WO2016120372A1 - Batteriezelle, verfahren zum herstellen eines elektrodenwickels für eine batteriezelle und batteriesystem - Google Patents

Batteriezelle, verfahren zum herstellen eines elektrodenwickels für eine batteriezelle und batteriesystem Download PDF

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WO2016120372A1
WO2016120372A1 PCT/EP2016/051777 EP2016051777W WO2016120372A1 WO 2016120372 A1 WO2016120372 A1 WO 2016120372A1 EP 2016051777 W EP2016051777 W EP 2016051777W WO 2016120372 A1 WO2016120372 A1 WO 2016120372A1
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cathode
anode
contact lugs
battery cell
winding
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PCT/EP2016/051777
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Inventor
Holger Reinshagen
Martin Gerlach
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell, a method for producing an electrode winding for a battery cell, and a battery system according to the preamble of the independent claims.
  • Electric vehicles are designed as well as electronic devices, such as laptops or cell phones, new battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life.
  • Lithium-ion battery cells have a positive and a negative electrode on which lithium ions can reversibly store in a charging process and during a discharge process and outsource again. Such a process is also called intercalation or deintercalation.
  • a battery cell usually comprises one or more electrode units, which are designed in the form of a winding.
  • An electrode unit has two foil-like electrodes, namely an anode and a cathode.
  • the electrodes are with the interposition of a separator to a Electrode winding, which is also referred to as a jelly roll, wound.
  • the two electrodes of the electrode coil are electrically connected by means of collectors with poles of the battery cell, which are also referred to as terminals.
  • a battery cell further comprises a cell housing, which consists for example of aluminum.
  • the cell housing is usually prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant. After connecting the electrodes to the terminals, an electrolyte solution is filled in the cell case.
  • the electrodes of the electrode coil have contact lugs which protrude out of the electrode coil and are connected to collectors. Before the connection with the collectors, the contact lugs have different lengths.
  • Isolators provided, which consist for example of plastic.
  • an electrode winding is shown with corresponding insulators for a battery cell.
  • Lithium-ion battery cells are relatively sensitive to
  • the mentioned cell housing offers protection against said environmental influences.
  • Several such battery cells can be combined to form a battery system, which is also referred to as a battery pack. Disclosure of the invention
  • a battery cell which comprises an electrode winding with a cathode and with an anode, wherein the cathode
  • Cathode contact tabs, and the anode has anode contact tabs.
  • the cathode and the anode are wound around a winding axis, and the cathode contact lugs and / or the anode contact lugs are each aligned in a direction perpendicular to the winding axis in line with each other.
  • the cathode contact lugs and / or the anode contact lugs have a different length.
  • the facing the winding axis Preferably, in this case, the facing the winding axis
  • Cathode contact lug the smallest length of all cathode contact lugs on.
  • the winding axis facing the anode contact lug has the smallest length of all anode contact lugs.
  • Cathode contact flag the largest length of all cathode contact flags.
  • Anodentitlefahne the greatest length of all anode contact flags on.
  • cathode contact lug facing away from the winding axis has the smallest length of all cathode contact lugs
  • anode contact lug facing away from the winding axis has the smallest length of all anode contact lugs.
  • winding axis facing cathode contact lug the greatest length of all
  • cathode contact lugs and / or the anode contact lugs are each connected to a collector, which extends at right angles to the winding axis.
  • a film-like cathode and a film-like anode are attached to a winding core, and the cathode and the anode are rotated by rotation of the winding core
  • the edge region of the cathode and the edge region of the anode are preferably trimmed by means of a laser beam.
  • At least one of the cathode contact lugs remains after every one revolution of the winding core.
  • at least one of each remains after one complete revolution of the winding core
  • Winding core exactly one of the cathode contact flags stand. After one complete revolution of the winding core, one of the anode contact lugs remains particularly advantageous.
  • Rotation of the hub remain one of the cathode contact flags, and it can after every integer multiple of a whole
  • Rotation of the hub remain one of the anode contact flags.
  • the length of the standing cathode contact lugs with each revolution of the winding core becomes larger.
  • the length of the standing anode contact lugs with each revolution of the winding core becomes larger.
  • the battery cell comprises an electrode coil. In an alternative embodiment, the battery cell comprises several
  • a battery system is also proposed which comprises at least one battery cell according to the invention.
  • a battery cell according to the invention advantageously finds use in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
  • EV electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • Winding axis of the electrode winding extends, wherein the cathode contact lugs and the anode contact lugs are each aligned with each other, the space required for the contact lugs and for a connected collector is advantageously reduced.
  • the contact lugs can simply be bent around an axis that runs perpendicular to the winding axis of the electrode winding, and placed on each other and on the collector. In particular, it is through this
  • the distance from a contact lug to the next contact lug of the cathode and the anode becomes larger and larger as the winding radius of the electrode coil increases.
  • the cathode and the anode are soft and flexible, creating the risk of
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective, semi-transparent representation of a battery cell without collectors
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective, semitransparent illustration of a battery cell according to a first embodiment without electrode winding
  • FIG. 3 shows a schematic, perspective, semitransparent illustration of a battery cell according to a second embodiment without electrode winding
  • FIG. 4 shows a plan view of an end face of an electrode winding
  • FIG. 5a is a partial sectional view of the electrode coil of FIG. 4 along section line V-V before connection to a collector;
  • FIG. 5b shows the electrode winding from FIG. 5a after connection to the FIG
  • FIG. 6a shows a modification of the electrode coil of FIG. 5a before connection to a collector
  • FIG. 6b shows the electrode winding from FIG. 6a after connection to the FIG
  • Figure 7 is a schematic representation of the production of a
  • FIG. 8 shows a schematic sectional view of a battery cell with a first embodiment of a holder for the electrode winding, FIG.
  • Figure 9 is a schematic sectional view of a battery cell with a second embodiment of a holder for the electrode winding and
  • Figure 10 is a schematic sectional view of a battery cell with a third embodiment of a holder for the electrode winding.
  • a battery cell 2 comprises a cell housing 3, which is prismatic, in the present case cuboid.
  • the cell housing 3 is designed to be electrically conductive and, for example, made of aluminum.
  • the battery cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12. Via the terminals 11, 12, a voltage provided by the battery cell 2 can be tapped off. Furthermore, the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • the parallelepiped-shaped cell housing 3 of the battery cell 2 has six surfaces with three differently sized surface areas, wherein in each case two surfaces with the same surface area are opposite each other.
  • the areas with the largest area contents will be the first Front surface 33 and second front surface 34 denotes.
  • the surfaces with the smallest surface contents are referred to below as first end face 35 and second end face 36.
