüssiger, Lithium-Ionen enthaltender Elektrolyt (E) eingesetzt wird.
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