WO2016012294A1 - Verfahren zur herstellung einer prismatischen batteriezelle - Google Patents

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layer
battery
blade
cathode layer
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Rene Hornung
Seyed Mohammad Seyed Abbassi
Cihan KAPLAN
Anselm Berg
Michael Riefler
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a prismatic
  • Battery cell wherein the battery cell has a cathode layer, an anode layer and at least two separator layers.
  • the invention also relates to a prismatic battery cell, which is produced by the method, as well as a vehicle in which such a prismatic battery cell is installed.
  • Lithium ion batteries which are used in the automotive sector, often have a prismatic shape for reasons of volumetric efficiency.
  • a cell housing Inside a cell housing are, for example, flat-pressed battery wraps (jelly rolls), which are rolled out of an anode, a cathode and separator layers. The cell housing is filled after inserting the battery wraps and before the pressure-tight sealing with a liquid electrolyte.
  • No. 8,641,015 B2 for example, provides such a prismatic battery cell with four battery wraps arranged therein.
  • the cathode and the anode are referred to, for example, as follows:
  • the two electrodes are not precisely superimposed, but slightly offset in the direction of the winding axis. This method is described for example in DE 10 2012 213 420 AI.
  • the positive voltage of the respective electrode can be picked off on one open narrow side of the battery winding, and on the other, opposite, open narrow side.
  • the contacting of the protruding Film strip is made with welded, strip-shaped sheet metal parts made of copper or aluminum, the so-called current collectors.
  • the contacting of the current collectors inside the cell housing and the passage of the current paths through the cell housing to the outside is very demanding. After inserting the battery wraps in the cell housing and after closing the cell housing this is filled with a small opening in the lid of the cell housing with electrolyte. As one of the last processes in the production of the battery cell, this opening with a
  • Jelly Rolls are known from US 5,552,239 and JP 2009-266737.
  • the prismatic battery cell having a cathode layer, an anode layer and at least two separator layers, it is provided that one or two winding blades, the cathode layer, the anode layer and the at least two separator layers are parallel to each other and with respect to a winding axis be arranged spatially parallel to the preparation of a starting arrangement, the starting order about the winding axis for producing a
  • the battery winding is inserted into a cell housing, the cathode layer and the anode layer are contacted with pantographs, the cell housing is filled with a liquid electrolyte and the cell housing is sealed.
  • Cell housing is used, the cathode layer and the anode layer with Pantographs are contacted and the cell housing is filled with a liquid electrolyte is arbitrary.
  • exactly one battery winding is inserted into the cell housing, wherein the battery winding has exactly one cathode layer and exactly one anode layer.
  • two winding blades and three
  • step a) the cathode layer, the anode layer and the three separator layers perpendicular to the winding axis to a stack of layers are arranged one above the other and above and below the
  • Step b) is wound around the two winding blades.
  • a winding blade and two separator layers are used, wherein in step a) first the cathode layer and the anode layer and the two separator layers are attached to the winding blade and in step b) is wound around the winding blade. At the beginning of the winding process, the anode and the cathode are welded to welding surfaces with the winding blade. The separators are also attached to the
  • Wickelat fixed for example glued, crimped, clamped or welded, in particular by ultrasonic or laser welding.
  • the winding blade is preferably formed as a flat plate
  • the winding blade is made of plastic, for example, in particular PBT, PP, PE, PET or PEAK.
  • the winding sword has on its front and its back welds for contacting the electrodes and
  • connection surfaces for contacting the pantograph on For example, in the case of the cathode, the welding surface is an aluminum strip and in the case of the anode is a copper strip.
  • the cathode and the anode at the welding surfaces are welded to the winding blade.
  • the welding surfaces are, for example, perpendicular or parallel to the winding axis or in the
  • the winding axis is parallel to a longer side of the winding blade, so that the starting arrangement is wound around the longer side of the winding blade.
  • the cathode layer and the anode layer are fastened in this embodiment via welding surfaces on the winding blade, which extend over the longer side of the winding blade.
  • the Contact areas, via which the current collectors are contacted, extend over the shorter side of the winding blade.
  • the winding axis is parallel to the shorter side of the winding blade, so that the starter assembly is wound around the shorter side of the winding blade.
  • the welding surfaces extend over which the cathode layer and the anode layer on
  • Winding sword are fixed over the shorter side of the winding sword. According to a further embodiment, the winding sword
  • this greatly shortened pantograph can be used to bridge the way from the terminals to the contact areas electrically.
  • the connection surfaces of the winding blade are electrically connected to the welding surfaces to which the electrodes are fixed.
  • step c) the battery winding is inserted into the cell housing such that a filling opening and / or a bursting membrane lies in alignment with the winding axis.
  • the battery wraps need to be inserted into the cell housing such that a filling opening and / or a bursting membrane lies in alignment with the winding axis.
  • Battery cell is a main direction of the resulting dynamics parallel to the winding axis. Thus it is facilitated that at an overpressure the liquid or gases escape at the bursting opening.
  • the welding surfaces of the electrodes with the current collectors are preferably arranged parallel to the winding axis, in the embodiment with two winding blades and three separator layers that when inserting the
  • a prismatic battery cell which was produced according to one of the described methods, wherein the winding blade remains in the cell housing, in particular in the battery winding.
  • the features described in the context of the method apply equally to the prismatic battery cell, which was produced by these methods.
