WO2014040733A1 - Verfahren zum befüllen einer elektrochemischen einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven substanz und verschliessen der elektrochemischen einzelzelle - Google Patents

Verfahren zum befüllen einer elektrochemischen einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven substanz und verschliessen der elektrochemischen einzelzelle Download PDF

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WO2014040733A1
WO2014040733A1 PCT/EP2013/002737 EP2013002737W WO2014040733A1 WO 2014040733 A1 WO2014040733 A1 WO 2014040733A1 EP 2013002737 W EP2013002737 W EP 2013002737W WO 2014040733 A1 WO2014040733 A1 WO 2014040733A1
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filling opening
housing side
cell
side walls
filling
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PCT/EP2013/002737
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Claus-Rupert Hohenthanner
Jens Meintschel
Dirk Schröter
Enrico WARSCHEFSKE
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Daimler Ag
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    • H01M50/60—Arrangements or processes for filling or topping-up with liquids; Arrangements or processes for draining liquids from casings
    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • H01M50/627—Filling ports
    • H01M50/636—Closing or sealing filling ports, e.g. using lids
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for filling an electrochemical single cell with an electrochemically active substance and closing the electrochemical single cell according to the features of the preamble of claim 1.
  • DE 10 2009 035 455 describes a battery having a plurality of bipolar frame flat cells which are stacked to the battery.
  • Each of the frame flat cells has two cladding sheets.
  • the two cladding sheets are separated from each other by an electrically insulating frame.
  • an electrode stack of anode foils, separator foils and cathode foils is arranged.
  • the frame is provided with a diffusion barrier element.
  • the diffusion barrier element is connected to one of the Hüllbleche. Furthermore, a method for producing such a battery is specified.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved method for filling a single electrochemical cell with an electrochemically active substance and closing the electrochemical single cell.
  • the object is achieved by a method for filling a
  • the cell housing of two electrically conductive, substantially parallel opposite arranged housing side walls and at least one arranged between these electrically insulating insulating element is formed and in the cell housing a
  • Electrode sheet arrangement is arranged with an electrochemically active substance and sealing the electrochemical single cell according to the invention
  • Cell housing interior is filled and wherein the filling opening is subsequently force, positively and / or materially closed to form a media-tight cell housing interior.
  • Showing: 1 shows schematically an exploded view of a first embodiment of a single cell with two housing side walls and in these formed bulges to form a filling opening according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of a single cell according to FIG. 1 with a filling opening according to the invention
  • Fig. 3 schematically shows a detailed perspective view of an inventive
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a filling opening according to the invention.
  • Fig. 5 shows schematically an exploded view of a welding device for
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a U-shaped sealed seam
  • Fig. 7 shows schematically a perspective view of a welding device for
  • Fig. 8 shows schematically a sectional view of a welding device for
  • Fig. 9 shows schematically a further sectional view of a welding device for
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of a welding device for
  • FIG. 11 is a schematic sectional view of a welding device for
  • Fig. 12 shows schematically a further sectional view of a welding device for
  • Fig. 14 schematically shows a detailed perspective view of an inventive
  • FIG. 15 is a schematic sectional view of a filling opening according to the invention according to the embodiment of FIG. 13,
  • Fig. 17 schematically shows a detailed perspective view of an inventive
  • FIG. 18 is a schematic sectional view of a filling opening according to the invention according to the embodiment of FIG. 16;
  • FIG. 20 schematically shows a perspective view of a single cell according to FIG.
  • Fig. 21 schematically a perspective detail view of an inventive
  • FIG. 22 is a schematic sectional view of a filling opening according to the invention according to the embodiment of FIG. 19. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
  • Figure 1 shows schematically an exploded view of a first embodiment of a single cell 1 with two housing side walls 2, 3 and formed in these
  • Buckles 4 for forming a filling opening 5 according to the invention Buckles 4 for forming a filling opening 5 according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of a single cell 1 according to FIG. 1 with a filling opening 5 according to the invention.
