WO2013023768A1 - Energiespeichervorrichtung, kontaktelement für eine solche energiespeichervorrichtung und verfahren zur herstellung einer solchen energiespeichervorrichtung - Google Patents

Energiespeichervorrichtung, kontaktelement für eine solche energiespeichervorrichtung und verfahren zur herstellung einer solchen energiespeichervorrichtung Download PDF

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WO2013023768A1
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contact
energy storage
section
contact element
contact portion
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PCT/EP2012/003412
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Harald REICHE
Danilo ZSCHECH
Jens Meintschel
Claus-Rupert Hohenthanner
Alexander Hoernig
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Li-Tec Battery Gmbh
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • ENERGY STORAGE DEVICE CONTACT ELEMENT FOR SUCH ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A ENERGY STORAGE DEVICE
  • the present invention relates to an energy storage device, in particular an electrochemical energy storage device, a contact element for such an energy storage device and a method for producing such an energy storage device.
  • Electrochemical energy storage devices usually have at least one electrochemical energy storage cell (often referred to as electrochemical or galvanic cell), at least one current collector, a housing for receiving the energy storage cell and the current collector and at least one contact element.
  • an electrochemical energy storage cell has an electrode stack with an arrangement of at least two electrodes and an electrolyte arranged between them, which is at least partially enclosed by an envelope.
  • the two electrodes or electrode groups of the electrode stack are each electrically conductively connected to a current conductor, which serves for transporting electrical energy into the energy storage cell or out of the energy storage cell.
  • the current conductors are in turn in each case connected to an electrically conductive contact element which serves the electrical connection of the energy storage device, for example, within a battery arrangement with a plurality of energy storage devices.
  • the energy storage device of the invention comprises an energy storage cell having an electrode stack and a cladding; a current collector, which is electrically conductively connected to the electrode stack of the energy storage cell and has an at least partially disposed outside the enclosure of the energy storage cell contact portion; a housing for receiving the energy storage cell and the Stromableiters; and a contact element which has a first contact section, which is arranged at least partially within the housing and is electrically conductively connected to the contact section of the current conductor, and a second contact section, which is arranged at least partially outside the housing.
  • the energy storage device is characterized in that the first contact section of the contact element in its connection direction with the contact section of the current conductor has a lower material thickness compared to the second contact section of the contact element.
  • the first contact portion of the contact element which is electrically conductively connected to the contact portion of the current collector, is formed in its connection direction with the contact portion of the current collector with a smaller material thickness than the second contact portion of the contact element.
  • an energy storage device is understood as meaning a device which is capable of picking up, storing and releasing in particular electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes.
  • an energy storage cell is understood within the meaning of the invention, a self-contained functional unit of the energy storage device, which in itself is also able to absorb electrical energy, store and release again, in particular by utilizing electrochemical processes.
  • An energy storage device according to the invention may comprise an energy storage cell or a plurality of energy storage cells.
  • An energy storage cell can, for example, but not just a galvanic primary or secondary cell (in the context of this application, primary or secondary cells indiscriminately referred to as battery cells and an energy storage device constructed therefrom as a battery or battery assembly), a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of another kind be.
  • an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device.
  • electrochemical energy stores are galvanic cells and fuel cells.
  • An electrochemical energy storage cell preferably comprises an active region or active part in which electrochemical conversion and storage processes take place, and an enclosure for encapsulating the active part from the environment.
  • the active part preferably has an electrode stack which is formed from an electrode arrangement of electrodes, active layers, separator layers and an electrolyte accommodated by the separator layers.
  • the electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells).
  • the electrode assembly may also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells).
  • the term electrode stack should also include such electrode coils.
  • the active layers and separator layers may be provided at least partially as self-contained foil blanks or as coatings of the electrodes.
  • the electrolyte of the energy storage cell preferably contains lithium ions.
  • the sheath in this context is a device which is suitable for preventing the escape of chemicals from the electrode stack into the environment and for protecting the constituents of the electrode stack from damaging external influences.
  • the envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Next, the envelope may be formed in one or more layers.
  • the sheath is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
  • An electrochemical energy storage cell is preferably provided or connected with at least two Stromableitern, which serve as electrical poles of the energy storage cell.
  • These current conductors are each electrically connected to electrodes of the electrode stack of the energy storage cell or formed by them themselves.
  • a current conductor is understood to mean both a separate component, which projects with the electrodes of the energy storage cell, preferably with out of the enclosure Sections of the electrodes is electrically conductively connected, as well as by the electrodes themselves, preferably understood by the projecting out of the sheath portions of the electrodes themselves Stromableiter understood.
  • the current conductor can be considered as a component of the energy storage cell or as a different component of this.
  • the current conductors of the energy storage device each have a contact section arranged outside the enclosure of the energy storage cell.
  • This contact portion is preferably plate-shaped.
  • the plate-shaped contact section preferably has a substantially constant thickness or material thickness.
  • the contact portion serves the electrically conductive connection with the contact element of the energy storage device.
  • the contact section of the current conductor preferably has a suitable current line cross section or electrically conductive properties.
  • At least the contact portion of the current conductor is at least partially disposed outside the enclosure of the energy storage cell; Preferably, the entire current collector is arranged outside the envelope of the energy storage cell.
  • a housing in the context of the present invention is any constructional device which is suitable for receiving the energy storage cell and the current conductor (s) therein and mechanically stabilizing and / or preventing or complicating mass transfer between the components of the electrochemical energy storage cell and its environment. Stabilization is particularly, but not exclusively, advantageous during the manufacturing process of a battery assembly having multiple energy storage devices.
  • the term housing is intended to include both devices which substantially completely enclose the energy storage cell and the current collector, as well as devices which only partially support these components (corresponding to a frame).
  • the housing may preferably be formed in one piece or in several parts.
  • the housing is also suitable and intended to generate an undesirable energy , ,
  • a contact element is understood as any device which is suitable for establishing an electrically conductive connection between the surroundings of the energy storage device and a current conductor of the energy storage device in the interior of the housing.
  • the energy storage device can receive electrical energy into their energy storage cell (charging) and electrical energy from their energy storage cell to a consumer deliver (discharge).
  • the number of contact elements of the energy storage device corresponds to the number of current conductors of the energy storage device.
  • the energy storage device has two current conductors each having a contact element connected thereto.
  • the contact elements of the energy storage device each have an at least partially disposed within the housing of the energy storage device first contact portion.
  • This first contact portion is preferably plate-shaped.
  • the plate-shaped first contact section preferably has a substantially constant thickness or material thickness.