  • top surface 31 and bottom surface 32 Medium-sized surface contents are referred to below as the top surface 31 and bottom surface 32.
  • the terminals 11, 12 are spaced from each other on the top surface 31 of the cell case 3.
  • the negative terminal 11 is adjacent to the first end face 35
  • the positive terminal 12 is adjacent to the second end face 36th
  • an electrode coil 10 is arranged, which has two electrodes, namely a cathode 14 and an anode 16.
  • the cathode 14 and the anode 16 are designed like a foil and wound around a winding axis A with the interposition of a first separator 18 and a second separator 19 to the electrode winding 10.
  • Electrode winding 10 is arranged in the cell housing 3 such that the winding axis A is perpendicular to the end faces 35, 36.
  • the battery cell 2 comprises a plurality of electrode windings 10, which are connected in parallel electrically or in series, with sufficient insulation.
  • an electrolyte is also present within the cell housing 3.
  • the anode 16 has a plurality of anode contact lugs 26, which are electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the cathode 14 has a plurality of cathode contact lugs 24, which are electrically connected to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • the first collector 41 For electrically connecting the anode 16 to the negative terminal 11, a first collector 41 is provided.
  • the first collector 41 has a first area 42, which is parallel to the first end face 35 and close to the first
  • End face 35 extends and is connected to the anode contact lugs 26 of the anode 16.
  • the first region 42 of the first collector 41 extends toward the top surface 31 and merges into a second region 43, which extends parallel to the top surface 31.
  • the second area 43 of the first collector 41 is connected to the negative terminal 11. Between the first collector 41 and the cell housing 3 of the battery cell 2 electrical insulators are provided.
  • a second collector 51 For electrically connecting the cathode 14 to the positive terminal 12, a second collector 51 is provided.
  • the second collector 51 has a first region 52, which runs parallel to the first end face 35 near the first end face 35 and is connected to the cathode contact lugs 24 of the cathode 14.
  • the second collector 51 has a second region 53, which is connected to the positive terminal 12.
  • the second collector 51 has a central region 55, which is connected to the first region 52 and to the second region 53.
  • the central region 55 of the second collector 51 extends parallel to the
  • Front surfaces 33, 34 In the present case, the central region 55 of the second collector 51 between the electrode coil 10 and the first front surface 33 is arranged. Between the second collector 51 and the cell housing 3 of the battery cell 2 electrical insulators are provided.
  • the central region 55 of the second collector 51 can also be arranged between the electrode coil 10 and the second front surface 34. Also, two parallel central region 55 of the second collector 51 may be provided, which are arranged on both sides of the electrode coil 10.
  • the second collector 51 has a lower region 56, which is connected to the first region 52. Furthermore, the second collector 51 has a rear area 57 which is connected to the second area 53 connected is. In this case, the lower region 56 of the second collector 51 is connected to the rear region 57 of the second collector 51.
  • the lower region 56 of the second collector 51 extends from the first region 52 of the second collector 51 parallel to the bottom surface 32 between the electrode coil 10 and the bottom surface 32 toward the second end surface 36.
  • the rear region 57 of the second collector 51 extends from the second region 53 of the second collector 51 to the bottom surface 32 parallel to the second end surface 36 between the electrode coil 10 and the second end surface 36. Further, the rear portion 57 of the second collector 51 is connected to the lower portion 56 of the second collector 51.
  • electrical insulators are also provided between the second collector 51 and the cell housing 3 of the battery cell 2 electrical insulators. According to another, not shown, embodiment of the
  • the electrically conductive cell housing 3 is electrically connected to the positive terminal 12. In this case, no insulator is required between the second collector 51 and the cell case 3. Furthermore, it is conceivable that the positive terminal 12 and the cathode contact lugs
  • the cell housing 3 would take over the function of the second collector 51, namely the electrical connection of the cathode 4 to the positive terminal 12. In this case, the second collector 51 could be completely eliminated. It is also conceivable that the second collector 51, the cathode contact lugs 24 of
  • Cathode 14 electrically connects to the first end face 35 of the cell case 3.
  • FIG. 4 shows a plan view of an end face of the electrode coil 10 prior to installation in the cell housing 3 of the battery cell 2.
  • Anodentitlefahnen 26 of the anode 16 project approximately parallel to the
  • the anode contact lugs 26 of the anode 16 are arranged in alignment with each other in a line.
  • the cathode contact lugs 24 of the cathode 14 project approximately parallel to the winding axis A of the Electrode winding 10 out.
  • the cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are arranged in alignment with each other in a line.
  • FIG. 5a shows a partial sectional illustration of the electrode winding 10 from FIG. 4 along a section line V-V. It is the part of the
  • the second collector 51 runs perpendicular to the winding axis A of the electrode coil 10.
  • the individual cathode contact lugs 24 of the cathode 14 have different lengths.
  • Winding axis A faces, has the shortest length.
  • Cathode contact lug 24, which faces away from the winding axis A, has the greatest length.
  • FIG. 5b shows the electrode winding 10 from FIG. 5a after connection to the second collector 51.
  • the individual cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are each bent around an axis which is perpendicular to the winding axis A, and placed on top of each other.
  • the winding axis A facing away from the cathode contact lug 24 of the cathode 14 is placed on the second collector 51.
  • the cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are connected to each other and to the second collector 51, in particular welded.
  • the lengths of the individual cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are matched to one another such that the ends of the cathode contact lugs 24 remote from the electrode winding 10 are aligned with the second collector 51 after the cathode contact lugs 24 have been connected.
  • FIG. 6 a shows a modification of the electrode winding 10 from FIG. 5 a before connection to the second collector 51.
  • the second collector 51 runs parallel to the winding axis A of the electrode winding 10.
  • the individual cathode contact lugs 24 and / or all anode contact lugs 26 have the same length.
  • FIG. 6 a shows a modification of the electrode winding 10 from FIG. 5 a before connection to the second collector 51.
  • the second collector 51 runs parallel to the winding axis A of the electrode winding 10.
  • the individual cathode contact lugs 24 and / or all anode contact lugs 26 have the same length.
  • Cathode contact lugs 24 of the cathode 14 different lengths.
  • the cathode contact lug 24, which faces away from the winding axis A and the second collector 51, has the greatest length.
  • FIG. 6b shows the electrode winding 10 from FIG. 6a after connection to the second collector 51.
  • Cathodes 14 are placed one on top of the other.
  • Cathode contact lug 24 of the cathode 14 is placed on the second collector 51.
  • the cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are connected to each other and to the second collector 51, in particular welded.
  • the lengths of the individual cathode contact lugs 24 of the cathode 14 are matched to one another in such a way that the ends of the electrodes 10 facing away from the electrode coil 10
  • Cathode contact lugs 24 are aligned with each other after the connection of the cathode contact lugs 24 with the second collector 51.
