WO2016091851A1 - Batteriezelle mit elektrisch isolierender folie mit konturierung - Google Patents

Batteriezelle mit elektrisch isolierender folie mit konturierung Download PDF

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electrically insulating
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contouring
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Ulrich Lange
Georg Kaemmler
Dirk Liepold
Felix STRECKENBACH
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a battery cell with an electrically insulating film with contouring, and to a method for producing the same according to the preamble of the independent claims.
  • a battery cell is an electrochemical energy storage device that, when discharged, converts the stored chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. It is becoming apparent that in the future both in stationary applications, such as wind turbines, in motor vehicles, which are designed as hybrid or electric motor vehicles, as well as electronic devices, new battery systems will be used, to the very high demands in terms of reliability, safety , Efficiency and lifetime are provided. Due to their high energy density, lithium-ion batteries are used in particular as energy stores for electrically powered motor vehicles.
  • battery cells are currently isolated, for example, by painting, packaging in shrink tubing, insertion of insulating placeholders or sticking of insulating films.
  • the insulation layer in this case comprises a layer which, for example, comprises fibers which, due to their roughness, make it difficult for the battery cells to slide apart from one another. Disclosure of the invention
  • a battery cell in particular a lithium-ion battery cell, with a positive and a negative terminal, with a
  • Housing comprising a bottom surface, at least four side surfaces, in particular two short side surfaces and two long side surfaces, and a top surface and provided with a safety valve, with the characterizing features of the independent claims, and a method for producing the same.
  • the battery cell comprises on at least one outer surface of the housing a particularly single-layer electrically insulating film, which at least in some areas has a contouring with a recurring pattern.
  • a particularly single-layer electrically insulating film which at least in some areas has a contouring with a recurring pattern.
  • the electrically insulating film has a contouring with a recurring pattern, and thus a defined structuring, since the teeth of the contouring, for example, two battery cells so uniform over the entire contact surface and no areas with different degrees of toothing, and thus different strong mutual support, occur.
  • the recurring pattern of the electrically insulating foils of adjacent battery cells is preferably the same or, alternatively, is different from one another.
  • Foils without contouring with recurring pattern There is also one ensures uniform heat distribution between the battery cells via the electrically insulating films with a recurring pattern. Characterized in that the pressure prevailing in each individual battery cell and the temperature are evenly distributed to the battery cells, for example, a battery module, the life of the battery cells is extended, for example, and increases the safety of the battery cells.
  • the electrically insulating film can be produced inexpensively with contouring with recurring pattern, since the contouring is introduced directly into the film and thus introduced no additional materials for generating the contouring in the film or on the
  • an electrically insulating film with a recurring pattern contouring has an increased mechanical robustness in comparison with electrically insulating films without contouring with a recurring pattern.
  • the contouring with a recurring pattern is generated by ultrasound or ultrasound embossing.
  • the contouring can be made flexible, for example by means of a rotating sonotrode. Advantageous here are short cycle times, easy handling and high efficiency as well as the preservation of
  • the contouring is advantageously produced by means of hot stamping.
  • Hot stamping processes are inexpensive, easy to handle and very flexible.
  • the electrically insulating foil of the battery cell has a contour with a recurring pattern of a cylindrical, conical or diamond-shaped structure. These patterns are oriented for example in several spatial directions, whereby a good adhesion of adjacent battery cells with corresponding films and also an efficient pressure distribution between the Battery cells is guaranteed. Cylindrical, conical and diamond-shaped patterns converge again and again at junctions, making the electrically insulating film very stable and at the same time flexible.
  • the electrically insulating film is a thermoplastic, in particular a polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene or polystyrene.
  • Thermoplastics are polymers that are deformable when exposed to heat. The advantage here is that they are inexpensive, easy to weld and good recyclability.
  • polyamides are tear-resistant, long-lasting and not very sensitive. In addition, they have a high elasticity and have a low weight.
  • Polyethylene terephthalates have a high breaking strength and temperature stability.
  • Polyethylene and polypropylene are robust and flexible at the same time and have high mechanical and chemical stability.
  • polystyrene has a high compressive strength, a good shock absorption and a low weight and is insensitive to moisture.
  • the electrically insulating film comprises a thermoset, in particular a polyester, a formaldehyde resin, an epoxy resin or a polyurethane.
  • Thermosets are very resistant to heat, cold and deformation. In addition, they are resistant to many chemicals as well as to acid and difficult to burn. Polyesters are tear-resistant and do not stretch much, which is why they are very resistant to deformation.
  • Epoxy resins have good adhesive properties and high mechanical strength.
  • Polyurethanes have good damping values and high mechanical strength.
  • the electrically insulating film with a recurring pattern contouring is a shrink film.
  • a shrink film snuggles close to the battery cell and encloses this konturnah, so that no moisture can reach the battery cell.
  • shrink films are tough and inexpensive.
  • the electrically insulating film with recurring pattern contouring is an adhesive film.
  • An adhesive film is inexpensive and flexible.
  • the adhesive film is a heat-activatable adhesive film. So the film can be placed first and the Adhesive property is then activated by heat, so that it adheres contour close to the battery cell or to the at least one outer surface of the battery cell.
  • the electrically insulating film at least partially surrounds all side surfaces of the housing, since such comprehensive insulation of the battery cell is ensured, so that no moisture can penetrate between the electrically insulating film and the battery cell.
  • the electrically insulating film at least partially surrounds all side surfaces and the bottom surface of the housing, since moisture can not penetrate between the electrically insulating film and the battery cell and, if appropriate, into the battery cell from the bottom surface Battery cell, for example, compared to other battery cells is electrically isolated.
  • the electrically insulating film encloses all surfaces of the housing at least partially, since in this way the side surfaces to which additional battery cells are connected, if appropriate, are insulated from them.
  • the electrically insulating film covers the safety valve at least partially, as a result of which it is better protected against damage and the battery cell is prevented from drying out due to the damage in comparison to a safety valve without an electrically insulating film spanning this.
  • the safety valve has an increased corrosion resistance. The safety of the battery cell is not affected. In the event of degassing of the safety valve, the hot escaping gas melts the electrically insulating film covering the safety valve so that the gas can escape unhindered.
  • the battery cell has a shaft-shaped molded part, for example an injection-molded part, which is connected to the electrically insulating film.
  • the box-shaped molding will For example, slipped over at least one side surface of the housing of the battery cell, in particular via a lid surface and / or a bottom surface. The box-shaped molding then partially isolates the corresponding outer surface of the housing as well as the outer surfaces adjacent thereto. For example, an electrically insulating film with contouring is then applied over the side surfaces of the housing so that, for example, the electrically insulating film partially overlaps the shaft-shaped molding.
  • a corresponding box-shaped molding has the advantage that it is mechanically very resilient and at the same time electrically isolate the battery cell.
  • the shaft-shaped molding forms a splash protection, so that splash water can not reach the surface of the battery cell.
  • the shaft-shaped shaped part is designed as a shaped part for a cover surface of the battery cell, the molded part has, for example, uniform recesses for the passage of battery terminals. Particularly advantageous here is that so too
  • Creepage distances are the shortest connections along the surface of the battery cell on which measurable currents, starting from a battery terminal, can occur if one
  • Voltage is applied to the battery cell. They can lead to short circuits of the battery cell. Even currents from the battery cell to an adjacent battery cell, which can lead to air gaps over an arc and thus to a short circuit between the battery cells are prevented by a corresponding box-shaped molding.
  • the shaft-shaped molding which covers the bottom surface of the battery cell, for example, made of a thermally highly conductive plastic, which is also electrically insulating at the same time.
  • the box-shaped molding comprises a thermoplastic, in particular a polyamide, polyethylene terephthalate,
  • the box-shaped molding at least one indentation and a bulge, wherein the
  • Indentation and the bulge are designed such that they have a mutually complementary shape.