  • the first contact section serves for the electrically conductive connection to the current conductor of the energy storage device.
  • the first contact section of the contact element preferably has a suitable current line cross-section or electrically conductive properties. Shape and size of the first contact portion of the contact element are preferably adapted to those of the contact portion of the current collector.
  • the contact elements of the energy storage device each have an at least partially disposed outside of the housing second contact portion. This second contact portion is preferably substantially cylindrical.
  • the second contact section serves as a pole of the energy storage , ,
  • the second contact section of the contact element preferably has a suitable current line cross-section or electrically conductive properties.
  • the first contact portion and the second contact portion of the contact element are preferably integrally formed with each other.
  • the first and the second contact portion of the contact element can also be manufactured as separate components and be electrically conductively connected to each other.
  • the material thickness of a component in this context denotes a dimension of the component in a direction perpendicular to its Hauptausdehnungsraum.
  • the plate thickness is the material thickness of the component
  • the cylinder diameter is the material thickness of the component.
  • a low material thickness of the component or component section to be joined is advantageous.
  • a low compared to another component or component section material thickness in this context means a significantly lower material thickness.
  • the material thickness, which is low compared to another component or component section is reduced by at least about 20%, more preferably by at least about 35%, even more preferably by at least about 50%, compared to the material thickness of the other component or component section.
  • a low material thickness of the first contact section of the contact section that is advantageous for the connection to the current conductor basically results in a smaller current line cross section.
  • the configuration of the first contact portion of the contact element is adjusted so that despite the low material thickness of the first contact portion, a sufficient power line cross-section is available.
  • this may preferably be achieved by a substantially plate-shaped contact section with a low material thickness and a large plate area, through which the current flows at least mainly in a direction substantially perpendicular to the thickness direction.
  • power line cross-section in this context refers to a cross-sectional area of a component perpendicular to the main power line direction through this component, which allows a power line through the component.
  • the effective for the power line cross-sectional area of the respective component is preferably formed substantially of an electrically conductive material. The larger the cross-sectional area of the respective component that is effective for the power line, the greater is generally the maximum permissible current intensity through this component. If a component is formed entirely from an electrically conductive material, then the power line cross-section is substantially equal to the cross-sectional area of the component.
  • a component has both electrically conductive components and non-electrically conductive components (for example insulation)
  • its current conductor cross-section is essentially determined by the cross-sectional area (s) of its electrically conductive components.
  • the power line cross section of a component is determined by the sum of the cross-sectional areas of the individual electrically conductive components of the component within a cross section.
  • a power line cross section can be used both for an entire component and for individual sections (in this context, in particular contact sections) of a component are determined.
  • the contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element, preferably welded with ultrasound.
  • the contact portion of the current conductor is welded to the first contact portion of the contact element substantially flat.
  • the contact portion of the current conductor is welded together with a sacrificial sheet on the side facing away from the first contact portion of the contact element side of the contact portion of the current collector with the first contact portion of the contact element.
  • the first contact portion of the contact element in its connection direction with the contact portion of the current conductor has a material thickness equal to or greater than that of the contact portion of the current conductor.
  • the first contact portion of the contact element is electrically conductively connected via a connecting portion to the second contact portion of the contact element, wherein the connecting portion in the connecting direction of the first contact section having the contact portion of the current collector has a greater material thickness than the first contact portion of the contact element.
  • the second contact section of the contact element is arranged substantially centrally of the first contact section of the contact element.
  • the arrangement of the second contact section of the contact element which is central relative to the first contact section makes it possible to design and manufacture the contact element in a simple manner. Due to the central arrangement of the second contact section relative to the first contact section, the material thickness of the possibly present connection section of the contact element can preferably be chosen to be relatively small and nevertheless provide a sufficient power line cross section.
  • the central arrangement preferably relates to the connection direction between the first contact section of the contact element and the contact section of the current conductor and / or a direction perpendicular to this connection direction.
  • the first contact portion of the contact element and the contact portion of the current collector are formed and arranged such that their power line directions are substantially parallel to the power line direction in the second contact portion of the contact element.
  • the first contact portion of the contact element and the contact portion of the Stromableiters are formed and arranged such that their power line directions are substantially parallel to the power line direction in the electrode stack of the energy storage cell.
  • the contact section of the current conductor is arranged substantially centrally to the energy storage cell.
  • the central arrangement preferably relates to the connection direction between the first contact section of the contact element and the contact section of the current conductor.
  • the central arrangement of the contact section of the current collector preferably relates to the thickness direction or stacking direction of the electrode stack.
  • the invention also provides an electrically conductive contact element, which has a first contact portion for electrically conductive connection to a current conductor of an energy storage cell and a second contact portion, wherein the first contact portion in its connection direction with the contact portion of the current collector a small compared to the second contact portion Has material thickness.
  • This contact element of the invention is particularly useful for the above-described energy storage device of the invention. Advantages, definitions and preferred embodiments of this contact element correspond to those in connection with the energy storage device according to the invention.
  • the invention also provides a battery arrangement with a plurality of energy storage devices according to the invention, the contact elements of which are electrically connected to one another. The connection of the contact elements of the plurality of energy storage devices via the second contact portions of the contact elements.
  • the electrical connection of the contact elements can be done either in the form of a parallel connection or a series connection.
  • the energy storage device according to the invention or the battery arrangement with a plurality of such energy storage devices is preferably used in a motor vehicle with an electric drive or a hybrid drive.
  • the invention furthermore relates to a method for producing an energy storage device, in which a contact section of a current conductor, which is electrically conductively connected to an electrode stack of an energy storage cell, is electrically conductively connected to a first contact section of a contact element, wherein the energy storage cell and the current conductor are inside a housing are arranged and the first contact portion of the contact element in its connection direction with the contact portion of the Stromableiters a compared to a at least partially outside the housing arranged second contact portion of the contact element has low material thickness.
  • This method can be used in particular for producing the above-described energy storage device according to the invention.
  • Advantages, definitions and preferred embodiments of this manufacturing method correspond to those in connection with the energy storage device according to the invention.
  • the contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element, preferably welded with ultrasound.
  • the contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element substantially flat.
  • the contact section of the current conductor together with a sacrificial sheet on the side of the contact element facing away from the first contact section of the contact element.
  • the contact section of the current conductor and the first contact section of the contact element during welding are aligned substantially horizontally.
  • FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of an energy storage device according to a preferred embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of a contact element of
  • Energy storage device of Figure 1 according to a preferred embodiment of the present invention
  • 3 is a schematic perspective view for explaining a welding process in the manufacturing method of the energy storage device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention
  • an electrochemical energy storage device is shown in cross section.
  • the energy storage device has an electrochemical energy storage cell 10, which contains a flat electrode stack with a sheath in a conventional manner. A portion of the electrodes of the electrode stack is led out of the enclosure of the energy storage cell 10 upwards.
  • the electrode sections of the anodic electrodes led out of the sheath are electrically conductively connected to a first current conductor 12 and the electrode sections of the cathodic electrodes of the electrode stack led out of the sheath are electrically conductively connected to a second current conductor 12.
  • the two current conductors 12 and their further connections are essentially identical, so that the construction according to the invention of the energy storage device is explained below only by the example of a current conductor 12, for example for the cathodic electrodes of the electrode stack.
  • the current conductor 12 is arranged and formed substantially centrally in the stacking direction or thickness direction of the energy storage cell 10 or of the electrode stack (right / left direction in FIG. 1).
  • the current conductor 12 is electrically conductively connected to the electrodes, for example soldered or welded or alternatively formed in one piece with these.
  • the current conductor 12 has a substantially plate-shaped contact section 12a, which in this embodiment is directed essentially parallel to the electrodes of the energy storage cell 10 upwards.
  • the contact portion 12a of the current collector 12 may also be referred to as the arrester lug.
  • This arrangement of energy storage cell 10 and current conductor 12 is surrounded by an electrically insulating, one or more part insulating film 14, for example made of PET laterally and bottom side (bottom in Figure 1).
  • the construction unit surrounded by this insulating film 14 is further housed in a unit-stabilizing housing 16-18.
  • This housing has a cell cup 16, which is deep-drawn or cold-pressed, for example, and - -
  • a contact element 20 is led out of the energy storage device.
  • This contact element 20 is formed from an electrically conductive material, for example a metal.
  • a substantially annular sealing element 22 made of an electrically insulating material is disposed in the passage opening of the cell lid 18 between the contact element 20 and the cell cover 18.
  • a further insulation element 24 made of an electrically insulating material is provided underneath the cell cover 18.
  • the contact element 20 which is shown enlarged in perspective view in FIG. 2, has a first contact section 20a, a connection section 20b and a second contact section 20c.
  • the first contact portion 20a of the contact element 20 is formed substantially plate-shaped and serves the mechanical and electrically conductive connection with the contact portion 12a of the Stromableiters 12.
  • the second contact portion 20c of the contact element 20 is substantially cylindrical and serves as a pole of the energy storage device, for example, ( serial or parallel) interconnection with further energy storage devices of a battery arrangement.
  • the first and second contact portions 20a, 20c of the contact element 20 are connected to each other via a connecting portion 20b.
  • the two contact portions 20a, 20c and the connecting portion 20b are integrally formed with each other.
  • the first contact portion 20a of the contact element 20 is welded to the contact portion 12a of the current conductor 12 with ultrasonic substantially flat. As illustrated in FIG. 3, the contact portion 12a becomes of the current collector 12 and the first contact portion 20a of the contact element 20 are aligned substantially horizontally during welding. In this case, the flat energy storage cell 10 is aligned substantially horizontally.
  • the welding process is carried out, for example, with an ultrasonic welding device, as is generally known to the person skilled in the art.
  • Such an ultrasonic welding apparatus has, in particular, a generator (not shown) which converts the mains voltage into high frequency, a converter (not shown) which converts the high frequency power into ultrasound by means of piezoelectric or magnetostrictive effect, for example, an amplitude transformation piece 30 mechanical vibrations on a sonotrode 32 transmits, the sonotrode 32 and an anvil 34, which receives the workpieces to be welded 12, 20 between them and the sonotrode 32 preferably with pressure on.
  • a generator not shown
  • a converter which converts the high frequency power into ultrasound by means of piezoelectric or magnetostrictive effect, for example, an amplitude transformation piece 30 mechanical vibrations on a sonotrode 32 transmits, the sonotrode 32 and an anvil 34, which receives the workpieces to be welded 12, 20 between them and the sonotrode 32 preferably with pressure on.
  • the welding of the workpieces 12a, 20a takes place by friction of the molecules, caused by the mechanical vibrations transmitted by the sonotrode 32 to the pressurized workpieces 12a, 20a, which generates heat, which in turn softens the material of the workpieces 12a, 20a or melts.
  • the main current-line directions in the various sections 20a, 20b, 20c of the contact element 20 thus constructed are represented by corresponding arrows in the case of the discharge of electrical energy from the energy storage cell 10 to a consumer.
  • the power line cross sections of the various contact element sections 20a-c are respectively defined.
  • the current-carrying directions in the first contact portion 20a of the contact element 20 and in the second contact portion 20c of the contact element 20 are substantially parallel to one another.
  • the current-carrying directions are in the first contact portion 20a of the contact element 20 and in the second contact portion 20c of the contact - -
  • the first contact section 20a of the contact element 20 has a significantly lower material thickness compared to the second contact section 20c of the contact element 20.
  • the thickness of the plate-shaped first contact portion 20a is significantly smaller than the diameter of the cylindrical second contact portion 20c (in the right / left direction in FIG. 1).
  • the thickness of the plate-shaped first contact portion 20a is only about 1/10 of the diameter of the cylindrical second contact portion 20c of the contact element 20.
  • the necessary power line cross-section is in the first contact portion 20a of the contact element 20 despite its low material thickness by the relative ensures large area of the plate-shaped contact portion 20a, which corresponds approximately to the surface of the plate-shaped contact portion 12a of the current collector 12.
  • the area of the contact section 12a or of the first contact section 20 is, for example, in a range from approximately 20 mm 2 to approximately 50 mm 2 , preferably from approximately 25 mm 2 to approximately 40 mm 2 .
  • the connecting portion 20b of the contact element 20 has a significantly greater material thickness, i. Thickness in the right / left direction in Figure 1, as the first contact portion 20a of the contact element 20, since in this the current is converged towards the cylindrical second contact portion 20c.
  • the wider compared to the cylindrical second contact portion 20c connecting portion 20b of the contact element 20 serves at the same time a compression of the sealing elements 22 in the passage opening of the cell cover 18, as shown in Figure 1.
  • the second contact portion 20c of the contact element 20 is arranged substantially in the middle of the first contact portion 20a. In this way, the connecting portion 20b of the contact member 20 may be made thinner, for example, than if the second contact portion 20c were provided at one end of the first contact portion 20a of the contact member 20.