  • a motor vehicle is also provided with a battery, wherein the battery has at least one such battery cell.
  • the battery is preferably with a drive system of the
  • the motor vehicle may be designed as a pure electric vehicle and comprise an exclusively electric drive system.
  • the motor vehicle may be equipped as a hybrid vehicle including an electric drive system and an internal combustion engine.
  • the battery of the hybrid vehicle can be charged internally via a generator with excess energy of the internal combustion engine.
  • Externally rechargeable hybrid vehicles PHEV, plug-in hybrid electric vehicle
  • PHEV plug-in hybrid electric vehicle
  • Figure 1 is a prismatic battery cell according to the prior
  • 2A, 2B, 2C start arrangements and battery wraps according to a
  • FIG. 3 shows a battery pack in a perspective view according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a cover group in perspective view according to an embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a battery winding, with a cover group
  • FIGS. 9A, 9B show conventional and inventive electrode layers in FIG.
  • Figure IIA, IIB a battery winding in a sectional view and lateral
  • Figures 12A, 12B conventional and inventive cover groups
  • FIG. 1 shows a prismatic battery cell 10 'in a perspective view according to the prior art.
  • the prismatic battery cell 10 ' is shown for the sake of clarity without a cell housing and comprises four closely spaced battery wraps 12' and a cover group 46 ', wherein the cover group 46' comprises two terminals 14 ', whereby the prismatic battery cell 10' is electrically contacted from the outside ,
  • the cover group 46 is also a filling opening 16 'and a
  • the filling opening 16 'and the bursting membrane 18' are located substantially in the center of a closure plate 47 ', whereas the terminals 14' on the end plate 47 'are peripherally located.
  • the liquid electrolyte is filled vertically in FIG. 1 via the filling opening 16 'and then passes horizontally into the
  • FIG. 2A shows a starting arrangement 22 according to a first embodiment of the invention, wherein the starting arrangement 22 comprises a layer stack 24 and above and below the layer stack 24 two winding blades 26 arranged opposite each other.
  • the winding blades 26 are arranged parallel to a winding axis 40, which are exemplary here located in the middle between the winding blades 26.
  • the layer stack 24 comprises three separator layers 28, a cathode layer 30 and an anode layer 32, wherein in the illustrated embodiment the order of the layers is defined as separator layer 28, anode layer 32, separator layer 28, cathode layer 30, separator layer 28.
  • FIG. 2B shows an alternative embodiment of the starting arrangement 22, wherein the winding blades 26 are offset from each other above and below the
  • the winding axis 40 is again here by way of example in the middle between the winding blades 26.
  • the separator layers 28, cathode layer 30 and anode layer 32 can be any separator layers 28, cathode layer 30 and anode layer 32.
  • endless belts or rolls of the winding blades 26 having winding device can be supplied.
  • FIG. 2C shows a battery winding 12 according to the invention, which has arisen after 450 ° rotation when winding about the winding axis 40 from the starting arrangement 22 shown in FIG. 2A.
  • the anode layer 32 and the cathode layer 30 are mutually offset longitudinally by an offset 34, for example by cutting on the endless belt, so that in each case a first connection surface 36 at the end of the battery roll 12, in FIG. 2C on the upper and on the lower side for the
  • Cathode and a second pad 38 for the anode forms.
  • the two winding blades 26 may thereafter be removed or may remain in the battery wrap 12. Preferably, they are removed in this embodiment to reduce the volumetric weight of the prismatic battery cell 10.
  • FIG. 3 shows the battery winding 12 which arises from the arrangement shown in FIG. 2C after a step of pressing.
  • the battery winding 12 comprises wound layers 62, wherein typically one of the separator layers 28 will be arranged on the outside.
  • the battery winding 12 also comprises, on the outside, the first terminal area 36 of the cathode and the second terminal area 38 of the anode for making contact with current collectors 42, 44.
  • FIG. 4 shows a cover group 46 according to the invention, which has a
  • End plate 47 having disposed thereon a filling opening 16 and a bursting membrane 18 and terminals 14, as known from the prior art, and a first current collector 42 of the cathode and a second current collector 44 of the anode.
  • the battery winding 12 can be inserted into the cell housing such that an inflow direction 20 (shown in FIG. 3) of the liquid electrolyte lies parallel to the filling opening 16 and / or to the bursting membrane 18.
  • FIGS. 6A and 6B show a winding blade 26 from the front ( Figure 6A) and from the back ( Figure 6B).
  • the winding blade 26 is formed for example of a plastic plate 48.
  • the plastic plate 48 has a rectangular base with a longer side 50 and a shorter side 52.
  • the winding axis 40 is arranged parallel to the longer side 50 in this embodiment.
  • On the longer side 50 is a first welding surface 54 of the cathode layer 30 and on the back of the winding blade 26 is a corresponding second welding surface 56 of the anode layer 32.
  • the welding surfaces 54, 56 are electrically connected to the pads 36, 38, which adjoin the shorter sides 52 of the winding blade 26 are located.
  • the welding surfaces 54, 56 are spaced from the opposite-pole connecting surfaces 36, 38 by insulating sections 58.
  • the first welding surface 54 of the cathode layer 30 and the first connecting surface 36 of the cathode layer 30 are made of aluminum, for example, while the second welding surface 56 of the anode layer 32 and the second current collector 44 of the anode layer 32 can be made of copper.