  • FIG. 13 schematically shows an exploded view of a second embodiment of a single cell 1 with two housing side walls 2, 3 and in these formed bulges 4 for forming a filling opening 5 according to the invention.
  • 16 schematically shows an exploded view of a second embodiment of a single cell 1 with two housing side walls 2, 3 and in these formed bulges 4 to form a filling opening 5 according to the invention.
  • FIG. 19 schematically shows an exploded view of a fourth embodiment of a single cell 1 with two housing side walls 2, 3 and a bulge 4 formed in one of these housing side walls 2, 3 for forming a single cell
  • FIG. 20 schematically shows a perspective view of a single cell 1 according to FIG. 19 with a filling opening 5 according to the invention.
  • a cell housing of the single cell 1 comprises two housing side walls 2, 3, a first housing side wall 2 and a second housing side wall 3.
  • the housing side walls 2, 3 are each formed as a half-shell.
  • the two housing side walls 2, 3 each have an edge peripheral cup flange 6.
  • the housing side walls 2, 3 are each formed as a half-shell.
  • the two housing side walls 2, 3 each have a peripherally encircling shell flange 6.
  • a sealing frame 7 is arranged between the two housing side walls 2, 3.
  • the sealing frame 7 is formed corresponding to the shell flange 6.
  • the housing side walls 2, 3 are each formed as a half-shell.
  • the two housing side walls 2, 3 each have an edge peripheral cup flange 6.
  • the housing side wall 2 on a peripheral peripheral shell flange 6.
  • the housing side wall 3 is formed as a planar Hüllblech and formed corresponding to the housing side wall 2.
  • an insulating means 8 is arranged, which is formed corresponding to the respective housing side wall 2, 3. That is, the insulating means 6 is also designed shell-shaped or planar and has the dimensions of the housing side wall 2, 3rd
  • Housing side wall 2, 3 inside the single cell 1 largely completely covered.
  • the insulation means 8 has a recess 10.
  • a plastic or a plastic mixture is used as a material for the insulation means 8 and / or the sealing frame 7.
  • a plastic or a plastic mixture is used as a material for the insulation means 8 and / or the sealing frame 7.
  • Housing side walls 2, 3 has. The corresponding surfaces of the
  • Housing side walls 2, 3, for example in the region of the shell flange 6, may still be provided with a treatment or activation in order to improve the adhesive effect.
  • Housing side wall 2, 3 may be nickel-plated. Furthermore, preferably at least one plastic component in the region of a
  • Sealing seam 11 for example, an insulating means 8 and / or the sealing frame 7, laminated particles higher melting temperature. These particles will be
  • a cell housing interior 13 is formed. Within the cell housing interior 13, the electrode foil arrangement 9 is arranged. The distance between the two shell bottoms 12 preferably corresponds to the height of the
  • Electrode foil assembly 9 so that a compact design of the single cell 1 is possible.
  • the conventional electrode sheet assembly 9 is formed of electrode sheets of different polarity.
  • the electrode films are electrically insulated from one another by means of a separator, not shown in detail, in particular a separator film.
  • the electrode foil arrangement 9 is formed from stacked aluminum and / or copper foils and / or foils of a metal alloy.
  • the electrode foils of the electrode foil arrangement 9 of a polarity are contacted with electrically conductive Stromabieiterfahen, which are summarized in particular by means of a pressing and / or welding to a Polumblefahne 14.
  • one PolANDfahne 14 of a polarity is electrically conductively connected in particular by means of a weld with one housing side wall 2, 3, so that the two housing side walls 2, 3 serve as electrical poles of the single cell 1.
  • the respective insulating means 8 For contacting the pole contact lug 14 with the respective housing side wall 2, 3, the respective insulating means 8 has a recess 10. The correspond Dimensions of the respective recess 10 with the dimensions of the respective pole contact lug 14th
  • housing side walls 2, 3 serve as so-called jacketleitbleche by means of which within the single cell 1, in particular during charging and / or discharging heat generated heat can be dissipated.
  • the shell flanges 6 are the
  • Sealing frame 7 electrically isolated from each other.
