WO2013023769A1 - Energiespeichervorrichtung und verfahren zur herstellung einer energiespeichervorrichtung - Google Patents

Energiespeichervorrichtung und verfahren zur herstellung einer energiespeichervorrichtung Download PDF

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energy storage
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storage device
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PCT/EP2012/003413
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Joerg Kaiser
Jens Meintschel
Claus-Rupert Hohenthanner
Harald REICHE
Alexander Hoernig
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Li-Tec Battery Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device, in particular an electrochemical 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 arrester, a housing for receiving the energy storage cell and the Stromableiters 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 each 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. It is the object of the present invention to provide an improved energy storage device, in particular an improved energy storage device with a compact connection of the contact element to the current collector.
  • the energy storage device of the invention comprises an energy storage cell having an electrode stack and a cladding; at least one current arrester, which has a first contact section electrically connected to the electrode stack of the energy storage cell and a second contact section arranged at least partially outside the enclosure of the energy storage cell; and at least one contact element, which has a first contact portion electrically connected to the second contact portion of the current conductor and a second contact portion for electrically contacting the energy storage device, on.
  • the energy storage device according to the invention is characterized in that the first contact portion and the second contact portion of the current collector are substantially parallel to each other.
  • the second contact portion of the current collector which is electrically connected to the first contact portion of the contact element, substantially parallel to the first contact portion of the Stromableiters, which is electrically conductively connected to the electrode stack of the energy storage cell aligned.
  • an (electrochemical) 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 has an active region or active part in which electrochemical conversion and Storage processes take place, and an enclosure for encapsulating the active part of 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 at least partially provided as independent 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 as meaning both a separate component, which is electrically conductively connected to the electrodes of the energy storage cell, preferably with portions of the electrodes projecting out of the envelope, as well as through the electrodes themselves, preferably through the envelope understood protruding portions of the electrodes self-formed current conductor become.
  • the current conductor can be considered as a component of the energy storage cell or as a different component of this.
  • the at least two current conductors are preferably arranged on the same side of the energy storage cell; but they can also be arranged on different sides, preferably on mutually opposite sides of the energy storage cell.
  • the current conductors of the energy storage device each have a first contact section, which is electrically conductively connected to the electrode stack of the energy storage cell.
  • This first contact portion of the current conductor may extend completely within the enclosure, partially within and partially outside the enclosure, or completely outside the enclosure of the energy storage cell.
  • the current conductors furthermore each have a second contact section arranged outside the enclosure of the energy storage cell. This second contact portion is preferably plate-shaped.
  • the plate-shaped second contact section of the current conductor preferably has a substantially constant thickness or material thickness.
  • the second contact section serves for the electrically conductive connection with the contact element of the energy storage device. At least the second contact section of the current conductor is at least partially disposed outside the enclosure of the energy storage cell.
  • the energy storage cell and the current collector of the energy storage device are preferably accommodated in a housing.
  • a housing in this context is any constructive device which is suitable for receiving and mechanically stabilizing the energy storage cell and the current conductor (s) therein and / or preventing or complicating mass transport 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 the energy storage cell and the current collector substantially completely enclose, as well as devices which support these components only partially (according to a frame) include.
  • the housing may preferably be formed in one piece or in several parts.
  • the housing is also suitable and intended to prevent or complicate an undesirable energy exchange of the energy storage device with its environment, especially if in this case energy, especially in non-electrical form, would be undesirably exchanged, for example thermal energy or mechanical energy.
  • a contact element is understood as any device which is suitable for producing an electrically conductive connection between the surroundings of the energy storage device and a current conductor of the energy storage device (inside the housing). About this electrically conductive connection, 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 comprises two current conductors each having a contact element connected thereto.
  • the contact elements of the energy storage device each have a first contact portion, which serves for the electrically conductive connection to a current conductor of the energy storage device.
  • This first contact portion is preferably plate-shaped.
  • the plate-shaped first contact section of the contact element preferably has a substantially constant thickness or material thickness.
  • the shape and size of the first contact section of the contact element are preferably adapted to those of the second contact section of the current conductor.
  • the contact elements of the energy storage device each have a second contact portion.
  • This second contact portion is preferably substantially cylindrical.
  • the second contact section serves as pole of the energy Storage device for electrically conductive connection with the environment of the energy storage device, for example, within a battery assembly.
  • the first contact portion and the second contact portion of the contact element are preferably integrally formed with each other.
  • 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 first contact portion of the contact element is preferably at least partially disposed within the above-mentioned housing of the energy storage device.
  • the second contact section of the contact element is preferably arranged at least partially outside the above-mentioned housing of the energy storage device.
  • the first and the second contact portion of the current collector are according to the invention substantially parallel to each other.
  • This parallel alignment of the contact portions of the current collector relates to the finished manufactured and assembled state of the energy storage device, but not to all phases during the manufacturing process.