  • the advantage here is that fits in this way a bulge of the battery cell in a recess of an adjacent battery cell and that an indentation of the battery cell can be filled by a bulge of an adjacent battery cell, so that the
  • Battery cells can not slip against each other but are held together. In this way, a defined postioning of the battery cells to each other is possible. It is also conceivable that the bulges can engage in the indentations by means of a latching function. Furthermore, it is advantageous that the battery cells only in a desired
  • Orientation can be positioned, for example, can be brought to a positive terminal of a battery cell only in the vicinity of a negative terminal, but not in the vicinity of another positive terminal. As a result, if necessary, shorts are avoided, whereby the safety of the battery cell is increased.
  • a method for at least partially applying an electrically insulating film with contouring with a recurring pattern on at least one outer surface of a housing of a battery cell comprising the following steps:
  • the battery cell is placed, for example, on a foil strip of the electrically insulating film.
  • the electrically insulating film is placed in process step b), for example, at least partially on the side surfaces and on the cover surface of the housing of the battery cell and, for example by means of welding materially interconnected.
  • the welding is particularly preferably an ultrasonic welding or a thermal one
  • the process is characterized by low costs and short process times.
  • An advantage of ultrasonic welding is that the welding process as well as the quality of the welding or the sealing can be monitored by means of welding parameters such as frequency, amplitude or energy input. It is furthermore advantageous that the welding time or the sealing time is lower, in particular in the case of thick film materials, in comparison to alternative welding methods such as, for example, thermal welding or sealing.
  • the welding times or sealing times in the ultrasonic welding process are for example 100-300 milliseconds.
  • this is a cold process in which both the tool and the workpiece are not heated. It heats up only the contact surface between the tool and the workpiece locally.
  • the hot seam strength is significantly higher compared to other bonding methods, so that the weld can be charged, for example, at an earlier time without loosening again.
  • thermal welding is that the system technology is cheaper compared to the system technology of alternative welding methods, such as ultrasonic welding. This applies, for example, both for the direct welding tools, as well as for the required peripherals.
  • a box-shaped molding is applied to at least one outer surface of the housing, for example on the cover surface and / or on the bottom surface of the battery cell, which forms the respective outer surface of the housing and For example, the partially adjacent to these adjacent outer surfaces of the housing of the battery cell, for example.
  • an electrically insulating film with contouring with a recurring pattern for example a shrink film and / or a Adhesive film at least applied to the side surfaces of the housing of the battery cell, in particular so that the electrically insulating film overlaps the shaft-shaped molding partially.
  • the electrically insulating film is clamped by a clamping frame and the clamping frame is subsequently coated in method step b) at least over the outer surface of the housing of the battery cell to be insulated. If the electrically insulating film is applied, for example, to all side surfaces and to the bottom surface of the housing of a battery cell, then the tensioning frame covered with the electrically insulating film is pulled over the battery cell and the electrically insulating film is severed, for example at the edges of the side surfaces toward the cover surface.
  • the advantage here is that few tools for applying the electrically insulating film are needed and the battery cell itself serves as a kind of tool, thereby eliminating further tooling costs. Furthermore advantageous in this method are short process times and easy handling and low costs.
  • the electrically insulating film is applied by means of shrinking and / or gluing on the at least one outer surface of the housing of the battery cell, advantageously at least on the bottom surface and the side surfaces of the housing of the battery cell.
  • the electrically insulating film is advantageous in one embodiment, during and / or after attaching the electrically insulating film on the at least one outer surface of the housing of the battery cell to create a vacuum or to suck air between the outer surface of the housing of the battery cell and the electrically insulating film with contouring, so For example, a vacuum is created.
  • the electrically insulating film conforms contoured close to the battery cell.
  • the advantage here is a very good, gas-tight insulation of the battery cell.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell according to the invention with an electrically insulating film with contouring with a recurring pattern
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through the battery cell according to the invention with electrically insulating film with contouring with a recurring pattern according to FIG. 1 along a section line AA ' , FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a battery cell according to the invention with an electrically insulating film with contouring with a recurring pattern and two box-shaped moldings,
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a cross section of a shaft-shaped molding of a battery cell according to the invention with indentations and bulges,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through two box-shaped mold parts according to FIG. 3, which are connected to one another via their indentations and bulges, FIG.
  • FIG. 6 a a schematic representation of a method according to the invention in a third embodiment in a step a),
  • FIG. 6b shows a schematic representation of a method according to the invention in a third embodiment in a second step b),
  • FIG. 6c shows a schematic representation of a method according to the invention in a third embodiment in a further step, Embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell 10 according to the invention with a positive terminal 5a and a negative terminal 5b.
  • the battery cell 10 has a housing with a cover surface 9, a bottom surface not visible in FIG. 1 and four side surfaces 7a, 7b, two of the side surfaces 7a, 7b being short side surfaces 7a and two of the side surfaces 7a, 7b are long side surfaces 7b.
  • On the side surfaces 7a, 7b for example, the entire surface and on the cover surface 9, for example, an electrically insulating film 1 is applied partially with contouring, wherein the
  • Contouring has a recurring pattern.
  • the electrically insulating film 1 covers a safety valve 3 of the battery cell 10.
  • the two terminals 5a, 5b are not covered by the electrically insulating film 1, for example.
  • the recurrent pattern of the contouring of the electrically insulating film 1 is, for example, a circular or diamond-shaped pattern, a pattern formed from adjacent triangles or a cylindrical or conical pattern.
  • the recurring patterns of the contouring of the electrically insulating film 1 of adjacent battery cells 10 are designed, for example, according to the key-lock principle, so that elevations of the first electrically insulating film 1 in depressions of the second electrically insulating
  • the contouring is generated for example by ultrasonic stamping or hot stamping.
  • the electrically insulating film 1 comprises, for example, a thermoplastic, in particular a polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene or polystyrene and / or a thermoset, in particular a polyester, a formaldehyde resin, an epoxy resin or a polyurethane.
  • FIG. 2 shows the battery cell 10 according to FIG. 1 in a cross section along the section line AA ' .
  • the electrically insulating film 1 with contouring with a recurring pattern encloses the bottom surface 8, the side surfaces 7a, 7b and the cover surface 9 of the housing, for example, partially.
  • the battery cell 10 and the electrically insulating film 1 are provided in a first method step a) of a first embodiment of a method for the at least partial application of an electrically insulating film 1.
  • the battery cell 10 is in a process step b) for example, centered on an example, rectangular or otherwise preformed film strip of electrically insulating film 1 is placed.
  • the electrically insulating film 1 is placed on the long side surfaces 7b of the housing of the battery cell 10, so that the film strip of the electrically insulating film 1, the long side surfaces 7b covered and on all the long side surfaces 7b adjacent outer surfaces 7a, 9 protrudes, for example, except the bottom surface 8 back.
  • the electrically insulating film 1 is also at least partially placed on the cover surface 9 of the housing and, for example, materially connected in the middle, for example by welding, in particular by ultrasonic welding or by thermal welding. As a result, slippage of the electrically insulating film 1 on the side surfaces 7a, 7b is prevented.
  • the cohesive connection can, for example, also span the safety valve 3.
  • Figure 2 the region of the electrically insulating film 1 with contouring, which is materially connected is shown with a solid line, the area in which the electrically insulating film 1 does not have to be materially connected, since it is already densely present, is shown in dashed lines.
  • the electrically insulating film 1 is firmly bonded together without a seam, for example a weld, on the bottom surface 8 of the housing.
  • a welding tongs with appropriate milling can be used for the production.
  • the cover surface 9 of the housing can be completely covered with the electrically insulating film 1 with contouring with a recurring pattern, for example with the recess of the surfaces of the terminals 5a, 5b.
  • the electrically insulating film 1 may be applied exclusively to the bottom surface 8 and the side surfaces 7a, 7b of the housing.