  • FIG. 7 schematically shows the production of the electrode winding 10.
  • a winding core 65 is rotated about a rotation axis D.
  • a film-like cathode 14, a film-like first separator 18, a film-like anode 16, and a film-like second separator 19 are attached to the winding core 65.
  • the axis of rotation D of the winding core 65 is aligned with the winding axis A of the electrode winding 10.
  • a first laser beam 61 cuts off an edge region of the sheet-like anode 16.
  • the anode contact lugs 26 of the anode 16 remain stationary. After one complete revolution of the winding core 65, one of the anode contact lugs 26 of the anode 16 stops. This ensures that the anode contact lugs 26 of the anode 16, as shown in Figure 4, are arranged in alignment with each other on a line.
  • the length of the remaining anode contact lugs 26 of the anode 16 increases with each revolution.
  • the axis of rotation D and the winding axis A facing anode contact lug 26 of the anode 16 has the smallest length
  • the axis of rotation D and the winding axis A remote anode contact lug 26 of the anode 16 has the greatest length.
  • a second laser beam 62 intersects an edge region of the film-like
  • the length of the remaining cathode contact lugs 24 of the cathode 14 increases with each revolution.
  • the cathode contact lug 24 facing the axis of rotation D and the winding axis A has the shortest length
  • the cathode contact lug 24 facing away from the axis of rotation D and the winding axis A has the greatest length, as shown in FIG. 5a.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional illustration of a battery cell 2 with a holder 70 according to a first embodiment for an electrode winding 10.
  • the collectors 41, 51 are not completely shown.
  • the holder 70 according to the first embodiment is designed as a rectangular frame and is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic.
  • Embodiment comprises a first longitudinal side 71 and a second longitudinal side 72 extending parallel to the first longitudinal side 71.
  • the first longitudinal side 71 and the second longitudinal side 72 are connected to one another at their ends by a first transverse side 73 and a second transverse side 74.
  • the first transverse side 73 and the second transverse side 74 run parallel to each other and at right angles to the longitudinal sides 71, 72.
  • the first longitudinal side 71 of the frame-shaped holder 70 according to the first
  • Embodiment is on the top surface 31 of the cell case 3 of
  • the first transverse side 73 and the second transverse side 74 extend at right angles from the top surface 31 to the bottom surface 32 of the cell case 3, not shown.
  • the first transverse side 73 runs near the not shown first end face 35 of the
  • Long side 72 extends near the bottom surface 32 of the not shown
  • the electrode coil 10 is clamped.
  • the winding axis A of the electrode winding 10 runs parallel to the longitudinal sides 71, 72 of the holder 70 according to the first embodiment.
  • the anode 16 and the cathode 14 protrude from the electrode coil 10 near the first transverse side 73 of the holder 70 according to the first embodiment.
  • the first collector 41 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the negative terminal 11. Between the first collector 41 and the Top surface 31 of the cell case 3 is a first spacer 67
  • the first spacer 67 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic, and electrically isolates the first collector 41 from the top surface 31 of the cell case 3. The first spacer 67 is thus mechanically within the cell case 3 at the
  • the second collector 51 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the positive terminal 12. Between the second collector 51 and the top surface 31 of the cell case 3, a second spacer 68 is arranged.
  • the second spacer 68 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic, and electrically insulates the second collector 51 from the top surface 31 of the cell case 3. The second spacer 68 is thus fixed mechanically within the cell case 3 to the top surface 31.
  • the first longitudinal side 71 of the holder 70 according to the first embodiment is mechanically connected to the first spacer 67 and to the second one
  • the first longitudinal side 71 of the holder 70 according to the first embodiment is, similar to a clip connection, in
  • the holder 70 according to the first embodiment is formed integrally with the spacers 67, 68.
  • FIG. 9 shows a schematic sectional illustration of a battery cell 2 with a holder 80 according to a second embodiment for an electrode winding 10 (not shown).
  • the collectors 41, 51 are not completely shown.
  • the holder 80 according to the second embodiment is designed in the form of a, at least largely, closed box and is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic.
  • the holder 80 according to the second embodiment includes a lid portion 81 and a bottom portion 82.
  • the lid portion 81 of the holder 80 according to the second embodiment is fixed to the top surface 31 of the cell case 3 of the battery cell 2.
  • the bottom portion 82 is disposed away from the lid portion 81.
  • the bottom region 82 is, after connection of the electrode coil 10, not shown, pressed onto the lid portion 81 and locked in place on the lid portion 81. The not shown
  • Electrode coil 10 is then surrounded by the designed in the form of a can holder 80 according to the second embodiment.
  • the first collector 41 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the negative terminal 11. Between the first collector 41 and the top surface 31 of the cell case 3 is a first spacer 67th
  • the first spacer 67 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic material, and insulates the first one
  • the first spacer 67 is thus mechanically fixed within the cell case 3 on the top surface 31.
  • the second collector 51 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the positive terminal 12.
  • a second spacer 68 is arranged between the second collector 51 and the top surface 31 of the cell case 3.
  • the second spacer 68 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic, and electrically insulates the second collector 51 from the top surface 31 of the cell case 3.
  • the second spacer 68 is thus fixed mechanically within the cell case 3 to the top surface 31.
  • the lid portion 81 of the holder 80 according to the second embodiment is mechanically connected to the first spacer 67 and to the second one
  • the lid portion 81 includes tabs, which similar to a clip connection, in corresponding recesses of
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a battery cell 2 with a holder 90 according to a third embodiment for one
  • the holder 90 according to the third embodiment is designed as a rectangular, flat object and is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic.
  • the holder 90 according to the third embodiment is constituted by a head side 91, a foot side 92 parallel to the head side 91, a first outside 93, and a second side
  • the first outer side 93 and the second outer side 94 are parallel to each other and perpendicular to the head side 91 and the foot side 92.
  • the head side 91 of the holder 90 according to the third embodiment is fixed to the top surface 31 of the cell case 3 of the battery cell 2.
  • the first outer side 93 and the second outer side 94 extend at right angles away from the cover surface 31 towards the bottom surface 32 (not shown) of the cell housing 3.
  • the first outer side 93 in this case runs close to the first end face 35 (not shown) of the cell housing 3, and the second outer side 94 runs close to the second end face 36 (not shown) of the cell housing 3
  • Foot 92 extends near the bottom surface 32 of the not shown
  • the unillustrated electrode coil 10 is wound around the holder 90 according to the third embodiment.
  • the winding axis A of the electrode winding 10 extends at right angles to the head side 91 of the holder 90 according to the third embodiment and at right angles to the top surface 31 of the cell housing 3.