  • the essentially parallel course should be understood to mean an exactly parallel alignment of the contact sections of the current conductor and also in an angle range up to about ⁇ 10 °, more preferably up to about ⁇ 5 °, contact sections of the current conductor.
  • this parallel arrangement of the contact sections of the current conductor should also preferably refer to the planes defined by their main expansion directions.
  • the two contact portions of the current collector are preferably integrally formed with each other. Alternatively, they can also be manufactured as separate components and electrically conductively connected to each other.
  • the first and the second contact section of the current conductor are preferably connected to one another directly or via a connecting section.
  • the first contact section and the second contact section of the current collector are preferably arranged at a distance from one another.
  • the intermediate space between the two parallel contact sections is preferably empty or filled with air.
  • an electrically insulating material may be arranged in the intermediate space between the essentially parallel contact sections of the current conductor.
  • the contact sections of the current conductor are arranged substantially without spacing from one another or contacting one another in a planar manner.
  • the first contact section of the current conductor or the entire current conductor is formed by protruding from the enclosure of the energy storage cell sections of electrodes of the electrode stack.
  • the first contact section and the second contact section of the current conductor are electrically conductively connected to one another via a connection section, which is bent in a substantially U-shaped manner.
  • the first contact section and the second contact section of the current conductor are electrically conductively connected to one another via a connecting section, which is eccentrically, preferably peripherally, with respect to the first contact section of the current conductor and / or with respect to a stacking direction of the electrode stack of the energy storage cell is arranged.
  • the second contact portion of the current conductor is welded to the first contact portion of the contact element, preferably welded with ultrasound.
  • the second contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element substantially flat.
  • the second 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 of the second contact portion of the current conductor with 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 that is central relative to the first contact section enables a simple design and production of the contact element.
  • the central arrangement preferably relates to the plane perpendicular to the connection direction between the first contact section of the contact element and the second contact section of the current conductor.
  • the second contact portion of the contact element is formed and arranged substantially perpendicular to the second contact portion of the Stromableiters.
  • 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 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 current conductor, which has a first contact section electrically connected to an electrode stack of an energy storage cell and a second contact section projecting at least partially out of an enclosure of the energy storage cell, having a first contact section of a contact element for electrically contacting the energy storage device is electrically conductively connected.
  • the second contact section of the current conductor is aligned substantially perpendicular to the first contact section of the current conductor before and during connection to the first contact section of the contact element and is bent after connection to the first contact section of the contact element such that the first contact section and the second contact section of Stromableiters substantially parallel to each other.
  • This method can be used in particular for producing the above-described energy storage device according to the invention.
  • Advantages, definitions and preferred embodiments for this production method correspond to those in connection with the energy storage device according to the invention.
  • a compact connection of the contact elements to the current conductors of the energy storage device can be achieved in a simple manner.
  • the second contact portion of the current collector with the first contact portion of the contact element in electrically conductive manner can be relatively easily performed, since the connection region is easily accessible due to the substantially vertical orientation between the two contact portions of the current conductor.
  • the second contact section of the current conductor is bent with the first contact section of the contact element in such a way that the two contact sections of the current conductor run essentially parallel to one another and thus the compact design explained above in connection with the energy storage device according to the invention can be achieved.
  • the bending over of the interconnected contact sections of the current conductor and of the contact element means any type of deformation which involves a plastic, i. when permanent deformation or elastic deformation of a component causes.
  • this bending preferably only the current conductor or a part of the current collector is deformed.
  • in addition to the current conductor or a part of the current collector and the contact element or a part of the contact element can be deformed.
  • the substantially parallel orientation of the two contact sections of the current conductor resulting from the bending should correspond in this context to that which has been explained in more detail above in connection with the energy storage device according to the invention together with various preferred embodiments.
  • the second contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element, preferably welded with ultrasound.
  • the second contact portion of the current collector is welded to the first contact portion of the contact element substantially flat.
  • the second contact portion of the current collector is welded together with a sacrificial sheet on the first contact portion of the contact element side facing away from the second contact portion of the current collector with the first contact portion of the contact element.
  • the second contact portion of the current collector and the first contact portion of the contact element are preferably substantially horizontally or substantially vertically aligned during welding.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an energy storage device according to a preferred embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic, enlarged side view of a compound of a
  • FIGS. 3A-C are schematic perspective views illustrating the manufacture of the energy storage device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Figs. 1 and 2 show parts of an electrochemical energy storage device.
  • 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.
  • the current conductors 12 are arranged 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. 2).
  • the current conductors 12 each have a first contact section 12a, which is electrically conductively connected to anodic or cathodic electrodes of the electrode stack of the energy storage cell 10, for example soldered or welded or alternatively formed integrally therewith.
