WO2014040734A2 - Isolation von elektrochemischen energiespeichern - Google Patents

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WO2014040734A2
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battery
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Claus-Rupert Hohenthanner
Jens Meintschel
Dirk Schröter
Enrico WARSCHEFSKE
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy store with an electrode assembly, in particular for a battery.
  • the invention is described in connection with lithium-ion batteries for the supply of motor vehicle drives.
  • the invention can also be used regardless of the type of battery or regardless of the type of powered drive use.
  • High-voltage batteries for vehicle applications consist of many individual ones
  • electrochemical energy storage which are located with the associated electronics and cooling in a common housing.
  • the electrochemical energy storage consist of a sheath which encloses the electrochemically active content.
  • the electrochemically active part is the electrode assembly or the electrode winding, which (r) by layers of cathode and anode foils (coated aluminum and copper foils in Li-ion storage chemistry) is formed, which are separated by layers of a separator.
  • the electrochemical energy stores are electrically connected in series and / or in parallel by connecting their poles.
  • the current-carrying parts usually have to be electrically insulated in the region outside the joints inside and outside the electrochemical energy store in order to prevent short circuits or unwanted current flow.
  • electrochemical energy stores are tempered by contact with metallic cooling or heating plates, electrical insulation (heat conducting foil, potting compound) must be arranged between the electrochemical energy stores and the cooling plate.
  • patent application WO 2010/083972 discloses electrochemical energy stores whose shaped parts of the casing have a coating for insulation.
  • the invention is therefore based on the object to find a way of isolating components of electrochemical energy storage in high-voltage batteries, which is inexpensive to manufacture and improves the long-term stability of the batteries.
  • At least one first component is provided with an electrically insulating coating which can be ruptured in the case of a material-locking assembly with a second component.
  • an electrochemical energy store is to be understood as meaning any type of energy store, from which electrical energy can be taken, wherein an electrochemical reaction takes place in the interior of the energy store.
  • the term includes in particular galvanic cells of all kinds, in particular primary cells, secondary cells and interconnections of such cells to batteries from such cells.
  • Such electrochemical energy stores usually have negative and positive electrodes, which are separated by a so-called separator. Between the electrodes ion transport through an electrolyte takes place.
  • a component is within the meaning of the invention, any element of the electrochemical energy storage.
  • An insulating coating according to the invention is any type of electrically non o or low conductive layer, which can be applied directly to the surface of the components to be insulated and forms a firm connection with this.
  • This solid compound is preferably done by chemical or physical effects, more preferably by a chemical reaction. But also other forms of connection such as bonding or merging or any other suitable form of connection is possible.
  • the insulating coating prevents unwanted current flow and requires no additional space. This is very advantageous because the dimensions of the electrochemical energy store also affect the dimensions of the battery. The more kWh per unit volume a battery has, the better it can be used in particular in mobile applications in automobiles, bicycles, aircraft, etc.
  • the at least one component is a current-carrying component of the electrochemical energy store.
  • a current-carrying component according to the invention is any component which serves to conduct or store charge carriers.
  • the at least one current-carrying component is a discharge lug and / or a drain.
  • a drain tab and / or drain are live components used to introduce or discharge charge carriers from the electrode assembly.
  • the isolation of Abieitern pouch cells prevents unwanted electrical contact with the aluminum intermediate layer of the pouch film and to an optionally used metallic cooling plate which is pressed onto the connectors of the cells for controlling the temperature of the cell.
  • the at least one component is a molded part of a casing, in particular a shell, or a sealing frame.
  • An enclosure according to the invention is a device which also prevents the escape of chemicals from the electrode stack into the environment.
  • the sheath may protect the chemical components of the electrode stack from undesirable interaction with the environment.
  • the sheath protects the electrode stack from the ingress of water or water vapor from the environment.
  • the envelope may be formed like a film. The envelope should affect the passage of heat energy as little as possible.
  • the enclosure has at least two molded parts. Preferably, the mold parts nestle at least partially against an electrode stack.
  • a molded part according to the invention is a solid body which is adapted to the shape of the electrode stack. Under certain circumstances, a molded part only acquires its shape in cooperation with another molded part or the electrode stack. In the case of a cuboid electrode stack, the molded parts can be cut substantially rectangular. In this case, some dimensions of the molded part are preferably selected larger than certain dimensions of the electrode stack. When two moldings are placed around the electrode stack, the moldings partially protrude beyond the electrode stack and partially form a protruding edge. An edge region of a molded part preferably touches an edge region of a further molded part, preferably flat. For example, a molded part is formed as a flat plate, while another molded part nestles around the electrode stack to the first molded part.
  • a molding for electrode winding is preferably cylindrical, wherein the curvature of at least one molded part of a cylindrical envelope is adapted to the radius of an electrode winding.
  • a molded part has a higher thermal conductivity than the other moldings and touches the electrode stack partially and thermally conductive. Depending on a temperature difference between the molded part and the electrode stack, heat energy is transferred out of the electrode stack or into this electrode stack.
  • a molding can be partially brought into contact with a second molded part.
  • the electrode stack comes to lie between the moldings involved.
  • the least two Shaped parts contact each other areally, preferably at least along a limiting edge or an edge region of a molded part involved.
  • a sealing frame according to the present invention seals the parts of a shell of the compassionflachzelle so that it is waterproof and / or hermetically sealed.
  • the molded parts of the enclosure are provided with an insulating coating, no insulation is required in the interior towards the electrode assembly.
  • a coating on its entire surface is particularly advantageous in this context.
  • a coating of the outside of the envelope ensures that the electrochemical energy storage does not have to be additionally isolated to the outside.
  • the electrode assemblies are connected by (ultrasonic) welding to the side walls of the shells or Abieiter for electrical contact, the insulating coating is partially broken. In this way, an electrical contact is ensured without an additional step of covering the insulation at the contact point.
  • the closure of an electrochemical energy storage can be done by connecting the two mold parts of the enclosure by a heat sealing process.
  • the sealing frame arranged in the flange region of the molded parts is made of plastic (preferably acid-modified polypropylene with a laminated nonwoven having a higher melting temperature to ensure the minimum distance between the shells and thus the electrical insulation) with a low melting temperature in the hot press partially melted.
  • plastic preferably acid-modified polypropylene with a laminated nonwoven having a higher melting temperature to ensure the minimum distance between the shells and thus the electrical insulation
  • the two shells Upon solidification of the sealing frame at falling temperature and under pressure, the two shells are connected to each other.
  • An insulating coating in this case ensures good adhesion of the sealing frame on the moldings, in particular on aluminum moldings, and is corrosion-resistant to an optionally used in this process electrolyte.
  • the part of the shell has cooling flags.
  • a cooling vane in the context of the invention is any type of extension of an enclosure of an electrochemical energy storage, which serves to dissipate heat.
  • the electrically insulating coating is an inorganic layer, in particular an inorganic layer produced by the anodization process.
  • An inorganic layer in the sense of the invention is in particular an oxide layer or an additional layer which is applied to the components.
  • ceramic layers eg, oxide ceramics such as Al 2 O 3 or ZrO 2 or ceramics such as Si 2 N 3 , SiO 2
  • the plasma coating (PVD) or the chemical gas phase separation (CVD) are used.