  • the shell flanges 6 of the housing side walls 2, 3 are arranged congruently with the interposition of the at least one insulation element 8 and / or the sealing frame 7 to form the cell housing interior 13 together.
  • Shell flanges 6 and insulation element 8 and / or sealing frame 7 are
  • Isolation element 8 and / or the sealing frame 7 to form a cell housing U-shaped circumferential sealing seam 1 and under formation of the filling opening 5 force, form and / or materially connected.
  • FIG. 5 shows schematically an exploded view of a corresponding one
  • FIG. 6 schematically shows a sectional view of a U-shaped sealing seam 11.
  • connection of the two housing side walls 2, 3 is preferably carried out by a conventional heat sealing process or an ultrasonic welding process.
  • the sealing seam 11 to be formed in the area of the trainees are arranged
  • the two housing side walls 2, 3 are firmly bonded together.
  • the electrochemically active substance in particular an electrolyte, is introduced into the cell housing interior 13 through the filling opening 5 which is not closed by the sealing seam 11.
  • the filling opening 5 is subsequently closed in a force, form and / or material fit to form a media-tight cell housing interior 13.
  • FIG. 3 schematically shows a detailed perspective view of a
  • FIG. 14 schematically shows a detailed perspective view of a
  • FIG. 17 schematically shows a detailed perspective view of a
  • FIG. 21 schematically shows a detailed perspective view of a
  • At least one section of the shell flanges 6 of at least one of the housing side walls 2, 3 is curved in a pioneering manner during the production of the respective housing side wall 2, 3 by the sealing seam 11 to be formed, for example by means of a forming process. Furthermore, in which the respective housing side wall 2, 3 assigned
  • Insulation element 8 and / or the sealing frame 7 during its production formed a corresponding curvature 4.
  • the filling opening 5 is closed.
  • Ultrasonic welding tool 16 from anvil 17 and sonotrode 18 adjusted accordingly.
  • the closure of the filling opening 5 is then carried out by means of a conventional heat-sealing process or an ultrasonic welding process.
  • the reshaping of the bulges 4 and the sealing of the former filling opening 5 take place in one work step.
  • FIG. 7 to 12 show different views of such
  • Ultrasonic welding tool 16 for closing the filling opening. 5
  • Ultrasonic welding tool 16 consisting of the high-frequency moving sonotrode 18 and the stationary anvil 17, above and below the shell flanges 6, the filling opening 5. Subsequently, the high-frequency vibrating sonotrode 18 is pressed against the anvil 17, whereby the bulges 4 are pressed against each other, so that the corresponding components locally by frictional heat or melt and be pressed, with a cohesive connection is formed.
  • the welding parameters are set in such a way that the particles of higher melting temperature laminated in the sealing frame 7 and / or insulating element 8 are not melted and thus permit a setting of a minimum distance between the housing side walls 2, 3 in the region of the shell flange 6 and thus electrical insulation.
  • the final closure is preferably carried out in a vacuum chamber, if the
  • Cell housing interior 13 is to be evacuated, under inert gas or under dry air.

Abstract

Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle (1), deren Zellgehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Gehäuseseitenwänden (2, 3) und zumindest einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Isolationselement (7, 8) gebildet ist und in deren Zellgehäuse eine Elektrodenfolienanordnung (9) angeordnet ist, mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle (1). Erfindungsgemäß werden Schalenflansche (6) der Gehäuseseitenwände (2, 3) unter Zwischenschaltung des zumindest einen fsofationseiements (7, 8) deckungsgleich unter Ausbildung eines Zellgehäuseinnenraums (13) aneinander angeordnet und Schalenflansche (6) und Isolationselemant (7, 8) werden abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer Einfüllöffnung (5) und unter Ausbildung einer Siegelnaht (11) kraft-, form- und/oder st off schlüssig verbunden, wobei anschließend durch diese Einfüllöffnung (5) hindurch die elektrochemisch aktive Substanz in den Zellgehäuseinnenraum (13) eingefüllt wird und wobei die Einfüllöffnung (5) nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums (13) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen wird.