  • the contact element 20 in the thickness direction of its first contact portion 20a or in the connecting direction of its first contact portion 20a with the contact portion 12a of the current collector 12 is formed substantially symmetrically.
  • a so-called sacrificial sheet can additionally be provided for welding the contact section 12a of the current conductor 12 to the first contact section 20a of the contact element 20.
  • This sacrificial sheet is arranged on the side of the contact section 12a of the current conductor 12 facing away from the first contact section 20a of the current conductor 12 during the welding process to protect the thin sonic contact device 32 from damage (for example tearing) ,
  • Figure 4 illustrates another embodiment of an energy storage device according to the invention using the example of a lithium-ion battery.
  • This embodiment differs from the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 by the asymmetrical arrangement of the current collector 12 and the contact element 20 in the thickness direction and the connecting direction of the interconnected contact portions 12a, 20a of these two components.
  • the cylindrical second contact portion 20c of the contact element 20 is formed shorter in this embodiment than in the figures 1 to 3.
  • the above-mentioned sacrificial sheet 21 for welding the two contact portions 12a, 20a of the current collector 12 and the contact element 20 is shown in FIG.
  • the further features of this energy storage device of Figure 4 correspond to those of the first embodiment described above.

Abstract

Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist eine Energiespeicherzelle (10) mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung; einen Stromableiter (12), welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle (10) elektrisch leitend verbunden ist und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) angeordneten Kontaktabschnitt (12a) aufweist; und ein Gehäuse (16, 18) zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle (10) und des Stromableiters (12) auf. Weiter ist ein Kontaktelement (20) vorgesehen, welches einen ersten Kontaktabschnitt (20a), der innerhalb des Gehäuses (16, 18) angeordnet ist und mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise mit Ultraschall flächig verschweißt ist, und einen zweiten Kontaktabschnitt (20c), der zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (16, 18) angeordnet ist, aufweist. Der erste Kontaktabschnitt (20a) dieses Kontaktelements (20) weist in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) geringe Materialstärke auf.

Description

ENERGIESPEICHERVORRICHTUNG, KONTAKTELEMENT FÜR EINE SOLCHE ENERGIESPEICHERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN ENERGIESPEICHERVORRICHTUNG
B e s c h r e i b u n g Diese Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 201 1 1 10 813.4 vom 17. August 201 1 in Anspruch. Hiermit wird der gesamte Inhalt dieser Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 1 10 813.4 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, ein Kontaktelement für eine solche Energiespeichervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Energiespeichervorrichtung. Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet), wenigstens einen Stromableiter, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle und des Stromableiters sowie wenigstens ein Kontaktelement auf. Herkömmlicherweise weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle einen Elektrodenstapel mit einer Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, der von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. Die zwei Elektroden bzw. Elektrodengruppen des Elektrodenstapels sind jeweils elektrisch leitend mit einem Stromableiter verbunden, welcher zum Transport elektrischer Energie in die Energiespeicherzelle oder aus der Energiespeicherzelle heraus dient. Die Stromableiter sind wiederum jeweils mit einem elektrisch leitenden Kontaktelement verbunden, welches dem elektrischen Anschluss der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen dient. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte Energiespeichervorrichtung mit einer verbesserten Anbindung des Kontaktelements an den Stromableiter. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein elektrisch leitendes Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 , eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die Energiespeichervorrichtung der Erfindung weist eine Energiespeicherzelle mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung; einen Stromableiter, welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten Kontaktabschnitt aufweist; ein Gehäuse zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle und des Stromableiters; und ein Kontaktelement, welches einen ersten Kontaktabschnitt, der zumindest teilweise inner- halb des Gehäuses angeordnet ist und mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters elektrisch leitend verbunden ist, und einen zweiten Kontaktabschnitt, der zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, aufweist, auf. Erfindungsgemäß ist die Energiespeichervorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements in seiner Verbindungs- richtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters eine im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt des Kontaktelements geringe Materialstärke aufweist. Bei der Energiespeichervorrichtung der Erfindung ist der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements, welcher mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters elektrisch leitend verbunden ist, in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters mit einer geringeren Materialstärke ausgebildet als der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Verbindung zwischen dem Stromableiter und dem Kontaktelement einfach und funktionssicher zu fertigen. Außerdem können hierdurch vorzugsweise auch das Leistungsvermögen (insbesondere beim Laden und Entladen) und die Lebensdauer der Energiespeichervorrichtung verbessert werden.
Unter einer Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Als eine Energiespeicherzelle wird im Sinne der Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen.
Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- oder Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung als Batterie bzw. Batterieanordnung bezeichnet), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energiespeicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen. Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und Speicherungsprozesse stattfinden, und eine Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil weist vorzugsweise einen Elektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden, aktiven Schichten, Separatorschichten und einem von den Separatorschichten aufgenommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenförmig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen). Der Begriff Elektrodenstapel soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigen- ständige Folienzuschnitte oder als Beschichtungen der Elektroden vorgesehen sein. Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium- Ionen. Die Umhüllung ist in diesem Zusammenhang eine Einrichtung, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Umhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Umhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Umhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet.
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle ist vorzugsweise mit wenigstens zwei Stromableitern versehen oder verbunden, die als elektrische Pole der Energiespeicherzelle dienen. Diese Stromableiter sind jeweils mit Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden oder durch diese selbst gebildet. Unter einem Stromableiter soll im Rahmen der Erfindung sowohl ein separates Bauteil, welches mit den Elektroden der Energiespeicherzelle, vorzugsweise mit aus der Umhüllung heraus ragenden Abschnitten der Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, als auch ein durch die Elektroden selbst, vorzugsweise ein durch die aus der Umhüllung heraus ragenden Abschnitte der Elektroden selbst gebildeter Stromableiter verstanden werden. Der Stromableiter kann als Komponente der Energiespeicherzelle an- gesehen werden oder als eine von dieser verschiedene Komponente.