  • FIG. 7 shows the starting arrangement 22 with the winding blade 26, two
  • the cathode layer 30 is welded to the first welding surface 54 and the anode layer 32 is welded to the second welding surface 56.
  • the two separator layers 28 are arranged here by way of example opposite one another and isolate the cathode layer 30 from the anode layer 32 from one another.
  • FIG. 8A shows the battery winding 12, which arises after winding the starting arrangement 22 shown in FIG.
  • the winding blade 26 which is the contacting of the cathode layer 30 and the anode layer 32 with the current collectors 42, 44 accomplished.
  • the wound layers 62 are the wound layers 62.
  • FIG. 8B shows a lateral plan view of the battery winding 12, which arises after winding the starting arrangement 22 shown in FIG. 7 about the winding axis 40.
  • the arrangement shown in Figure 8A is shown rotated by 90 °.
  • the connection surfaces 36, 38 protrude laterally out of the wound layers, so that contacting with the cover group 46 can take place as shown in FIG. 5, wherein the connection surfaces 36, 38 are welded to the corresponding current collectors 42, 44.
  • FIG. 9A shows a conventional electrode 30 ', 32' which has a
  • Pad 36 ', 38' which extends completely over a longitudinal side 70 'of the electrode 30', 32 ', wherein the longitudinal side 70' longer than a
  • Transverse side 72 ' is.
  • FIG. 9B shows an electrode 30, 32 according to the invention, as described, having the welding surface 54, 56 which extends over a transverse side 72 of the electrode 30, 32. Unlike one with
  • Active material coatable surface 64 'of the conventional electrode 30', 32 ' is an active material coatable surface 64 of the invention
  • Electrode 30, 32 enlarged.
  • FIGS. 10A and 10B show a further embodiment of a
  • Winding sword 26 as shown in Figure 6A and 6B.
  • winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6B the winding axis 40 extends parallel to the longer side 50 of the winding blade 26, according to FIG. 6A and FIG. 6
  • Winding sword 26 arranged. Accordingly, the first extend
  • Wickelatt 26 has on one of its longer sides 50 two projections 68, which allow the contacting with the pantographs 42, 44. This shortens the way to the terminals 14, as with reference to FIG 12 is explained in more detail.
  • the welding surfaces 54, 56 are electrically connected to the pads 36, 38, which at the supernatants 68 of
  • Winding sword 26 are arranged.
  • the cathode layer 30 Prior to the winding process, the cathode layer 30 is welded to the first welding surface 54 and the anode layer 32 is welded to the second welding surface 56, and two separator layers 28 are arranged to form the starting assembly 22 described with reference to Figure 7, corresponding to the line BB shown in Figure 10A is cut.
  • FIG. 11A shows the battery winding 12, which arises from the arrangement described with reference to FIG. 10, with the winding blade 26 and the wound layers 62.
  • FIG. IIB shows the battery winding 12 in a lateral plan view.
  • the projections 68 of the winding blade 26 form the connection surfaces 36, 38 for the terminals 14.
  • FIGS. 12A and 12B show the shortening of the contacting of the battery roll 12 with the terminals 14 of the cover group 46, which are described with reference to FIGS. 10A, 10B, IIA and IIB

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle (10), wobei die prismatische Batteriezelle (10) eine Kathodenlage, eine Anodenlage und zumindest zwei Separatorlagen aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass ein oder zwei Wickelschwerter, die Kathodenlage, die Anodenlage und die zumindest zwei Separatorlagen parallel zueinander und bezüglich einer Wickelachse parallel zur Herstellung einer Startanordnung räumlich angeordnet werden, die Startordnung um die Wickelachse zur Herstellung eines Batteriewickels (12) gewickelt wird, der Batteriewickel (12) in ein Zellgehäuse eingesetzt wird, die Kathodenlage und die Anodenlage mit Stromabnehmern (42, 44) kontaktiert werden, das Zellgehäuse mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird und das Zellgehäuse verschlossen wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine prismatische Batteriezelle (10) und ein Fahrzeug mit einer Batterie, welche zumindest eine derart prismatische Batteriezelle (10) aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer prismatischen
Batteriezelle, wobei die Batteriezelle eine Kathodenlage, eine Anodenlage und zumindest zwei Separatorlagen aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine prismatische Batteriezelle, welche nach dem Verfahren hergestellt ist, sowie ein Fahrzeug, in dem eine derartige prismatische Batteriezelle verbaut ist.
Lithium-Ionen-Akkus, die im Automobilbereich Verwendung finden, haben aus Gründen des Volumennutzwertes oftmals eine prismatische Form. Im Inneren eines Zellgehäuses befinden sich beispielsweise flach gepresste Batteriewickel (jelly rolls), die aus einer Anode, einer Kathode und aus Separatorschichten gerollt werden. Das Zellgehäuse wird nach Einsetzen der Batteriewickel und vor dem druckdichten Verschließen mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt. US
8,641,015 B2 stellt beispielsweise eine derartige prismatische Batteriezelle mit vier darin angeordneten Batteriewickeln bereit.