Description

Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die DE 10 2009 035 455 beschreibt eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen, welche zu der Batterie gestapelt sind. Jede der Rahmenflachzellen weist zwei Hüllbleche auf. Die beiden Hüllbleche sind von einem elektrisch isolierenden Rahmen voneinander getrennt. Zwischen den Hüllblechen ist ein Elektrodenstapel aus Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien angeordnet. Dabei ist der Rahmen mit einem Diffusionssperrelement versehen. Das Diffusionssperrelement ist dabei mit einem der Hüllbleche verbunden. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Batterie angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Befüllen einer
elektrochemischen Einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und
Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
BESTÄTfGUNIGS PPiE Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beim Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle, deren Zellgehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Gehäuseseitenwänden und zumindest einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Isolationselement gebildet ist und in deren Zellgehäuse eine
Elektrodenfolienanordnung angeordnet ist, mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle werden erfindungsgemäß
Schalenflansche der Gehäuseseitenwände unter Zwischenschaltung zumindest eines Isolationselements deckungsgleich unter Ausbildung eines Zellgehäuseinnenraums aneinander angeordnet und Schalenflansche und Isolationselement werden
abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer Einfüllöffnung und unter Ausbildung einer Siegelnaht kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden, wobei anschließend durch diese Einfüllöffnung hindurch die elektrochemisch aktive Substanz in den
Zellgehäuseinnenraum eingefüllt wird und wobei die Einfüllöffnung nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen wird.
Hierdurch ist vorteilhafterweise kein separates Verschlusselement, welches im Verlauf eines Betriebs der Einzelzelle Undichtigkeiten aufweisen kann, zum Verschließen der Einfüllöffnung erforderlich. Dadurch ist eine Betriebssicherheit der Einzelzelle erhöht.
Weiterhin sind durch den Entfall des separaten Verschlusselements ein Montageaufwand der Einzelzelle und die Kosten zur Herstellung der Einzelzelle reduziert.
Vorteilhafterweise ist mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Einfüllöffnung ein Bauraumbedarf verringert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 schematisch eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle gemäß Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 3 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen
Einfüllöffnung,
Fig. 4 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 5 schematisch eine Explosionsdarstellung einer Schweißvorrichtung zur
Ausbildung einer u-förmigen Siegelnaht,
Fig. 6 schematisch eine Schnittdarstellung einer u-förmigen Siegelnaht,
Fig. 7 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung,
Fig. 8 schematisch eine Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung,
Fig. 9 schematisch eine weitere Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung,
Fig. 10 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen,
Fig. 11 schematisch eine Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen,
Fig. 12 schematisch eine weitere Schnittdarstellung einer Schweißvorrichtung zum
Verschließen der Einfüllöffnung nach einem Verschließen einer selbigen, Fig. 13 schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 14 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen
Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 13,
Fig. 15 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 13,
Fig. 16 schematisch eine Explosionsdarstellung einer dritten Ausführungsform einer
Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und in diesen ausgeformten Wölbungen zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 17 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen
Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 16,
Fig. 18 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 16,
Fig. 19 schematisch eine Explosionsdarstellung einer vierten Ausführungsform einer
Einzelzelle mit zwei Gehäuseseitenwänden und einer in einer von diesen Gehäuseseitenwänden ausgeformten Wölbung zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 20 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle gemäß Figur
19 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung,
Fig. 21 schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen
Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 19 und
Fig. 22 schematisch eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung gemäß Ausführungsform nach Figur 19. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten
Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Figur 2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 1 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Figur 13 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Figur 16 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und in diesen ausgeformten Wölbungen 4 zur Bildung einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Figur 19 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 mit zwei Gehäuseseitenwänden 2, 3 und einer in einer von diesen Gehäuseseitenwänden 2, 3 ausgeformten Wölbung 4 zur Bildung einer
erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Figur 20 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 19 mit einer erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5.