  • the anode 16, the cathode 14 and the separators 18, 19 are thus around the outer sides 93, 94 of the holder 90 according to the third embodiment laid around.
  • the first collector 41 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the negative terminal 11. Between the first collector 41 and the Top surface 31 of the cell case 3 is a first spacer 67
  • the first spacer 67 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic, and electrically isolates the first collector 41 from the top surface 31 of the cell case 3. The first spacer 67 is thus mechanically within the cell case 3 at the
  • the second collector 51 of the battery cell 2 is electrically and mechanically connected to the positive terminal 12. Between the second collector 51 and the top surface 31 of the cell case 3, a second spacer 68 is arranged.
  • the second spacer 68 is made of an electrically non-conductive material, in particular of a plastic, and electrically insulates the second collector 51 from the top surface 31 of the cell case 3. The second spacer 68 is thus fixed mechanically within the cell case 3 to the top surface 31.
  • the head side 91 of the holder 90 according to the third embodiment is mechanically connected to the first spacer 67 and to the second one
  • the head side 91 of the holder 90 according to the third embodiment is similar to a clip connection, in corresponding
  • Embodiment is integrally formed with the spacers 67, 68.
  • the invention is not limited to the described embodiments and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of professional practice.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2), umfassend einen Elektrodenwickel (10) mit einer Kathode (14) und mit einer Anode (16), wobei die Kathode (14) Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist und die Anode (16) Anodenkontaktfahnen (26) aufweist. Dabei sind die Kathode (14) und die Anode (16) um eine Wickelachse (A) gewickelt, und die Kathodenkontaktfahnen (24) und/oder die Anodenkontaktfahnen (26) sind jeweils in einer Richtung rechtwinklig zu der Wickelachse (A) auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenwickels (10) für eine erfindungsgemäße Batteriezelle (2), wobei eine folienartig ausgebildete Kathode (14) und eine folienartig ausgebildete Anode (16) an einem Wickelkern (65) befestigt werden, und die Kathode (14) und die Anode (16) durch Drehung des Wickelkerns (65) um eine Drehachse (D) auf den Wickelkern (65) aufgewickelt werden, und ein Randbereich der Kathode (14) beschnitten wird, wobei die Kathodenkontaktfahnen (24) stehen bleiben, und/oder ein Randbereich der Anode (16) beschnitten wird, wobei die Anodenkontaktfahnen (26) stehen bleiben. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem, das mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle (2) umfasst.

Description

Beschreibung Titel
Batteriezelle, Verfahren zum Herstellen eines Elektroden wickels für eine
Batteriezelle und Batteriesystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenwickels für eine Batteriezelle, sowie ein Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder
Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen
Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium- Ionen- Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet.
Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in Form einer Wicklung ausgestaltet sind. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird eine Elektrolytlösung in das Zellengehäuse gefüllt.
Aus der EP 2 675 000 AI ist eine gattungsgemäße Batteriezelle mit einem Elektrodenwickel bekannt. Die Anode und die Kathode ragen dabei an entgegengesetzten Seiten parallel zu der Wickelachse aus dem Elektrodenwickel heraus und sind an je einen Kollektor angeschlossen. Die beiden Kollektoren verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu der Wickelachse des Elektrodenwickels und verbinden die Anode und die Kathode mit den Terminals.
Aus der US 2010/0028770 AI ist eine weitere gattungsgemäße Batteriezelle bekannt. Die Elektroden des Elektrodenwickels weisen Kontaktfahnen auf, welche aus dem Elektrodenwickel heraus ragen und mit Kollektoren verbunden sind. Vor der Verbindung mit den Kollektoren weisen die Kontaktfahnen unterschiedliche Längen auf.
Zur elektrischen Isolierung der Elektroden und des Zellengehäuses sind
Isolatoren vorgesehen, welche beispielsweise aus Kunststoff bestehen. In der US 2013/0288092 AI ist ein Elektrodenwickel mit entsprechenden Isolatoren für eine Batteriezelle dargestellt.
Lithium-Ionen-Batteriezellen sind verhältnismäßig empfindlich gegen
Umwelteinflüsse, insbesondere gegen Luft und Feuchtigkeit. Das erwähnte Zellengehäuse bietet Schutz gegen besagte Umwelteinflüsse. Mehrere solcher Batteriezellen können zu einem Batteriesystem, welches auch als Batteriepack bezeichnet wird, zusammengefasst werden. Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche einen Elektrodenwickel mit einer Kathode und mit einer Anode umfasst, wobei die Kathode
Kathodenkontaktfahnen, und die Anode Anodenkontaktfahnen aufweist.
Erfindungsgemäß sind die Kathode und die Anode um eine Wickelachse gewickelt, und die Kathodenkontaktfahnen und/oder die Anodenkontaktfahnen sind jeweils in einer Richtung rechtwinklig zu der Wickelachse auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet.
In einer Ausführungsform weisen die Kathodenkontaktfahnen und/oder die Anodenkontaktfahnen eine unterschiedliche Länge auf.
Vorzugsweise weist dabei die der Wickelachse zugewandte
Kathodenkontaktfahne die geringste Länge aller Kathodenkontaktfahnen auf. Vorzugsweise weist auch die der Wickelachse zugewandte Anodenkontaktfahne die geringste Länge aller Anodenkontaktfahnen auf.
Ebenfalls vorzugsweise weist die der Wickelachse abgewandte
Kathodenkontaktfahne die größte Länge aller Kathodenkontaktfahnen auf.
Ebenfalls vorzugsweise weist die der Wickelachse abgewandte
Anodenkontaktfahne die größte Länge aller Anodenkontaktfahnen auf.
Denkbar ist auch, dass die der Wickelachse abgewandte Kathodenkontaktfahne die geringste Länge aller Kathodenkontaktfahnen aufweist, sowie, dass die der Wickelachse abgewandte Anodenkontaktfahne die geringste Länge aller Anodenkontaktfahnen aufweist. Ferner ist denkbar, dass die der Wickelachse zugewandte Kathodenkontaktfahne die größte Länge aller
Kathodenkontaktfahnen aufweist, sowie, dass die der Wickelachse zugewandte Anodenkontaktfahne die größte Länge aller Anodenkontaktfahnen aufweist. Auch ist denkbar, dass alle Anodenkontaktfahnen gleiche Länge aufweisen, sowie, dass alle Kathodenkontaktfahnen gleiche Länge aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kathodenkontaktfahnen und/oder die Anodenkontaktfahnen jeweils mit einem Kollektor verbunden, welcher rechtwinklig zu der Wickelachse verläuft.