  • Such an insulating coating allows the setting of conventional electrical contact resistance of the connected parts of ⁇ 0.2mOhm, preferably 0.05mOhm.
  • Inorganic insulating coatings prevent unwanted current flow and require no additional space, furthermore they are broken / destroyed particularly reliably in the area of a weld and are temperature resistant, so that the insulation is maintained even in a battery fire.
  • the safety contact protection during installation, short circuit in the case of deformation of the battery due to crash
  • the anodization forms a very strong connection with the surface of the insulated component and is deformed during a mechanical deformation of the component.
  • the electrochemical energy store is a frame flat cell, a round cell, a prismatic hardcase cell or a pouch cell.
  • a frame flat cell according to the invention comprises two mutually parallel as cell poles serving moldings, so-called cladding sheets, the frame by a sealing frame, in particular a plastic, are separated from each other.
  • a round cell according to the invention consists of individual layers stacked on top of each other, which are then wound around a mandrel.
  • the cylindrical cell coil is packed in a solid housing as a sheath, which also represents the Abieiter for the positive electrode.
  • the negative electrode is contacted via the cover of the cell, which is isolated from the housing.
  • a prismatic hardcase cell according to the invention is a wound cell in which the cell wraps are wound flat.
  • the resulting flat coil is then packed in a prismatic housing as a wrapper.
  • a pouch cell according to the invention has no solid housing, but only a plastic-coated aluminum foil as a sheath.
  • the at least one first component is a connector, with which the electrochemical energy store can be connected to at least one further electrochemical energy store.
  • the joining takes place in such a way that the insulating coating is broken. Breaking occurs particularly advantageously by a welding process, in particular using a US welding tool.
  • a US welding tool according to the invention consists of an anvil and sonotrode, so that a weld can be realized by means of ultrasonic welding.
  • Welds break or displace the insulating coating, in particular an oxide layer as in the anodized coating, particularly reliably, so that a very good electrical contact is made possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrochemical energy store according to a first embodiment of the invention in exploded view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electrochemical energy store according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of part of a shell of an electrochemical energy store according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the connection of the conductor lugs and the shell of an electrochemical energy store according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a cross section through an electrochemical energy store according to the first embodiment of the invention, a schematic representation of a battery with two electrochemical energy storage devices according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a cross section through a battery with two electrochemical energy stores according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 8 a schematic representation of a battery with a cooling plate 13 made of electrochemical energy stores according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 9 a schematic illustration of a connector 14.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a battery with electrochemical energy stores of a second embodiment of the invention and connectors, FIG.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an electrochemical energy store according to a third embodiment of the invention in an exploded view
  • FIG. 12 shows a schematic representation of an electrochemical energy store according to the third embodiment of the invention.
  • FIG. 13 shows a cross section through the upper part of an energy store according to the third embodiment of the invention
  • Figure 14 is a schematic representation of a battery with two electrochemical
  • Figure 15 is a schematic representation of a battery with energy storage devices according to the third embodiment of the invention.
  • FIG 16 is a schematic representation of a battery with a cooling plate and electrochemical energy storage according to the third embodiment of the invention. Referring to Figures 1 to 8, a first embodiment of the invention will be explained in more detail. The invention will be described with reference to a termeflachzelle as electrochemical energy storage.
  • FIG. 1 shows the first embodiment according to the invention in exploded view.
  • the frame flat cell has two molded parts 7a, 7b, which in the assembled state form a shell as an envelope of the frame flat cell.
  • This shell is preferably sealed by a sealing frame 8.
  • Inside the shell is an electrode assembly 2, which is loaded and unloaded via Abieiter 6.
  • FIG. 2 shows the electrochemical energy store 1 in the assembled state. Therefore, only the two mold parts 7a, 7b are visible, which form the shell for receiving the electrode assembly 2.
  • At least one molded part 7a, 7b of the shell has an electrically insulating coating 3.
  • the electrically insulating coating 3 is preferably an inorganic layer, which is produced by the so-called anodizing process.
  • the surface of aluminum is anodized by immersion in an electrolyte and applying a voltage.
  • an oxide layer is formed, which depending on the method about 5 pm, preferably 10 ⁇ , more preferably 15 ⁇ , more preferably 20 ⁇ , more preferably 25 ⁇ and most preferably 30 pm thick and substantially electrically insulating.
  • the electrically insulating coating is a ceramic material (eg, oxide ceramics Al 2 O 3 or Zr0 2 or ceramics such as Si 2 N 3) Si0 2 ), in which case due to the high melting points of the materials used preferably plasma coating (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) are used.
  • the ceramic layers can also be applied as an additional layer, for example over an anodized layer.
  • organic feeds thinly applied plastics, such as polypropylene, polyamide, PET, PTFE or coatings, which are applied, for example, with cathodic dip coating).
  • PP coatings are preferably suitable, since this material is resistant to electrolyte and, in particular, forms a good bond with metals with a special amino acid modification.
  • the molded parts 7a, 7b of a frame flat cell according to the present embodiment are preferably made of metal, particularly preferably of aluminum.
  • Figure 4 shows a cross-section through an edge portion of an assembled compassionflachzelle according to the present invention.
  • the frame flat cell is closed by the connection of the two mold parts 7a, 7b by means of a heat-sealing process.
  • sealing frame 8 which preferably consists of plastic, partially melted at low melting temperature in a hot press.
  • the plastic is particularly preferably an acid-modified polypropylene with a laminated nonwoven and an increased melting temperature to ensure the minimum distance between the molded parts 7a, 7b (and thus the electrical insulation). Due to the solidification of the sealing frame 8 at falling temperature and negative pressure, the two mold parts 7a, 7b are interconnected.
  • the Ableitfahnen 7a, 7b of the electrode assembly are preferably connected to the walls of the mold parts 7a, 7b in such a way that in each case a molded part 7a, 7b can serve as an electrical pole.
  • the connection is preferably made by ultrasonic welding, but can be done by any other welding process. As a result of the welding, the insulating coating is partially broken and thus a good electrical contact between the discharge lugs 5a, 5b and the molded parts 7a, 7b is achieved.
  • FIG. 5 shows a frame flat cell 1 in cross section.
  • the frame flat cell 1 has cooling lugs 10a, 10b, 10c, 10d on at least one side, preferably on that on which the frame flat cell is closed by the sealing frame 8. Heat can thus be led from the electrode assembly 2 via the Ableitfahnen 5a, 5b, the weld 9 and part of the shell 7a, 7b to the cooling vanes 10a, 10b, 10c, 10d.
  • FIG. 6 shows a battery 1 with two frame flat cells 1 according to the present invention.
  • Each adjacent mold parts 7a, 7b of the frame flat cells 1 are welded together at the welds 9.
  • a battery consists of parallel and / or series-connected electrochemical energy stores 1.
  • the cooling vanes 10a, 10b, 10c, 10d serve as overlapping areas for the joining of the frame flat cells 1.
  • FIG. 7 shows a further view of a battery 11 according to this embodiment of the electrochemical energy store 1 in cross section. Particularly clear in this view, the particularly space-saving arrangement of the individual electrochemical energy storage 1 after welding.