Die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten Kontaktabschnitt auf. Dieser Kontaktabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige Kontaktabschnitt hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Der Kontaktabschnitt dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem Kontaktelement der Energiespeichervorrichtung. Der Kontaktabschnitt des Stromableiters weist dementsprechend vorzugsweise einen geeigneten Stromleitungsquerschnitt bzw. elektrisch leitfähige Eigen- schaffen auf. Zumindest der Kontaktabschnitt des Stromableiters ist wenigstens teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordnet; vorzugsweise ist der gesamte Stromableiter außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordnet. Ein Gehäuse im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede konstruktive Vorrichtung, die geeignet ist, die Energiespeicherzelle und den/die Stromableiter darin aufzunehmen und diese mechanisch zu stabilisieren und/oder einen Stofftransport zwischen den Bestandteilen der elektrochemischen Energiespeicherzelle und ihrer Umwelt zu verhindern oder zu erschweren. Die Stabilisierung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich während des Fertigungsprozesses einer Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen von Vorteil. Der Begriff Gehäuse soll sowohl Vorrichtungen, welche die Energiespeicherzelle und den Stromableiter im Wesentlichen vollumfänglich umschließen, als auch Vorrichtungen, welche diese Komponenten nur teilweise stützen (entsprechend einem Rahmen), beinhalten. Das Gehäuse kann bevorzugt einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Gehäuse auch dazu geeignet und bestimmt, einen unerwünschten Energie- . .
austausch der Energiespeichervorrichtung mit ihrer Umwelt zu verhindern oder zu erschweren, insbesondere dann, wenn hierbei Energie, insbesondere auch in nicht elektrischer Form, in unerwünschter Weise ausgetauscht würde, beispielsweise Wärmeenergie oder mechanische Energie.
Als ein Kontaktelement wird in diesem Zusammenhang jede Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Umgebung der Energiespeichervorrichtung und einem Stromableiter der Energiespeichervorrichtung im Inneren des Gehäuses herzustellen. Über diese elektrisch leitende Verbindung kann die Energiespeichervorrichtung elektrische Energie in ihre Energiespeicherzelle aufnehmen (Ladevorgang) und elektrische Energie aus ihrer Energiespeicherzelle an einen Verbraucher abgeben (Entladevorgang). Die Anzahl der Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung entspricht der Anzahl der Stromableiter der Energiespeichervorrichtung. Vor- zugsweise weist die Energiespeichervorrichtung zwei Stromableiter mit jeweils einem damit verbundenen Kontaktelement auf.
Die Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordneten ersten Kontaktabschnitt auf. Dieser erste Kontaktabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige erste Kontaktabschnitt hat bevorzugt eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Der erste Kontaktabschnitt dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem Stromableiter der Energiespeichervorrichtung. Der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements weist dementsprechend vorzugsweise einen geeigneten Stromleitungsquerschnitt bzw. elektrisch leitfähige Eigenschaften auf. Form und Größe des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktelements sind vorzugsweise an jene des Kontaktabschnitts des Stromableiters angepasst. Außerdem weisen die Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung jeweils einen zumindest teil- weise außerhalb des Gehäuses angeordneten zweiten Kontaktabschnitt auf. Dieser zweite Kontaktabschnitt ist vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der zweite Kontaktabschnitt dient als Pol der Energiespeicher- . .
Vorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Umgebung der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung. Der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements weist dementsprechend vorzugsweise einen geeigneten Stromleitungsquerschnitt bzw. elektrisch leitfähige Eigenschaften auf. Der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements sind vorzugsweise integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ können der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements auch als separate Bauteile gefertigt und elektrisch leitend miteinander verbunden sein.
Die Materialstärke eines Bauteils bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Abmessung des Bauteils in einer Richtung senkrecht zu seiner Hauptausdehnungsrichtung. Im Fall eines plattenförmigen Bauteils ist zum Beispiel die Plattendicke die Materialstärke des Bauteils, im Fall eines zylindrischen Bauteils ist zum Beispiel der Zylinderdurchmesser die Materialstärke des Bauteils.
Bei verschiedenen Verbindungstechniken wie zum Beispiel beim Ultraschall- Schweißen ist eine geringe Materialstärke des zu verbindenden Bauteils bzw. Bauteilabschnitts von Vorteil. Aus diesem Grund ist es bei der Energiespeicher- Vorrichtung der Erfindung von Vorteil, den mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters zu verbindenden ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters mit einer im Vergleich zu seinem zweiten Kontaktabschnitt geringen Materialstärke auszubilden.
Eine im Vergleich zu einem anderen Bauteil bzw. Bauteilabschnitt geringe Materialstärke soll in diesem Zusammenhang eine nennenswert geringere Materialstärke bedeuten. Vorzugsweise ist die im Vergleich zu einem anderen Bauteil bzw. Bauteilabschnitt geringe Materialstärke um wenigstens etwa 20%, bevorzugter um wenigstens etwa 35%, noch bevorzugter um wenigstens etwa 50% gegenüber der Materialstärke des anderen Bauteils bzw. Bauteilabschnitts reduziert. Eine für die Verbindung mit dem Stromableiter vorteilhafte geringe Material- stärke des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktabschnitts hat grundsätzlich einen kleineren Stromleitungsquerschnitt zur Folge. Um einen für das Laden und Entladen der Energiespeicherzelle der Energiespeichervorrichtung ausreichenden Stromfluss durch das Kontaktelement zu gewährleisten, wird die Ausgestaltung des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktelements so angepasst, dass trotz der geringen Materialstärke des ersten Kontaktabschnitts ein ausreichender Stromleitungsquerschnitt zur Verfügung steht. Dies kann im Fall des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktelements vorzugsweise durch einen im Wesentlichen plattenförmigen Kontaktabschnitt mit einer geringen Materialstärke und einer großen Plattenfläche erreicht werden, durch welchen der Strom zumindest hauptsächlich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Dickenrichtung fließt.