Ein Zellgehäuse der Einzelzelle 1 umfasst zwei Gehäuseseitenwände 2, 3, eine erste Gehäuseseitenwand 2 und ein zweite Gehäuseseitenwand 3.
In der ersten Ausführungsform nach Figur 1 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf.
In der zweiten Ausführungsform nach Figur 13 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf. Zur elektrischen Isolation ist zwischen den beiden Gehäuseseitenwänden 2, 3 ein Siegelrahmen 7 angeordnet. Der Siegelrahmen 7 ist dabei korrespondierend zum Schalenflansch 6 ausgebildet.
In der dritten Ausführungsform nach Figur 16 sind die Gehäuseseitenwände 2, 3 jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 weisen jeweils einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf.
In der vierten Ausführungsform nach Figur 19 ist die Gehäuseseitenwand 2 als
Halbschale ausgebildet. Dabei weist die Gehäuseseitenwand 2 einen randseitig umlaufenden Schalenflansch 6 auf. Die Gehäuseseitenwand 3 ist als planares Hüllblech ausgebildet und korrespondierend zur Gehäuseseitenwand 2 ausgeformt.
An zumindest einer der Gehäuseseitenwände 2, 3, bevorzugt an jeder
Gehäuseseitenwand 2, 3, ist innenseitig der Einzelzelle 1 ein Isolationsmittel 8 angeordnet, welches korrespondierend zur jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 ausgebildet ist. Das heißt, das Isolationsmittel 6 ist ebenfalls schalenförmig oder planar ausgeführt und weist zu den Abmessungen der Gehäuseseitenwand 2, 3
korrespondierende Abmessungen auf, wobei das Isolationsmittel 8 die jeweilige
Gehäuseseitenwand 2, 3 innenseitig der Einzelzelle 1 weitgehend vollständig bedeckt. Zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrodenfolienanordnung 9 mit der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das Isolationsmittel 8 eine Aussparung 10 auf.
Als Material für die Isolationsmittel 8 und/oder den Siegelrahmen 7 wird ein Kunststoff oder ein Kunststoffgemisch verwendet. Dabei wird vorzugsweise ein herkömmliches säuremodifiziertes Polypropylen verwendet, dass bereits bei niedrigen Temperaturen ausgezeichnete Klebeeigenschaften auf metallischen Oberflächen der
Gehäuseseitenwände 2, 3 besitzt. Die entsprechenden Oberflächen der
Gehäuseseitenwände 2, 3, beispielsweise im Bereich des Schalenflansches 6, können noch mit einer Behandlung bzw. Aktivierung versehen sein, um die Haftwirkung zu verbessern.
Bei Aluminium als Material für die Gehäuseseitenwände 2, 3 sind Chromatierungen oder Eloxierungen als Aktivierungsmittel möglich. Eine aus Kupfer gefertigte
Gehäuseseitenwand 2, 3 kann vernickelt sein. Weiterhin weist vorzugsweise zumindest ein Kunststoffbauteil im Bereich einer
Siegelnaht 11 , beispielsweise ein Isolationsmittel 8 und/oder der Siegelrahmen 7, einlaminierte Partikeln höherer Schmelztemperatur auf. Diese Partikel werden
beispielsweise in Form von Fasern oder in Form eines Vlieses in den Kunststoff eingebracht und sind aus Polyethylen oder Keramik gebildet. Diese Partikel werden bei einem Verschluss der Siegelnaht 11 nicht aufgeschmolzen und ermöglichen derart eine Einstellung eines Mindestabstands zwischen den Gehäuseseitenwänden 2, 3 im Bereich des Schalenflansches 6 und damit eine elektrische Isolation.
Durch die schalenförmige Ausbildung zumindest einer der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 und eine daraus resultierende Beabstandung der Schalenböden 12 der
Gehäuseseitenwände 2, 3 ist ein Zellgehäuseinnenraum 13 gebildet. Innerhalb des Zellgehäuseinnenraums 13 ist die Elektrodenfolienanordnung 9 angeordnet. Dabei entspricht der Abstand der beiden Schalenböden 12 vorzugsweise der Höhe der
Elektrodenfolienanordnung 9, so dass eine kompakte Bauform der Einzelzelle 1 ermöglicht ist.
