WO2011116802A1 - Einzelzelle für eine batterie - Google Patents

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WO2011116802A1
WO2011116802A1 PCT/EP2010/007456 EP2010007456W WO2011116802A1 WO 2011116802 A1 WO2011116802 A1 WO 2011116802A1 EP 2010007456 W EP2010007456 W EP 2010007456W WO 2011116802 A1 WO2011116802 A1 WO 2011116802A1
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housing
membrane
single cell
round
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Jens Meintschel
Dirk Schröter
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Daimler Ag
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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a single cell for a battery, wherein in a housing
  • Electrode foils of different polarity are arranged.
  • each individual cell in particular a housing of the single cell, a deliberately designed weakening of the wall thickness (a so-called bursting) as a predetermined breaking point to perform at a pressure increase in the single cell, for example by overcharging and / or short circuit, a defined pressure reduction.
  • a so-called bursting a deliberately designed weakening of the wall thickness
  • the invention has for its object to provide an improved single cell, in a simple manner prevailing in the single cell increased
  • Cell internal pressure is defined degradable.
  • a single cell according to the invention for a battery electrode foils are arranged in a housing.
  • the housing has a discharge position at a predeterminable position, which is closed by means of a membrane, which is fastened to the housing from the outside.
  • FIG. 1 shows schematically a single cell according to the invention designed as a round cell in a longitudinal section
  • Fig. 2 shows schematically an enlarged section of a bottom portion of a
  • Fig. 3 shows schematically an enlarged detail of a cross section of a
  • FIG. 4 schematically shows a single cell according to the invention designed as a round cell in a longitudinal section, wherein an increased internal cell pressure prevails in the single cell
  • Fig. 5 shows schematically an enlarged section of a bottom portion of a
  • Round cell in a sectional view wherein in the single cell an increased internal cell pressure prevails, whereby a membrane has detached from a housing
  • 7 is a schematic perspective view of a single cell designed as a flat cell with an outflow opening.
  • FIG. 1 shows a single cell 1 according to the invention in the form of a round cell 2 in a longitudinal section.
  • the round cell 2 has a housing 2.1, in which a film roll 3 is arranged with wound around a winding mandrel 4 electrode films 3.1 of two different polarities.
  • the mandrel 4 is for example tubular, so that it is hollow inside.
  • the winding mandrel 4 may also be formed as a solid body, whereby by means of the winding mandrel 4, a heat guide within the film roll 3 can be realized.
  • Adjacent electrode foils 3.1 rolled up on the film winding 3 each have different polarities and are electrically separated from one another by a separator film (not shown in greater detail).
  • an electrical potential, for. B. the negative pole, the round cell 2 for example, placed on the housing 2.1 of the round cell 2, wherein a first pole contact 2.2, in particular a round contact, is electrically connected directly to the housing 2.1 and the negative pole and the cell cover 2.3 forms.
  • a second pole contact 2.4 is used as a separate component, for. B. a rivet-shaped or plug-shaped component, executed and passed through the cell cover 2.3, between the second pole contact 2.4 and the cell cover 2.3 outside the housing 2.1 a sealing element 5 is arranged in the form of a first sealing ring 5.1, the pole contacts 2.2 and 2.4 electrically from each other isolated. Electrode foils 3.1 of one polarity are connected via an elastic power connection rail 6 with the second
  • the cell cover 2.3 and the first pole contact 2.2 are designed as one component.
  • the second pole contact 2.4 is passed through the cell cover 2.3 of the round cell 2, wherein within the housing 2.1 between the second pole contact 2.4 and the cell cover 2.3, a second sealing ring 5.2 is arranged, the second pole contact 2.4 and the cell cover 2.3 electrically insulated from each other.
  • a spacer element 7 is advantageously arranged, which has a shape similar to a spring leg.
  • the spacer element 7 is designed such that a surface facing the bottom portion 2.5 has a recess 7.1, which is for example circular.
  • An edge region 7.2 surrounding the recess 7.1 of the spacer element 7 rests against the bottom region 2.5 of the round cell 2.
  • the spacer element 7 u. a. a compensation of acting on the round cell 2 shearing loads and a current dissipation in the direction of the ground area 2.5.
  • Housing 2.1 has an outflow opening 8, in particular to specifically reduce a resulting from an overload and / or a short circuit increased internal cell pressure.
  • the outflow opening 8 is centered in the
  • the outflow opening 8 is formed in the region below the recess 7.1 of the spacer element 7.