Der Begriff Stromleitungsquerschnitt bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Querschnittsfläche eines Bauteils senkrecht zur Hauptstromleitungsrichtung durch dieses Bauteil, welche eine Stromleitung durch das Bauteil erlaubt. Die für die Stromleitung wirksame Querschnittsfläche des jeweiligen Bauteils ist vor- zugsweise im Wesentlichen aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet. Je größer die für die Stromleitung wirksame Querschnittsfläche des jeweiligen Bauteils ist, umso größer ist im Allgemeinen die maximal zulässige Stromstärke durch dieses Bauteil. Falls ein Bauteil vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, so stimmt der Stromleitungsquerschnitt im Wesent- liehen mit der Querschnittsfläche des Bauteils überein. Falls dagegen ein Bauteil sowohl elektrisch leitfähige Bestandteile als auch nicht elektrisch leitfähige Bestandteile (zum Beispiel Isolierungen) aufweist, so wird sein Stromleitungsquerschnitt im Wesentlichen durch die Querschnittsfläche(n) seiner elektrisch leitfähigen Bestandteile bestimmt. Der Stromleitungsquerschnitt eines Bauteils wird durch die Summe der Querschnittsflächen der einzelnen elektrisch leitfähigen Bestandteile des Bauteils innerhalb eines Querschnitts bestimmt. Ein Stromleitungsquerschnitt kann sowohl für ein gesamtes Bauteil als auch für einzelne Abschnitte (in diesem Zusammenhang insbesondere Kontaktabschnitte) eines Bauteils bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt. Besonders bevorzugt ist der Kontaktabschnitt des Stromableiters dabei mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt. Durch ein solches Opferblech kann der Stromableiter bzw. sein Kontaktabschnitt beim Verschweißen mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements vor einer Beschädigung, insbesondere einer mechanischen Beschädigungen geschützt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der erste Kontakt- abschnitt des Kontaktelements in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters eine Materialstärke gleich oder größer als jene des Kontaktabschnitts des Stromableiters auf. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements trotz seiner im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt des Kontaktelements geringeren Materialstärke einen ausreichenden Stromleitungsquerschnitt, insbesondere einen mindestens so großen Stromleitungsquerschnitt wie der Stromableiter aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Kontakt- abschnitt des Kontaktelements über einen Verbindungsabschnitt mit dem zweiten Kontaktabschnitt des Kontaktelements elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt in der Verbindungsrichtung des ersten Kontakt- abschnitts mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters eine größere Materialstärke als der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements aufweist. Durch den Verbindungsabschnitt können der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements insbesondere auch im Fall unterschiedlich geformter Ausgestaltungen in einfacher Weise miteinander verbunden werden. Der Verbindungsabschnitt dient dem Übergang zwischen den beiden Kontaktabschnitten des Kontaktelements und gewährleistet gleichzeitig durch seine größere Materialstärke einen ausreichenden Stromleitungsquerschnitt für das Kontaktelement.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen mittig zum ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements angeordnet. Die relativ zum ersten Kontaktabschnitt mittige Anordnung des zweiten Kontaktabschnitts des Kontakt- elements ermöglicht eine einfache Ausgestaltung und Herstellung des Kontaktelements. Aufgrund der mittigen Anordnung des zweiten Kontaktabschnitts relativ zum ersten Kontaktabschnitt kann die Materialstärke des ggf. vorhandenen Verbindungsabschnitts des Kontaktelementes vorzugsweise relativ gering gewählt werden und dennoch einen ausreichenden Stromleitungsquer- schnitt zur Verfügung stellen. Die mittige Anordnung bezieht sich vorzugsweise auf die Verbindungsrichtung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements und dem Kontaktabschnitt des Stromableiters und/oder eine Richtung senkrecht zu dieser Verbindungsrichtung. Vorzugsweise sind der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements und der Kontaktabschnitt des Stromableiters derart ausgebildet und angeordnet, dass ihre Stromleitungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur Stromleitungsrichtung im zweiten Kontaktabschnitt des Kontaktelements sind. Vorzugsweise sind der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements und der Kontaktabschnitt des Stromableiters derart ausgebildet und angeordnet, dass ihre Stromleitungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur Stromleitungsrichtung im Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kontakt- abschnitt des Stromableiters im Wesentlichen mittig zur Energiespeicherzelle angeordnet. Die mittige Anordnung bezieht sich vorzugsweise auf die Verbindungsrichtung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements und dem Kontaktabschnitt des Stromableiters. Im Fall einer Energiespeicherzelle mit flachem Elektrodenstapel bezieht sich die mittige Anordnung des Kontaktabschnitts des Stromableiters vorzugsweise auf die Dickenrichtung bzw. Stapelrichtung des Elektrodenstapels.
Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus auch ein elektrisch leitendes Kontaktelement, welches einen ersten Kontaktabschnitt zur elektrisch leitenden Verbindung mit einem Stromableiter einer Energiespeicherzelle und einem zweiten Kontaktabschnitt aufweist, wobei der erste Kontaktabschnitt in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters eine im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt geringe Materialstärke aufweist. Dieses Kontaktelement der Erfindung ist insbesondere für die oben beschriebene Energiespeichervorrichtung der Erfindung verwendbar. Vorteile, Begriffsdefinitionen und bevorzugte Ausführungsformen zu diesem Kontaktelement entsprechen jenen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Batterieanordnung mit mehreren erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen, deren Kontaktelemente elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Kontaktelemente der mehreren Energiespeichervorrichtungen erfolgt über die zweiten Kontaktabschnitte der Kontaktelemente. Die elektrische Verbindung der Kontakt- elemente kann wahlweise in Form einer Parallelschaltung oder einer Reihenschaltung erfolgen. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung bzw. die Batterieanordnung mit mehreren solchen Energiespeichervorrichtungen wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eingesetzt. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung, bei welchem ein Kontaktabschnitt eines Stromableiters, welcher elektrisch leitend mit einem Elektrodenstapel einer Energiespeicherzelle verbunden ist, mit einem ersten Kontaktabschnitt eines Kontaktelements elektrisch leitend verbunden wird, wobei die Energiespeicherzelle und der Stromableiter innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt des Stromableiters eine im Vergleich zu einem zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordneten zweiten Kontaktabschnitt des Kontaktelements geringe Materialstärke aufweist.
Dieses Verfahren ist insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Energiespeichervorrichtung gemäß der Erfindung einsetzbar. Vorteile, Begriffsdefinitionen und bevorzugte Ausführungsformen zu diesem Herstellungsverfahren entsprechen jenen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt.
Vorzugsweise wird der Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des Kontakt- - -
abschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Kontakt- abschnitt des Stromableiters und der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements beim Verschweißen im Wesentlichen horizontal ausgerichtet.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht eines Kontaktelements der
Energiespeichervorrichtung von Figur 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht zur Erläuterung eines Schweißvorganges im Herstellungsverfahren der Energiespeichervorrichtung von Figur 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 ist der obere Ausschnitt einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung im Querschnitt gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie zur Versorgung und zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Energiespeichervorrichtung weist eine elektrochemische Energiespeicherzelle 10 auf, die in an sich bekannter Weise einen flachen Elektrodenstapel mit einer Umhüllung enthält. Ein Abschnitt der Elektroden des Elektrodenstapels ist jeweils aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle 10 nach oben herausgeführt. Die aus der Umhüllung herausgeführten Elektrodenabschnitte der anodischen Elektroden sind mit einem ersten Stromableiter 12 elektrisch leitend verbunden und die aus der Umhüllung herausgeführten Elektrodenabschnitte der kathodischen Elektroden des Elektrodenstapels sind mit einem zweiten Stromableiter 12 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Stromableiter 12 und deren weitere Anbindungen sind im Wesentlichen identisch ausgeführt, so dass die erfindungsgemäße Konstruktion der Energiespeichervorrichtung nachfolgend nur am Beispiel eines Stromableiters 12 zum Beispiel für die kathodischen Elektroden des Elektrodenstapels erläutert wird.