Die herkömmliche Elektrodenfolienanordnung 9 ist aus Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität gebildet. Die Elektrodenfolien sind mittels eines nicht näher dargestellten Separators, insbesondere einer Separatorfolie voneinander elektrisch isoliert. Einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung zufolge ist die Elektrodenfolienanordnung 9 aus übereinander gestapelten Aluminium- und/oder Kupferfolien und/oder Folien aus einer Metalllegierung gebildet.
Die Elektrodenfolien der Elektrodenfolienanordnung 9 einer Polarität sind mit elektrischen leitfähigen Stromabieiterfahnen kontaktiert, die insbesondere mittels einer Verpressung und/oder Verschweißung zu einer Polkontaktfahne 14 zusammengefasst sind. Jeweils eine Polkontaktfahne 14 einer Polarität ist insbesondere mittels einer Verschweißung mit jeweils einer Gehäuseseitenwand 2, 3 elektrisch leitfähig verbunden, so dass die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 als elektrische Pole der Einzelzelle 1 dienen.
Zur Kontaktierung der Polkontaktfahne 14 mit der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 weist das jeweilige Isolationsmittel 8 eine Aussparung 10 auf. Dabei korrespondieren die Abmessungen der jeweiligen Aussparung 10 mit den Abmessungen der jeweiligen Polkontaktfahne 14.
Darüber hinaus dienen die Gehäuseseitenwände 2, 3 als so genannte Wärmeleitbleche, mittels derer innerhalb der Einzelzelle 1 insbesondere während des Ladens und/oder Entladens entstehende Wärme abführbar ist.
Bei einer Montage der Einzelzelle 1 werden die Schalenflansche 6 der
Gehäuseseitenwände 2, 3 unter Ausbildung einer Siegelnaht 11 stoffschlüssig
miteinander verbunden und sind mittels der Isolationsmittel 8 und/oder des
Siegelrahmens 7 elektrisch voneinander isoliert.
Die Schalenflansche 6 der Gehäuseseitenwände 2, 3 werden unter Zwischenschaltung des zumindest einen Isolationselements 8 und/oder des Siegelrahmens 7 deckungsgleich unter Ausbildung des Zellgehäuseinnenraums 13 aneinander angeordnet.
Schalenflansche 6 und Isolationselement 8 und/oder Siegelrahmen 7 werden
abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer Einfüllöffnung 5 und unter Ausbildung einer Siegelnaht 11 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
Besonders bevorzugt werden die Schalenflansche 6 und das zumindest eine
Isolationselement 8 und/oder der Siegelrahmen 7 unter Ausbildung einer das Zellgehäuse u-förmig umlaufenden Siegelnaht 1 und unter Ausformung der Einfüllöffnung 5 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
Figur 5 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung einer entsprechenden
Schweißvorrichtung 15 zur Ausbildung einer u-förmigen Siegelnaht 11.
Figur 6 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer u-förmigen Siegelnaht 1 1.
Die Verbindung der beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 erfolgt vorzugsweise durch einen herkömmlichen Heißsiegelvorgang oder einen Ultraschallschweißvorgang. Hierbei werden die im Bereich der auszubildenden Siegelnaht 11 angeordneten
Kunststoffbauteile mit niedriger Schmelztemperatur partiell aufgeschmolzen. Bei
Erstarrung der Kunststoffbauteile bei fallender Temperatur und/oder unter Druck werden die beiden Gehäuseseitenwände 2, 3 stoffschlüssig miteinander verbunden. Anschließend wird durch die nicht von der Siegelnaht 11 verschlossene Einfüllöffnung 5 hindurch die elektrochemisch aktive Substanz, insbesondere ein Elektrolyt, in den Zellgehäuseinnenraum 13 eingefüllt. Die Einfüllöffnung 5 wird nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums 13 kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen.
Figur 3 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer
erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer ersten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 1 und Figur 4 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser
Einfüllöffnung 5.