  • the electrically insulating film 1 with contouring with a recurring pattern can cover the bottom surface 8 and the side surfaces 7a, 7b of the housing as well as circumferentially from the side surfaces 7a,
  • FIG. 3 shows a battery cell 10 with a positive terminal 5a and a negative terminal 5b.
  • the battery cell 10 has a housing with four side surfaces 7a, 7b, a cover surface 9 and a not visible in Figure 3
  • a schachteiförmiges mold part 12 is attached on the cover surface 9 and on the bottom surface 8 of the housing of the battery cell 10 .
  • the shaft-shaped mold part 12 of the bottom surface 8 of the housing covers the bottom surface 8 over the entire surface and each part of the adjoining the bottom surface 8 side surfaces 7a, 7b of the housing of the battery cell 10.
  • the schachteiförmige mold part 12 of the lid surface 9 of the housing covers the cover surface 9 over the entire surface, except two recesses for the terminals 5a, 5b of the battery cell 10 and one part of each of the lid surface
  • the safety of the battery cell 10 is not affected by the fact that the shaft-shaped molding 12 has no recess for a safety valve 3.
  • the shaft-shaped molding 12 is designed such that it melts in a degassing, so that the gas can escape easily. Alternatively, a recess at the height of the safety valve 3 is introduced into the shaft-shaped molding 12.
  • the electrically insulating film 1 is applied to the battery cell 10 so that it overlaps the exposed edges of the box-shaped mold parts 12 partially.
  • the shaft-shaped molding 12 is glued, for example, to the bottom surface 8 and / or the cover surface 9 of the housing and optionally to the region of the side surfaces 7a, 7b of the housing which are covered by the shaft-shaped molding 12, for example with a sealing adhesive such as polyurethane. a silicone compound or an epoxy adhesive.
  • the sealing adhesive for example, inside the box-shaped Molded part 12, for example, in an edge region and the shaft-shaped molding 12 is then applied, for example, in a second embodiment of the method in a process step a ' ) to the battery cell 10. Subsequently, in an operation b) an electrically insulating film 1 on the side surfaces 7a, 7b of the housing
  • Battery cell 10 is applied, for example, by shrinking the electrically insulating film 1 with contouring, so that the electrically insulating film 1, the box-shaped molding 12 partially overlaps.
  • the electrically insulating film 1 is designed as an adhesive film, for example with adhesive properties, which can be activated by heat.
  • the connection of the electrically insulating film 1 and the box-shaped molding 12 takes place, for example, by gluing the adhesive film on the box-shaped molding 12 or by pressure, which exerts a shrunk on film, so that a positive connection is achieved, which in addition by frictional forces between the electrically insulating film. 1 and the box-shaped molding 12 is reinforced.
  • the battery cell 10 comprises only one box-shaped shaped part 12.
  • the shaft-shaped molding 12 comprises, for example, a thermoplastic, in particular a polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene or polystyrene and / or a thermoset, in particular a polyester, a formaldehyde resin, an epoxy resin or a polyurethane.
  • a thermoplastic in particular a polyamide, polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene or polystyrene and / or a thermoset, in particular a polyester, a formaldehyde resin, an epoxy resin or a polyurethane.
  • FIG. 4 shows a cross-section through a box-like shaped part 12 according to FIG. 3 in a further embodiment, wherein the box-shaped shaped part 12 has indentations 16 and bulges 17.
  • the shaft-shaped molding 12 has two longer and two shorter side surfaces, wherein the recesses 16 and bulges 17, for example, each lie on the longer side surface.
  • FIG. 5 shows a cross section through a first box-shaped shaped part 12a and a second box-shaped shaped part 12b according to FIG.
  • the box-shaped mold parts 12a, 12b are each attached to a battery cell 10 and connected to each other so that they can not slip against each other.
  • Molded part 12a engages in a recess 16 of the second shaft-shaped Form part 12b and in a recess 16 of the first box-shaped molding part 12a engages a bulge 17 of the second box-shaped molding part 12b. In this way, it is ensured that battery cells 10 can be plugged together only in a correct orientation.
  • the battery cells 10 are in this case put together opposite in terms of their polarity.
  • a terminal 5b of a negative electrode whose position is shown by a minus sign in Fig. 5
  • a positive electrode terminal 5a whose position is shown by a plus sign in Fig. 5, is lined up.
  • FIGS. 6a-c show a method in a third embodiment for applying an electrically insulating film 1 with contouring.
  • FIG. 6 a shows a first method step a) of the method, in which the provision of the battery cell 10 and the electrically insulating film 1 with contouring, which has a recurring pattern, takes place.
  • the electrically insulating film 1 is clamped by a clamping frame 14 and preferably heated so that their formability is improved.
  • the housing of the battery cell 10 has a bottom surface 8, four side surfaces 7a, 7b and a cover surface 9, not visible in FIG. 6a, with two terminals 5a, 5b.
  • the battery cell 10 is arranged with the cover surface 9 of the housing or with the terminals 5a, 5b on an element 15.
  • an element 15 for example, a device for applying a vacuum or for the extraction of air is coupled.
  • FIG. 6 b shows a further method step b) of the method, wherein the electrically insulating film is applied to the bottom surface 8 and the four side surfaces 7 a, 7 b of the housing of the battery cell 10.
  • the clamping frame 14 is pulled with the electrically insulating film 1 spanned therein over the battery cell 10, so that the clamping frame 14 rests on the element 15.
  • FIG. 6 c shows a further optional method step of the method, whereby a vacuum is applied or air is sucked in by means of the element 15, which is sucked between the electrically insulating foil 1 and the
  • the electrically insulating film sets tight around the battery cell 10.
  • the protruding ends of the electrically insulating film 1 are separated, for example by means of a laser and the electrically insulating film 1 is cooled, wherein it solidifies, for example. It is also conceivable that the electrically insulating film 1 is designed as an adhesive film.
  • a vacuum can be applied during and / or after the application of the electrically insulating film 1 with contouring with recurring pattern, or air from the gap between the battery cell 10 and the electric are sucked with contouring insulating film 1, so that in particular a vacuum is formed and the electrically insulating film 1 with contouring applies close to the battery cell 10.
  • the electrically insulating film 1 is heated with contouring with a recurring pattern, for example before application to at least one outer surface (7a, 7b, 8, 9) of the housing of the battery cell, so that they to stretch and shape better. After the application of the electrically insulating film 1, it is cooled again, during which it hardens.
  • the battery cell 10 according to the invention with electrically insulating film with contouring 1 with a recurring pattern is assembled, for example, with further battery cells 10 to form a battery. This is then used, for example, in motor vehicles designed as hybrid or electric vehicles.

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, mit einem positiven und einem negativen Terminal (5a, 5b), mit einem Gehäuse, umfassend eine Bodenfläche (8), mindestens vier Seitenflächen (7a, 7b), insbesondere zwei kurze Seitenflächen (7a) und zwei lange Seitenflächen (7b), und einer Deckelfläche (9) sowie mit einem Sicherheitsventil (3) beschrieben, wobei die Batteriezelle (10) auf mindestens einer Außenfläche (7a, 7b, 8,9) eine insbesondere einschichtige elektrisch isolierende Folie (1) umfasst, welche zumindest bereichsweise eine Konturierung mit wiederkehrendem Muster aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Batteriezelle mit elektrisch isolierender Folie mit Konturierung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einer elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithium- Ionen- Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
Zur Vermeidung von Kurzschlüssen werden Batteriezellen derzeit beispielsweise durch Lackieren, Verpacken in Schrumpfschläuchen, Einbringen von isolierenden Platzhaltern oder Aufkleben von Isolierfolien isoliert.