Die elektrische Kontaktierung der Elektroden, womit im Rahmen der
vorliegenden Offenbarung die Kathode und die Anode bezeichnet werden, erfolgt beispielsweise folgendermaßen: Die beiden Elektroden werden nicht passgenau übereinandergelegt, sondern in Richtung der Wickelachse leicht versetzt. Dieses Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2012 213 420 AI beschrieben. So lässt sich an einer offenen Schmalseite des Batteriewickels die negative und an der anderen, gegenüberliegenden, offenen Schmalseite die positive Spannung der jeweiligen Elektrode abgreifen. Die Kontaktierung der überstehenden Folienstreifen erfolgt mit angeschweißten, streifenförmigen Blechteilen aus Kupfer oder Aluminium, den so genannten Stromkollektoren. Die Kontaktierung der Stromkollektoren im Inneren des Zellgehäuses und die Durchführung der Strompfade durch das Zellgehäuse nach draußen gestaltet sich sehr anspruchsvoll. Nach dem Einsetzen der Batteriewickel in das Zellgehäuse und nach dem Verschließen des Zellgehäuses wird dieses durch eine kleine Öffnung im Deckel des Zellgehäuses mit Elektrolyt befüllt. Als einer der letzten Prozesse bei der Herstellung der Batteriezelle wird diese Öffnung mit einem
Verschlusselement verschlossen.
Weitere Beispiele von Jelly Rolls sind aus US 5,552,239 und JP 2009-266737 bekannt.
US 2012/0189888 ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bekannt, bei welcher eine Kathodenlage und eine Anodenlage mit einem zwischendrin positionierten Separator spiralförmig aufgewickelt sind.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle, wobei die prismatische Batteriezelle eine Kathodenlage, eine Anodenlage und zumindest zwei Separatorlagen aufweist, ist vorgesehen, dass ein oder zwei Wickelschwerter, die Kathodenlage, die Anodenlage und die zumindest zwei Separatorlagen parallel zueinander und bezüglich einer Wickelachse parallel zur Herstellung einer Startanordnung räumlich angeordnet werden, die Startordnung um die Wickelachse zur Herstellung eines
Batteriewickels gewickelt wird, der Batteriewickel in ein Zellgehäuse eingesetzt wird, die Kathodenlage und die Anodenlage mit Stromabnehmern kontaktiert werden, das Zellgehäuse mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird und das Zellgehäuse verschlossen wird.
Die zeitliche Abfolge der Schritte, bei welchen der Batteriewickel in ein
Zellgehäuse eingesetzt wird, die Kathodenlage und die Anodenlage mit Stromabnehmern kontaktiert werden und das Zellgehäuse mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird, ist dabei beliebig.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird in das Zellgehäuse genau ein Batteriewickel eingesetzt, wobei der Batteriewickel genau eine Kathodenlage und genau eine Anodenlage aufweist. Dies führt zu geringeren Kosten beim
Verschweißen, da nur noch ein einziger Batteriewickel an einen Stromableiter angeschweißt werden muss. Insbesondere führt dies zu einer Materialeinsparung bei den Stromabnehmern, da diese nicht mehr mittels Verzweigungen an mehrere Batteriewickel geführt werden müssen. Auch im Fertigungsprozess sind Vorteile zu sehen, da weitere Arbeitsschritte wegfallen, wenn weniger Einzelteile vorliegen. Es kann ein einziger, unverzweigter Stromabnehmer pro Elektrode verwendet werden. Die Kontur der Stromabnehmer kann verändert werden, womit diese ebenfalls einfacher herzustellen sind. Die Kathodenlage und die Anodenlage können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Kathode, bzw. Anode oder gemeinsam auch als Elektroden bezeichnet sein.
Nach einer Ausführungsform werden zwei Wickelschwerter und drei
Separatorlagen verwendet. Hierbei werden im Schritt a) die Kathodenlage, die Anodenlage und die drei Separatorlagen senkrecht zu der Wickelachse zu einem Lagenstapel übereinander angeordnet und oberhalb und unterhalb des
Lagenstapels jeweils ein Wickelschwert parallel zu der Wickelachse angeordnet, wobei der Lagenstapel die Lagen in der Reihenfolge Separatorlage, Anodenlage, Separatorlage, Kathodenlage, Separatorlage aufweist. Im Schritt b) wird um die zwei Wickelschwerter gewickelt.
Nach einer alternativen Ausführungsform werden ein Wickelschwert und zwei Separatorlagen verwendet, wobei im Schritt a) zunächst die Kathodenlage und die Anodenlage und die zwei Separatorlagen an dem Wickelschwert befestigt werden und im Schritt b) um das Wickelschwert gewickelt wird. Zum Anfang des Wickelvorgangs werden die Anode und die Kathode an Schweißflächen mit dem Wickelschwert verschweißt. Die Separatoren werden ebenfalls an dem
Wickelschwert fixiert, beispielsweise verklebt, verkrimpt, eingeklemmt oder verschweißt, insbesondere durch Ultraschall- oder Laserschweißen. Ein Vorteil dieser alternativen Ausführungsform ist, dass kein langer
unbeschichteter Elektrodenrand mehr benötigt wird. Lediglich die Kontaktflächen, an denen das Wickelschwert mit den Elektroden verschweißt wird, sind vom Beschichtungsmaterial frei. Dies führt zu mehr Kapazität, einer höheren
Energiedichte und zur Einsparung von Materialkosten.