Figur 14 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer
erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer zweiten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 13 und Figur 15 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser
Einfüllöffnung 5.
Figur 17 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer
erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer dritten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 16 und Figur 18 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser
Einfüllöffnung 5.
Figur 21 zeigt schematisch eine perspektivische Detaildarstellung einer
erfindungsgemäßen Einfüllöffnung 5 einer vierten Ausführungsform einer Einzelzelle 1 gemäß Figur 19 und Figur 22 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung dieser
Einfüllöffnung 5.
Zur Erleichterung des Einfüllvorgangs und zur Vergrößerung des Einfüllquerschnitts ist in zumindest der Gehäuseseitenwände 2, 3 im entsprechenden Bereich des
Schalenflansches 6 eine Wölbung 4 ausgebildet.
Zur Ausformung der Einfüllöffnung 5 wird zumindest ein Abschnitt der Schalenflansche 6 zumindest einer der Gehäuseseitenwände 2, 3 während der Herstellung der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 von der auszubildenden Siegelnaht 11 wegweisend gewölbt, beispielsweise mittels eines Umformvorgangs, ausgeformt. Weiterhin wird in dem der jeweiligen Gehäuseseitenwand 2, 3 zugeordneten
Isolationselement 8 und/oder dem Siegelrahmen 7 während dessen Herstellung eine korrespondierende Wölbung 4 ausgebildet.
Nach dem Einfüllen sowie gegebenenfalls nach einem Ausgasen, beispielsweise bei einem erstmaligen Aufladen der Einzelzelle 1 und/oder einer Formierung, wird die Einfüllöffnung 5 verschlossen.
Zum Verschluss der Einfüllöffnung 5 werden die die Einfüllöffnung 5 bildenden
Wölbungen 4 zwischen den entsprechenden Werkzeugabschnitten angeordnet und in einem Pressvorgang umgeformt, so dass die Wölbungen 4 umgeformt werden und die Gehäuseseitenwände 2, 3 im entsprechenden Bereich plan aneinander anliegen. Hierzu wird eine Presskraft deiner Heißpresse oder eine Presskraft eines
Ultraschallschweißwerkzeugs 16 aus Amboss 17 und Sonotrode 18 entsprechend angepasst. Der Verschluss der Einfüllöffnung 5 erfolgt anschließend mittels eines herkömmlichen Heißsiegelvorgangs oder eines Ultraschallschweißvorgangs.
Vorzugsweise erfolgen das Umformen der Wölbungen 4 und die Siegelung der früheren Einfüllöffnung 5 in einem Arbeitsschritt.
Die Figuren 7 bis 12 zeigen unterschiedliche Ansichten eines solchen
Ultraschallschweißwerkzeugs 16 zum Verschließen der Einfüllöffnung 5.
Bei einem solchen Ultraschallschweißvorgang umgreift das
Ultraschallschweißwerkzeug 16, bestehend aus der hochfrequent bewegten Sonotrode 18 und dem ruhenden Amboss 17, ober- und unterhalb der Schalenflansche 6 die Einfüllöffnung 5. Anschließend wird die hochfrequent schwingende Sonotrode 18 gegen den Amboss 17 gepresst, wodurch die Wölbungen 4 aneinander gepresst werden, so dass die entsprechenden Bauteile lokal durch Reibungswärme auf- oder anschmelzen und verpresst werden, wobei eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
Durch die kleine, zu verschweißende Fläche beim finalen Verschluss der Einzelzelle 1 erfolgt nur noch ein geringer Wärmeeintrag in den Zellgehäuseinnenraum 13, so dass kein Verdampfen und/oder Zersetzen des Elektrolyts auftritt. Die Schweißparameter beim finalen Verschluss der Einzelzelle 1 werden weiterhin so eingestellt, dass die elektrische Isolation zwischen den beiden Gehäuseseitenwänden 2, 3 erhalten bleibt.
