WO2019145542A1 - Batteriezelle - Google Patents

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WO2019145542A1
WO2019145542A1 PCT/EP2019/052013 EP2019052013W WO2019145542A1 WO 2019145542 A1 WO2019145542 A1 WO 2019145542A1 EP 2019052013 W EP2019052013 W EP 2019052013W WO 2019145542 A1 WO2019145542 A1 WO 2019145542A1
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cathode
anode
cell
layers
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PCT/EP2019/052013
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Martin Busche
Arno Arzberger
Michael BUTZIN
Oliver Inkmann
Timo Kegel
Silvan Poller
Florian POSTLER
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Robert Bosch Gmbh
Gs Yuasa International Ltd.
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a battery cell comprising a cell housing in which an electrode stack is arranged, wherein the electrode stack comprises an anode electrically connected to a negative terminal, which comprises a plurality of anode Einzellagen, and a positive terminal connected to a cathode, which is a plurality of cathode single cell.
  • the cathode single cell and anode single cell layers are alternately stacked with the electrode stack, each separated by a separator layer.
  • a peculiarity of the invention presented here is that the cathode single cell have continuous cathode openings, and that the anode single cell have continuous anode openings, which in the
  • Electrode stack are brought into coverage, so that the electrode stack has a continuous breakthrough through the individual layers and optionally through the separator layers.
  • Electrical energy can be stored electrochemically by means of batteries. Batteries convert this electrochemically stored energy by their discharge into electrically usable energy. Here, a distinction is made between primary batteries and secondary batteries.
  • Primary batteries are dischargeable only once, while secondary batteries, also referred to as accumulators, are rechargeable.
  • secondary batteries also referred to as accumulators
  • so-called lithium-ion battery cells are used in an accumulator. These are characterized among other things by high energy densities, thermal stability and extremely low self-discharge.
  • Lithium-ion battery cells have a positive electrode, also referred to as a cathode, and a negative electrode, also referred to as an anode.
  • the cathode and the anode each comprise a - usually metallic - current conductor, on which an active material is applied.
  • the electrodes of the battery cell are formed like a foil and, with the interposition of a separator, which separates the anode from the cathode, wound into an electrode coil or stacked to form an electrode stack with a plurality of electrode layers. This unit is hereafter referred to as
  • Electrode composite designated.
  • a - usually liquid - electrolyte is the lithium ion exchange between the anode and cathode ensured by the porous separator, thus enabling the electrochemical reaction (discharge / charge).
  • a battery cell further includes a cell case.
  • the electrode assembly described above is arranged within the cell housing.
  • the cell housing is, for example, prismatic, in particular cuboidal, or circular cylindrical. Other types of cell housing are known.
  • the two electrodes of the electrode unit are electrically connected to terminal poles of the battery cell, which are also referred to as terminals.
  • the terminals of the battery cell can be attached to the cell housing and electrically isolated from the cell housing.
  • the cell housing it is also conceivable for the cell housing to have a first housing part, which forms the negative terminal, and a second housing part, which forms the positive terminal, wherein the two housing parts are electrically insulated from one another.
  • Document DE 10 2012 221 684 A1 discloses a battery cell which has a plurality of openings for filling with an electrolyte.
  • the openings for filling with electrolyte are arranged on a top surface as well as on side surfaces of the housing of the battery cell.
  • the liquid electrolyte can be filled at various of the openings provided, and other openings are used for aspirating located within the housing gas.
  • the document DE 10 2012 222 111 A1 discloses a battery cell with a housing in which an electrode winding is arranged.
  • the electrode winding is fixed by means of a locking body in the housing.
  • the locking body has a channel structure, by means of which within the housing resulting gases to a
  • Degassing be conducted in the lid of the housing.
  • a lithium-ion battery which comprises an electrode stack of anode segments, cathode segments and
  • Separator segments has.
  • Cathode segments each through openings. Through the openings, an electrolyte can penetrate the anode segments and the cathode segments and reach the separator segments in a simplified manner.
  • a battery cell which comprises a cell housing in which an electrode stack is arranged, wherein the electrode stack has an anode electrically connected to a negative terminal, which comprises a plurality of anode single cell layers, and a cathode electrically connected to a positive terminal, which has a plurality of cathode single cell.
  • the cathode single cell and anode single cell layers are alternately stacked with the electrode stack, each separated by a separator layer.
  • a peculiarity of the invention presented here is that the cathode single cell have continuous cathode openings, and that the anode single cell have continuous anode openings, which in the
  • Electrode stack are brought into coverage, so that the electrode stack has a continuous breakthrough through the individual layers and optionally through the separator layers.