  • the current conductors 12 each have a second contact section 12b, which is electrically conductively connected to a contact element 14.
  • the first and the second contact portion 12a, 12b of the current collector 12 are aligned substantially parallel to each other (within an angular range of about ⁇ 5 °), as can be seen in particular in FIG.
  • the two contact portions 12a, 12b objected to each other, wherein the gap is left empty or could alternatively be filled with an electrically insulating material, and connected to each other via a connecting portion 12c.
  • the two contact portions 12a, 12b of the current collector 12 are approximately U-shaped.
  • the second contact portion 12b of the current collector 12 may also be referred to as the arrester lug.
  • the connecting portion 12c of the current collector 12 is in the region of the edge of the energy storage cell 10, ie, at the edge, with respect to the first contact portion 12a of the current collector 12 and also with respect to the stacking direction of the electrode stack of the energy storage cell 10 (right / left direction in FIG. 2) arranged.
  • the connecting section 12c may also be offset from the edge region of the energy storage cell 10 toward the center of the energy storage cell.
  • the two current conductors 12 of the energy storage device, which are connected to the electrode stack of the energy storage cell 10 are arranged asymmetrically with respect to one another. That is to say that the connecting sections 12c of the two current conductors 12 are located on the edge regions of the energy storage cell 10 facing away from one another.
  • the current collector 12 is integrally formed with its portions 12a-c of an electrically conductive material (e.g., metal).
  • an electrically conductive material e.g., metal
  • the contact element 14 is arranged relatively close to the energy storage cell 10. This leads to a compact and space-saving design of the energy storage device.
  • the second contact portion 12b of the current collector 12 is substantially plate-shaped and serves the electrically conductive connection with the already mentioned contact element 14, which serves as a pole of the energy storage device and is described in more detail below.
  • the arrangement of the energy storage cell 10 and current conductors 12 is enclosed by an electrically insulating, one- or multi-part insulating film 16, for example made of PET laterally and on the bottom side (bottom in Fig. 1).
  • the construction unit surrounded by this insulating film 16 is further accommodated in a housing (not shown) stabilizing the unit.
  • This housing has, for example, a cell cup that is deep-drawn or cold-extruded is and is formed of a metallic material. At the upper side of the cell cup this is sealed with a cell cover, wherein the cell lid is welded or soldered to the cell cup, for example. Through an opening in the cell lid, the contact elements 14 are led out of the energy storage device.
  • contact elements 14 are formed from an electrically conductive material, for example a metal.
  • an annular sealing element made of an electrically insulating material is disposed in the passage opening of the cell lid between the contact elements 14 and the cell lid.
  • a further insulating element made of an electrically insulating material can be provided below the cell lid.
  • the contact elements 14 each have a first contact portion 14a and a second contact portion 14b.
  • the first contact portion 14a of the contact element 14 is formed substantially plate-shaped and serves the mechanical and electrically conductive connection with the second contact portion 12b of the Stromableiters 12.
  • the second contact portion 14b of the contact element 14 is substantially cylindrical and serves as a pole of the energy storage device, for example (serial or parallel) interconnection with other energy storage devices of a battery assembly.
  • the first and second contact portions 14a, 14b of the contact element 14 are directly connected to one another or integrally / integrally formed with each other.
  • the first contact portion 14a of the contact element 14 is substantially planar welded to the second contact portion 12b of the current collector 12, as explained in more detail below.
  • the current conductors 12 are initially formed such that their two contact sections 12a, 12b are substantially perpendicular to one another. Either the electrode films are led out of the energy storage cell 10 and combined or a suitably prefabricated current conductor is connected to the electrode stack of the energy storage cell 10.
  • the second contact sections 12b of the current conductors 12 are then brought together in each case with a contact element 14 and a sacrificial sheet 18 on opposite sides of the second contact sections 12b (see FIGS. 3A, 3B). Subsequently, the second contact portions 12b of the current collector 12 are each welded to a first contact portion 14a of a contact element 14 and a sacrificial sheet 18 surface.
  • an ultrasonic welding apparatus As indicated in FIG. 3C, such an ultrasonic welding device has in particular a generator (not shown), which converts the mains voltage into high frequency, a converter (not shown), which transmits the high frequency power, for example by means of piezoelectric or magnetoelectric power. has a sonic effect 22, the sonotrode 22 itself and an anvil 24, which receives the workpieces 12, 14, 18 to be welded between them and the sonotrode 22 preferably with pressure , on.
  • the welding of the plate-shaped workpiece (part) e 12b, 14a, 18 is effected by a friction of the molecules, which is caused by mechanical vibrations, which are transmitted from the sonotrode 22 to the workpiece parts 12b, 14a, 18, which are joined together under pressure. This friction of the molecules generates heat, which in turn softens or melts the material of the workpieces.