Das Wickelschwert ist bevorzugt als eine flache Platte ausgebildet,
beispielsweise mit einem rechteckförmigen Querschnitt mit einer ersten längeren Seite und einer zweiten kürzeren Seite. Das Wickelschwert ist beispielsweise aus Kunststoff gefertigt, insbesondere aus PBT, PP, PE, PET oder PEAK.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung der
Kathodenlage und/oder der Anodenlage mit den Stromabnehmern im Schritt d) über das Wickelschwert. Hierzu weist das Wickelschwert auf seiner Vorder- und seiner Rückseite Schweißstellen zur Kontaktierung der Elektroden und
Anschlussflächen zur Kontaktierung der Stromabnehmer auf. Im Falle der Kathode ist die Schweißfläche beispielsweise ein Aluminiumstreifen und im Falle der Anode ein Kupferstreifen.
Zum Anfang des Wickelvorgangs werden die Kathode und die Anode an den Schweißflächen mit dem Wickelschwert verschweißt. Die Schweißflächen liegen dabei beispielsweise senkrecht oder parallel zur Wickelachse oder im
Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel zur Wickelachse, so dass eine ausreichende Kontaktierung hergestellt wird und dass außerdem eine ausreichende Festigkeit der Verbindung beim Wickelprozess vorliegt. Bei den Elektroden sind bevorzugt nur die Kontaktflächen, die verschweißt werden, frei von Beschichtungsmaterial. Dies führt zu mehr Kapazität, größerer Energiedichte und einer Materialkostenersparnis.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Wickelachse parallel zu einer längeren Seite des Wickelschwertes, so dass die Startanordnung um die längere Seite des Wickelschwertes gewickelt wird. Die Kathodenlage und die Anodenlage werden in dieser Ausführungsform über Schweißflächen an dem Wickelschwert befestigt, welche sich über die längere Seite des Wickelschwerts erstrecken. Die Kontaktbereiche, über welche die Stromabnehmer kontaktiert werden, erstrecken sich dabei über die kürzere Seite des Wickelschwerts.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform liegt die Wickelachse parallel zu der kürzeren Seite des Wickelschwerts, so dass die Starteranordnung um die kürzere Seite des Wickelschwerts gewickelt wird. Hierbei erstrecken sich die Schweißflächen, über welche die Kathodenlage und die Anodenlage am
Wickelschwert fixiert werden, über die kürzere Seite des Wickelschwerts. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Wickelschwert
Anschlussflächen auf, welche Terminalen der Batteriezelle gegenüberliegen. Vorteilhaft können hierdurch stark verkürzte Stromabnehmer eingesetzt werden, um den Weg von den Terminalen zu den Kontaktbereichen elektrisch zu überbrücken. Die Anschlussflächen des Wickelschwerts sind elektrisch mit den Schweißflächen verbunden, an welchen die Elektroden fixiert sind.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird im Schritt c) der Batteriewickel derart in das Zellgehäuse eingesetzt, dass eine Befüllöffnung und/oder eine Berstmembran in der Flucht der Wickelachse liegt. Wenn die Befüllöffnung in der Flucht der Wickelachse liegt, brauchen die Batteriewickel bei
Befüllung mit dem flüssigen Elektrolyt weniger Zeit, um sich vollzusaugen. Die Durchflussrichtung der Flüssigkeit bei Befüllung durch die Befüllöffnung liegt dabei idealerweise parallel zur Wickelachse. Auch bei einer Havarie der
Batteriezelle liegt eine Hauptrichtung der dadurch entstehenden Dynamik parallel zur Wickelachse. Somit wird erleichtert, dass bei einem Überdruck die Flüssigkeit oder Gase an der Berstöffnung austreten. Mit„in der Flucht der Wickelachse" wird bezeichnet, dass die Befüllöffnung entweder auf der Wickelachse oder in geringem Abstand zu dieser liegt. Bei der Ausführungsform mit zwei Wickelschwertern und drei Separatorlagen sind die Schweißflächen der Elektroden mit den Stromabnehmern bevorzugt parallel zur Wickelachse angeordnet, so dass sich beim Einsetzen des
Batteriewickels in das Zellgehäuse, wenn die Befüllöffnung und/oder die
Berstmembran in der Flucht der Wickelachse liegt, die beschriebenen Vorteile ebenfalls ergeben. Nach einem weiteren Aspekt wird eine prismatische Batteriezelle bereitgestellt, welche nach einem der beschriebenen Verfahren hergestellt wurde wobei das Wickelschwert im Zellgehäuse, insbesondere im Batteriewickel verbleibt. Die im Rahmen der Verfahren beschriebenen Merkmale gelten entsprechend ebenso für die prismatische Batteriezelle, welche nach diesen Verfahren hergestellt wurde.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie zumindest eine derartige Batteriezelle aufweist. Die Batterie ist dabei bevorzugt mit einem Antriebssystem des
Kraftfahrzeugs verbunden. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ein ausschließlich elektrisches Antriebssystem umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgestattet sein, das ein elektrisches Antriebssystem und einen Verbrennungsmotor umfasst. In einigen Varianten kann vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über das externe Stromnetz aufzuladen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine prismatische Batteriezelle gemäß dem Stand der
Technik in perspektivischer Ansicht,