  • the anode single cell layers, the cathode single cell layers and the separator layers are stacked in a stacking direction with the anode openings and the cathode openings extending in the stacking direction.
  • the anode openings and the cathode openings are, for example, by means of laser cutting or by means of a mechanical cutting tool or punching tool in the Anodeneinzellagen or in the
  • the at least one filling opening is arranged such that the at least one filling opening with the
  • Anode openings and aligned with the cathode openings.
  • the separator layers have continuous separator openings. Also the separator openings in the
  • Separator layers extend in said stacking direction.
  • the Separatorö réelleen are for example by means of laser cutting or by means of a mechanical
  • Cutting tool or punching tool introduced into the anode Einzellagen or in the Kathodeneinzellagen is a cutting tool or punching tool introduced into the anode Einzellagen or in the Kathodeneinzellagen.
  • the separator openings are arranged such that the
  • Separator openings are aligned with the at least one filling opening in the cell housing, with the anode openings and with the cathode openings.
  • the separator openings preferably have a smaller cross-section than the anode openings.
  • the separator openings have a smaller cross-section than the cathode openings.
  • the anode openings preferably have a smaller cross section than the cathode openings.
  • the anode openings are arranged at least approximately centered in the anode single cell layers, and the
  • Cathode openings are at least approximately centered in the cathode single cell layers. Furthermore, the separator openings are preferably centered in the
  • the plug is a solid, which in the at least one
  • Inserted filling opening is introduced.
  • the plug is attached to the cell case, for example, by gluing or laser welding. It is also conceivable to close the at least one filling opening by gluing with a closure sheet or by heat sealing with a pouch film in order to prevent leakage of electrolyte.
  • the cell housing has a first housing part, which forms the negative terminal, and a second housing part, which forms the positive terminal, on.
  • Electric vehicle in a hybrid vehicle (HEV), in a plug-in hybrid vehicle (PHEV), in a stationary battery, in particular for
  • the inventive design of the battery cell allows a simplified diffusion of the electrolyte within the cell housing.
  • the electrolyte can flow past the electrode stack laterally and from there into the electrode stack
  • the electrolyte can also by the
  • Anode openings and the cathode openings flow to the Separatorfolien and penetrate from there into the Separatorfolien.
  • the electrolyte arrives at a minimum distance and thus as quickly as possible to the anode openings and the cathode openings when the filling opening in the cell housing is aligned with the anode openings and with the cathode openings.
  • process times for filling the battery cell with liquid electrolyte can be significantly shortened, thereby saving costs.
  • the filling of the electrolyte is also relatively simple.
  • Cell housing for example, by introducing a solid in the form of a plug, as well as by gluing or by melting closed.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a battery cell
  • FIG. 2 shows a plan view of an anode single cell layer
  • FIG. 3 is a plan view of a cathode cell
  • Figure 4 is a plan view of a Separatorlage
  • FIG. 5 shows a perspective, partially cutaway illustration of a battery cell
  • the battery cell 2 comprises a cell housing 3, which is designed to be electrically conductive.
  • Cell housing 3 has a first housing part 61 and a second housing part 62, which are electrically isolated from each other by a circumferential insulating element 60.
  • the housing parts 61, 62 are made of a metal, for example made of copper or Hilumin.
  • the first housing part 61 forms a negative terminal 11, and the second housing part 62 forms a positive terminal 12.
  • the battery cell 2 can also be charged via the terminals 11, 12.
  • an electrode stack 10 is arranged, which has two electrodes, namely an anode 21 and a cathode 22, and a separator 18.
  • the anode 21 includes a plurality of anode single cell layers 25.
  • the cathode 22 includes a plurality of cathode single cell layers 26.
  • the separator 18 includes a plurality of separator layers 28.
  • Kathodeneinzellenagen 26 are stacked with the interposition of Separatorlagen 28 to the electrode stack 10. Furthermore, a liquid electrolyte is within the
  • the anode 21 comprises anode single cell layers 25, which in turn are designed as a layer composite consisting of a foil-like current conductor 31 (i.d.R., copper foil) with an at least one-sided coating.
  • This coating consists of at least one electrochemically active portion 41 of the i.d.R. solid storage or active material (particles) functioning as an electrochemical storage medium by at least one i.d.R. solid electrically conductive portion (conductive additive, particles) and at least one binder component (i.d.R a polymer) can be supplemented.