Der Stromableiter 12 ist in der Stapelrichtung bzw. Dickenrichtung der Energiespeicherzelle 10 bzw. des Elektrodenstapels (Rechts/Links-Richtung in Figur 1 ) im Wesentlichen mittig angeordnet und ausgebildet. Der Stromableiter 12 ist mit den Elektroden elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet oder ver- schweißt oder alternativ einstückig mit diesen ausgebildet. Weiter weist der Stromableiter 12 einen im Wesentlichen plattenförmigen Kontaktabschnitt 12a auf, der in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zu den Elektroden der Energiespeicherzelle 10 nach oben gerichtet ist. Der Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 kann auch als Ableiterfahne bezeichnet werden.
Diese Anordnung aus Energiespeicherzelle 10 und Stromableiter 12 ist von einer elektrisch isolierenden, ein- oder mehrteiligen Isolierfolie 14 zum Beispiel aus PET seitlich und bodenseitig (unten in Figur 1 ) umschlossen. Die von dieser Isolierfolie 14 umgebene Konstruktionseinheit ist ferner in einem die Einheit stabilisierenden Gehäuse 16-18 aufgenommen. Dieses Gehäuse weist einen Zellbecher 16 auf, der zum Beispiel tiefgezogen oder kaltfließgepresst ist und - -
zum Beispiel aus einem metallischen Material gebildet ist. An der oberen Seite des Zellbechers 16 ist dieser mit einem Zelldeckel 18 dicht verschlossen, wobei der Zelldeckel 18 mit dem Zellbecher 16 zum Beispiel verschweißt wird. Durch eine Öffnung im Zelldeckel 18 ist ein Kontaktelement 20 aus der Energiespeichervorrichtung herausgeführt. Dieses Kontaktelement 20 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall gebildet. Zum Zwecke der elektrischen Isolierung und einer vorzugsweise gasdichten Abdichtung des Gehäuses 16-18 ist in der Durchführungsöffnung des Zelldeckels 18 zwischen dem Kontaktelement 20 und dem Zelldeckel 18 ein im Wesentlichen ringförmiges Dichtungselement 22 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Wie in Figur 1 zu erkennen, ist unterhalb des Zelldeckels 18 ein weiteres Isolationselement 24 aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen.
Das Kontaktelement 20, welches in Figur 2 in Perspektivansicht vergrößert dargestellt ist, weist einen ersten Kontaktabschnitt 20a, einen Verbindungsabschnitt 20b und einen zweiten Kontaktabschnitt 20c auf. Der erste Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und dient der mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung mit dem Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12. Der zweite Kontaktabschnitt 20c des Kontaktelements 20 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dient als Pol der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel zur (seriellen oder parallelen) Verschaltung mit weiteren Energiespeichervorrichtungen einer Batterie- anordnung. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt 20a, 20c des Kontaktelements 20 sind über einen Verbindungsabschnitt 20b miteinander verbunden. Die beiden Kontaktabschnitte 20a, 20c und der Verbindungsabschnitt 20b sind integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet. Der erste Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 wird mit dem Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 mit Ultraschall im Wesentlichen flächig verschweißt. Wie in Figur 3 veranschaulicht, werden der Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 und der erste Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 beim Verschweißen im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Dabei ist auch die flache Energiespeicherzelle 10 im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Der Schweißvorgang wird beispielsweise mit einer Ultraschall-Schweißvorrichtung durchgeführt, wie sie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Eine solche Ultraschall-Schweißvorrichtung weist insbesondere einen Generator (nicht dargestellt), welcher die Netzspannung in Hochfrequenz umwandelt, einen Konverter (nicht dargestellt), welcher die Hochfrequenz-Leistung zum Beispiel mittels piezoelektrischem oder magnetostriktivem Effekt in Ultraschall umwandelt, ein Amplitudentransformationsstück 30, welches die mechanischen Schwingungen auf eine Sonotrode 32 überträgt, die Sonotrode 32 und einen Amboss 34, welcher die zu verschweißenden Werkstücke 12, 20 zwischen sich und der Sonotrode 32 vorzugsweise mit Druck aufnimmt, auf. Das Ver- schweißen der Werkstücke 12a, 20a erfolgt durch eine Reibung der Moleküle, verursacht durch die von der Sonotrode 32 auf die unter Druck stehenden Werkstücke 12a, 20a übertragenen mechanischen Schwingungen, welche Wärme erzeugt, die wiederum das Material der Werkstücke 12a, 20a erweicht bzw. aufschmilzt.
In Figur 2 sind die Hauptstromleitungsrichtungen in den verschiedenen Abschnitten 20a, 20b, 20c des so aufgebauten Kontaktelements 20 durch entsprechende Pfeile für den Fall des Abgebens elektrischer Energie aus der Energiespeicherzelle 10 an einen Verbraucher dargestellt. Senkrecht zu diesen Hauptstromleitungsrichtungen sind jeweils die Stromleitungsquerschnitte der verschiedenen Kontaktelementabschnitte 20a-c definiert.
Es ist erkennbar, dass die Stromleitungsrichtungen in dem ersten Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 und in dem zweiten Kontaktabschnitt 20c des Kontaktelements 20 im Wesentlichen parallel zueinander sind. Außerdem sind die Stromleitungsrichtungen in dem ersten Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 und in dem zweiten Kontaktabschnitt 20c des Kontakt- - -
elements 20 im Wesentlichen parallel zu der Stromleitungsrichtung im Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle 10 (in der Oben/Unten-Richtung in Figur 1 ). Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, hat der erste Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt 20c des Kontaktelements 20 eine deutlich geringere Materialstärke. Mit anderen Worten ist die Dicke des plattenförmigen ersten Kontaktabschnitts 20a (in der Rechts/Links-Richtung in Figur 1 ) deutlich kleiner als der Durchmesser des zylindrischen zweiten Kontaktabschnitts 20c (in der Rechts/Links-Richtung in Figur 1 ). In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 beträgt die Dicke des plattenförmigen ersten Kontaktabschnitts 20a nur etwa 1/10 des Durchmessers des zylindrischen zweiten Kontaktabschnitts 20c des Kontaktelements 20. Der notwendige Stromleitungsquerschnitt wird im ersten Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 trotz seiner geringen Materialstärke durch die relativ große Fläche des plattenförmigen Kontaktabschnitts 20a gewährleistet, welche etwa der Fläche des plattenförmigen Kontaktabschnitts 12a des Stromableiters 12 entspricht. Die Fläche des Kontaktabschnitts 12a bzw. des ersten Kontakt- abschnitts 20 liegt zum Beispiel in einem Bereich von etwa 20 mm2 bis etwa 50 mm2, bevorzugt von etwa 25 mm2 bis etwa 40 mm2.