  • the ultrasonic welding operation is carried out with substantially horizontally oriented welding device 22, 24. That is, the second contact portion 12 b of the current collector 12, the first contact portion 14 a of the contact element 14 and the sacrificial sheet 18 are respectively during welding essentially vertically aligned.
  • the second contact sections 12b of the current conductors 12 are bent together with the first contact sections 14a and the sacrificial sheets 18 welded thereto (see arrow in FIG two contact portions 12a, 12b of the current collector 12 each have the desired, substantially parallel orientation to each other, as explained above with reference to FIG. 2.

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Abstract

Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist eine Energiespeicherzelle (10) mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung; wenigstens einen Stromableiter (12), welcher einen mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle (10) elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt (12a) und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) angeordneten zweiten Kontaktabschnitt (12b) aufweist, auf. Weiter ist ein wenigstens Kontaktelement (14) vorgesehen, welches einen mit dem zweiten Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) elektrisch leitend verbundenen, vorzugsweise mit Ultraschall flächig verschweißten, ersten Kontaktabschnitt (14a), und einen zweiten Kontaktabschnitt (14b) zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung aufweist. Der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) sind zunächst im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) wird nach seinem Verschweißen mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) so umgebogen, dass er dann im Wesentlichen parallel zum ersten Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) verläuft.

Description

ENERGIESPEICHERVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER 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 10 814.2 vom 17. August 201 1 in Anspruch. Hiermit wird der gesamte Inhalt dieser Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 1 10 814.2 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung, und ein Ver- fahren zur Herstellung einer solchen Energiespeichervorrichtung.
Elektrochemische Energiespeichervorrichtungen weisen üblicherweise wenigstens eine elektrochemische Energiespeicherzelle (häufig auch als elektrochemische oder galvanische Zelle bezeichnet), wenigstens einen Strom- ableiter, 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 kompakten Anbindung des Kontaktelements an den Stromableiter.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. 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; wenigstens einen Strom- ableiter, welcher einen mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten zweiten Kontaktabschnitt aufweist; und wenigstens ein Kontaktelement, welches einen mit dem zweiten Kontaktabschnitt des Strom ableiters elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zweiten Kontaktabschnitt zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung aufweist, auf. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Bei der Energiespeichervorrichtung der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters, welcher mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements elektrisch leitend verbunden ist, im Wesentlichen parallel zum ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters, welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbunden ist, ausgerichtet. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Verbindung zwischen dem Stromableiter und dem Kontaktelement einfach und kompakt auszubilden. Die erfindungsgemäße Konstruktion der Energiespeichervorrichtung kann insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeichervorrichtungen mit Stromableitern, deren Kontaktabschnitte im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen, wesentlich kompakter ausgestaltet werden, da der Abstand zwischen dem Kontaktelement, insbesondere dessen zweitem Kontaktabschnitt zur Energiespeicherzelle kleiner und damit platzsparender werden kann.
Unter einer (elektrochemischen) 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 eigenständige 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 vor- zugsweise 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 angesehen werden oder als eine von dieser verschiedene Komponente. Die wenigstens zwei Stromableiter sind vorzugsweise auf der gleichen Seite der Energiespeicherzelle angeordnet; sie können aber auch auf verschiedenen Seiten, bevorzugt auf einander gegenüber liegenden Seiten der Energiespeicherzelle angeordnet sein.
Die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt auf, welcher mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicher- zelle elektrisch leitend verbunden ist. Dieser erste Kontaktabschnitt des Stromableiters kann sich vollständig innerhalb der Umhüllung, teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Umhüllung, oder vollständig außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle erstrecken. Die Stromableiter weisen ferner jeweils einen außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordneten zweiten Kontaktabschnitt auf. Dieser zweite Kontaktabschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Der zweite Kontaktabschnitt dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem Kontaktelement der Energiespeichervorrichtung. Zumindest der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters ist wenigstens teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle angeordnet.
Die Energiespeicherzelle und die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung sind vorzugsweise in einem Gehäuse aufgenommen. Ein Gehäuse ist in diesem Zusammenhang 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 Energieaustausch 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 im Sinne der Erfindung 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. Vorzugsweise weist die Energiespeichervorrichtung zwei Stromableiter mit jeweils einem damit verbundenen Kontaktelement auf.
Die Kontaktelemente der Energiespeichervorrichtung weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt auf, welcher der elektrisch leitenden Verbindung mit einem Stromableiter der Energiespeichervorrichtung dient. Dieser erste Kontakt- abschnitt ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Der plattenförmige erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements hat bevorzugt eine im Wesentlichen konstante Dicke bzw. Materialstärke. Form und Größe des ersten Kontaktabschnitts des Kontaktelements sind vorzugsweise an jene des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters angepasst. Außerdem weisen die Kontakt- elemente der Energiespeichervorrichtung jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt auf. Dieser zweite Kontaktabschnitt ist vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der zweite Kontaktabschnitt dient als Pol der Energie- Speichervorrichtung zur elektrisch leitenden Verbindung mit der Umgebung der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel innerhalb einer Batterieanordnung. 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. Der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements ist bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des oben genannten Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet. Der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements ist bevorzugt zumindest teilweise außerhalb des oben genannten Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet.