Vorzugsweise sind die Kathodenkontaktfahnen und/oder die
Anodenkontaktfahnen dabei mit dem Kollektor verschweißt.
Gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenwickels für eine erfindungsgemäße Batteriezelle werden eine folienartig ausgebildete Kathode und eine folienartig ausgebildete Anode an einem Wickelkern befestigt, und die Kathode und die Anode werden durch Drehung des Wickelkerns um eine
Drehachse auf den Wickelkern aufgewickelt. Dabei wird ein Randbereich der Kathode beschnitten, wobei die Kathodenkontaktfahnen stehen bleiben, und/oder ein Randbereich der Anode wird beschnitten, wobei die Anodenkontaktfahnen stehen bleiben.
Die Randbereich der Kathode sowie der Randbereich der Anode werden dabei vorzugsweise mittels eines Laserstrahls beschnitten.
Vorteilhaft bleibt nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns mindestens eine der Kathodenkontaktfahnen stehen. Vorteilhaft bleibt auch nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns mindestens eine der
Anodenkontaktfahnen stehen.
Besonders vorteilhaft bleibt nach jeweils einer ganzen Umdrehung des
Wickelkerns genau eine der Kathodenkontaktfahnen stehen. Besonders vorteilhaft bleibt auch nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns genau eine der Anodenkontaktfahnen stehen.
Auch kann nach jeweils einem ganzzahligen Vielfachen einer ganzen
Umdrehung des Wickelkerns eine der Kathodenkontaktfahnen stehen bleiben, und es kann nach jeweils einem ganzzahligen Vielfachen einer ganzen
Umdrehung des Wickelkerns eine der Anodenkontaktfahnen stehen bleiben. Vorteilhaft wird die Länge der stehenbleibenden Kathodenkontaktfahnen mit jeder Umdrehung des Wickelkerns größer. Vorteilhaft wird auch die Länge der stehenbleibenden Anodenkontaktfahnen mit jeder Umdrehung des Wickelkerns größer.
Denkbar ist auch, dass die Länge der stehenbleibenden Kathodenkontaktfahnen mit jeder Umdrehung des Wickelkerns kleiner wird, sowie, dass die Länge der stehenbleibenden Anodenkontaktfahnen mit jeder Umdrehung des Wickelkerns kleiner wird. Ferner ist denkbar, dass die Länge der stehenbleibenden
Kathodenkontaktfahnen gleich bleibt, sowie, dass die Länge der
stehenbleibenden Anodenkontaktfahnen gleich bleibt.
In einer Ausführungsform umfasst die Batteriezelle einen Elektrodenwickel. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Batteriezelle mehrere
Elektrodenwickel.
Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen, welches mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
Durch die Anordnung der Kathodenkontaktfahnen sowie der
Anodenkontaktfahnen auf jeweils einer Linie, welche rechtwinklig zu der
Wickelachse des Elektrodenwickels verläuft, wobei die Kathodenkontaktfahnen sowie die Anodenkontaktfahnen jeweils miteinander fluchten, ist der benötigte Raum für die Kontaktfahnen und für einen verbundenen Kollektor vorteilhaft verkleinert. Die Kontaktfahnen können einfach um eine Achse, die rechtwinklig zu der Wickelachse des Elektrodenwickels verläuft, umgebogen und aufeinander sowie auf den Kollektor gelegt werden. Insbesondere ist es durch diese
Ausgestaltung der Kontaktfahnen möglich, den Elektrodenwickel derart anzuordnen, dass die Kathodenkontaktfahnen und die Anodenkontaktfahnen sich nebeneinander aus dem Elektrodenwickel heraus auf dieselbe Seitenfläche eines Zellengehäuses der Batteriezelle zu erstrecken.
Der Abstand von einer Kontaktfahne zu der nächsten Kontaktfahne der Kathode sowie der Anode wird mit zunehmendem Wickelradius des Elektrodenwickels immer größer. Durch das Ausbilden der Kontaktfahnen jeweils nach einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns ist sichergestellt, dass die Kontaktfahnen nach dem Wickeln auf jeweils einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Durch eine Erwärmung vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern werden die Kathode sowie die Anode weich und flexibel, wodurch die Gefahr von
Rissbildung während des Wickelvorgangs verringert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle ohne Kollektoren,
Figur 2 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform ohne Elektrodenwickel,
Figur 3 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform ohne Elektrodenwickel,
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Elektrodenwickels vor
Einbau in ein Zellengehäuse,
Figur 5a eine teilweise Schnittdarstellung des Elektrodenwickels aus Figur 4 entlang der Schnittlinie V - V vor Verbindung mit einem Kollektor, Figur 5b den Elektrodenwickel aus Figur 5a nach Verbindung mit dem
Kollektor,
Figur 6a eine Abwandlung des Elektrodenwickels aus Figur 5a vor Verbindung mit einem Kollektor,
Figur 6b den Elektrodenwickel aus Figur 6a nach Verbindung mit dem
Kollektor,
Figur 7 eine schematische Darstellung der Herstellung eines
Elektrodenwickels,
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer ersten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel,
Figur 9 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer zweiten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel und
Figur 10 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle mit einer dritten Ausführungsform eines Halters für den Elektrodenwickel.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet ist. Das Zellengehäuse 3 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Die Batteriezelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11, 12 auch geladen werden.
Das quaderförmig ausgebildete Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüber liegen. Die Flächen mit den größten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Frontfläche 33 und zweite Frontfläche 34 bezeichnet. Die Flächen mit den kleinsten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Stirnfläche 35 und zweite Stirnfläche 36 bezeichnet. Die verbleibenden Flächen mit den
mittelgroßen Flächeninhalten werden im Folgenden als Deckfläche 31 und als Bodenfläche 32 bezeichnet.
Die Terminals 11, 12 sind beabstandet voneinander an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 angeordnet. Dabei liegt das negative Terminal 11 benachbart zu der ersten Stirnfläche 35, und das positive Terminal 12 liegt benachbart zu der zweiten Stirnfläche 36.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenwickel 10 angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Kathode 14 und eine Anode 16, aufweist. Die Kathode 14 und die Anode 16 sind folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines ersten Separators 18 und eines zweiten Separators 19 um eine Wickelachse A zu dem Elektrodenwickel 10 gewickelt. Der
Elektrodenwickel 10 ist derart in dem Zellengehäuse 3 angeordnet, dass die Wickelachse A senkrecht zu den Stirnflächen 35, 36 verläuft.
Es ist auch denkbar, dass die Batteriezelle 2 mehrere Elektrodenwickel 10 umfasst, welche elektrisch parallel oder, bei ausreichender Isolation, in Reihe geschaltet sind. Innerhalb des Zellengehäuses 3 ist ferner ein Elektrolyt vorhanden.