  • the cooling lugs 10a, 10b of the molded part 7a are preferably arranged in each case offset relative to the cooling lugs 10c, 10d of the molded part 7b. If this is the case, individual electrical energy accumulators 1 can be assembled into a battery in such a way that the upper outer surface formed by the cooling vanes 10a in FIG. 7 and the lower outer surface formed by the cooling vanes 10d, see also FIG. 9, respectively form a flat upper or lower end face. It can hereby be achieved that all the cooling lugs 10a, 10b, 10c, 10d, which lie outside after assembly of the frame flat cells, come into contact with a flat cooling plate 12.
  • a battery 11 may be cooled by a metallic cooling plate 12.
  • a metallic cooling plate 12 This is preferably in contact with the cooling lugs 10a, 10c and / or 10b, 10d at the end faces of the battery.
  • the metallic cooling plate 12 is provided with an insulating coating 3 according to the invention, so that it is ensured that between the shell 7a, 7b and the cooling plate 12 no electrical connection is present.
  • the opposite electrical poles are preferably arranged in each case on opposite walls of an edge of a hardcase cell 1. That is, to contact the prismatic hard case cells 1 with overhead poles as shown in FIG. 10 in series, the poles of adjacent prismatic hard case cells 1 are connected to each other by a connector 14.
  • the connectors 14 are provided with an electrically insulating coating 3 as shown in FIG.
  • the connectors 14 used are made of aluminum and anodized over their entire surface. After pressing the connectors 14 onto the prismatic hardcase cells 1, they are preferably welded to the poles of the prismatic hardcase cells. This is particularly preferably done by means of a laser welding process. As a result of the movement in the melt during welding, the anodization layer 3 is broken, so that purely metallic contact is produced between the pole of the prismatic hardcase cell 1 and the connector 14. Since the connectors 14 are completely isolated after assembly with the prismatic hardcase cells 1 except in the area of the laser seams 9, no further components are required for their electrical shielding.
  • the second embodiment can be combined with the first embodiment.
  • the molded parts 7a, 7b of the prismatic hardcase cells 1 of the second embodiment are also preferably provided with an electrically insulating coating 3.
  • FIG. 11 a third embodiment of the invention will be explained in more detail.
  • the invention will be described using the example of a pouch cell.
  • the electrode assembly 2 is surrounded by a film-like packaging, through which electrical connections in sheet form, so-called Abieiter 6a, 6b are performed.
  • FIG. 11 such a pouch cell 1 is shown in an exploded view.
  • the packaging preferably consists of two molded parts 7a, 7b which, after completion of the electrode assembly 2, are sealed around them with deflecting lugs 5a, 5b and Abieitern 6a, 6b.
  • the Abieiter 6a, 6b are preferably made of a metal, in particular aluminum, and are provided with an electrically insulating coating 3, as described in relation to the first embodiment of the invention.
  • the positive pole 6b be made of aluminum, while the other Abieiter 6a, the negative pole, is made of copper.
  • the copper stripper 6a is preferably provided with a thin PP layer. This ensures a good connection to the film-like envelope through the molded parts 7a, 7b, which is welded circumferentially in a heat-sealing process.
  • the arrester lugs 5a, 5b are preferably joined together with the headers 6a, 6b by means of a welding process. This is particularly preferably an ultrasonic welding, in which the oxide or PP layers are broken, so that in each case an electrical contact 9 between the Ableitfahen 5a, 5b and the Abieitern 6a, 6b is made.
  • FIG. 12 shows a pouch cell 1 in a finished state. Visible on this image is only one molded part or the foil-like sheath 7b and the ends of the absorbers 6a, 6b.
  • FIG. 13 shows the upper part of a pouch cell 1 in cross-section.
  • the weld 9 provides electrical contact between the Ableitfahen 5a of the electrode assembly 2 and the Abieiter 6a.
  • the Abieiter 6a protrudes from the foil-like wrapping 7a, 7b, so that it can be contacted from outside.
  • Figure 14 shows an exploded view of a battery 11 of two pouch cells 1.
  • the Abieiter 6a, 6b of the pouch cells 1, which are preferably made of metal and particularly preferably made of aluminum, connect the electrical contacts of the pouch cells 1 via the connector 14 in the assembled state in series and / or in series.
  • the conductors 6a, 6b and / or the connectors 14 are provided with an electrically insulating coating 3.
  • Figure 15 shows a battery 11 having a plurality of pouch cells 1 connected in series by connectors 14.
  • the assembly of the Abieiter 6a, 6b and the connector 14 is preferably carried out with a US welding tool 4 of anvil 4a and electrode 4b. Also by this welding, the respective electrically insulating coatings 3 are broken, so that a good electrical contact 9 between the Abieitern 6 a, 6 b and the connectors 14 is ensured.
  • a battery 11 according to the third embodiment also preferably has a cooling plate 12 which serves to dissipate the heat from the battery 11.
  • the cooling plate 12 is also preferably provided with an electrically insulating coating 3 and preferably has openings 13 so that it can be cooled with a cooling fluid.
  • the third embodiment can be combined with the first and / or second embodiment.
  • the molded parts 7a, 7b of the pouch cells 1 of the third embodiment are also preferably provided with an electrically insulating coating 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Elektrodenbaugruppe, insbesondere mit einer Lithium-Ionen-Zellchemie, wobei zumindest ein erstes Bauteil des elektrochemischen Energiespeichers eine elektrisch isolierenden Beschichtung aufweist, die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist. Durch den Einsatz einer elektrisch isolierenden Beschichtung, die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist, können die Bauteile kostengünstig auf ihrer gesamten Oberfläche beschichtet werden; eine Abdeckung der Anbindungsstellen, eine partielle Beschichtung oder eine mechanische Nacharbeit ist nicht erforderlich. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen.

Description

Daimler AG
Isolation von elektrochemischen Energiespeichern
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher mit einer Elektrodenbaugruppe, insbesondere für eine Batterie.
Die Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien zur Versorgung von KfZ-Antrieben beschrieben. Die Erfindung kann aber auch unabhängig von der Bauart der Batterie oder unabhängig von der Art des versorgten Antriebs Verwendung finden.
Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen bestehen aus vielen einzelnen
elektrochemischen Energiespeichern, die sich mit der dazugehörenden Elektronik und Kühlung in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
Die elektrochemischen Energiespeicher bestehen aus einer Umhüllung, welche den elektrochemisch aktiven Inhalt umschließt. Der elektrochemisch aktive Teil ist die Elektrodenbaugruppe bzw. der Elektrodenwickel, welche(r) durch Lagen aus Kathoden- und Anodenfolien (beschichtete Alu- und Kupferfolien bei Li-Ion-Speicherchemie) gebildet wird, die jeweils durch Lagen eines Separators getrennt werden.