Der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters verlaufen gemäß der Erfindung im Wesentlichen parallel zueinander. Diese parallele Ausrichtung der Kontaktabschnitte des Stromableiters bezieht sich auf den fertig hergestellten und zusammengebauten Zustand der Energiespeichervorrichtung, nicht jedoch auch auf alle Phasen während des Fertigungsprozesses. Unter dem im Wesentlichen parallelen Verlauf sollen in diesem Zusammenhang eine exakt parallele Ausrichtung der Kontaktabschnitte des Stromableiters und auch in einem Winkelbereich bis zu etwa ± 10°, bevorzugter bis zu etwa ± 5° zueinander angestellte Kontaktabschnitte des Stromableiters verstanden werden. Diese parallele Anordnung der Kontaktabschnitte des Stromableiters soll sich in diesem Zusammenhang ferner bevorzugt auf die durch ihre Hauptausdehnungsrichtungen definierten Ebenen beziehen.
Die beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters sind vorzugsweise integral bzw. einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ können sie auch als separate Bauteile gefertigt und elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters sind vorzugsweise unmittel- bar oder über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden. Der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters sind bevorzugt mit Abstand zueinander angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den beiden parallelen Kontaktabschnitten ist vorzugsweise leer bzw. mit Luft gefüllt. Alternativ kann in dem Zwischenraum zwischen den im Wesentlichen parallelen Kontaktabschnitten des Stromableiters ein elektrisch isolierend es Material angeordnet sein. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Kontaktabschnitte des Stromableiters im Wesentlichen ohne Abstand zueinander bzw. sich flächig kontaktierende angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Kontaktabschnitt des Stromableiters oder der gesamte Stromableiter durch aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle heraus ragende Abschnitte von Elektroden des Elektrodenstapels gebildet. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters als separates Bauteil mit aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle herausragenden Abschnitten von Elektroden des Elektrodenstaates elektrisch leitend zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters über einen Ver- bindungsabschnitt elektrisch leitend miteinander verbunden, der im Wesentlichen U-förmig gebogen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters über einen Verbindungsabschnitt elektrisch leitend miteinander verbunden, der in Bezug auf den ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters und/oder in Bezug auf eine Stapelrichtung des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle außermittig, vorzugsweise randseitig angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt. Besonders bevorzugt ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters dabei mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt. Durch ein solches Opferblech kann der Stromableiter bzw. sein zweiter Kontaktabschnitt beim Verschweißen mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements vor einer Beschädigung, insbesondere einer mechanischen Beschädigungen geschützt werden.
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 Kontaktelements ermöglicht eine einfache Ausgestaltung und Herstellung des Kontaktelements. Die mittige Anordnung bezieht sich vorzugsweise auf die Ebene senkrecht zur Verbindungsrichtung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements und dem zweiten Kontaktabschnitt des Stromableiters.
Vorzugsweise ist der zweite Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Kontaktabschnitt des Stromableiters ausgebildet und angeordnet.
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 Stromableiter, welcher einen mit einem Elektrodenstapel einer Energiespeicherzelle elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt und einen zumindest teilweise aus einer Umhüllung der Energiespeicherzelle heraus ragenden zweiten Kontaktabschnitt aufweist, mit einem ersten Kontaktabschnitt eines Kontaktelements zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung elektrisch leitend ver- bunden wird. Dabei ist der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters vor und während dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen senkrecht zum ersten Kontaktabschnitt des Stromableiters ausgerichtet und wird nach dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements derart umgebogen, dass der erste Kontaktabschnitt und der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Dieses Verfahren ist insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Energiespeichervorrichtung gemäß der Erfindung einsetzbar. Vorteile, Begriffs- definitionen und bevorzugte Ausführungsformen zu diesem Herstellungsverfahren entsprechen jenen in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann zudem in einfacher Weise eine kompakte Anbindung der Kontaktelemente an die Stromableiter der Energiespeichervorrichtung erzielt werden. Des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements in elektrisch leitender Weise kann relativ einfach durchgeführt werden, da der Verbindungsbereich aufgrund der im Wesentlichen senkrechten Orientierung zwischen den beiden Kontaktabschnitten des Stromableiters gut zugänglich ist. Nach dem erfolgten Verbindungsvorgang wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements so umgebogen, dass die beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und so die oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung erläuterte kompakte Bauweise erzielt werden kann.