Die Anode 16 weist mehrere Anodenkontaktfahnen 26 auf, welche elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden sind. Die Kathode 14 weist mehrere Kathodenkontaktfahnen 24 auf, welche elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden sind. Die
Anodenkontaktfahnen 26 und die Kathodenkontaktfahnen 24 ragen
nebeneinander an derselben Stirnseite aus dem Elektrodenwickel 10 heraus und erstrecken sich von dem Elektrodenwickel 10 auf die erste Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 zu.
Zur elektrischen Verbindung der Anode 16 mit dem negativen Terminal 11 ist ein erster Kollektor 41 vorgesehen. Der erste Kollektor 41 weist einen ersten Bereich 42 auf, welcher parallel zu der ersten Stirnfläche 35 und nahe der ersten
Stirnfläche 35 verläuft und mit den Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 verbunden ist. Der erste Bereich 42 des ersten Kollektors 41 erstreckt sich auf die Deckfläche 31 zu und geht in einem zweiten Bereich 43 über, der sich parallel zu der Deckfläche 31 erstreckt. Der zweite Bereich 43 des ersten Kollektors 41 ist mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind elektrische Isolatoren vorgesehen.
Zur elektrischen Verbindung der Kathode 14 mit dem positiven Terminal 12 ist ein zweiter Kollektor 51 vorgesehen. Der zweite Kollektor 51 weist einen ersten Bereich 52 auf, welcher parallel zu der ersten Stirnfläche 35 nahe der ersten Stirnfläche 35 verläuft und mit den Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 verbunden ist. Der zweite Kollektor 51 weist einen zweiten Bereich 53 auf, welcher mit dem positiven Terminal 12 verbunden ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Batteriezelle 2, die in Fig. 2 dargestellt ist, weist der zweite Kollektor 51 einen mittigen Bereich 55 auf, welcher mit dem ersten Bereich 52 und mit dem zweiten Bereich 53 verbunden ist. Der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich dabei parallel zu den
Frontflächen 33, 34. Vorliegend ist der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der ersten Frontfläche 33 angeordnet. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind elektrische Isolatoren vorgesehen.
Der mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 kann auch zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der zweiten Frontfläche 34 angeordnet sein. Auch können zwei parallel verlaufende mittige Bereich 55 des zweiten Kollektors 51 vorgesehen sein, welche beidseitig des Elektrodenwickels 10 angeordnet sind.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Batteriezelle 2, die in Fig. 3 dargestellt ist, weist der zweite Kollektor 51 einen unteren Bereich 56 auf, welcher mit dem ersten Bereich 52 verbunden ist. Ferner weist der zweite Kollektor 51 einen hinteren Bereich 57 auf, welcher mit dem zweiten Bereich 53 verbunden ist. Dabei ist der untere Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 mit dem hinteren Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 verbunden.
Der untere Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich von dem ersten Bereich 52 des zweiten Kollektors 51 parallel zu der Bodenfläche 32 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der Bodenfläche 32 auf die zweite Stirnfläche 36 zu. Der hintere Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 erstreckt sich von dem zweiten Bereich 53 des zweiten Kollektors 51 parallel zu der zweiten Stirnfläche 36 zwischen dem Elektrodenwickel 10 und der zweiten Stirnfläche 36 auf die Bodenfläche 32 zu. Ferner ist der hintere Bereich 57 des zweiten Kollektors 51 mit dem unteren Bereich 56 des zweiten Kollektors 51 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 sind ebenfalls elektrische Isolatoren vorgesehen. Gemäß einer weiteren, hier nicht dargestellten, Ausführungsform der
Batteriezelle 2 ist das elektrisch leitfähige Zellengehäuse 3 elektrisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. In diesem Fall ist zwischen dem zweiten Kollektor 51 und dem Zellengehäuse 3 kein Isolator erforderlich. Ferner ist es denkbar, das positive Terminal 12 und die Kathodenkontaktfahnen
24 der Kathode 14 elektrisch mit dem Zellengehäuse 3 zu verbinden. In diesem Fall würde das Zellengehäuse 3 die Funktion des zweiten Kollektors 51, nämlich die elektrische Verbindung der Kathodel4 mit dem positiven Terminal 12, übernehmen. In diesem Fall könnte der zweite Kollektor 51 ganz entfallen. Es ist auch denkbar, dass der zweite Kollektor 51 die Kathodenkontaktfahnen 24 der
Kathode 14 elektrisch mit der ersten Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3 verbindet.
In Figur 4 ist eine Draufsicht auf eine Stirnseite des Elektrodenwickels 10 vor dem Einbau in das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 dargestellt. Die
Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 ragen annähernd parallel zu der
Wickelachse A aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. In einer Richtung senkrecht zu der Wickelachse A sind die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 ragen annähernd parallel zu der Wickelachse A aus dem Elektrodenwickel 10 heraus. In einer Richtung senkrecht zu der Wickelachse A sind die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet.
In Figur 5a ist eine teilweise Schnittdarstellung des Elektrodenwickels 10 aus Figur 4 entlang einer Schnittlinie V - V gezeigt. Es ist dabei der Teil des
Elektrodenwickels 10 mit den Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 vor Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 gezeigt. Der zweite Kollektor 51 verläuft dabei senkrecht zu der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10.
Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 weisen dabei unterschiedliche Längen auf. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der
Wickelachse A zugewandt ist, hat die geringste Länge. Die Länge der
Kathodenkontaktfahnen 24 wächst mit zunehmendem Abstand der
Kathodenkontaktfahnen 24 von der der Wickelachse A. Die
Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A abgewandt ist, hat die größte Länge.
In Figur 5b ist der Elektrodenwickel 10 aus Figur 5a nach Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 dargestellt. Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind jeweils um eine Achse, welche senkrecht zu der Wickelachse A verläuft, umgebogen und aufeinander gelegt. Die der Wickelachse A abgewandte Kathodenkontaktfahne 24 der Kathode 14 ist auf den zweiten Kollektor 51 gelegt. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind miteinander sowie mit dem zweiten Kollektor 51 verbunden, insbesondere verschweißt.
Die Längen der einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die dem Elektrodenwickel 10 abgewandten Enden der Kathodenkontaktfahnen 24 nach der Verbindung der Kathodenkontaktfahnen 24 mit dem zweiten Kollektor 51 miteinander fluchten.