  • the outflow opening 8 is circular in the present embodiment and has, for example, a diameter d, which corresponds approximately to a seventh of a width b of the housing 2.1 of the round cell 2.
  • the membrane 9 is closed, which is arranged outside the housing 2.1.
  • the membrane 9 is embodied, for example, as a metal-plastic composite film and preferably impermeable to media such as water.
  • the plastic of the membrane 9 is a thermoplastic.
  • the membrane 9 is attached in a particularly advantageous manner to the bottom region 2.5 of the round cell 2, the outflow opening 8 concealing, fabric and / or form-fitting manner.
  • a joining seam 9.1 resulting from the hot pressing process extends, in particular, in an edge area of the membrane 9, completely surrounding it, as shown in detail in FIG.
  • the joining seam 9.1 has a continuous constant width b, on, so that the membrane 9 is fixed evenly to the bottom portion 2.5 of the round cell 2.
  • the membrane 9 may also be glued and / or welded to the floor area 2.5.
  • the membrane 9 is arranged on the bottom region 2.5 of the round cell 2 in such a way that the housing 2.1 of the round cell 2 is sealed against diffusion of water vapor into the cell interior and against leakage of electrolyte via the outlet opening 8.
  • the membrane 9 to a pressurizable surface A which is selected, for example, many times greater than a
  • FIG. 4 shows the round cell 2 in a longitudinal section, wherein in the round cell 2 there is an increased internal cell pressure p resulting from an overcharge and / or a short circuit.
  • the membrane 9 bulges in particular from the bottom portion 2.5 of the round cell 2. Due to the curvature of the membrane 9 is in the housing 2.1 in an advantageous manner
  • a cell internal pressure p escape from the housing 2.1 in a particularly advantageous manner, without the membrane 9 is damaged.
  • a cell internal pressure p can be predetermined up to which the membrane 9 bulges.
  • a prevailing internal cell pressure p can be determined in how far the joint seam 9.1 can be loaded. It is irrelevant at which point the membrane 9 of the
  • Ground area 2.5 triggers to reduce the excessive internal cell pressure p.
  • FIG. 6 shows a single cell 1 designed as a flat cell 10 in a perspective view.
  • the flat cell 10 has a housing 10.1, which is arranged from opposite housing side walls 10.1.1, 10.1.2 and one between them
  • Body frame 10.1.3 is formed.
  • the cell interior for example, a
  • Electrode stack arranged, which is not shown in detail.
  • Electrode foil stack comprises electrode foils of different polarity.
  • a separator for example in the form of a separator film, is also arranged between the electrode films of different polarity.
  • the separator is arranged to electrically separate the electrode sheets of different polarity from each other.
  • the single cell 1 is designed as a flat cell 10, it is provided that the
  • Outflow opening 8 ' is formed on a housing side wall 10.1.1, 10.1.2. In the present embodiment, the outflow opening 8 'at a first
  • Housing side wall 10.1.1 centered with respect to a width b 'and has a circular cross-section Q' on.
  • the membrane 9 'occluding the outflow opening 8' has a quadrangular pressure surface A 'which can be acted upon by pressure, the membrane 9' also being fastened to the first housing side wall 10.1.1 by means of a hot pressing process.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für eine Batterie, wobei in einem Gehäuse (2.1, 10.1) Elektrodenfolien (3.1) unterschiedlicher Polarität angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2.1, 10.1) an einer vorgebbaren Position eine Ausströmöffnung (8, 8") aufweist, die mittels einer Membran (9, 91), die von außen an dem Gehäuse (2.1, 10.1) befestigt ist, verschlossen ist.

Description

Einzelzelle für eine Batterie
Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie, wobei in einem Gehäuse
Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität angeordnet sind.