Unter dem Umbiegen der miteinander verbundenen Kontaktabschnitte des Stromableiter und des Kontaktelements wird in diesem Zusammenhang jede Art von Umformung verstanden, die eine plastische, d.h. wenn dauerhafte Verformung oder eine elastische Verformung eines Bauteils bewirkt. Bei diesem Umbiegen wird vorzugsweise nur der Stromableiter bzw. ein Teil des Stromableiters verformt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann neben dem Stromableiter bzw. einem Teil des Stromableiters auch das Kontaktelement bzw. ein Teil des Kontaktelements verformt werden. Die sich durch das Umbiegen ergebende, im Wesentlichen parallele Orientierung der beiden Kontaktabschnitte des Stromableiters soll in diesem Zusammenhang jener entsprechen, die oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung zusammen mit verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert worden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt. Vorzugsweise wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements im Wesentlichen flächig verschweißt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters zusammen mit einem Opferblech auf der dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts des Stromableiters mit dem ersten Kontaktabschnitt des Kontaktelements verschweißt.
Der zweite Kontaktabschnitt des Stromableiters und der erste Kontaktabschnitt des Kontaktelements sind beim Verschweißen vorzugsweise im Wesentlichen horizontal oder im Wesentlichen vertikal 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 Perspektivansicht einer Energiespeichervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine schematische, vergrößerte Seitenansicht einer Verbindung eines
Stromableiters mit einem Kontaktelement der Energiespeichervorrichtung von Fig. 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3A-C schematische Perspektivansichten zur Erläuterung der Herstellung der Energiespeichervorrichtung von Fig. 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 und 2 zeigen Teile einer elektrochemischen Energiespeichervorrichtung. 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 heraus- geführt. 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.
Die Stromableiter 12 sind in der Stapelrichtung bzw. Dickenrichtung der Energiespeicherzelle 10 bzw. des Elektrodenstapels (Rechts/Links-Richtung in Fig. 2) im Wesentlichen mittig angeordnet. Die Stromableiter 12 weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt 12a auf, der mit anodischen oder kathodischen Elektroden des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle 10 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet oder verschweißt ist oder alternativ einstückig mit diesen ausgebildet ist. Weiter weisen die Stromableiter 12 jeweils einen zweiten Kontaktabschnitt 12b auf, der mit einem Kontaktelement 14 elektrisch leitend verbunden ist.
Im fertig hergestellten Zustand der Energiespeichervorrichtung sind der erste und der zweite Kontaktabschnitt 12a, 12b des Stromableiters 12 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet (innerhalb eines Winkelbereichs von etwa ± 5°), wie insbesondere in Fig. 2 zu erkennen. Dabei sind die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b voneinander beanstandet, wobei der Zwischenraum leer gelassen ist oder alternativ mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt werden könnte, und über einen Verbindungsabschnitt 12c miteinander verbunden. Zusammen mit dem Verbindungsabschnitt 12c sind die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b des Stromableiters 12 etwa U-förmig ausgebildet. Der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 kann auch als Ableiterfahne bezeichnet werden. Der Verbindungsabschnitt 12c des Stromableiters 12 ist in Bezug auf den ersten Kontaktabschnitt 12a des Stromableiters 12 und auch in Bezug auf die Stapelrichtung des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle 10 (Rechts/ Links- Richtung in Fig. 2) im Bereich des Randes der Energiespeicherzelle 10, d.h. randseitig angeordnet. Wahlweise kann der Verbindungsabschnitt 12c auch vom Randbereich der Energiespeicherzelle 10 zur Mitte der Energiespeicherzelle hin versetzt sein. Wie in Figur 1 dargestellt, sind die beiden Stromableiter 12 der Energiespeichervorrichtung, die mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicher- zelle 10 verbunden sind, asymmetrisch zueinander angeordnet. D.h. die Verbindungsabschnitte 12c der beiden Stromableiter 12 befinden sich an den zueinander abgewandten Randbereichen der Energiespeicherzelle 10.
Wie in Fig. 2 veranschaulicht, ist der Stromableiter 12 mit seinen Abschnitten 12a-c einstückig aus einem elektrisch leitenden Material (z.B. Metall) gefertigt.
Durch die im Wesentlichen parallele Anordnung der beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b des Stromableiters 12 ist das Kontaktelement 14 relativ nah an der Energiespeicherzelle 10 angeordnet. Dies führt zu einer kompakten und platz- sparenden Bauweise der Energiespeichervorrichtung.
Der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und dient der elektrisch leitenden Verbindung mit dem bereits erwähnten Kontaktelement 14, welches als ein Pol der Energiespeicher- Vorrichtung dient und weiter unten in mehr Einzelheiten beschrieben ist.