In einer alternativen, nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform weisen alle Kathodenkontaktfahnen 24 und/oder alle Anodenkontaktfahnen 26 die gleiche Länge auf. In Figur 6a ist eine Abwandlung des Elektrodenwickels 10 aus Figur 5a vor Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 gezeigt. Der zweite Kollektor 51 verläuft dabei parallel zu der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10. Bei besagter Abwandlung des Elektrodenwickels 10 weisen die einzelnen
Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 unterschiedliche Längen auf. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A und dem zweiten Kollektor 51 zugewandt ist, hat die geringste Länge. Die Länge der
Kathodenkontaktfahnen 24 wächst mit zunehmendem Abstand der
Kathodenkontaktfahnen 24 von der der Wickelachse A und von dem zweiten
Kollektor 51. Die Kathodenkontaktfahne 24, welche der Wickelachse A und dem zweiten Kollektor 51 abgewandt ist, hat die größte Länge.
In Figur 6b ist der Elektrodenwickel 10 aus Figur 6a nach Verbindung mit dem zweiten Kollektor 51 dargestellt. Die einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der
Kathode 14 sind aufeinander gelegt. Die der Wickelachse A zugewandte
Kathodenkontaktfahne 24 der Kathode 14 ist auf den zweiten Kollektor 51 gelegt. Die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 sind miteinander sowie mit dem zweiten Kollektor 51 verbunden, insbesondere verschweißt.
Bei besagter Abwandlung des Elektrodenwickels 10 sind die Längen der einzelnen Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 derart aufeinander abgestimmt, dass die dem Elektrodenwickel 10 abgewandten Enden der
Kathodenkontaktfahnen 24 nach der Verbindung der Kathodenkontaktfahnen 24 mit dem zweiten Kollektor 51 miteinander fluchten.
In Figur 7 ist schematisch die Herstellung des Elektrodenwickels 10 gezeigt. Ein Wickelkern 65 wird um eine Drehachse D gedreht. Eine folienartig ausgebildete Kathode 14, ein folienartig ausgebildeter erster Separator 18, eine folienartig ausgebildete Anode 16 und ein folienartig ausgebildeter zweiter Separator 19 sind an dem Wickelkern 65 befestigt. Die Drehachse D des Wickelkerns 65 fluchtet mit der Wickelachse A des Elektrodenwickels 10.
Durch die Drehung des Wickelkerns 65 werden die Kathode 14, der erste Separator 18, die Anode 16 und der zweite Separator 19 auf den Wickelkern 65 aufgewickelt. Zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 liegt somit jeweils einer der Separatoren 18, 19.
Ein erster Laserstrahl 61 schneidet einen Randbereich der folienartigen Anode 16 ab. Dabei bleiben die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 jedoch stehen. Nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns 65 bleibt eine der Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 stehen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16, wie in Figur 4 dargestellt, auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Die Länge der stehenbleibenden Anodenkontaktfahnen 26 der Anode 16 vergrößert sich dabei mit jeder Umdrehung. Dadurch hat die der Drehachse D sowie der Wickelachse A zugewandte Anodenkontaktfahne 26 der Anode 16 die geringste Länge, und die der Drehachse D sowie der Wickelachse A abgewandte Anodenkontaktfahne 26 der Anode 16 hat die größte Länge.
Ein zweiter Laserstrahl 62 schneidet einen Randbereich der folienartigen
Kathode 14 ab. Dabei bleiben die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 jedoch stehen. Nach jeweils einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns 65 bleibt eine der Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 stehen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14, wie in Figur 4 dargestellt, auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Die Länge der stehenbleibenden Kathodenkontaktfahnen 24 der Kathode 14 vergrößert sich dabei mit jeder Umdrehung. Dadurch hat die der Drehachse D sowie der Wickelachse A zugewandte Kathodenkontaktfahne 24 Kathode 14 die geringste Länge, und die der Drehachse D sowie der Wickelachse A abgewandte Kathodenkontaktfahne 24 Kathode 14 hat die größte Länge, wie in Figur 5a dargestellt ist.
Nachdem die Kathode 14, die Anode 16 und die Separatoren 18, 19 vollständig aufgewickelt sind, kann der Wickelkern 65 entfernt werden. Der Elektrodenwickel 10 kann leicht zusammen gedrückt werden, wodurch der durch den fehlenden Wickelkern 65 verursachte Hohlraum geschlossen wird. In Figur 8 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 70 gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt. Der Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist als rechteckiger Rahmen ausgeführt und ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 70 gemäß der ersten
Ausführungsform umfasst eine erste Längsseite 71 und eine parallel zu der ersten Längsseite 71 verlaufende zweite Längsseite 72. Die erste Längsseite 71 und die zweite Längsseite 72 sind an ihren Enden durch eine erste Querseite 73 und eine zweite Querseite 74 miteinander verbunden. Die erste Querseite 73 und die zweite Querseite 74 verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu den Längsseiten 71, 72. Die erste Längsseite 71 des rahmenförmigen Halters 70 gemäß der ersten
Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der
Batteriezelle 2 befestigt. Von den Enden der ersten Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform erstrecken sich die erste Querseite 73 und die zweite Querseite 74 rechtwinklig von der Deckfläche 31 weg auf die nicht dargestellte Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3 zu. Die erste Querseite 73 verläuft dabei nahe der nicht dargestellten ersten Stirnfläche 35 des
Zellengehäuses 3, und die zweite Querseite 74 verläuft nahe der nicht dargestellten zweiten Stirnfläche 36 des Zellengehäuses 3. Die zweite
Längsseite 72 verläuft nahe der nicht dargestellten Bodenfläche 32 des
Zellengehäuses 3.
In den rahmenförmigen Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist der Elektrodenwickel 10 eingeklemmt. Die Wickelachse A des Elektrodenwickels 10 verläuft dabei parallel zu den Längsseiten 71, 72 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Anode 16 und die Kathode 14 ragen nahe der ersten Querseite 73 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform aus dem Elektrodenwickel 10 heraus.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67
angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der
Deckfläche 31 fixiert.
Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Die erste Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten
Abstandshalter 68 verbunden. Die erste Längsseite 71 des Halters 70 gemäß der ersten Ausführungsform ist dabei, ähnlich einer Clipsverbindung, in
entsprechende Aussparungen der Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten. Es ist auch denkbar, dass der Halter 70 gemäß der ersten Ausführungsform einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist.
In Figur 9 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 80 gemäß einer zweiten Ausführungsform für einen nicht dargestellten Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt.