  • Other additives are conceivable.
  • the invention is the
  • Porous coating so that the usually liquid electrolyte can penetrate (wet) in the coating and can ensure the transport of lithium ions in the electrolyte to all storage or active material particles.
  • the cathode 22 comprises cathode single cell layers 26, which in turn are designed as a layer composite consisting of a foil-like current conductor 32 (generally aluminum) with an at least one-sided coating.
  • This coating consists of at least one electrochemically active portion 42 the usually solid storage or Active material (particles), which in its function as an electrochemical storage medium can be supplemented by at least one usually electrically conductive component (conductive additive, particles) and at least one binder component (usually a polymer).
  • conductive additive conductive additive, particles
  • binder component usually a polymer
  • the current conductor 31 of the anode 21 is made electrically conductive and made of a metal, for example copper. From the current conductor 31 of the anode 21 protrude anode contact lugs 35 away. The anode contact lugs 35 of the current collector 31 of the anode 21 are electrically connected to the first housing part 61 of the cell housing 3, and thus to the negative terminal 11 of the battery cell 2. Thus, the anode 21 is electrically connected to the negative terminal 11 of the battery cell 2.
  • the current collector 32 of the cathode 22 is made electrically conductive and made of a metal, for example aluminum. From the current collector 32 of the cathode 22 protrude cathode contact lugs 36 away. The cathode contact lugs 36 of the
  • Stromableiters 32 of the cathode 22 are electrically connected to the second housing part 62 of the cell case 3, and thus to the positive terminal 12 of the battery cell 2.
  • FIG. 2 shows a plan view of an anode single-cell layer 25.
  • the anode single-cell layer 25 is flat and plate-shaped and has an approximately rectangular cross-section. Cross-section and expression of the Anodeneinzellage 25 limit the
  • anode contact lug 35 On one side of the Anodeneinzellage 25 protrudes an anode contact lug 35, which is connected to a current conductor 31 of the anode 21, not shown here.
  • the expression as a flag does not limit the advantageousness of the invention, it may also be different in their form and expression.
  • the anode single cell layer 25 has a continuous anode opening 45.
  • Anode opening 45 is arranged approximately centered in the anode single cell 25.
  • the anode opening 45 is present round, ie in the form of a bore, designed.
  • the anode opening 45 can also take other forms and be configured, for example, rectangular, triangular, polygonal or oval. In the present case, exactly one anode opening 45 is shown.
  • the anode single cell 25 can also several
  • FIG. 3 shows a plan view of a cathode cell 26.
  • the cathode cell 26 is likewise flat and plate-shaped and has an approximately rectangular cross-section.
  • the cross-section and the extent of the cathode single cell do not limit the advantageousness of the invention; it can also be of a different nature.
  • On one side of the cathode cell 26 protrudes a cathode contact lug 36, which is connected to a current collector 32, not shown here, the cathode 22.
  • the expression as a flag does not limit the advantageousness of the invention, it may also be different in their form and expression.
  • the cathode single cell 26 has a continuous cathode opening 46.
  • the cathode opening 46 is arranged approximately centered in the cathode single cell 26.
  • the cathode opening 46 is round, that is to say in the form of a bore.
  • the cathode opening 46 can also assume other shapes and be configured, for example, rectangular, triangular, polygonal or oval. In the present case, exactly one cathode opening 46 is shown.
  • the cathode single cell 26 may also have a plurality of through cathode openings 46.
  • FIG. 4 shows a plan view of a separator layer 28.
  • the separator layer 28 is also flat and plate-shaped and has an approximately rectangular cross-section.
  • the separator layer 28 has a continuous separator opening 48.
  • Separator 48 is arranged approximately centered in the separator 28.
  • the separator opening 48 is round, ie in the form of a bore.
  • the separator opening 48 can also assume other shapes and, for example, rectangular, triangular, polygonal or oval. In the present case, exactly one separator opening 48 is shown.
  • the separator layer 28 may also have a plurality of continuous separator openings 48 or no separator opening 48.
  • the anode single cell layers 25 and the cathode single cell layers 26 are stacked with the interposition of separator layers 28 to the electrode stack 10, which is arranged within the cell housing 3.
  • a filling opening 92 is provided for filling the liquid electrolyte.
  • the filling opening 92 may alternatively be provided in the second housing part 62.
  • the filling opening 92 is present round, ie in the form of a bore, designed.
  • the filling opening 92 is arranged such that the filling opening 92 with the
  • Separator 48 form a continuous channel 50 in the
  • Electrode stack 10 10.