Die Anordnung aus Energiespeicherzelle 10 und Stromableitern 12 ist von einer elektrisch isolierenden, ein- oder mehrteiligen Isolierfolie 16 zum Beispiel aus PET seitlich und bodenseitig (unten in Fig. 1 ) umschlossen. Die von dieser Isolierfolie 16 umgebene Konstruktionseinheit ist ferner in einem die Einheit stabilisierenden Gehäuse (nicht dargestellt) aufgenommen. Dieses Gehäuse weist zum Beispiel einen Zellbecher auf, der tiefgezogen oder kaltfließgepresst ist und aus einem metallischen Material gebildet ist. An der oberen Seite des Zellbechers ist dieser mit einem Zelldeckel dicht verschlossen, wobei der Zelldeckel mit dem Zellbecher zum Beispiel verschweißt oder verlötet wird. Durch eine Öffnung im Zelldeckel werden die Kontaktelemente 14 aus der Energiespeichervorrichtung herausgeführt. Diese Kontaktelemente 14 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall gebildet. Zum Zwecke der elektrischen Isolierung und einer vorzugsweise gasdichten Abdichtung des Gehäuses ist in der Durchführungsöffnung des Zelldeckels zwischen den Kontaktelementen 14 und dem Zelldeckel jeweils ein zum Beispiel ringförmiges Dichtungselement aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Zudem kann unterhalb des Zelldeckels ein weiteres Isolationselement aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen sein. Die Kontaktelemente 14 weisen jeweils einen ersten Kontaktabschnitt 14a und einen zweiten Kontaktabschnitt 14b auf. Der erste Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und dient der mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung mit dem zweiten Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12. Der zweite Kontaktabschnitt 14b des Kontaktelements 14 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dient als Pol der Energiespeichervorrichtung zum Beispiel zur (seriellen oder parallelen) Verschaltung mit weiteren Energiespeichervorrichtungen einer Batterieanordnung. Der erste und der zweite Kontaktabschnitt 14a, 14b des Kontaktelements 14 sind direkt miteinander verbunden bzw. integral / einstückig mit- einander ausgebildet.
Der erste Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 wird mit dem zweiten Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12 mit Ultraschall im Wesentlichen flächig verschweißt, wie weiter unten in mehr Einzelheiten erläutert.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird für das Verschweißen des zweiten Kontaktabschnitts 12b des Stromableiters 12 mit dem ersten Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 zusätzlich ein so genanntes Opferblech 18 eingesetzt. Dieses Opferblech 18 ist auf der dem ersten Kontaktabschnitt 14a des Kontaktelements 14 abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts 12b des Stromableiters 12 angeordnet, um den zweiten Kontaktabschnitt 12b des Strom- ableiters 12 beim Schweißvorgang vor Beschädigungen (zum Beispiel Einreißen) durch die Ultraschall-Schweißvorrichtung zu schützen.
Bezug nehmend auf Fig. 3A, 3B und 3C wird nun ein Teil des Herstellungsverfahrens der Energiespeichervorrichtung näher beschrieben. Dabei sind die gleichen Komponenten der Energiespeichervorrichtung mit den gleichen Zeichen wie in Fig. 1 und 2 gekennzeichnet.
Wie in Fig. 3A-C dargestellt, sind die Stromableiter 12 zunächst so ausgebildet, dass ihre beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b im Wesentlichen senkrecht zu- einander stehen. Entweder sind die Elektrodenfolien so aus der Energiespeicherzelle 10 herausgeführt und zusammengefasst oder es wird ein entsprechend vorgefertigter Stromableiter mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle 10 verbunden. Die zweiten Kontaktabschnitte 12b der Stromableiter 12 werden dann jeweils mit einem Kontaktelement 14 und einem Opferblech 18 auf abgewandten Seiten der zweiten Kontaktabschnitte 12b zusammengebracht (vgl. Fig. 3A, 3B). Anschließend werden die zweiten Kontaktabschnitte 12b der Stromableiter 12 jeweils mit einem ersten Kontaktabschnitt 14a eines Kontaktelements 14 und einem Opferblech 18 flächig verschweißt.
Diese Schweißvorgänge werden beispielsweise mit einer Ultraschall-Schweißvorrichtung durchgeführt, wie sie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist. Wie in Fig. 3C angedeutet, weist eine solche Ultraschall-Schweißvorrichtung ins- besondere einen Generator (nicht dargestellt), welcher die Netzspannung in Hochfrequenz umwandelt, einen Konverter (nicht dargestellt), welcher die Hochfrequenz-Leistung zum Beispiel mittels piezoelektrischem oder magneto- striktivem Effekt hat in Ultraschall umwandelt, ein Amplitudentransformationsstück 20, welches die mechanischen Schwingungen auf eine Sonotrode 22 überträgt, die Sonotrode 22 selbst und einen Amboss 24, welcher die zu verschweißenden Werkstücke 12, 14, 18 zwischen sich und der Sonotrode 22 vorzugsweise mit Druck aufnimmt, auf. Das Verschweißen der plattenförmigen Werkstück(teil)e 12b, 14a, 18 erfolgt durch eine Reibung der Moleküle, die durch mechanische Schwingungen verursacht wird, welche von der Sonotrode 22 auf die unter Druck zusammenstehenden Werkstückteile 12b, 14a, 18 übertragen werden. Diese Reibung der Moleküle erzeugt Wärme, welche wiederum das Material der Werkstücke erweicht bzw. aufschmilzt.