Figur 2A, 2B, 2C Startanordnungen und Batteriewickel gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 einen Batteriewickel in perspektivischer Ansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 eine Deckelgruppe in perspektivischer Ansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Figur 5 einen Batteriewickel, der mit einer Deckelgruppe
verschweißt ist, in perspektivischer Ansicht,
Figur 6A, 6B ein Wickelschwert in perspektivischer Ansicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 eine Startanordnung in Schnittansicht gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8A, 8B ein Batteriewickel in Schnittansicht und Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 9A, 9B herkömmliche und erfindungsgemäße Elektrodenlagen in
Draufsicht im Vergleich,
Figur 10 A, 10 B Vorder- und Rückseite eines Wickelschwerts gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur IIA, IIB ein Batteriewickel in Schnittansicht und seitlicher
Draufsicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 12A, 12B herkömmliche und erfindungsgemäße Deckelgruppen und
Batteriewickel in seitlicher Draufsicht im Vergleich.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine prismatische Batteriezelle 10' in perspektivischer Ansicht gemäß dem Stand der Technik. Die prismatische Batteriezelle 10' ist der Übersicht halber ohne ein Zellgehäuse dargestellt und umfasst vier dicht nebeneinander angeordnete Batteriewickel 12' und eine Deckelgruppe 46', wobei die Deckelgruppe 46' zwei Terminale 14' umfasst, wodurch die prismatische Batteriezelle 10' von außen elektrisch kontaktiert wird. Der Deckelgruppe 46 ist außerdem eine Befüllöffnung 16' und eine
Berstmembran 18' zugeordnet. Die Befüllöffnung 16' und die Berstmembran 18' liegen im Wesentlichen im Zentrum einer Abschlussplatte 47', wohingegen die Terminale 14' auf der Abschlussplatte 47' peripher gelegen sind. Die
Batteriewickel 12' werden in ein Zellgehäuse eingesetzt und mit dem flüssigen Elektrolyten befüllt. Durch Pfeile ist eine Einfließrichtung 20' eines flüssigen Elektrolyts angedeutet. Der flüssige Elektrolyt wird in Figur 1 dabei über die Befüllöffnung 16' vertikal eingefüllt und gelangt dann horizontal in die
Batteriewickel 12', welche sich mit dem flüssigen Elektrolyt vollsaugen. Hiernach erfolgt der Verschluss des Zellgehäuses mit der Deckelgruppe 46.
Figur 2A zeigt eine Startanordnung 22 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Startanordnung 22 einen Lagenstapel 24 umfasst und oberhalb und unterhalb des Lagenstapels 24 zwei einander gegenüber angeordnete Wickelschwerter 26. Die Wickelschwerter 26 sind parallel zu einer Wickelachse 40 angeordnet, welche sich hier beispielhaft in der Mitte zwischen den Wickelschwertern 26 befindet.
Der Lagenstapel 24 umfasst drei Separatorlagen 28, eine Kathodenlage 30 und eine Anodenlage 32, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Reihenfolge der Lagen festgelegt ist als Separatorlage 28, Anodenlage 32, Separatorlage 28, Kathodenlage 30, Separatorlage 28.
Figur 2B zeigt eine alternative Ausführungsform der Startanordnung 22, wobei die Wickelschwerter 26 zueinander versetzt oberhalb und unterhalb des
Lagenstapels 24 angeordnet sind. Die Wickelachse 40 befindet sich hier wiederum beispielhaft in der Mitte zwischen den Wickelschwertern 26.
Die Separatorlagen 28, Kathodenlage 30 und Anodenlage 32 können
beispielsweise von Endlosbändern oder Rollen einer die Wickelschwerter 26 aufweisenden Wickeleinrichtung zugeführt werden.
Figur 2C zeigt einen erfindungsgemäßen Batteriewickel 12, welcher nach 450°-Drehung bei Wicklung um die Wickelachse 40 aus der in Figur 2A dargestellten Startanordnung 22 entstanden ist. Die Anodenlage 32 und die Kathodenlage 30 sind zueinander longitudinal um einen Versatz 34 versetzt angeordnet, beispielsweise durch Zuschnitt auf dem Endlosband, so dass sich am Ende des Batteriewickels 12, in Figur 2C an der oberen und an der unteren Seite, jeweils eine erste Anschlussfläche 36 für die
Kathode und eine zweite Anschlussfläche 38 für die Anode herausbildet.
Die zwei Wickelschwerter 26 können hiernach entfernt werden oder können im Batteriewickel 12 verbleiben. Bevorzugt werden sie in dieser Ausführungsform entfernt, um das Volumengewicht der prismatischen Batteriezelle 10 zu verringern.
Figur 3 zeigt den Batteriewickel 12, welcher aus der in Figur 2C dargestellten Anordnung nach einem Schritt des Verpressens entsteht. Der Batteriewickel 12 umfasst gewickelte Lagen 62, wobei an der Außenseite typischerweise eine der Separatorlagen 28 angeordnet sein wird. Der Batteriewickel 12 umfasst nach dem Verpressen außenseitig außerdem die erste Anschlussfläche 36 der Kathode und die zweite Anschlussfläche 38 der Anode zur Kontaktierung mit Stromabnehmern 42, 44.
Figur 4 zeig eine erfindungsgemäße Deckelgruppe 46, welche eine
Abschlussplatte 47 mit einer darauf angeordneten Befüllöffnung 16 und einer Berstmembran 18 und Terminalen 14, wie aus dem Stand der Technik bekannt, umfasst, sowie einen ersten Stromabnehmer 42 der Kathode und einen zweiten Stromabnehmer 44 der Anode.