In der DE 102012214964 AI ist eine Batteriezelle mit einer an einer Außenseite der Batteriezelle anhaftenden, elektrisch isolierenden, mehrschichtigen Isolationsschicht beschrieben. Die Isolationsschicht umfasst hierbei eine Schicht, welche beispielsweise Fasern umfasst, die durch ihre Rauigkeit ein Verrutschen von nebeneinander angeordneten Batteriezellen erschwert. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen- Batteriezelle, mit einem positiven und einem negativen Terminal, mit einem
Gehäuse, umfassend eine Bodenfläche, mindestens vier Seitenflächen, insbesondere zwei kurze Seitenflächen und zwei lange Seitenflächen, und einer Deckelfläche sowie mit einem Sicherheitsventil, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Die Batteriezelle umfasst auf mindestens einer Außenfläche des Gehäuses eine insbesondere einschichtige elektrisch isolierende Folie, welche zumindest bereichsweise eine Konturierung mit wiederkehrendem Muster aufweist. Vorteilhaft neben den elektrisch isolierenden Eigenschaften der elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung ist, dass beim Zusammenbau solcher erfindungsgemäßer Batteriezellen beispielsweise zu einem Batteriemodul, die Batteriezellen durch die Konturierung der elektrisch isolierenden Folien nicht verrutschen, da sich die elektrisch isolierenden Folien durch die Konturierung ineinander verzahnen, wodurch ein erhöhter Reibschluss erfolgt. Insbesondere vorteilhaft hierbei ist es, wenn die elektrisch isolierende Folie eine Konturierung mit wiederkehrendem Muster, und somit eine definierte Strukturierung aufweist, da die Verzahnung der Konturierungen beispielsweise zweier Batteriezellen so gleichmäßig über die gesamte Berührungsfläche erfolgt und keine Bereiche mit unterschiedlich starker Verzahnung, und somit unterschiedlich starkem gegenseitigem Halt, auftreten. Das wiederkehrende Muster der elektrisch isolierenden Folien benachbarter Batteriezellen ist vorzugsweise dasselbe oder ist alternativ voneinander abweichend ausgeführt.
Aufgrund von Lade- und Entladevorgängen dehnen sich aktive Komponenten der Batteriezelle und somit auch die Batteriezelle selbst aus. Desweiteren kommt es beispielsweise zu einem altersbedingten Druckanstieg in der Batteriezelle und dadurch ebenfalls zu einer Ausdehnung derselben. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass durch die Konturierung der elektrisch isolierenden Folie mit wiederkehrendem Muster eine deutlich bessere Druckverteilung zwischen den Batteriezellen erfolgt im Vergleich zu Batteriezellen mit elektrisch isolierenden
Folien ohne Konturierung mit wiederkehrendem Muster. Zudem ist auch eine gleichmäßige Wärmeverteilung zwischen den Batteriezellen über die elektrisch isolierenden Folien mit wiederkehrendem Muster gewährleistet. Dadurch, dass der in jeder einzelnen Batteriezelle vorherrschende Druck und die Temperatur gleichmäßig auf die Batteriezellen beispielsweise eines Batteriemoduls verteilt werden, wird die Lebensdauer der Batteriezellen beispielsweise verlängert und die Sicherheit der Batteriezellen erhöht.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die elektrisch isolierende Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster kostengünstig hergestellt werden kann, da die Konturierung direkt in die Folie eingebracht wird und somit keine zusätzlichen Materialien zur Erzeugung der Konturierung in die Folie eingebracht oder auf die
Folie aufgebracht werden müssen.
Außerdem ist es besonders vorteilhaft, dass eine elektrisch isolierende Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster eine erhöhte mechanische Robustheit aufweist im Vergleich zu elektrisch isolierenden Folien ohne Konturierung mit wiederkehrendem Muster.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn die Konturierung mit wiederkehrendem Muster durch Ultraschall bzw. Ultraschallprägen erzeugt wird. Hierbei kann die Konturierung flexibel gestaltet werden, beispielsweise mittels einer rotierenden Sonotrode. Vorteilhaft hierbei sind kurze Zykluszeiten, eine einfache Handhabung und eine hohe Wirtschaftlichkeit sowie der Erhalt von
Konturierungen mit guter Qualität.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform wird die Konturierung vorteilhaft mittels Heißprägen erzeugt. Heißprägeverfahren sind kostengünstig, einfach zu handhaben und zudem sehr flexibel.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Folie der Batteriezelle eine Konturierung mit wiederkehrendem Muster eine zylinder-, kegel- oder rautenförmige Struktur aufweist. Diese Muster sind beispielsweise in mehrere Raumrichtungen orientiert, wodurch eine gute Haftung benachbarter Batteriezellen mit entsprechenden Folien und zudem eine effiziente Druckverteilung zwischen den Batteriezellen gewährleistet ist. Zylinder-, kegel- und rautenförmige Muster laufen immer wieder an Knotenpunkten zusammen, wodurch die elektrisch isolierende Folie sehr stabil und gleichzeitig flexibel ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Folie ein Thermoplast, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat, Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol. Thermoplaste sind Polymere, welche bei einer Hitzeeinwirkung verformbar sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass diese kostengünstig, gut schweißbar und gut recycelbar sind.
Polyamide sind beispielsweise reißfest, langlebig und wenig empfindlich. Zudem weisen sie eine hohe Elastizität auf und haben ein geringes Gewicht. Polyethylentherephthalate weisen eine hohe Bruchfestigkeit und Temperaturstabilität auf. Polyethylen und Polypropylen hingegen sind gleichzeitig robust und flexibel und weisen eine hohe mechanische und chemische Stabilität auf. Polystyrol weist desweiteren eine hohe Druckfestigkeit, eine gute Stoßdämpfung und ein geringes Gewicht auf und ist feuchteunempfindlich.
Desweiteren ist es in einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Folie einen Duroplasten umfasst, insbesondere einen Polyester, ein Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan. Duroplaste sind sehr hitze- und kälte- sowie formbeständig. Zudem sind sie gegen viele Chemikalien resistent sowie auch gegen Säure und nur schwer brennbar. Polyester sind reißfest und dehnen sich nur wenig weshalb sie sehr formbeständig sind. Epoxidharze haben gute Hafteigenschaften und eine hohe mechanische Festigkeit. Polyurethane weisen gute Dämpfungswerte und eine hohe mechanische Festigkeit auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster eine Schrumpffolie. Eine Schrumpffolie schmiegt sich dicht an die Batteriezelle an und umschließt diese konturnah, sodass keine Feuchtigkeit an die Batteriezelle gelangen kann. Desweiteren sind Schrumpffolien widerstandsfähig und kostengünstig.
In einer alternativen oder zusätzlichen vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster eine Klebefolie. Eine Klebefolie ist kostengünstig und flexibel. Desweiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Klebefolie eine durch Wärme aktivierbare Klebefolie ist. So kann die Folie zunächst platziert werden und die Klebeeigenschaft wird anschließend durch Wärme aktiviert, sodass sie sich konturnah an die Batteriezelle bzw. an die zumindest eine Außenfläche der Batteriezelle anheftet. In einer Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Folie alle Seitenflächen des Gehäuses zumindest teilweise umhüllt, da so eine umfassende Isolierung der Batteriezelle gewährleitet ist, sodass keine Feuchtigkeit zwischen die elektrisch isolierende Folie und die Batteriezelle eindringen kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Folie alle Seitenflächen und die Bodenfläche des Gehäuses zumindest teilweise umhüllt, da so von der Bodenfläche her keine Feuchtigkeit zwischen die elektrisch isolierende Folie und die Batteriezelle und somit gegebenenfalls in die Batteriezelle eindringen kann und die Batteriezelle beispielsweise gegenüber weiteren Batteriezellen elektrisch isoliert ist.