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen für Mild-Hybrid Fahrzeuge, die als Flachzellen oder Rundzellen ausgeführt sind, werden mit elektrochemisch wirksamen Materialien beschichtete Aluminium- und Kupferfolien als Elektrodenfolien verwendet. Dabei können bzw. kann eine Überladung und/oder ein Kurzschluss zu einer Explosion einer Einzelzelle führen. Deshalb weist üblicherweise jede Einzelzelle, insbesondere ein Gehäuse der Einzelzelle, eine gezielt ausgebildete Schwächung der Wandstärke (einen so genannten Berstbereich) als eine Sollbruchstelle auf, um bei einer Druckerhöhung in der Einzelzelle, beispielsweise durch Überladung und/oder Kurzschluss, einen definierten Druckabbau vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einzelzelle anzugeben, bei der auf einfache Art und Weise ein in der Einzelzelle vorherrschender erhöhter
Zellinnendruck definiert abbaubar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer erfindungsgemäßen Einzelzelle für eine Batterie sind in einem Gehäuse Elektrodenfolien angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse an einer vorgebbaren Position eine Ausströmöffnung auf, die mittels einer Membran, die von außen an dem Gehäuse befestigt ist, verschlossen ist. Mittels der erfindungsgemäßen Einzelzelle ist es in Gewinn bringender Weise ermöglicht, einen aus einem Überladen der Einzelzelle und/oder aus einem in der Einzelzelle auftretenden Kurzschluss resultierenden erhöhten Zellinnendruck ohne Beschädigen des Gehäuses definiert über die Ausströmöffnung sowie die Membran abzubauen.
Ferner ist zusätzlich mittels der außerhalb des Gehäuses angeordneten Membran sichergestellt, dass beispielsweise kein Wasserdampf über die Ausströmöffnung in das Gehäuse eintritt sowie kein Elektrolyt aus einem Zellinneren nach außen strömen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine als Rundzelle ausgeführte erfindungsgemäße Einzelle in einem Längsschnitt,
Fig. 2 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Bodenbereiches einer
Rundzelle in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3 schematisch eine Ausschnittsvergrößerung eines Querschnitts eines
Bodenbereiches einer Rundzelle,
Fig. 4 schematisch eine als Rundzelle ausgeführte erfindungsgemäße Einzelle in einem Längsschnitt, wobei in der Einzelzelle ein erhöhter Zellinnendruck herrscht,
Fig. 5 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Bodenbereiches einer
Rundzelle in einer Schnittdarstellung, wobei in der Einzelzelle ein erhöhter Zellinnendruck herrscht,
Fig. 6 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt eines Bodenbereiches einer
Rundzelle in einer Schnittdarstellung, wobei in der Einzelzelle ein erhöhter Zellinnendruck herrscht, wodurch sich eine Membran von einem Gehäuse gelöst hat, und Fig. 7 schematisch eine perspektivische Ansicht einer als Flachzelle ausgeführten Einzelzelle mit einer Ausströmöffnung.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Einzelzelle 1 in Form einer Rundzelle 2 in einem Längsschnitt dargestellt.
Die Rundzelle 2 weist ein Gehäuse 2.1 auf, in dem ein Folienwickel 3 mit um einen Wickeldorn 4 gewickelten Elektrodenfolien 3.1 zweier verschiedener Polaritäten angeordnet ist. Der Wickeldorn 4 ist beispielsweise rohrförmig ausgebildet, so dass dieser innen hohl ist. Alternativ dazu kann der Wickeldorn 4 auch als Vollkörper ausgebildet sein, wodurch mittels des Wickeldornes 4 eine Wärmeführung innerhalb des Folienwickels 3 realisierbar ist.
Auf den Folienwickel 3 aufgerollte benachbarte Elektrodenfolien 3.1 weisen jeweils verschiedene Polaritäten auf und sind durch eine nicht näher dargestellte Separatorfolie elektrisch voneinander getrennt.
Dabei ist ein elektrisches Potential, z. B. der Minuspol, der Rundzelle 2 beispielsweise auf das Gehäuse 2.1 der Rundzelle 2 gelegt, wobei ein erster Polkontakt 2.2, insbesondere ein Rundkontakt, direkt mit dem Gehäuse 2.1 elektrisch verbunden ist und den Minuspol sowie den Zellendeckel 2.3 bildet.
Ein zweiter Polkontakt 2.4 ist als ein separates Bauteil, z. B. ein nietenförmiges oder stopfenförmiges Bauteil, ausgeführt und durch den Zellendeckel 2.3 hindurchgeführt, wobei zwischen dem zweiten Polkontakt 2.4 und dem Zellendeckel 2.3 außerhalb des Gehäuses 2.1 ein Dichtelement 5 in Form eines ersten Dichtringes 5.1 angeordnet ist, der die Polkontakte 2.2 und 2.4 elektrisch voneinander isoliert. Elektrodenfolien 3.1 einer Polarität sind über eine elastische Stromanschlussschiene 6 mit dem zweiten
Polkontakt 2.4 elektrisch leitend verbunden.