Es ist möglich, Blätter aus Kathoden, Anoden und Separatoren zu stapeln, Bänder aus diesen zu wickeln bzw. flachzuwickeln oder den bandförmigen Separator in Z-Form zu falten und die Kathoden— bzw. Anodenblätter seitlich in die sich bildenden Taschen einzuschieben. Anoden— und Kathodenlagen sind an mindestens an einem Rand unbeschichtet und ragen aus dem Elektrodenstapel wie Fähnchen heraus, wo sie miteinander verbunden (geheftet) werden. Diese Ableitfahnen werden mit den Polen der Zelle verbunden um die Stromeinleitung und— ausleitung zu ermöglichen. Hierzu kommen vorzugsweise stoffschlüssige Press- oder Schmelzschweißverfahren (z.B. Widerstandspunktschwei- ßung, Vibrations- bzw. Ultraschallschweißung oder Laserschweißung) zum Einsatz; eine kraftschlüssige Anbindung (z.B. Nietung) oder eine formschlüssige Verbindung (Durchsetzfügen wie Clinchen/Toxen) ist ebenfalls möglich.
Zur Bildung einer Batterie werden die elektrochemischen Energiespeicher durch Verbindung ihrer Pole elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet.
Es ist möglich, die Pole der elektrochemischen Energiespeicher direkt zu verbinden oder leitende Verbinder (zum Beispiel metallische Stromschienen) dazwischen zu schalten. Hierzu kommen wiederum stoff-, kraft— oder formschlüssige Verfahren (Schmelz— oder Ultraschallschweißung, Nietung/Schraubung oder Toxen) zum Einsatz.
Die stromführenden Teile müssen meist im Bereich außerhalb der Fügestellen inner- und außerhalb der elektrochemischen Energiespeicher elektrisch isoliert werden, um Kurzschlüsse bzw. ungewollten Stromfluss zu verhindern.
Hierzu kommen separate Bauteile zum Einsatz. So werden z.B. Innenteile des elektrochemischen Energiespeichers mit Kunststofffolien abgedeckt und Stromschienen mit Schrumpfschläuchen überzogen.
Werden unter Spannung stehende elektrochemische Energiespeicher durch Kontakt mit metallischen Kühl- oder Heizplatten temperiert, so muss zwischen den elektrochemischen Energiespeichern und der Kühlplatte eine elektrische Isolation (Wärmeleitfolie, Vergussmasse) angeordnet sein.
So sind aus der Patentanmeldung WO 2010/083972 elektrochemische Energiespeicher bekannt, deren Formteile der Umhüllung eine Beschichtung zur Isolation aufweisen.
Die zusätzlichen Bauteile für die Isolation benötigten Bauraum und erhöhen die Kosten. Da zur Isolation in der Regel Kunststoffteile oder— schichten verwendet werden, ist bei einem Batteriebrand etc. mit Zerstörung derselben und daher mit Kurzschlüssen zu rechnen. Dies erhöht, insbesondere in Bezug auf Fahrzeugbatterien, die Gefahr eines Stromschlags bei einem Unfall für Insassen und Rettungspersonal. Zusätzlich müssen die iso- lierenden Schichten an den Stellen, an denen eine definierte elektrische Verbindung erzeugt werden soll, entfernt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Isolation von Bauteilen von elektrochemischen Energiespeichern bei Hochvolt-Batterien zu finden, die kostengünstig in der Fertigung ist und die Langzeitstabilität der Batterien verbessert.
Das wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher ist zumindest ein erstes Bauteil mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist.
Im Zusammenhang mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung soll unter einem elektrochemischen Energiespeicher jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei eine elektrochemische Reaktion im Innern des Energiespeichers abläuft. Der Begriff umfasst insbesondere galvanische Zellen aller Art, insbesondere Primärzellen, Sekundärzellen und Zusammenschaltungen solcher Zellen zu Batterien aus solchen Zellen. Solche elektrochemischen Energiespeicher weisen üblicherweise negative und positive Elektroden auf, die durch einen sogenannten Separator getrennt sind. Zwischen den Elektroden findet ein Ionen-Transport durch einen Elektrolyten statt.
Ein Bauteil ist im Sinne der Erfindung jegliches Element des elektrochemischen Energiespeichers.
Eine isolierende Beschichtung im Sinne der Erfindung ist jede Art von elektrisch nicht o- der gering leitender Schicht, die unmittelbar auf die Oberfläche der zu isolierenden Bauteile aufgebracht werden kann und mit dieser eine feste Verbindung eingeht. Diese feste Verbindung geschieht vorzugsweise durch chemische oder physikalische Effekte, besonders bevorzugt durch eine chemische Reaktion. Aber auch andere Verbindungsformen wie verkleben oder verschmelzen oder jede andere geeignete Verbindungsform ist möglich. Die isolierende Beschichtung verhindert ungewollten Stromfluss und benötigt dabei keinen zusätzlichen Bauraum. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Abmessungen des elektrochemischen Energiespeichers auch die Abmessungen der Batterie beeinflussen. Je mehr kWh pro Volumeneinheit eine Batterie aufweist, desto besser kann diese insbesondere bei mobilen Anwendungen in Automobilen, Fahrrädern, Flugzeugen, etc. eingesetzt werden.
Nachfolgend werden zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Vorteilhaft ist das zumindest eine Bauteil ein stromführendes Bauteil des elektrochemischen Energiespeichers.
Ein stromführendes Bauteil im Sinne der Erfindung ist jegliches Bauteil, welches zum Leiten oder Speichern von Ladungsträgern dient.
Werden die in und/oder außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers offenliegenden stromführenden Bauteile mit einer isolierenden Beschichtung versehen, so braucht beim Design des elektrochemischen Energiespeichers auf etwaige Kurzschlussstellen eine geringere Rücksicht genommen werden, was zu einem größeren Freiheitsgrad bei der Gestaltung führt.
Vorteilhaft ist das zumindest eine stromführende Bauteil eine Ableitfahne und/oder ein Abieiter.
Eine Ableitfahne und/oder ein Abieiter sind stromführende Bauteile, die zum Einführen in bzw. Ableiten von Ladungsträgern aus der Elektrodenbaugruppe dienen.
Beispielsweise verhindert die Isolation von Abieitern bei Pouchzellen ungewollten elektrischen Kontakt zur Alu-Zwischenlage der Pouchfolie sowie zu einer gegebenenfalls eingesetzten metallischen Kühlplatte, die auf die Verbinder der Zellen zur Temperierung der Zelle gepresst wird.
Vorteilhaft ist das zumindest eine Bauteil ein Formteil einer Umhüllung, insbesondere einer Schale, oder ein Siegelrahmen. Eine Umhüllung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, welche auch den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung verhindert. Weiter kann die Umhüllung die chemischen Bestandteile des Elektrodenstapels vor unerwünschter Wechselwirkung mit der Umgebung schützen. Beispielsweise schützt die Umhüllung den Elektrodenstapel vor dem Zutritt von Wasser oder Wasserdampf aus der Umgebung. Die Umhüllung kann folienartig ausgebildet sein. Die Umhüllung soll den Durchtritt von Wärmeenergie möglichst wenig beeinträchtigen. Vorliegend weist die Umhüllung wenigstens zwei Formteile auf. Vorzugsweise schmiegen sich die Formteile wenigstens teilweise an einen Elektrodenstapel an.