Wie in Fig. 3C dargestellt, erfolgt der Ultraschall-Schweißvorgang mit im Wesentlichen horizontal ausgerichteter Schweißvorrichtung 22, 24. Das heißt der zweite Kontaktabschnitt 12b des Stromableiters 12, der erste Kontakt- abschnitt 14a des Kontaktelements 14 und das Opferblech 18 sind während des Verschweißens jeweils im Wesentlichen vertikal ausgerichtet.
Nach dem so beschriebenen Verschweißen der Kontaktelemente 14 mit den Stromableitern 12 der Energiespeichervorrichtung werden die zweiten Kontakt- abschnitte 12b der Stromableiter 12 zusammen mit den daran angeschweißten ersten Kontaktabschnitten 14a und den Opferblechen 18 so umgebogen (vgl. Pfeil in Fig. 2), dass die beiden Kontaktabschnitte 12a, 12b der Stromableiter 12 jeweils die gewünschte, im Wesentlichen parallele Ausrichtung zueinander haben, wie oben anhand von Fig. 2 erläutert.

Claims

Patentansprüche
Energiespeichervorrichtung, mit
einer Energiespeicherzelle (10) mit einem Elektrodenstapel und einer Umhüllung;
wenigstens einem Stromableiter (12), welcher einen mit dem Elektrodenstapel der Energiespeicherzelle (10) elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt (12a) und einen zumindest teilweise außerhalb der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) angeordneten zweiten Kontaktabschnitt (12b) aufweist; und
wenigstens einem Kontaktelement (14), welches einen mit dem zweiten Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt (14a) und einen zweiten Kontaktabschnitt (14b) zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) durch aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) heraus ragende Abschnitte von Elektroden des Elektrodenstapels gebildet ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromableiter (12) durch aus der Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) heraus ragende Abschnitte von Elektroden des Elektrodenstapels gebildet ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) über einen Verbindungsabschnitt (12c) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, der im Wesentlichen U-förmig gebogen ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) über einen Verbindungsabschnitt (12c) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, der in Bezug auf den ersten Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) außermittig, vorzugsweise rand- seitig angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) über einen Verbindungsabschnitt (12c) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, der in Bezug auf eine Stapelrichtung des Elektrodenstapels der Energiespeicherzelle (10) außermittig, vorzugsweise randseitig angeordnet ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) verschweißt, vorzugsweise im Wesentlichen flächig verschweißt, besonders bevorzugt mit Ultraschall verschweißt ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) zusammen mit einem Opferblech (18) auf der dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts (12b) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) verschweißt ist.
9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kontaktabschnitt (14b) des Kontaktelements (14) im Wesentlichen mittig zum ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) und/oder im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) ausgebildet und angeordnet ist.
10. Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, deren Kontaktelemente (14) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
1 1. Verwendung einer Energiespeichervorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 9 oder einer Batterieanordnung nach Anspruch 10 für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb.
12. Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem ein Stromableiter (12), welcher einen mit einem Elektrodenstapel einer Energiespeicherzelle (10) elektrisch leitend verbundenen ersten Kontaktabschnitt (12a) und einen zumindest teilweise aus einer Umhüllung der Energiespeicherzelle (10) heraus ragenden zweiten Kontaktabschnitt (12b) aufweist, mit einem ersten Kontaktabschnitt (14a) eines Kontaktelements (14) zum elektrischen Kontaktieren der Energiespeichervorrichtung elektrisch leitend verbunden wird,
wobei der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) vor und während dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) im Wesentlichen senkrecht zum ersten Kontaktabschnitt (12a) des Stromableiters (12) ausgerichtet ist und nach dem Verbinden mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) derart umgebogen wird, dass der erste Kontaktabschnitt (12a) und der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) verschweißt, vorzugsweise mit Ultraschall verschweißt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) im Wesentlichen flächig verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Kontaktabschnitt (12b) des Stromableiters (12) zusammen mit einem Opferblech (18) auf der dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) abgewandten Seite des zweiten Kontaktabschnitts (12b) des Stromableiters (12) mit dem ersten Kontaktabschnitt (14a) des Kontaktelements (14) verschweißt wird.
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