In einer alternativen Ausführungsform umhüllt die elektrisch isolierende Folie alle Flächen des Gehäuses zumindest teilweise, da so die Seitenflächen, an welche gegebenenfalls weitere Batteriezellen angereiht werden gegenüber diesen isoliert sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bedeckt die elektrisch isolierende Folie das Sicherheitsventil zumindest teilweise, wodurch dieses vor Beschädigungen und die Batteriezelle somit vor einer Austrocknung durch die Beschädigung besser geschützt ist im Vergleich zu einem Sicherheitsventil ohne eine dieses überspannende elektrisch isolierende Folie. Somit wird beispielsweise die Lebensdauer der Batteriezelle verlängert und die Batteriezelle ist beispielsweise auch bei der Montage besser vor Beschädigungen geschützt. Desweiteren vorteilhaft hierbei ist, dass das Sicherheitsventil so eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Sicherheit der Batteriezelle wird dadurch nicht beeinträchtigt. Im Fall einer Entgasung des Sicherheitsventils lässt das heiße austretende Gas die das Sicherheitsventil bedeckende elektrisch isolierende Folie schmelzen, sodass das Gas ungehindert austreten kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batteriezelle ein schachteiförmiges Formteil auf, beispielswiese ein Spritzgussteil, welches mit der elektrisch isolierenden Folie verbunden ist. Das schachteiförmige Formteil wird beispielsweise über zumindest eine Seitenfläche des Gehäuses der Batteriezelle übergestülpt, insbesondere über eine Deckelfläche und/oder über eine Bodenfläche. Das schachteiförmige Formteil isoliert dann die entsprechende Außenfläche des Gehäuses sowie auch die an diese angrenzenden Außenflächen teilweise. Über die Seitenflächen des Gehäuses wird dann beispielsweise eine elektrisch isolierende Folie mit Konturierung angebracht, sodass die elektrisch isolierende Folie das schachteiförmige Formteil beispielsweise teilweise überlappt. Ein entsprechendes schachteiförmiges Formteil bietet den Vorteil, dass es mechanisch sehr belastbar ist und die Batteriezelle gleichzeitig elektrisch isoliert. Desweiteren bildet das schachteiförmige Formteil einen Spritzwasserschutz, sodass Spritzwasser nicht an die Oberfläche der Batteriezelle gelangen kann. Ist das schachteiförmige Formteil als Formteil für eine Deckelfläche der Batteriezelle ausgeführt, so weist das Formteil beispielsweise gleichförmige Aussparungen zur Durchführung von Batterieterminals auf. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass so auch
Batteriezellen mit sich leicht voneinander unterscheidenden Terminalgeometrien, beispielsweise aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Herstellung, keine Gefahr hinsichtlich Kriechstrecken darstellen. Kriechstrecken sind die kürzesten Verbindungen entlang der Oberfläche der Batteriezelle auf denen messbare Ströme, ausgehend von einem Batterieterminal, auftreten können, wenn eine
Spannung an die Batteriezelle angelegt wird. Sie können zu Kurzschlüssen der Batteriezelle führen. Auch Ströme von der Batteriezelle zu einer benachbarten Batteriezelle, die über Luftstrecken zu einem Lichtbogen und so zu einem Kurzschluss zwischen den Batteriezellen führen können, werden durch ein entsprechendes schachteiförmiges Formteil unterbunden.
Das schachteiförmige Formteil, welches die Bodenfläche der Batteriezelle bedeckt, ist beispielsweise aus einem thermisch gut leitenden Kunststoff hergestellt, der gleichzeitig auch elektrisch isolierend ist. So wird eine verbesserte Abfuhr der in der Batteriezelle während des elektrischen Betriebs entstehenden Wärme erzielt, wodurch die Batteriezelle in einem thermisch optimalen Bereich gehalten werden kann. Hierdurch wird beispielsweise ein schnelleres Altern der Batteriezelle vermieden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das schachteiförmige Formteil einen Thermoplasten, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat,
Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und/oder einen Duroplasten, insbesondere einen Polyester, ein Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan, deren vorteilhafte Eigenschaften bereits vorstehend genannt sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das schachtelförmige Formteil zumindest eine Einbuchtung und eine Auswölbung auf, wobei die
Einbuchtung und die Auswölbung derart ausgestaltet sind, dass sie eine zueinander komplementäre Form aufweisen. Vorteilhaft hierbei ist, dass auf diese Weise eine Auswölbung der Batteriezelle in eine Einbuchtung einer benachbarten Batteriezelle passt und, dass eine Einbuchtung der Batteriezelle von einer Auswölbung einer benachbarten Batteriezelle ausfüllbar ist, sodass die
Batteriezellen nicht gegeneinander verrutschen können sondern zusammengehalten werden. Auf diese Weise ist eine definierte Postionierung der Batteriezellen zueinander möglich. Es ist auch denkbar, dass die Auswölbungen in die Einbuchtungen mittels einer Rastfunktion einrasten können. Desweiteren vorteilhaft hierbei ist, dass die Batteriezellen nur in einer gewünschten
Orientierung positionierbar sind, beispielsweise kann an ein positives Terminal einer Batteriezelle nur in räumliche Nähe eines negativen Terminals gebracht werden, nicht aber in räumliche Nähe eines weiteren positiven Terminals. Hierdurch werden gegebenenfalls Kurzschlüsse vermieden, wodurch die Sicherheit der Batteriezelle erhöht wird.
Desweiteren ist ein Verfahren zur zumindest teilweisen Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster auf zumindest eine Außenfläche eines Gehäuses einer Batteriezelle vorteilhaft, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte beinhaltet:
a) das Bereitstellen der Batteriezelle und der elektrisch isolierenden Folie und b) das zumindest teilweise Aufbringen der elektrisch isolierenden Folie auf die zumindest eine Außenfläche des Gehäuses der Batteriezelle
In einer ersten Ausführungsform des Verfahrens wird die Batteriezelle beispielsweise auf einen Folienstreifen der elektrisch isolierenden Folie aufgesetzt. Die elektrisch isolierende Folie wird in Verfahrensschritt b) beispielsweise zumindest bereichsweise auf die Seitenflächen und auf die Deckelfläche des Gehäuses der Batteriezelle aufgelegt und beispielsweise mittels Schweißen stoffschlüssig miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist das Schweißen hierbei ein Ultraschallschweißen oder ein thermisches
Schweißen. Besonders vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass es sehr flexibel hinsichtlich der Form der Folienbereiche und der Schweißstellen ist, sodass die elektrisch isolierende Folie beliebig hinsichtlich der ganzheitlichen oder teilweisen Bedeckung der Batteriezelle und hinsichtlich der Stellen, an welchen die Folienbereiche stoffschlüssig miteinander verbunden werden, variierbar ist.
Desweiteren zeichnet sich das Verfahren durch niedrige Kosten und kurze Prozesszeiten aus.
Vorteilhaft beim Ultraschallschweißen ist, dass das Schweißverfahren sowie die Qualität der Schweißung bzw. der Siegelung anhand von Schweißparametern wie beispielsweise der Frequenz, der Amplitude oder dem Energieeintrag überwacht werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Schweißzeit bzw. die Siegelzeit insbesondere bei dicken Folienmaterialien geringer ist im Vergleich zu alternativen Schweißverfahren wie beispielsweise dem thermischen Schweißen bzw. Siegeln. Die Schweißzeiten bzw. Siegelzeiten beim Ultraschallschweißverfahren liegen beispielsweise bei 100-300 Millisekunden.
Zudem vorteilhaft ist, dass es sich hier um einen kalten Prozess handelt, bei dem sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück nicht erwärmt werden. Es erwärmt sich lediglich die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück lokal. Hierdurch ist beispielsweise die Warmnahtfestigkeit merklich höher im Vergleich zu anderen Verbindungsverfahren, sodass die Schweißnaht beispielsweise zu einem früheren Zeitpunkt belastet werden kann ohne sich wieder zu lösen.