Ein Formteil im Sinne der Erfindung ist ein Festkörper zu, welcher an die Gestalt des Elektrodenstapels angepasst ist. Unter Umständen gewinnt ein Formteil erst in Zusammenwirkung mit einem weiteren Formteil oder dem Elektrodenstapel seine Form. Im Fall eines quaderförmigen Elektrodenstapels können die Formteile im Wesentlichen rechteckig zugeschnitten sein. Dabei sind einige Abmessungen des Formteils vorzugsweise größer als bestimmte Abmessungen des Elektrodenstapels gewählt. Wenn zwei Formteile um den Elektrodenstapel gelegt werden, so ragen die Formteile teilweise über den Elektrodenstapel hinaus und bilden teilweise einen überstehenden Rand. Ein Randbereich eines Formteiles berührt dabei vorzugsweise einen Randbereich eines weiteren Formteils, vorzugsweise flächig. Beispielsweise ist ein Formteil als ebene Platte ausgebildet, während ein weiteres Formteil sich um den Elektrodenstapel an das erste Formteil schmiegt.
Ein Formteil für Elektrodenwickel ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet, wobei die Krümmung wenigstens eines Formteils einer zylindrischen Umhüllung an den Radius eines Elektrodenwickels angepasst ist.
Ein Formteil weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die übrigen Formteile auf und berührt den Elektrodenstapel teilweise und wärmeleitend. Abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen dem Formteil und dem Elektrodenstapel wird Wärmeenergie aus dem Elektrodenstapel heraus oder in diesen Elektrodenstapel hinein übertragen.
Im Sinne der Erfindung ist unter Umschließen zu verstehen, dass ein Formteil bereichsweise in Berührung mit einem zweiten Formteil gebracht werden kann. Dabei kommt der Elektrodenstapel zwischen den beteiligten Formteilen zu liegen. Die wenigstens zwei Formteile berühren sich bereichsweise flächig, vorzugsweise wenigstens entlang einer begrenzenden Kante bzw. eines Randbereichs eines beteiligten Formteils.
Ein Siegelrahmen im Sinne der vorliegenden Erfindung versiegelt die Teile einer Schale der Rahmenflachzelle, so dass diese wasserdicht und/oder luftdicht verschlossen ist.
Sind die Formteile der Umhüllung mit einer isolierenden Beschichtung versehen, so ist im Inneren keine Isolation zur Elektrodenbaugruppe hin erforderlich. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang eine Beschichtung auf ihrer gesamten Oberfläche. Eine Beschichtung der Außenseite der Umhüllung sorgt dafür, dass der elektrochemische Energiespeicher auch nach Außen hin nicht zusätzlich isoliert werden muss. Insbesondere kann bei einer Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers durch Pressen auf eine metallische Kühlplatte auf eine Wärmeleitfolie etc. zur Isolation verzichtet werden.
Durch den Einsatz einer elektrisch isolierenden Beschichtung, die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist, können die Bauteile kostengünstig auf ihrer gesamten Oberfläche beschichtet werden; eine Abdeckung der Anbindungsstellen, eine partielle Beschichtung oder eine mechanische Nacharbeit ist nicht erforderlich. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen:
Werden die Ableitfahnen der Elektrodenbaugruppen mittels (Ultraschall-)Schweißung an die Seitenwände der Schalen oder an Abieiter zur elektrischen Kontaktierung angebunden, so wird die isolierende Beschichtung partiell aufgebrochen. Auf diese Weise wird eine elektrische Kontaktierung ohne einen zusätzlichen Arbeitsschritt einer Abdeckung der Isolation an der Kontaktstelle gewährleistet.
Werden elektrochemische Energiespeicher durch Verschweißung von gegebenenfalls vorhandenen Kühlfahnen untereinander kontaktiert, sorgt auch in diesem Fall die (Ultra- schall-)Schweißung für ein partielles Aufbrechen der isolierenden Beschichtung und damit für eine gute elektrische Kontaktierung ohne zusätzlichen Aufwand.
Der Verschluss eines elektrochemischen Energiespeichers kann durch Verbindung der beiden Formteile der Umhüllung durch einen Heißsiegelvorgang erfolgen. Hierbei wird der im Flanschbereich der Formteile angeordnete Siegelrahmen aus Kunststoff (vorzugsweise säuremodifiziertes Polypropylen mit einlaminiertem Vlies höherer Schmelztemperatur zur Sicherstellung des Mindestabstands zwischen den Schalen und damit der elektrischen Isolation) mit niedriger Schmelztemperatur in der Heißpresse partiell aufgeschmolzen. Bei Erstarrung des Siegelrahmens bei fallender Temperatur und unter Druck werden die beiden Schalen miteinander verbunden. Eine isolierende Beschichtung stellt hierbei eine gute Haftung des Siegelrahmens auf den Formteilen, insbesondere auf Alu- Formteilen, sicher und ist korrosionsbeständig gegenüber einem gegebenenfalls bei diesem Prozess eingesetzten Elektrolyt.
Vorteilhaft weist der Teil der Schale Kühlfahnen auf.
Eine Kühlfahne im Sinne der Erfindung ist jede Art von Fortsatz einer Umhüllung eines elektrochemischen Energiespeichers, der zum Ableiten von Wärme dient.
Vorteilhaft ist die elektrisch isolierende Beschichtung eine anorganische Schicht, insbesondere eine anorganische Schicht hergestellt nach dem Eloxalverfahren.
Eine anorganische Schicht im Sinne der Erfindung ist insbesondere eine Oxidschicht oder eine zusätzliche Schicht, welche auf die Bauteile aufgetragen wird. Vorzugsweise können hier keramische Schichten (z.B. Oxidkeramiken wie Al203 oder Zr02 oder Keramiken wie Si2N3, Si02) aufgebracht werden, wobei wegen der hohen Schmelzpunkte der verwendeten Werkstoffe vorzugsweise die Plasma-Beschichtung (PVD) oder die chemische Gas- phasenabscheidung (CVD) zum Einsatz kommen.
Eine solche isolierende Beschichtung ermöglicht die Einstellung üblicher elektrischer Übergangswiderstände der verbundenen Teile von <0,2mOhm, vorzugsweise 0,05mOhm.
Anorganische isolierende Beschichtungen verhindern ungewollten Stromfluss und benötigen keinen zusätzlichen Bauraum, ferner werden diese im Bereich einer Schweißstelle besonders zuverlässig aufgebrochen/zerstört und sind temperaturbeständig, so dass die Isolation auch bei einem Batteriebrand erhalten bleibt.
Insbesondere bei einer Eloxierung wird die Sicherheit (Berührschutz bei Montage, Kurz- schluss bei Verformung der Batterie durch Crash) erhöht, da die Eloxierung eine sehr feste Verbindung mit der Oberfläche des isolierten Bauteils eingeht und sich bei einer mechanischen Verformung des Bauteils mitverformt. Vorteilhaft ist der elektrochemische Energiespeicher eine Rahmenflachzelle, eine Rundzelle, eine prismatische Hardcase-Zelle oder eine Pouchzelle.
Eine Rahmenflachzelle im Sinne der Erfindung umfasst zwei zueinander parallele als Zellpole dienende Formteile, sogenannte Hüllbleche, die durch einen Siegelrahmen, insbesondere ein Kunststoff rahmen, voneinander getrennt sind.