Insbesondere werden die Schweißparameter derart eingestellt, dass die in Siegelrahmen 7 und/oder Isolationselement 8 einlaminierte Partikel höherer Schmelztemperatur nicht aufgeschmolzen werden und derart eine Einstellung eines Mindestabstands zwischen den Gehäuseseitenwänden 2, 3 im Bereich des Schalenflansches 6 und damit eine elektrische Isolation ermöglichen.
Der finale Verschluss erfolgt bevorzugt in einer Vakuumkammer, falls der
Zellgehäuseinnenraum 13 evakuiert werden soll, unter Schutzgas oder unter trockener Luft.
Ein solcher Ultraschallschweißvorgang eignet sich besonders gut für den finalen
Verschluss der Einfüllöffnung 5, da hier der Wärmeeintrag in die Einzelzelle 1 nur lokal und kurzzeitig erfolgt. Weiterhin führen die Vibrationen in der entsprechenden Fügestelle zu einer Reinigung, so dass gegebenenfalls vorhandene Elektrolytreste während des Ultraschallschweißvorgangs ausgetragen werden.
Bezugszeichenliste
Einzelzelle
erste Gehäuseseitenwand
zweite Gehäuseseitenwand
Wölbung
Einfüllöffnung
Schalenflansch
Siegelrahmen
Isolationselement
Elektrodenfolienanordnung
Aussparung
Siegelnaht
Schalenboden
Zellgehäuseinnenraum
Polkontaktfahne
Schweißvorrichtung
Ultraschallschweißwerkzeug
Amboss
Sonotrode

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Befüllen einer elektrochemischen Einzelzelle (1 ), deren Zellgehäuse aus zwei elektrisch leitenden, im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordneten Gehäuseseitenwänden (2, 3) und zumindest einem zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Isolationselement (7, 8) gebildet ist und in deren Zellgehäuse eine Elektrodenfolienanordnung (9) angeordnet ist, mit einer elektrochemisch aktiven Substanz und Verschließen der elektrochemischen Einzelzelle (1 ),
dadurch gekennzeichnet, dass
Schalenflansche (6) der Gehäuseseitenwände (2, 3) unter Zwischenschaltung des zumindest einen Isolationselements (7, 8) deckungsgleich unter Ausbildung eines Zellgehäuseinnenraums (13) aneinander angeordnet und Schalenflansche (6) und Isolationselement (7, 8) abschnittsweise unter Auflassung zumindest einer
Einfüllöffnung (5) und unter Ausbildung einer Siegelnaht (11 ) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden werden, wobei anschließend durch diese Einfüllöffnung (5) hindurch die elektrochemisch aktive Substanz in den
Zellgehäuseinnenraum (13) eingefüllt wird und wobei die Einfüllöffnung (5) nachfolgend unter Ausbildung eines mediendichten Zellgehäuseinnenraums (13) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
Schalenflansche (6) und Isolationselement (7, 8) unter Ausbildung einer das Zellgehäuse u-förmig umlaufenden Siegelnaht (11 ) und unter Ausformung der Einfüllöffnung (5) abschnittsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Ausformung der Einfüllöffnung (5) zumindest ein Abschnitt der Schalenflansche (6) zumindest einer der Gehäuseseitenwände (2, 3) während der Herstellung der jeweiligen Gehäuseseitenwand (2, 3) von der Siegelnaht (11) wegweisend gewölbt ausgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem der jeweiligen Gehäuseseitenwand (2, 3) zugeordneten
Isolationselement (8) während dessen Herstellung eine korrespondierende
Wölbung (4) ausgebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als elektrochemisch aktive Substanz ein Elektrolyt in den
Zellgehäuseinnenraum (13) eingefüllt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verschluss der Einfüllöffnung (5) mittels einer Heißsiegelung oder eines Ultraschallschweißvorgangs durchgeführt wird.
PCT/EP2013/002737 2012-09-13 2013-09-12 Verfahren zum befüllen einer elektrochemischen einzelzelle mit einer elektrochemisch aktiven substanz und verschliessen der elektrochemischen einzelzelle WO2014040733A1 (de)

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