Vorteilhaft beim thermischen Schweißen ist, dass die Anlagentechnik preiswerter ist im Vergleich zu der Anlagentechnik alternativer Schweißverfahren, wie beispielsweise dem Ultraschallschweißen. Dies gilt beispielsweise sowohl für die direkten Schweißwerkzeuge, als auch für die benötigte Peripherie.
In einer zweiten alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird in einem auf Verfahrensschritt a) nachfolgenden Verfahrensschritt a') auf zumindest eine Außenfläche des Gehäuses, beispielsweise auf die Deckelfläche und/oder auf die Bodenfläche der Batteriezelle ein schachteiförmiges Formteil aufgebracht, welches die jeweilige Außenfläche des Gehäuses und beispielsweise die an diese angrenzenden Außenflächen des Gehäuses der Batteriezelle beispielsweise teilweise bedeckt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b) beispielsweise eine elektrisch isolierende Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster, beispielsweise eine Schrumpffolie und/oder eine Klebefolie zumindest auf die Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle aufgebracht, insbesondere so, dass die elektrisch isolierende Folie das schachteiförmige Formteil bereichsweise überlappt. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass es schnell, einfach zu handhaben und kostengünstig ist.
In einer dritten alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn die elektrisch isolierende Folie durch einen Spannrahmen aufgespannt ist und der Spannrahmen anschließend in Verfahrensschritt b) zumindest über die zu isolierende Außenfläche des Gehäuses der Batteriezelle übergezogen wird. Wird die elektrisch isolierende Folie beispielsweise auf alle Seitenflächen sowie auf die Bodenfläche des Gehäuses einer Batteriezelle aufgebracht, so wird der mit der elektrisch isolierenden Folie bespannte Spannrahmen über die Batteriezelle übergezogen und die elektrisch isolierende Folie beispielsweise an den Kanten der Seitenflächen zur Deckelfläche hin abgetrennt. Vorteilhaft hierbei ist, dass wenige Werkzeuge zur Aufbringung der elektrisch isolierenden Folie benötigt werden und die Batteriezelle selbst als eine Art Werkzeug dient, wodurch weitere Werkzeugkosten entfallen. Desweiteren vorteilhaft bei diesem Verfahren sind kurze Prozesszeiten und eine einfache Handhabung sowie niedrige Kosten.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die elektrisch isolierende Folie mittels Aufschrumpfen und/oder Aufkleben auf die zumindest eine Außenfläche des Gehäuses der Batteriezelle aufgebracht, vorteilhaft zumindest auf die Bodenfläche und die Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle. Ein solches Verfahren ist einfach, schnell und kostengünstig.
Desweiteren ist es in einer Ausführungsform vorteilhaft, während und/oder nach dem Anbringen der elektrisch isolierenden Folie auf die zumindest eine Außenfläche des Gehäuses der Batteriezelle ein Vakuum anzulegen oder Luft zwischen der Außenfläche des Gehäuses der Batteriezelle und der elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung abzusaugen, sodass beispielsweise ein Vakuum entsteht. Hierdurch schmiegt sich die elektrisch isolierende Folie mit Konturierung konturnah an die Batteriezelle an. Vorteilhaft hierbei ist eine sehr gute, gasdichte Isolierung der Batteriezelle. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster,
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Batteriezelle mit elektrisch isolierender Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster gemäß Figur 1 entlang einer Schnittlinie A-A',
Figur 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer elektrisch isolierenden Folie mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster und zwei schachteiförmigen Formteilen,
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines schachteiförmigen Formteils einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Einbuchtungen und Auswölbungen,
Figur 5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch zwei schachteiförmige Formteile gemäß Figur 3, die über deren Einbuchtungen und Auswölbungen miteinander verbunden sind,
Figur 6a: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsform in einem Schritt a),
Figur 6b: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsform in einem zweiten Schritt b),
Figur 6c: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dritten Ausführungsform in einem weiteren Schritt, Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10 mit einem positiven Terminal 5a und einem negativen Terminal 5b dargestellt. Die Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse mit einer Deckelfläche 9, einer in Figur 1 nicht sichtbaren Bodenfläche und vier Seitenflächen 7a, 7b auf, wobei zwei der Seitenflächen 7a, 7b kurze Seitenflächen 7a und zwei der Seitenflächen 7a, 7b lange Seitenflächen 7b sind. Auf die Seitenflächen 7a, 7b ist beispielsweise vollflächig und auf die Deckelfläche 9 ist beispielsweise teilweise eine elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung aufgebracht, wobei die
Konturierung ein wiederkehrendes Muster aufweist. Die elektrisch isolierende Folie 1 bedeckt ein Sicherheitsventil 3 der Batteriezelle 10. Die beiden Terminals 5a, 5b sind beispielsweise nicht von der elektrisch isolierenden Folie 1 bedeckt. Das wiederkehrende Muster der Konturierung der elektrisch isolierenden Folie 1 ist beispielsweise ein kreis- oder rautenförmiges Muster, ein aus nebeneinander liegenden Dreiecken gebildetes Muster oder ein zylinder- oder kegelförmiges Muster. Desweiteren sind die wiederkehrenden Muster der Konturierung der elektrisch isolierenden Folie 1 benachbarter Batteriezellen 10 beispielsweise nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ausgeführt, sodass Erhebungen der ersten elektrisch isolierenden Folie 1 in Vertiefungen der zweiten elektrisch isolierenden
Folie 1 greifen und umgekehrt.
Die Konturierung ist beispielsweise durch Ultraschallprägen oder durch Heißprägen erzeugt. Die elektrisch isolierende Folie 1 umfasst beispielsweise einen Thermoplasten, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat, Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und/oder einen Duroplasten, insbesondere einen Polyester, ein Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan.
In Figur 2 ist die Batteriezelle 10 gemäß Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A' dargestellt. Die elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster umschließt die Bodenfläche 8, die Seitenflächen 7a, 7b und die Deckelfläche 9 des Gehäuses beispielsweise teilweise. Bei der Herstellung werden die Batteriezelle 10 und die elektrisch isolierende Folie 1 in einem ersten Verfahrensschritt a) einer ersten Ausführungsform eines Verfahres zur zumindest teilweisen Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie 1 bereitgestellt. Die Batteriezelle 10 wird in einem Verfahrensschritt b) beispielsweise mittig auf einen beispielsweise rechteckigen oder anders vorgeformten Folienstreifen der elektrisch isolierenden Folie 1 aufgesetzt. Anschließend wird die elektrisch isolierende Folie 1 auf die langen Seitenflächen 7b des Gehäuses der Batteriezelle 10 aufgelegt, sodass der Folienstreifen der elektrisch isolierenden Folie 1 die langen Seitenflächen 7b bedeckt und auf alle an die langen Seitenflächen 7b angrenzenden Außenflächen 7a, 9 übersteht, beispielsweise ausgenommen zu der Bodenfläche 8 hin. Dann werden die Überstände der elektrisch isolierenden Folie 1, welche in Richtung der kurzen Seitenflächen überstehen auf die kurzen Seitenflächen 7a des Gehäuses aufgelegt, sodass sich die Überstände der elektrisch isolierenden Folie 1 beispielsweise mittig auf den kurzen Seitenflächen 7a treffen und stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen oder durch thermisches schweißen. Die elektrisch isolierende Folie 1 wird ebenfalls zumindest teilweise auf die Deckelfläche 9 des Gehäuses aufgelegt und beispielsweise mittig stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen oder durch thermisches Schweißen. Dadurch wird ein Abrutschen der elektrisch isolierenden Folie 1 auf den Seitenflächen 7a, 7b verhindert. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise auch das Sicherheitsventil 3 überspannen. In Figur 2 ist der Bereich der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung, welcher stoffschlüssig verbunden wird mit einer durchgehenden Linie dargestellt, der Bereich in welchem die elektrisch isolierende Folie 1 nicht stoffschlüssig verbunden werden muss, da sie bereits flächig dicht vorliegt, ist gestrichelt dargestellt. Vorzugsweise wird, ausgehend von den kurzen Seitenflächen 7a des Gehäuses in einem Eckbereich 19 nicht bis zur Bodenfläche 8 stoffschlüssig verbunden, sondern beispielsweise so, dass die stoffschlüssige Verbindung in der Umbiegung von der kurzen Seitenfläche 7a zu der Bodenfläche 8 des Gehäuses endet. Dadurch wird die elektrisch isolierende Folie 1 stoffschlüssig dicht miteinander verbunden ohne dass sich eine Naht, beispielsweise eine Schweißnaht, auf der Bodenfläche 8 des Gehäuses befindet. Zur Herstellung kann beispielsweise eine Schweißzange mit entsprechender Fräsung verwendet werden.