Der Zellendeckel 2.3 und der erste Polkontakt 2.2 sind als ein Bauteil ausgeführt. Der zweite Polkontakt 2.4 ist durch den Zellendeckel 2.3 der Rundzelle 2 hindurchgeführt, wobei innerhalb des Gehäuses 2.1 zwischen dem zweiten Polkontakt 2.4 und dem Zellendeckel 2.3 ein zweiter Dichtring 5.2 angeordnet ist, der den zweiten Polkontakt 2.4 und den Zellendeckel 2.3 voneinander elektrisch isoliert.
Zwischen einem unteren Ende des Folienwickels 3 und einem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 ist in vorteilhafter Weise ein Distanzelement 7 angeordnet, welches eine Form ähnlich eines Federbeindoms aufweist. Das Distanzelement 7 ist dabei derart ausgebildet, dass eine den Bodenbereich 2.5 zugewandte Fläche eine Aussparung 7.1 aufweist, die beispielsweise kreisförmig ausgebildet ist. Ein die Aussparung 7.1 umgebender Randbereich 7.2 des Distanzelementes 7 liegt an dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 an. Dabei dient das Distanzelement 7 u. a. einem Ausgleich von auf die Rundzelle 2 wirkender Scherbelastungen sowie einer Stromableitung in Richtung des Bodenbereiches 2.5.
Es ist vorgesehen, dass die Rundzelle 2 an einer vorgebbaren Position an dem
Gehäuse 2.1 eine Ausströmöffnung 8 aufweist, um insbesondere einen aus einer Überladung und/oder einem Kurzschluss resultierenden erhöhten Zellinnendruck gezielt abzubauen. Vorzugsweise befindet sich die Ausströmöffnung 8 zentriert im
Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2. Insbesondere ist die Ausströmöffnung 8 im Bereich unterhalb der Aussparung 7.1 des Distanzelementes 7 ausgebildet.
Die Ausströmöffnung 8 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet und weist beispielsweise einen Durchmesser d auf, der in etwa einem Siebentel einer Breite b des Gehäuses 2.1 der Rundzelle 2 entspricht.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Ausströmöffnung 8 von einer Membran 9
verschlossen ist, die außerhalb des Gehäuses 2.1 angeordnet ist. Die Membran 9 ist beispielsweise als eine Metall-Kunststoff-Verbundfolie und vorzugsweise gegenüber Medien, wie beispielsweise Wasser, undurchlässig ausgeführt. Insbesondere handelt es sich bei dem Kunststoff der Membran 9 um einen thermoplastischen Kunststoff.
Mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere mittels eines Heißpressverfahrens, wird die Membran 9 in besonders vorteilhafter Weise an dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2, die Ausströmöffnung 8 verdeckend, stoff- und/oder formschlüssig befestigt. Eine aus dem Heißpressverfahren resultierende Fügenaht 9.1 erstreckt sich insbesondere in einem Randbereich der Membran 9, diesen vollständig umlaufend, wie in Figur 2 im Detail dargestellt ist. In besonders vorteilhafter Weise weist die Fügenaht 9.1 durchgehend eine konstante Breite b, auf, so dass die Membran 9 gleichmäßig an dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 befestigt ist.
Darüber hinaus sind auch andere Verfahren zur Befestigung der Membran 9 an dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 geeignet. Z. B. kann die Membran 9 auch an den Bodenbereich 2.5 geklebt und/oder geschweißt sein.
Dabei ist die Membran 9 derart an dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 angeordnet, dass das Gehäuse 2.1 der Rundzelle 2 gegenüber Diffusion von Wasserdampf ins Zellinnere sowie gegenüber einem Austreten von Elektrolyt über die Ausströmöffnung 8 dicht ausgeführt ist.
In besonders vorteilhafter Weise weist die Membran 9 eine mit Druck beaufschlagbare Fläche A auf, die beispielsweise um ein Vielfaches größer gewählt ist, als eine
Querschnittsfläche Q der Ausströmöffnung 8, wie in der Figur 3 im Detail gezeigt ist.
Figur 4 zeigt die Rundzelle 2 in einem Längsschnitt, wobei in der Rundzelle 2 ein aus einer Überladung und/oder einem Kurzschluss resultierender erhöhter Zellinnendruck p herrscht. Entsprechend dem in dem Gehäuse 2.1 herrschenden Zellinnendruck p wölbt sich die Membran 9 insbesondere von dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2. Durch die Wölbung der Membran 9 wird in vorteilhafter Weise der in dem Gehäuse 2.1
vorherrschende Zellinnendruck p abgesenkt.