Eine Rundzelle im Sinne der Erfindung besteht aus einzelnen aufeinander geschichteten Schichten, die anschließend um einen Dorn aufgewickelt werden. Der zylindrische Zellwickel wird in ein festes Gehäuse als Umhüllung gepackt, das gleichzeitig auch den Abieiter für die positive Elektrode darstellt. Die negative Elektrode wird über den vom Gehäuse isolierten Deckel der Zelle kontaktiert.
Eine prismatische Hardcase-Zelle im Sinne der Erfindung ist eine gewickelte Zelle, bei welcher die Zellwickel flach gewickelt werden. Der dabei entstandene Flachwickel wird anschließend in ein prismatisches Gehäuse als Umhüllung gepackt.
Eine Pouchzelle im Sinne der Erfindung besitzt kein festes Gehäuse, sondern nur eine mit Aluminium beschichtete Kunststofffolie als Umhüllung.
Die obigen Definitionen und Vorteile gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Energiespeichers.
Vorteilhaft ist bei einer erfindungsgemäßen Batterie das zumindest eine erste Bauteil ein Verbinder, mit welchem der elektrochemische Energiespeicher mit zumindest einem weiteren elektrochemischen Energiespeicher verbindbar ist.
Dies verhindert ungewollten elektrischen Kontakt zu einer gegebenenfalls vorhandenen Alu-Zwischenlage sowie zu einer gegebenenfalls eingesetzten metallischen Kühlplatte, die auf die Verbinder der Zellen zur Temperierung der Zelle gepresst werden. Vorteilhaft geschieht das Fügen in der Weise, dass die isolierenden Beschichtung aufgebrochen wird. Besonders vorteilhaft geschieht das Aufbrechen durch einen Schweißvorgang, insbesondere unter Benutzung eines US-Schweißwerkzeugs.
Ein US-Schweißwerkzeug im Sinne der Erfindung besteht aus einem Amboss und Sonot- rode, so dass eine Schweißstelle mittels Ultraschallschweißen verwirklicht werden kann.
Schweißstellen durchbrechen bzw. verschieben die isolierende Beschichtung, insbesondere eine Oxidschicht wie bei der Eloxalbeschichtung, besonders zuverlässig, so dass ein sehr guter elektrischer Kontakt ermöglicht wird.
Obige sowie weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.
Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Explosionsansicht,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Schale eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 eine schematische Darstellung der Verbindung der Leiterfahnen und der Schale eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 ein Querschnitt durch einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei elektrochemischen Energiespeichern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 ein Querschnitt durch eine Batterie mit zwei elektrochemischen Energiespeichern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einer Kühlplatte 13 aus elektrochemischen Energiespeichern gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Verbinders 14,
Figur 10 eine schematische Darstellung einer Batterie mit elektrochemischen Energiespeichern einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und Verbindern,
Figur 11 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in Explosionsansicht,
Figur 12 eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Energiespeichers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 13 ein Querschnitt durch den oberen Teil eines Energiespeichers gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 14 eine schematische Darstellung einer Batterie mit zwei elektrochemischen
Energiespeichern gemäß der dritten Ausführungsform in Explosionsansicht,
Figur 15 eine schematische Darstellung einer Batterie mit Energiespeichern gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 16 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einer Kühlplatte und elektrochemischen Energiespeichern gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Bezug nehmend auf die Figuren 1 bis 8 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei anhand einer Rahmenflachzelle als elektrochemischer Energiespeicher beschrieben.
Bei allen dargestellten Ausführungsformen handelt es sich jedoch nur um bevorzugte Ausführungsformen, deren konkrete Ausgestaltungen keine Beschränkungen auf den Schutzbereich der Erfindung haben.
Figur 1 zeigt die erste Ausführungsform gemäß der Erfindung in Explosionsansicht. Die Rahmenflachzelle weist zwei Formteile 7a, 7b auf, welche im zusammengesetzten Zustand eine Schale als Umhüllung der Rahmenflachzelle bilden. Diese Schale wird bevorzugt durch einen Siegelrahmen 8 versiegelt. Im Inneren der Schale befindet sich eine Elektrodenbaugruppe 2, welche über Abieiter 6 be- und entladen wird.
In Figur 2 ist der elektrochemische Energiespeicher 1 im zusammengesetzten Zustand dargestellt. Daher sind nur noch die beiden Formteile 7a, 7b sichtbar, welche die Schale zur Aufnahme der Elektrodenbaugruppe 2 bilden.
Wie in Figur 3 im Querschnitt eines Teils der Schale 7a, 7b gezeigt, weist zumindest ein Formteil 7a, 7b der Umhüllung eine elektrisch isolierende Beschichtung 3 auf.
Bei der elektrisch isolierenden Beschichtung 3 handelt es sich bevorzugt um eine anorganische Schicht, die nach dem sogenannten Eloxalverfahren erzeugt wird. Dabei wird die Oberfläche von Aluminium durch Eintauchen in einen Elektrolyten und Anlegen einer Spannung anodisch oxidiert. Durch Umwandlung des Grundwerkstoffs bildet sich eine Oxidschicht, die je nach Verfahren ungefähr 5 pm, bevorzugt 10 μιτι, besonders bevorzugt 15 μιη, noch bevorzugter 20 μητι, noch bevorzugter 25 μητι und am bevorzugtesten 30 pm dick und im Wesentlichen elektrisch isolierend ist. Weiterhin bevorzugt handelt es sich bei der elektrisch isolierenden Beschichtung um ein keramisches Material (z. B. Oxidkeramiken Al203 oder Zr02 oder Keramiken wie Si2N3) Si02), wobei in diesem Fall aufgrund der hohen Schmelzpunkte der verwendeten Werkstoffe vorzugsweise die Plas- ma-Beschichtung (PVD) oder die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zum Einsatz kommen. Die keramischen Schichten können aber auch als zusätzliche Schicht, zum Beispiel über einer Eloxalschicht aufgebracht werden. Bevorzugt ist auch der Einsatz von organischen Beschickungen (dünn aufgetragene Kunststoffe, wie Polypropylen, Polyamid, PET, PTFE oder Lackierungen, die z. B. mit kathodischer Tauchlackierung aufgebracht werden) möglich. Für Flächen, welche sich nach dem Zusammensetzen der Rahmenflachzelle im Inneren befinden, sind bevorzugt BeSchichtungen aus PP geeignet, da dieser Werkstoff elektrolytbeständig ist und insbesondere mit einer speziellen Aminosäuremodifikation eine gute Verbindung mit Metallen eingeht.
Die Formteile 7a, 7b einer Rahmenflachzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform bestehen bevorzugt aus Metall, besonders bevorzugt aus Aluminium.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Randabschnitt einer zusammengesetzten Rahmenflachzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Rahmenflachzelle ist durch die Verbindung der beiden Formteile 7a, 7b mittels eines Heißsiegelvorgangs verschlossen. Hierbei wird der im Flanschbereich der Formteile 7a, 7b angeordnete Siegelrahmen 8, welcher vorzugsweise aus Kunststoff besteht, mit niedriger Schmelztemperatur in einer Heißpresse partiell aufgeschmolzen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um an ein säuremodifiziertes Polypropylen mit einlaminiertem Vlies und erhöhter Schmelztemperatur zur Sicherstellung des Mindestabstands zwischen den Formteilen 7a, 7b (und damit der elektrischen Isolation). Durch die Erstarrung des Siegelrahmens 8 bei fallender Temperatur und Unterdruck werden die beiden Formteile 7a, 7b miteinander verbunden.