Der Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist in Form einer, zumindest weitgehend, geschlossenen Dose ausgeführt und ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst einen Deckelbereich 81 und einen Bodenbereich 82. Der Deckelbereich 81 des Halters 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 befestigt. In der gezeigten Darstellung ist der Bodenbereich 82 von dem Deckelbereich 81 entfernt angeordnet. Der Bodenbereich 82 wird, nach Anschluss des nicht dargestellten Elektrodenwickels 10, auf den Deckelbereich 81 gedrückt und verrastet an dem Deckelbereich 81 formschlüssig. Der nicht dargestellte
Elektrodenwickel 10 ist danach von dem in Form einer Dose ausgestalteten Halter 80 gemäß der zweiten Ausführungsform umgeben.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67
angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten
Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert. Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Der Deckelbereich 81 des Halters 80 gemäß der zweiten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten
Abstandshalter 68 verbunden. Der Deckelbereich 81 umfasst Laschen, welche ähnlich einer Clipsverbindung, in entsprechende Aussparungen der
Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten sind. Es ist auch denkbar, dass der Deckelbereich 81 einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist. In Figur 10 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2 mit einem Halter 90 gemäß einer dritten Ausführungsform für einen nicht
dargestellten Elektrodenwickel 10 gezeigt. Die Kollektoren 41, 51 sind nicht vollständig dargestellt.
Der Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist als rechteckiger, flächiger Gegenstand ausgeführt und ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt. Der Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist von einer Kopfseite 91, einer parallel zu der Kopfseite 91 verlaufenden Fußseite 92, einer ersten Außenseite 93 und einer zweiten
Außenseite 94 begrenzt. Die erste Außenseite 93 und die zweite Außenseite 94 verlaufen parallel zueinander und rechtwinklig zu der Kopfseite 91 und der Fußseite 92.
Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist an der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 befestigt. Die erste Außenseite 93 und die zweite Außenseite 94 erstrecken sich rechtwinklig von der Deckfläche 31 weg auf die nicht dargestellte Bodenfläche 32 des Zellengehäuses 3 zu. Die erste Außenseite 93 verläuft dabei nahe der nicht dargestellten ersten Stirnfläche 35 des Zellengehäuses 3, und die zweite Außenseite 94 verläuft nahe der nicht dargestellten zweiten Stirnfläche 36 des Zellengehäuses 3. Die
Fußseite 92 verläuft nahe der nicht dargestellten Bodenfläche 32 des
Zellengehäuses 3.
Der nicht dargestellte Elektrodenwickel 10 ist um den Halter 90 gemäß der dritten Ausführungsform herum gewickelt. Die Wickelachse A des Elektrodenwickels 10 verläuft dabei rechtwinklig zu der Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform und rechtwinklig zu der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Die Anode 16, die Kathode 14 und die Separatoren 18, 19 sind also um die Außenseiten 93, 94 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform herum gelegt.
Der erste Kollektor 41 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem negativen Terminal 11 verbunden. Zwischen dem ersten Kollektor 41 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein erster Abstandshalter 67
angeordnet. Der erste Abstandshalter 67 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den ersten Kollektor 41 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der erste Abstandshalter 67 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der
Deckfläche 31 fixiert.
Der zweite Kollektor 51 der Batteriezelle 2 ist elektrisch und mechanisch mit dem positiven Terminal 12 verbunden. Zwischen dem zweiten Kollektor 51 und der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3 ist ein zweiter Abstandshalter 68 angeordnet. Der zweite Abstandshalter 68 ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, insbesondere aus einem Kunststoff, gefertigt und isoliert den zweiten Kollektor 51 elektrisch von der Deckfläche 31 des Zellengehäuses 3. Der zweite Abstandshalter 68 ist somit mechanisch innerhalb des Zellengehäuses 3 an der Deckfläche 31 fixiert.
Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist mechanisch mit dem ersten Abstandshalter 67 und mit dem zweiten
Abstandshalter 68 verbunden. Die Kopfseite 91 des Halters 90 gemäß der dritten Ausführungsform ist dabei, ähnlich einer Clipsverbindung, in entsprechende
Aussparungen der Abstandshalter 67, 68 eingedrückt und dort formschlüssig gehalten. Es ist auch denkbar, dass der Halter 90 gemäß der dritten
Ausführungsform einstückig mit den Abstandshaltern 67, 68 ausgebildet ist. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
Batteriezelle (2), umfassend mindestens einen Elektrodenwickel (10) mit einer Kathode (14) und mit einer Anode (16), wobei die Kathode (14) Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist und wobei die Anode (16) Anodenkontaktfahnen (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (14) und die Anode (16) um eine Wickelachse (A) gewickelt sind und, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) und/oder die
Anodenkontaktfahnen (26) jeweils in einer Richtung rechtwinklig zu der Wickelachse (A) auf einer Linie miteinander fluchtend angeordnet sind.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) eine unterschiedliche Länge aufweisen und/oder dass die Anodenkontaktfahnen (24) eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Batteriezelle (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wickelachse (A) zugewandte Kathodenkontaktfahne (24) die geringste Länge aller Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist, und/oder dass die der Wickelachse (A) zugewandte Anodenkontaktfahne (26) die geringste Länge aller Anodenkontaktfahnen (26) aufweist.
Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Wickelachse (A) abgewandte
Kathodenkontaktfahne (24) die größte Länge aller
Kathodenkontaktfahnen (24) aufweist, und/oder dass die der
Wickelachse (A) abgewandte Anodenkontaktfahne (26) die größte Länge aller Anodenkontaktfahnen (26) aufweist.
5. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenkontaktfahnen (24) und/oder die Anodenkontaktfahnen (26) mit einem Kollektor (41, 51) verbunden, insbesondere verschweißt, sind, welcher rechtwinklig zu der
Wickelachse (A) verläuft.
Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenwickels (10) für eine
Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine folienartig ausgebildete Kathode (14) und eine folienartig ausgebildete Anode (16) an einem Wickelkern (65) befestigt werden, und die Kathode (14) und die Anode (16) durch Drehung des
Wickelkerns (65) um eine Drehachse (D) auf den Wickelkern (65) aufgewickelt werden, und
ein Randbereich der Kathode (14) beschnitten wird, wobei die
Kathodenkontaktfahnen (24) stehen bleiben, und/oder
ein Randbereich der Anode (16) beschnitten wird, wobei die
Anodenkontaktfahnen (26) stehen bleiben.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeweils einer ganzen Umdrehung oder nach einem ganzzahligen Vielfachen einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns (65) mindestens eine der Kathodenkontaktfahnen (24) stehen bleibt, und/oder
dass nach jeweils einer ganzen Umdrehung oder nach einem
ganzzahligen Vielfachen einer ganzen Umdrehung des Wickelkerns (65) mindestens eine der Anodenkontaktfahnen (26) stehen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der stehenbleibenden Kathodenkontaktfahnen (24) mit jeder Umdrehung größer wird, und/oder dass die Länge der stehenbleibenden
Anodenkontaktfahnen (26) mit jeder Umdrehung größer wird.
Batteriesystem, umfassend mindestens eine Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung einer Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PH EV).
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