Der Verbindungsabschnitt 20b des Kontaktelements 20 hat eine deutlich größere Materialstärke, d.h. Dicke in der Rechts/Links-Richtung in Figur 1 , als der erste Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20, da in diesem der Strom in Richtung zum zylindrischen zweiten Kontaktabschnitt 20c zusammengeführt wird.
Der im Vergleich zum zylindrischen zweiten Kontaktabschnitt 20c breitere Verbindungsabschnitt 20b des Kontaktelements 20 dient gleichzeitig einer Ver- pressung der Dichtelemente 22 in der Durchführungsöffnung des Zelldeckels 18, wie in Figur 1 dargestellt. Der zweite Kontaktabschnitt 20c des Kontaktelements 20 ist im Wesentlichen mittig zum ersten Kontaktabschnitt 20a angeordnet. Auf diese Weise kann der Verbindungsabschnitt 20b des Kontaktelements 20 zum Beispiel dünner ausgestaltet werden als wenn der zweite Kontaktabschnitt 20c an einem Ende des ersten Kontaktabschnitts 20a des Kontaktelements 20 vorgesehen wäre.
Insgesamt ist das Kontaktelement 20 in der Dickenrichtung seines ersten Kontaktabschnitts 20a bzw. in der Verbindungsrichtung seines ersten Kontakt- abschnitts 20a mit dem Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet.
Obwohl in Figur 1 nicht dargestellt, kann für das Verschweißen des Kontaktabschnitts 12a des Stromableiters 12 mit dem ersten Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 zusätzlich ein so genanntes Opferblech vorgesehen sein. Dieses Opferblech ist auf der dem ersten Kontaktabschnitt 20a des Kontaktelements 20 abgewandten Seite des Kontaktabschnitts 12a des Stromableiters 12 angeordnet, um den dünnen Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 beim Schweißvorgang vor Beschädigungen (zum Beispiel Einreißen) durch die anliegende Sonotrode 32 der Ultraschall-Schweißvorrichtung zu schützen.
Figur 4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung am Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die unsymmetrische Anordnung bzw. Ausbildung des Stromableiters 12 und des Kontaktelements 20 in der Dickenrichtung bzw. der Verbindungsrichtung der miteinander verbundenen Kontaktabschnitte 12a, 20a dieser beiden Komponenten. Außerdem ist der zylindrische zweite Kontaktabschnitt 20c des Kontaktelements 20 in diesem Ausführungsbeispiel kürzer ausgebildet als in den Figuren 1 bis 3. Des Weiteren ist in Figur 4 das oben erwähnte Opferblech 21 für das Verschweißen der beiden Kontaktabschnitte 12a, 20a des Stromableiters 12 und des Kontaktelements 20 dargestellt. Die weiteren Merkmale dieser Energiespeichervorrichtung von Figur 4 entsprechen jenen des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.

Claims

Patentansprüche
Energiespeichervorrichtung, mit
einer Energiespeicherzelle (10) mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung;
einem Stromableiter (12), welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle (10) elektrisch leitend verbunden ist und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) angeordneten Kontaktabschnitt (12a) aufweist;
einem Gehäuse (16, 18) zum Aufnehmen der Energiespeicherzelle (10) und des Strom ableiters (12); und
einem Kontaktelement (20), welches einen ersten Kontaktabschnitt (20a), der zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses (16, 18) angeordnet ist und mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) elektrisch leitend verbunden ist, und einen zweiten Kontaktabschnitt (20c), der zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (16, 18) angeordnet ist, aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) geringe Materialstärke aufweist.
2. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten
Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt ist. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) im Wesentlichen flächig verschweißt ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) zusammen mit einem Opferblech (21 ) auf der dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) abgewandten Seite des Kontaktabschnitts (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) verschweißt ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine Materialstärke gleich oder größer als jene des Kontaktabschnitts (12a) des Stromableiters (12) aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) über einen Verbindungsabschnitt (20b) mit dem zweiten Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt (20b) in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine größere Materialstärke als der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) im Wesentlichen mittig zum ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) und der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ihre Stromleitungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur Stromleitungsrichtung im zweiten Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) und der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ihre Stromleitungsrichtungen im Wesentlichen parallel zur Stromleitungsrichtung im Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle (10) sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) im Wesentlichen mittig zur Energiespeicherzelle (10) angeordnet und ausgebildet ist.
Elektrisch leitendes Kontaktelement, insbesondere für eine Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem ersten Kontaktabschnitt (20a) zur elektrisch leitenden Verbindung mit einem Stromableiter (12) einer Energiespeicherzelle (10) und einem zweiten Kontaktabschnitt (20c), wobei der erste Kontaktabschnitt (20a) in seiner Verbindungsrichtung mit dem Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine im Vergleich zum zweiten Kontaktabschnitt (20c) geringe Materialstärke aufweist.
Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, deren Kontaktelemente (20) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Verwendung einer Energiespeichervorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 10 oder einer Batterieanordnung nach Anspruch 12 für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb.
Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem ein Kontaktabschnitt (12a) eines Stromableiters (12), welcher elektrisch leitend mit einem Elektrodenstapel einer Energiespeicherzelle (10) verbunden ist, mit einem ersten Kontaktabschnitt (20a) eines Kontaktelements (20) elektrisch leitend verbunden wird, wobei die Energiespeicherzelle (10) und der Stromableiter (12) innerhalb eines Gehäuses (16, 18) angeordnet sind und der erste Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) in seiner Verbindungsrichtung mit dem
Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) eine im Vergleich zu einem zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (16, 18) angeordneten zweiten Kontaktabschnitt (20c) des Kontaktelements (20) geringe Materialstärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt wird. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) im Wesentlichen flächig verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) zusammen mit einem Opferblech (21 ) auf der dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) abgewandten Seite des Kontaktabschnitts (12a) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) und der erste
Kontaktabschnitt (20a) des Kontaktelements (20) beim Verschweißen Wesentlichen horizontal ausgerichtet sind.
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