Der Batteriewickel 12 kann derart in das Zellgehäuse eingesetzt werden, dass eine Einfließrichtung 20 (dargestellt in Figur 3) des flüssigen Elektrolyts parallel zu der Befüllöffnung 16 und/oder zu der Berstmembran 18 liegt.
In Figur 5 ist die Zusammensetzung der Deckelgruppe 46 und des
Batteriewickels 12 dargestellt, wobei die Anschlussflächen 36, 38 mit den entsprechenden Stromabnehmern 42, 44 verschweißt sind. In dem Gehäuse der prismatischen Batteriezelle 10 wird vorteilhaft lediglich ein einziger Batteriewickel 12 angeordnet, was eine Erhöhung in der Energiedichte bedeutet. Figur 6A und Figur 6B zeigen ein Wickelschwert 26 von der Vorderseite (Figur 6A) und von der Rückseite (Figur 6B).
Das Wickelschwert 26 ist beispielsweise aus einer Kunststoffplatte 48 gebildet. Die Kunststoffplatte 48 hat eine rechteckige Grundfläche mit einer längeren Seite 50 und einer kürzeren Seite 52.
Die Wickelachse 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur längeren Seite 50 angeordnet. An der längeren Seite 50 befindet sich eine erste Schweißfläche 54 der Kathodenlage 30 und auf der Rückseite des Wickelschwerts 26 befindet sich eine entsprechende zweite Schweißfläche 56 der Anodenlage 32. Die Schweißflächen 54, 56 sind elektrisch mit den Anschlussflächen 36, 38 verbunden, welche sich an den kürzeren Seiten 52 des Wickelschwerts 26 befinden. Die Schweißflächen 54, 56 sind durch Isolationsabschnitte 58 von den gegenpoligen Anschlussflächen 36, 38 beabstandet.
Die erste Schweißfläche 54 der Kathodenlage 30 und die erste Anschlussfläche 36 der Kathodenlage 30 bestehen beispielsweise aus Aluminium, während die zweite Schweißfläche 56 der Anodenlage 32 und der zweite Stromabnehmer 44 der Anodenlage 32 aus Kupfer bestehen können.
Figur 7 zeigt die Startanordnung 22 mit dem Wickelschwert 26, zwei
Separatorlagen 28, einer Kathodenlage 30 und einer Anodenlage 32, wobei das Wickelschwert 26 wie mit Bezug zu Figur 6A und 6B beschrieben ausgestaltet ist. Dargestellt ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Figur 6A. Mit einem Pfeil ist eine Wickelrichtung 60 der Startanordnung 22 dargestellt. Die Kathodenlage 30 ist an der ersten Schweißfläche 54 angeschweißt und die Anodenlage 32 ist an die zweite Schweißfläche 56 angeschweißt. Die zwei Separatorlagen 28 sind hier beispielhaft einander gegenüberliegend angeordnet und isolieren die Kathodenlage 30 von der Anodenlage 32 voneinander.
Figur 8A zeigt den Batteriewickel 12, welcher nach Wicklung der in Figur 7 dargestellten Startanordnung 22 entsteht. In der Mitte des Batteriewickels 12 befindet sich das Wickelschwert 26, welches die Kontaktierung der Kathodenlage 30 und der Anodenlage 32 mit den Stromabnehmern 42, 44 bewerkstelligt. Um das Wickelschwert 26 befinden sich die gewickelten Lagen 62.
Figur 8B zeigt eine seitliche Draufsicht auf den Batteriewickel 12, welcher nach Wicklung der in Figur 7 dargestellten Startanordnung 22 um die Wickelachse 40 entsteht. Die in Figur 8A dargestellte Anordnung ist dabei um 90° gedreht dargestellt. Die Anschlussflächen 36, 38 stehen seitlich aus den gewickelten Lagen heraus, so dass eine Kontaktierung mit der Deckelgruppe 46 wie in Figur 5 dargestellt erfolgen kann, wobei die Anschlussflächen 36, 38 mit den entsprechenden Stromabnehmern 42, 44 verschweißt werden.
Figur 9A zeigt eine herkömmliche Elektrode 30', 32', welche eine
Anschlussfläche 36', 38' aufweist, die sich vollständig über eine Längsseite 70' der Elektrode 30', 32' erstreckt, wobei die Längsseite 70' länger als eine
Querseite 72' ist.
In Figur 9B ist eine erfindungsgemäße Elektrode 30, 32 dargestellt, wobei diese wie beschrieben die Schweißfläche 54, 56 aufweist, welche sich über eine Querseite 72 der Elektrode 30, 32 erstreckt. Im Gegensatz zu einer mit
Aktivmaterial beschichtbaren Fläche 64' der herkömmlichen Elektrode 30', 32' ist eine mit Aktivmaterial beschichtbare Fläche 64 der erfindungsgemäßen
Elektrode 30, 32 vergrößert.
Figur 10A und Figur 10B zeigen eine weitere Ausführungsform eines
Wickelschwerts 26 entsprechend wie in Figur 6A und 6B.