Die Ableitfahnen 7a, 7b der Elektrodenbaugruppe sind bevorzugt mit den Wänden der Formteile 7a, 7b in der Weise verbunden, dass jeweils ein Formteil 7a, 7b als elektrischer Pol dienen kann. Die Verbindung erfolgt bevorzugt durch eine Ultraschallschweißung, kann aber durch jedes andere Schweißverfahren erfolgen. Durch das Verschweißen wird die isolierende Beschichtung partiell aufgebrochen und somit eine gute elektrische Kon- taktierung zwischen den Ableitfahnen 5a, 5b und den Formteilen 7a, 7b erreicht.
Die genannten Beschichtungen und Schweißverfahren ermöglichen die Einstellungen üblicher elektrischer Übergangswiderstände der verbundenen Bauteile, im vorherigen die Formteile 7a, 7b und die Ableitfahnen 5a, 5b von weniger als 0,2 mOhm, bevorzugt von weniger als 0,05 mOhm. Figur 5 zeigt eine Rahmenflachzelle 1 im Querschnitt. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, weist die Rahmenflachzelle 1 an zumindest einer Seite, bevorzugt an jener, an welcher die Rahmenflachzelle durch den Siegelrahmen 8 verschlossen ist, Kühlfahnen 10a, 10b, 10c, 10d auf. Wärme kann so aus der Elektrodenbaugruppe 2 über die Ableitfahnen 5a, 5b, die Schweißstelle 9 und einen Teil der Schale 7a, 7b zu den Kühlfahnen 10a, 10b, 10c, 10d geführt werden.
Figur 6 zeigt eine Batterie 1 mit zwei Rahmenflachzellen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Jeweils angrenzende Formteile 7a, 7b der Rahmenflachzellen 1 werden miteinander an den Schweißstellen 9 verschweißt. Somit besteht eine Batterie aus parallel und/oder in Reihe geschalteten elektrochemischen Energiespeichern 1. Die Kühlfahnen 10a, 10b, 10c, 10d dienen dabei als Überlappungsbereiche für das Fügen der Rahmenflachzellen 1.
Bevorzugt wird die Fügung geschweißt, besonders bevorzugt mittels eines US- Schweißwerkzeugs 4 aus Amboss 4a und Elektrode 4b. . Figur 7 zeigt eine weitere Ansicht einer Batterie 11 gemäß dieser Ausführungsform der elektrochemischen Energiespeicher 1 im Querschnitt. Besonders deutlich wird in dieser Ansicht die besonders platzsparende Anordnung der einzelnen elektrochemischen Energiespeicher 1 nach Verschweißung.
Wie in den Figuren 5 und 7 ersichtlich wird, sind die Kühlfahnen 10a, 10 b der Formteils 7a bevorzugt jeweils versetzt zu den Kühlfahnen 10c, 10d des Formteils 7b angeordnet. Ist dies der Fall, können einzelne elektrische Energiespeicher 1 in der Weise zu einer Batterie zusammengesetzt werden, dass die von den Kühlfahnen 10a gebildete obere Außenfläche in Fig. 7 und die von den Kühlfahnen 10d gebildete untere Außenfläche, siehe hierzu auch Fig. 9, jeweils eine ebene obere bzw. untere Stirnfläche bilden. Hierdurch kann erreicht werden, dass alle Kühlfahnen 10a, 10b, 10c, 10d, die nach dem Zusammenfügen der Rahmenflachzellen außen liegen, in Kontakt mit einer ebenen Kühlplatte 12 kommen.
Wie in Figur 8 dargestellt, kann eine Batterie 11 nämlich bevorzugt durch eine metallische Kühlplatte 12 gekühlt werden. Diese ist bevorzugt in Kontakt mit den Kühlfahnen 10a, 10c und/oder 10b, 10d an den Stirnseiten der Batterie. Bevorzugt ist auch die metallische Kühlplatte 12 mit einer erfindungsgemäßen isolierenden Beschichtung 3 versehen, so dass sicher gestellt wird, dass zwischen der Schale 7a, 7b und der Kühlplatte 12 keine elektrische Verbindung vorliegt. Bevorzugt weist die metallische Kühlplatte 12 Öffnungen 13 auf, so dass die Kühlplatte 12 von einem Kühlfluid durchströmt werden kann.
Bezug nehmend auf die Figuren 9 und 10 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei am Beispiel einer prismatischen Hardcase- Zelle beschrieben.
Bei prismatischen Hardcase-Zellen 1 sind die entgegengesetzten elektrischen Pole bevorzugt jeweils an gegenüber liegenden Wänden einer Kante einer Hardcase-Zelle 1 angeordnet. Das heißt, um die prismatischen Hardcase-Zellen 1 mit oben liegenden Polen, wie in Figur 10 dargestellt, in einer Reihenschaltung zu kontaktieren, werden die Pole von aneinander angrenzenden prismatischen Hardcase-Zellen 1 mit einem Verbinder 14 miteinander verbunden. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Verbinder 14, wie in Figur 9 dargestellt, mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3 versehen. Hierbei eignen sich dieselben Beschichtungen 3, die für die erste Ausführungsform beschrieben wurden.
Besonders bevorzugt sind die eingesetzten Verbinder 14 dabei aus Aluminium und über ihre gesamte Oberfläche eloxiert. Nach dem Aufpressen der Verbinder 14 auf die prismatischen Hardcase-Zellen 1 werden diese bevorzugt mit den Polen der prismatischen Hardcase-Zellen verschweißt. Besonders bevorzugt geschieht dies mittels eines Laserschweißverfahrens. Durch die Bewegung in der Schmelze beim Schweißen wird die Eloxierschicht 3 aufgebrochen, so dass ein rein metallischer Kontakt zwischen dem Pol der prismatischen Hardcase-Zelle 1 und dem Verbinder 14 hergestellt wird. Da die Verbinder 14 nach dem Zusammenfügen mit den prismatischen Hardcase-Zellen 1 außer im Bereich der Lasernähte 9 komplett isoliert sind, sind keine weiteren Bauteile zu deren elektrischer Abschirmung nötig.
In vorteilhafter Weise kann die zweite Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere sind bevorzugt auch die Formteile 7a, 7b der prismatischen Hardcase-Zellen 1 der zweiten Ausführungsform mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3 versehen.
Bezug nehmend auf die Figuren 11 bis 16 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Die Erfindung wird dabei am Beispiel einer Pouchzelle beschrieben. Bei Pouchzellen 1 ist die Elektrodenbaugruppe 2 von einer folienartigen Verpackung umgeben, durch welche elektrische Anschlüsse in Blechform, so genannte Abieiter 6a, 6b geführt sind. In Figur 11 wird eine solche Pouchzelle 1 in Explosionsansicht dargestellt. Die Verpackung besteht bevorzugt aus zwei Formteilen 7a, 7b, die nach Fertigstellung der Elektrodenbaugruppe 2 mit Ableitfahnen 5a, 5b und Abieitern 6a, 6b um diese herum versiegelt werden. Die Abieiter 6a, 6b bestehen dabei bevorzugt aus einem Metall, insbesondere Aluminium, und sind mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3, wie in Bezug auf die erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben, versehen.