In einer alternativen, nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform, kann die Deckelfläche 9 des Gehäuses ganzheitlich mit der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster bedeckt sein, beispielsweise unter Aussparung der Flächen der Terminals 5a, 5b. Weiterhin alternativ kann die elektrisch isolierende Folie 1 ausschließlich auf die Bodenfläche 8 und die Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses aufgebracht sein. Desweiteren kann die elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster die Bodenfläche 8 und die Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses bedecken sowie umlaufend bereichsweise von den Seitenflächen 7a,
7b auf die Deckelfläche 9 des Gehäuses geklappt bzw. aufgelegt sein.
In Figur 3 ist eine Batteriezelle 10 mit einem positiven Terminal 5a und einem negativen Terminal 5b dargestellt. Die Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse mit vier Seitenflächen 7a, 7b, einer Deckelfläche 9 und einer nicht in Figur 3 sichtbaren
Bodenfläche 8 auf. An der Deckelfläche 9 und an der Bodenfläche 8 des Gehäuses der Batteriezelle 10 ist je ein schachteiförmiges Formteil 12 angebracht. Das schachteiförmige Formteil 12 der Bodenfläche 8 des Gehäuses bedeckt die Bodenfläche 8 vollflächig sowie je einen Teil der an die Bodenfläche 8 angrenzenden Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses der Batteriezelle 10. Das schachteiförmige Formteil 12 der Deckelfläche 9 des Gehäuses bedeckt die Deckelfläche 9 vollflächig, ausgenommen zweier Ausnehmungen für die Terminals 5a, 5b der Batteriezelle 10 sowie je einen Teil der an die Deckelfläche
9 angrenzenden Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses der Batteriezelle 10. Die Sicherheit der Batteriezelle 10 wird nicht dadurch beeinträchtig, dass das schachteiförmige Formteil 12 keine Aussparung für ein Sicherheitsventil 3 aufweist. Das schachteiförmige Formteil 12 wird derart ausgeführt, dass es bei einer Entgasung schmilzt, sodass das Gas problemlos entweichen kann. Alternativ ist in das schachteiförmige Formteil 12 eine Aussparung auf Höhe des Sicherheitsventils 3 eingebracht. Auf die Seitenflächen 7a, 7b der Batteriezelle
10 ist zumindest teilweise eine elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster aufgebracht, wobei die Konturierung ein wiederkehrendes Muster aufweist. Die elektrisch isolierende Folie 1 ist so auf die Batteriezelle 10 aufgebracht, dass sie die freiliegenden Kanten der schachteiförmigen Formteile 12 bereichsweise überlappt.
Das schachteiförmige Formteil 12 ist beispielsweise auf die Bodenfläche 8 und/oder die Deckelfläche 9 des Gehäuses und optional auf den Bereich der Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses, welche von dem schachteiförmigen Formteil 12 bedeckt werden aufgeklebt, beispielsweise mit einem abdichtenden Klebstoff wie beispielsweise Polyurethan, einer Silikonmasse oder einem Epoxidklebstoff.
Der abdichtende Klebstoff wird beispielsweise im Inneren des schachteiförmigen Formteils 12, beispielsweise in einem Randbereich aufgespritzt und das schachteiförmige Formteil 12 wird beispielsweise anschließend in einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens in einem Verfahrensschritt a') auf die Batteriezelle 10 aufgebracht. Nachfolgend wird in einem Verfahrensschritt b) eine elektrisch isolierende Folie 1 auf die Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses der
Batteriezelle 10 aufgebracht, beispielsweise durch Aufschrumpfen der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung, sodass die elektrisch isolierende Folie 1 das schachteiförmige Formteil 12 bereichsweise überlappt. Alternativ ist die elektrisch isolierende Folie 1 als Klebefolie ausgeführt, beispielsweise mit Klebeeigenschaften, welche durch Hitze aktivierbar sind. Die Verbindung der elektrisch isolierenden Folie 1 und des schachteiförmigen Formteils 12 erfolgt beispielsweise durch Aufkleben der Klebefolie auf das schachteiförmige Formteil 12 oder durch Druck, welchen eine aufgeschrumpfte Folie ausübt, sodass ein Formschluss erreicht wird, der noch zusätzlich durch Reibungskräfte zwischen der elektrisch isolierenden Folie 1 und dem schachteiförmigen Formteil 12 verstärkt wird.
In einer alternativen, nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform umfasst die Batteriezelle 10 nur ein schachteiförmiges Formteil 12.
Das schachteiförmige Formteil 12 umfasst beispielsweise einen Thermoplasten, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat, Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und/oder einen Duroplasten, insbesondere einen Polyester, ein Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan.
In Figur 4 ist ein Querschnitt durch ein schachteiförmiges Formteil 12 gemäß Figur 3 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt, wobei das schachteiförmige Formteil 12 Einbuchtungen 16 und Auswölbungen 17 aufweist. Das schachteiförmige Formteil 12 weist zwei längere und zwei kürzere Seitenflächen auf, wobei die Einbuchtungen 16 und Auswölbungen 17 beispielsweise jeweils auf der längeren Seitenfläche liegen.
In Figur 5 ist ein Querschnitt durch ein erstes schachteiförmiges Formteil 12a und ein zweites schachteiförmiges Formteil 12b gemäß Figur 3 dargestellt. Die schachteiförmigen Formteile 12a, 12b sind jeweils an eine Batteriezelle 10 angebracht und derart miteinander verbunden, dass sie nicht gegeneinander verrutschen können. Eine Auswölbung 17 des ersten schachteiförmigen
Formteils 12a greift in eine Einbuchtung 16 des zweiten schachteiförmigen Formteils 12b ein und in eine Einbuchtung 16 des ersten schachteiförmigen Formteils 12a greift eine Auswölbung 17 des zweiten schachteiförmigen Formteils 12b ein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Batteriezellen 10 nur in einer richtigen Orientierung zusammengesteckt werden können. Die Batteriezellen 10 werden hierbei gegensätzlich hinsichtlich ihrer Polung zusammengesteckt. An ein Terminal 5b einer negativen Elektrode, dessen Position in Figur 5 durch ein Minuszeichen dargestellt ist, wird ein Terminal 5a einer positiven Elektrode, dessen Position in Figur 5 durch ein Pluszeichen dargestellt ist, angereiht.
In den Figuren 6a-c ist ein Verfahren in einer dritten Ausführungsform zur Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung dargestellt.
In Figur 6a ist ein erster Verfahrensschritt a) des Verfahrens dargestellt, in welchem die Bereitstellung der Batteriezelle 10 und der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung, welche ein wiederkehrendes Muster aufweist, erfolgt. Hierbei ist die elektrisch isolierende Folie 1 durch einen Spannrahmen 14 aufgespannt und vorzugsweise erwärmt, sodass deren Formbarkeit verbessert ist. Das Gehäuse der Batteriezelle 10 weist eine Bodenfläche 8, vier Seitenflächen 7a, 7b und eine, in Figur 6a nicht sichtbare Deckelfläche 9 mit zwei Terminals 5a, 5b auf. Die Batteriezelle 10 ist mit der Deckelfläche 9 des Gehäuses bzw. mit den Terminals 5a, 5b auf einem Element 15 angeordnet. An das Element 15 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Anlegen eines Vakuums oder zur Absaugung von Luft gekoppelt.