Erhöht sich der Zellinnendruck p in dem Gehäuse 2.1 der Rundzelle 2 soweit, dass eine Elastizität der Membran 9 nicht ausreicht, um den Zellinnendruck p abzubauen, löst sich die Membran 9 stellenweise von dem Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 insbesondere an der Fügenaht 9.1 , wie in Figur 5 näher dargestellt. Dadurch kann der überhöhte
Zellinnendruck p in besonders vorteilhafter Weise aus dem Gehäuse 2.1 entweichen, ohne dass die Membran 9 beschädigt wird. Dabei ist anhand einer Anbindungsfläche zwischen Membran 9 und Gehäuse 2.1 , insbesondere zwischen Membran 9 und Bodenbereich 2.5 des Gehäuses 2.1 ein Zellinnendruck p vorgebbar, bis zu dem sich die Membran 9 wölbt. D. h., dass bei Erhöhung einer Breite bi der Fügenaht 9.1 , also der Anbindungsfläche zwischen Bodenbereich 2.5 der Rundzelle 2 und der Membran 9, ein vorherrschender Zellinnendruck p bestimmbar ist, in wieweit die Fügenaht 9.1 belastbar ist. Dabei ist es unerheblich, an welcher Stelle sich die Membran 9 von dem
Bodenbereich 2.5 löst, um den überhöhten Zellinnendruck p abzubauen.
Figur 6 zeigt eine als Flachzelle 10 ausgeführte Einzelzelle 1 in einer perspektivischen Ansicht.
Die Flachzelle 10 weist ein Gehäuse 10.1 auf, welches aus sich gegenüberliegenden Gehäuseseitenwänden 10.1.1 , 10.1.2 und einem zwischen diesen angeordneten
Gehäuserahmen 10.1.3 gebildet ist. Im Zellinneren ist beispielsweise ein
Elektrodenfolienstapel angeordnet, der nicht näher dargestellt ist. Der
Elektrodenfolienstapel umfasst Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität. Vorzugsweise ist auch hier zwischen den Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität ein Separator, beispielsweise in Form einer Separatorfolie angeordnet. Der Separator ist angeordnet, um die Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität elektrisch voneinander zu trennen.
Ist die Einzelzelle 1 als Flachzelle 10 ausgeführt, ist vorgesehen, dass die
Ausströmöffnung 8' an einer Gehäuseseitenwand 10.1.1 , 10.1.2 ausgebildet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ausströmöffnung 8' an einer ersten
Gehäuseseitenwand 10.1.1 hinsichtlich einer Breite b' dieser zentriert ausgebildet und weist einen kreisförmigen Querschnitt Q' auf. Insbesondere ist die Ausströmöffnung 8' in Richtung eines oberen Randbereiches der ersten Gehäuseseitenwand 10.1.1
ausgebildet.
Die die Ausströmöffnung 8' verschließende Membran 9' weist eine viereckförmige mit Druck beaufschlagbare Fläche A' auf, wobei die Membran 9' auch hier beispielsweise mittels eines Heißpressverfahrens an der ersten Gehäuseseitenwand 10.1.1 befestigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Einzelzelle (1 ) für eine Batterie, wobei in einem Gehäuse (2.1 , 10.1 )
Elektrodenfolien (3.1 ) unterschiedlicher Polarität angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (2.1 , 10.1 ) an einer vorgebbaren Position eine
Ausströmöffnung (8, 8') aufweist, die mittels einer Membran (9, 9'), die von außen an dem Gehäuse (2.1 , 10.1 ) befestigt ist, verschlossen ist.
2. Einzelzelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine mit Druck beaufschlagbare Fläche der Membran (9, 9') größer ist als eine Querschnittsfläche der Ausströmöffnung (8, 8').
3. Einzelzelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membran (9, 9') eine Metall-Kunststoff-Verbundfolie ist.
4. Einzelzelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Membran (9, 9') mittels eines Fügeverfahrens an dem Gehäuse (2.1 , 10.1 ), die Ausströmöffnung (8, 8') verdeckend, befestigt ist.
5. Einzelzelle nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einzelzelle (1 ) eine Rundzelle (2) oder eine Flachzelle (10) ist.
PCT/EP2010/007456 2010-03-26 2010-12-08 Einzelzelle für eine batterie WO2011116802A1 (de)

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