Bevorzugt kann aber auch nur ein Abieiter, der Pluspol 6b, aus Aluminium sein, während der andere Abieiter 6a, der Minuspol, aus Kupfer ist. In diesem Fall ist der Kupferabieiter 6a bevorzugt mit einer dünnen PP-Schicht versehen. Dies sorgt für eine gute Anbindung an die folienartige Umhüllung durch die Formteile 7a, 7b, welche umlaufend in einem Heißsiegelvorgang verschweißt wird. Die Ableiterfahnen 5a, 5b werden bevorzugt jeweils mit den Abieitern 6a, 6b mit einem Schweißverfahren zusammengefügt. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Ultraschallschweißung, bei welcher die Oxid- bzw. PP-Schichten durchbrochen werden, so dass jeweils ein elektrischer Kontakt 9 zwischen den Ableitfahnen 5a, 5b und den Abieitern 6a, 6b hergestellt wird.
Figur 12 stellt eine Pouchzelle 1 in fertig gestelltem Zustand dar. Sichtbar ist auf diesem Bild nur noch ein Formteil bzw. die folienartige Umhüllung 7b sowie die Enden der Abieiter 6a, 6b.
Figur 13 zeigt den oberen Teil einer Pouchzelle 1 im Querschnitt. Die Schweißstelle 9 sorgt für den elektrischen Kontakt zwischen den Ableitfahnen 5a der Elektrodenbaugruppe 2 und dem Abieiter 6a. Der Abieiter 6a ragt dabei aus der folienartigen Unhüllung 7a, 7b heraus, so dass dieser von außerhalb kontaktiert werden kann.
Figur 14 zeigt eine Explosionsansicht einer Batterie 11 aus zwei Pouchzellen 1. Die Abieiter 6a, 6b der Pouchzellen 1 , welche bevorzugt aus Metall und besonders bevorzugt aus Aluminium sind, verbinden die elektrischen Kontakte der Pouchzellen 1 über die Verbinder 14 im zusammengesetzten Zustand in Reihe und/oder in Serie. Bevorzugt sind die Abieiter 6a, 6b und/oder die Verbinder 14 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3 versehen. Somit ist weder zwischen den Abieitern 6a, 6b und der Aluminiumzwischenlage der folienartigen Verpackung 7a, 7b noch zwischen den Verbindern 14 und beispielsweise einer Kühlplatte 12 eine weitere elektrische Isolierung notwendig. Figur 15 zeigt eine Batterie 11 mit einer Vielzahl von Pouchzellen 1, welche durch Verbinder 14 in Reihe geschaltet sind.
Das Zusammenfügen der Abieiter 6a, 6b und der Verbinder 14 wird bevorzugt mit einem US-Schweißwerkzeug 4 aus Amboss 4a und Elektrode 4b ausgeführt. Auch durch diese Verschweißung werden die jeweils elektrisch isolierenden Beschichtungen 3 durchbrochen, so dass ein guter elektrischer Kontakt 9 zwischen den Abieitern 6a, 6b und den Verbindern 14 gewährleistet ist.
Wie in Figur 16 dargestellt, weist auch eine Batterie 11 gemäß der dritten Ausführungsform bevorzugt eine Kühlplatte 12 auf, welche zum Abführen der Wärme von der Batterie 11 dient. Wie in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben, ist auch die Kühlplatte 12 bevorzugt mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3 versehen und weist bevorzugt Öffnungen 13 auf, so dass diese mit einem Kühlfluid gekühlt werden kann.
In vorteilhafter Weise kann die dritte Ausführungsform mit der ersten und/oder zweiten Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere sind bevorzugt auch die Formteile 7a, 7b der Pouchzellen 1 der dritten Ausführungsform mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 3 versehen.
Daimler AG
Bezugszeichenliste
1 Elektrochemischer Energiespeicher
2 Elektrodenbaugruppe
3 Isolierende Beschichtung
4 Schweißwerkzeug
4a Amboss
4b Elektrode
5a, 5b Ableitfahne
6a, 6b Abieiter
7a, 7b Schalenteil
8 Siegelrahmen
9 Schweißstelle
10a, 10b, 10c, 10d Kühlfahne
11 Batterie
12 Kühlplatte
13 Öffnung
14 Verbinder

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) mit einer Elektrodenbaugruppe (2),
insbesondere mit einer Lithium-Ionen-Zellchemie, wobei zumindest ein erstes Bauteil des elektrochemischen Energiespeichers (1 ) eine elektrisch isolierenden Beschichtung (3) aufweist, die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist.
2. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das zumindest eine Bauteil ein stromführendes Bauteil des elektrochemischen Energiespeichers (1 ) ist.
3. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach Anspruch 2, wobei das zumindest eine stromführende Bauteil eine Ableitfahne (5a, 5b) und/oder ein Abieiter (6a, 6b) ist.
4. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das zumindest eine Bauteil ein Formteil (7a, 7b) einer
Umhüllung, insbesondere eine Schale, oder ein Siegelrahmen (8) ist.
5. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das Formteil (7a, 7b) Kühlfahnen (10a, 10b, 10c, 10d) aufweist.
6. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Beschichtung (3) eine anorganische Schicht ist, insbesondere eine anorganische Schicht hergestellt nach dem
Eloxalverfahren.
7. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das zumindest eine erste Bauteil die Beschichtung (3) auf seiner gesamten Oberfläche aufweist.
8. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das zumindest erste Bauteil und das zweite Bauteil eine Schweißstelle (9) als Fügung aufweisen.
9. Elektrochemischer Energiespeicher (1 ) nach Anspruch 1 , wobei dieser eine
Rahmenflachzelle, eine prismatische Hardcase-Zelle oder eine Pouchzelle ist.
10. Batterie (11 ) mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern (1 )
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Batterie (11 ) nach Anspruch 10, welche des Weiteren eine Kühlplatte (12),
insbesondere eine Kühlplatte mit einer isolierenden Beschichtung (3), aufweist.
12. Batterie (11 ) nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das zumindest eine erste Bauteil ein Verbinder (14) ist, mit welchem der elektrochemische Energiespeicher (1 ) mit zumindest einem weiteren elektrochemischen Energiespeicher verbindbar ist.
13. Verfahren zum Herstellen eines elektrochemischen Energiespeichers (1 ), mit den folgende Schritten:
Bereitstellen einer Elektrodenbaugruppe (2);
Aufbringen einer elektrisch isolierenden Beschichtung (3), die bei einem stoffschlüssigen Zusammenfügen mit einem zweiten Bauteil aufbrechbar ist, auf zumindest ein erstes Bauteil des elektrochemischen Energiespeichers
(1 );
Zusammenfügen des zumindest einen ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fügen in der Weise geschieht, dass die isolierenden Beschichtung (3) aufgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Fügen mittels eines
Schweißvorgangs, insbesondere unter Benutzung eines Ultraschall- Schweißwerkzeugs (4), geschieht.
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