Während sich in Figur 6A und Figur 6B die Wickelachse 40 parallel zu der längeren Seite 50 des Wickelschwerts 26 erstreckt, wird gemäß dieser
Ausführungsform die Wickelachse 40 parallel zur kürzeren Seite 52 des
Wickelschwerts 26 angeordnet. Entsprechend erstrecken sich die erste
Schweißfläche 54 der Kathodenlage 30 und die zweite Schweißfläche 56 der Anodenlage 32 über die kurze Seite 52 des Wickelschwerts 26. Das
Wickelschwert 26 weist an einer ihrer längeren Seiten 50 zwei Überstände 68 auf, welche die Kontaktierung mit den Stromabnehmern 42, 44 ermöglichen. Hierdurch wird der Weg zu den Terminalen 14 verkürzt, wie mit Bezug zu Figur 12 näher erläutert wird. Die Schweißflächen 54, 56 sind elektrisch mit den Anschlussflächen 36, 38 verbunden, welche an den Überständen 68 des
Wickelschwerts 26 angeordnet sind.
Vor dem Wickelvorgang werden die Kathodenlage 30 an die erste Schweißfläche 54 und die Anodenlage 32 an die zweite Schweißfläche 56 geschweißt, und zwei Separatorlagen 28 angeordnet, wobei die mit Bezug zu Figur 7 beschriebene Startanordnung 22 entsteht, wenn entsprechend der in Figur 10A dargestellten Linie B-B geschnitten wird.
Figur IIA zeigt den Batteriewickel 12, welcher aus der mit Bezug zu Figur 10 beschriebenen Anordnung entsteht, mit dem Wickelschwert 26 und den gewickelten Lagen 62.
Figur IIB zeigt den Batteriewickel 12 in seitlicher Draufsicht. Die Überstände 68 des Wickelschwerts 26 bilden die Anschlussflächen 36, 38 für die Terminale 14.
Figur 12A und Figur 12B zeigen die Wegverkürzung der Kontaktierung des Batteriewickels 12 mit den Terminalen 14 der Deckelgruppe 46, welche sich mit der mit Bezug zu Figuren 10A, 10B, IIA und IIB beschriebenen
Ausführungsform (Figur 12A) im Vergleich zu der mit Bezug zu Figuren 6A, 6B, 8A und 8B beschriebenen Ausführungsform ergibt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle (10), wobei die prismatische Batteriezelle (10) eine Kathodenlage (30), eine
Anodenlage (32) und zumindest zwei Separatorlagen (28) aufweist, mit den Schritten:
a) räumliches Anordnen eines oder zweier Wickelschwerter (26), der Kathodenlage (30), der Anodenlage (32) und der zumindest zwei Separatorlagen (28) parallel zueinander und bezüglich einer Wickelachse (40) parallel zur Herstellung einer Startanordnung (22),
b) Wickeln der Startanordnung (22) um die Wickelachse (40) zur Herstellung eines Batteriewickels (12),
c) Einsetzen des Batteriewickels (12) in ein Zellgehäuse, d) Kontaktieren der Kathodenlage (30) und der Anodenlage (32) mit Stromabnehmern (42, 44),
e) Befüllen des Zellgehäuses mit einem flüssigen Elektrolyt und f) Verschließen des Zellgehäuses.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei
Wickelschwerter (26) und drei Separatorlagen (28) verwendet werden, wobei im Schritt a) die Kathodenlage (30), die Anodenlage (32) und die drei Separatorlagen (28) senkrecht zu der Wickelachse (40) zu einem Lagenstapel (24) übereinander angeordnet werden und wobei oberhalb und unterhalb des Lagenstapels (24) je ein Wickelschwert (26) parallel zu der Wickelachse (40) angeordnet wird, wobei der Lagenstapel (24) die Lagen in der Reihenfolge Separatorlage (28), Anodenlage (32), Separatorlage (28), Kathodenlage (30),
Separatorlage (28) aufweist und wobei im Schritt b) um die zwei Wickelschwerter (26) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wickelschwert (26) und zwei Separatorlagen (28) verwendet werden, wobei im Schritt a) zunächst die Kathodenlage (30) und die Anodenlage (32) und die zwei Separatorlagen (28) an dem Wickelschwert (26) befestigt werden und wobei im Schritt b) um das Wickelschwert (26) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der Kathodenlage (30) und der Anodenlage (32) mit den Stromabnehmern (42, 44) im Schritt d) über das Wickelschwert (26) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelachse (40) parallel zu einer längeren Seite (50) des
Wickelschwertes (26) liegt, so dass die Startanordnung (22) um die längere Seite (50) des Wickelschwertes (26) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelachse (40) parallel zu einer kürzeren Seite (52) des
Wickelschwertes (26) liegt, so dass die Startanordnung (22) um die kürzere Seite (52) des Wickelschwertes (26) gewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelschwert (26) Anschlussflächen (36, 38) aufweist, welche
Terminalen (14) der prismatischen Batteriezelle (10) gegenüberliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) der Batteriewickel (12) derart in das Zellgehäuse eingesetzt wird, dass eine Befüllöffnung (16) und/oder eine Berstmembran (18) in der Flucht der Wickelachse (40) liegt.
9. Prismatische Batteriezelle (10), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Wickelschwert (26) im
Zellgehäuse verbleibt. 10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie, welche zumindest eine prismatische
Batteriezelle (10) gemäß Anspruch 9 aufweist.
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