In Figur 6b ist ein weiterer Verfahrensschritt b) des Verfahrens dargestellt, wobei die elektrisch isolierende Folie auf die Bodenfläche 8 und die vier Seitenflächen 7a, 7b des Gehäuses der Batteriezelle 10 aufgebracht wird. Hierzu wird der Spannrahmen 14 mit der darin aufgespannten elektrisch isolierenden Folie 1 über die Batteriezelle 10 gezogen, sodass der Spannrahmen 14 auf dem Element 15 aufliegt.
In Figur 6c ist ein weiterer optionaler Verfahrensschritt des Verfahrens dargestellt, wobei mittels des Elements 15 ein Vakuum angelegt wird oder Luft angesogen wird, welche sich zwischen der elektrisch isolierenden Folie 1 und der
Batteriezelle 10 befindet. Dadurch legt sich die elektrisch isolierende Folie eng um die Batteriezelle 10. Die überstehenden Enden der elektrisch isolierenden Folie 1 werden abgetrennt, beispielsweise mittels eines Lasers und die elektrisch isolierende Folie 1 wird abgekühlt, wobei sie sich beispielsweise verfestigt. Es ist desweiteren denkbar, dass die elektrisch isolierende Folie 1 als Klebefolie ausgestaltet ist.
In allen Ausführungsformen des Verfahrens zur zumindest teilweisen Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie 1 kann während und/oder nach dem Anbringen der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster ein Vakuum angelegt werden, bzw. Luft aus dem Zwischenraum zwischen der Batteriezelle 10 und der elektrisch isolierenden Folie 1 mit Konturierung abgesogen werden, sodass insbesondere ein Vakuum entsteht und die elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung sich eng an die Batteriezelle 10 anlegt.
In allen Ausführungsformen des Verfahrens zur zumindest teilweisen Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie 1 wird die elektrisch isolierende Folie 1 mit Konturierung mit wiederkehrendem Muster beispielsweise vor der Aufbringung auf zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8, 9) des Gehäuses der Batteriezelle erwärmt, sodass sie sich besser dehnen und formen lässt. Nach dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Folie 1 wird diese wieder abgekühlt, wobei sie sich verhärtet.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle 10 mit elektrisch isolierender Folie mit Konturierung 1 mit wiederkehrendem Muster wird beispielsweise mit weiteren Batteriezellen 10 zu einer Batterie zusammengebaut. Diese findet dann beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrofahrzeuge ausgelegt sind, Anwendung.

Claims

Ansprüche
Anspruch 1
Batteriezelle (10), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, mit einem positiven und einem negativen Terminal (5a, 5b), mit einem Gehäuse, umfassend eine
Bodenfläche (8), mindestens vier Seitenflächen (7a, 7b), insbesondere zwei kurze Seitenflächen (7a) und zwei lange Seitenflächen (7b), und einer Deckelfläche (9) sowie mit einem Sicherheitsventil (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) auf mindestens einer Außenfläche (7a, 7b, 8,9) eine insbesondere einschichtige elektrisch isolierende Folie (1) umfasst, welche zumindest bereichsweise eine Konturierung mit wiederkehrendem Muster aufweist.
Anspruch 2
Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung mit wiederkehrendem Muster mittels Ultraschall und/oder durch Heißprägen erzeugt ist.
Anspruch 3
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Konturierung mit wiederkehrendem Muster eine zylinder-, kegel- oder rautenförmige Struktur aufweist.
Anspruch 4
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) einen Thermoplasten, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat, Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und/oder einen Duroplasten, insbesondere einen Polyester, ein
Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan umfasst.
Anspruch 5
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) eine Schrumpffolie und/oder eine Klebefolie mit insbesondere durch Wärme aktivierbarer Klebeeigenschaft ist.
Anspruch 6
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) alle Seitenflächen (7a, 7b) des Gehäuses zumindest teilweise umfasst, oder dass die elektrisch isolierende Folie (1) alle Seitenflächen (7a, 7b) und die Bodenfläche (8) des Gehäuses zumindest teilweise umfasst, oder dass die elektrisch isolierende Folie (1) alle Flächen des Gehäuses zumindest teilweise umfasst. Anspruch 7
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) das Sicherheitsventil (3) zumindest teilweise überspannt. Ansprüch e
Batteriezelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (10) mindestens ein schachteiförmiges Formteil (12) umfasst, welches mit der elektrisch isolierenden Folie (1) verbunden ist. Anspruch 9
Batteriezelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
schachteiförmige Formteil (12) einen Thermoplasten, insbesondere ein Polyamid, Polyethylentherephthalat, Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol und/oder einen Duroplasten, insbesondere einen Polyester, ein Formaldehydharz, ein Epoxidharz oder ein Polyurethan umfasst.
Anspruch 10
Batteriezelle (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das schachteiförmige Formteil (12) zumindest eine Einbuchtung (16) und zumindest eine Auswölbung (17) aufweist, wobei die Einbuchtung (16) und die Auswölbung (17) eine derartige räumlich zueinander komplementäre Form aufweisen, dass die
Auswölbung (17) in eine Einbuchtung (16) einer benachbarten Batteriezelle (10) passt und/oder dass die Auswölbung (17) einer benachbarten Batteriezelle (10) in die Einbuchtung (16) der Batteriezelle (10) passt.
Anspruch 11
Batterie, insbesondere Lithiumionen- Batterie, umfassend zumindest zwei Batteriezellen (10) nach einem der Ansprüche 1-10. Anspruch 12
Verfahren zur zumindest teilweisen Aufbringung einer elektrisch isolierenden Folie (1) auf zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) eines Gehäuses einer Batteriezelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1-10 mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen der Batteriezelle (10) und der elektrisch isolierenden Folie (1) b) Zumindest teilweises Aufbringen der elektrisch isolierenden Folie (1) auf die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10)
Anspruch 13
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) in Schritt b) mittels Schweißen, insbesondere stoffschlüssig, verbunden wird, sodass sie die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der
Batteriezelle (10) umschließt.
Anspruch 14
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen ein Ultraschallschweißen ist.
Anspruch 15
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen ein thermisches Schweißen ist. Anspruch 16
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem auf Schritt a) nachfolgenden Schritt a') ein schachteiförmiges Formteil (12) zumindest an einer der Außenflächen (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10) angebracht wird, sodass die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) von diesem bedeckt ist und weitere Außenflächen (7a, 7b, 8,9) teilweise von diesem bedeckt sind und, dass das schachteiförmige Formteil (12) in Schritt b) mit der elektrisch isolierenden Folie (1) verbunden wird, insbesondere so, dass die elektrisch isolierende Folie (1) das schachteiförmige Formteil (12) bereichsweise überlappt. Anspruch 17
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) in Schritt b) mittels Aufschrumpfen und/oder Aufkleben auf die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10) aufgebracht wird. Anspruchl8
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Folie (1) durch einen Spannrahmen (14) aufgespannt ist und in Schritt b) mittels des Spannrahmens (14) über die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10) übergezogen wird.
Anspruch 19
Verfahren nach einem der Ansprüche 12-18, dadurch gekennzeichnet, dass während und/oder nach dem Anbringen der elektrisch isolierenden Folie (1) auf die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10), Luft zwischen der Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10) und der elektrisch isolierenden Folie (1) abgesogen wird, sodass insbesondere ein Vakuum entsteht und die elektrisch isolierende Folie (1) die zumindest eine Außenfläche (7a, 7b, 8,9) des Gehäuses der Batteriezelle (10) konturnah umschließt.
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