  • the liquid electrolyte is first filled in a filling direction A in the filling opening 92 in the cell housing 3.
  • the filling direction A is aligned with the filling opening 92 and with the channel 50 in the electrode stack 10.
  • the liquid electrolyte thus flows first within the channel 50 through the electrode stack 10th
  • the liquid electrolyte fills the channel 50 in the electrode stack 10 and thereby comes into contact with the anode single cell layers 25, the cathode single cell layers 26 and the separator layers 28.
  • the separator layers 28 absorb the liquid electrolyte and are thus impregnated by the liquid electrolyte.
  • the liquid electrolyte diffuses in a diffusion direction B into the separator layers 28.
  • the diffusion direction B in this case runs radially to a center line of the channel 50 of the electrode stack 10.
  • the filling opening 92 in the cell case 3 is closed by means of a plug 96.
  • the plug 96 is, for example, a mushroom-shaped solid which is introduced into the filling opening 92.
  • the plug 96 is then attached to the cell casing 3 by gluing or laser welding. The plug 96 terminates flush with the cell housing 3 outside.
  • the filling opening 92 has a smaller diameter than the

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (2), umfassend ein Zellengehäuse (3), in welchem ein Elektrodenstapel (10) angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel (10) eine mit einem negativen Terminal (11) elektrisch verbundene Anode (21), welche eine Vielzahl von Anodeneinzellagen (25) umfasst, und eine mit einem positiven Terminal (12) elektrisch verbundene Kathode (22), welche eine Vielzahl von Kathodeneinzellagen (26) umfasst, aufweist, wobei die Anodeneinzellagen (25) und die Kathodeneinzellagen (26) alternierend durch je eine Separatorlage (28) getrennt zu dem Elektrodenstapel (10) gestapelt sind, wobei die Anodeneinzellagen (25) durchgehende Anodenöffnungen (45) aufweisen, und die Kathodeneinzellagen (26) durchgehende Kathodenöffnungen (46) aufweisen, In dem Zellengehäuse (3) ist mindestens eine Einfüllöffnung (92) zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten vorgesehen, welche derart angeordnet ist, dass die mindestens eine Einfüllöffnung (92) mit den Anodenöffnungen (45) und mit den Kathodenöffnungen (46) fluchtet.

Description

Beschreibung
Titel
Batteriezelle
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, die ein Zellengehäuse umfasst, in welchem ein Elektrodenstapel angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode, welche eine Vielzahl von Anodeneinzellagen umfasst, und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode, welche eine Vielzahl von Kathodeneinzellagen umfasst, aufweist. Die Kathodeneinzellagen und Anodeneinzellagen sind alternierend, durch je eine Separatorlage getrennt, zu dem Elektrodenstapel gestapelt. Besonderheit der hier dargestellten Erfindung ist, dass die Kathodeneinzellagen durchgehende Kathodenöffnungen aufweisen, und dass die Anodeneinzellagen durchgehende Anodenöffnungen aufweisen, welche in dem
Elektrodenstapel in Überdeckung gebracht werden, sodass der Elektrodenstapel einen durchgehenden Durchbruch durch die Einzellagen und optional durch die Separatorlagen aufweist.
Stand der Technik
Elektrische Energie ist mittels Batterien elektrochemisch speicherbar. Batterien wandeln diese elektrochemisch gespeicherte Energie durch ihre Entladung in elektrisch nutzbare Energie um. Hierbei werden Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden.
Primärbatterien sind nur einmal entladbar, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator 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 Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die Kathode sowie die Anode umfassen je einen - meist metallischen - Stromableiter, auf den ein Aktivmaterial aufgebracht ist. Die Elektroden der Batteriezelle sind folienartig ausgebildet und unter Zwischenlage eines Separators, welcher die Anode von der Kathode trennt, zu einem Elektrodenwickel gewunden oder zu einem Elektrodenstapel mit mehreren Elektrodenlagen gestapelt. Diese Einheit wird im Folgenden als
Elektrodenverbund bezeichnet. Durch einen - in der Regel flüssigen - Elektrolyten wird der Lithiumionenaustausch zwischen Anode und Kathode durch den porösen Separator sichergestellt und so die elektrochemische Reaktion (Entladung/ Aufladung) ermöglicht.
Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf. Innerhalb des Zellengehäuses ist der oben beschriebene Elektrodenverbund angeordnet. Das Zellengehäuse ist beispielsweise prismatisch, insbesondere quaderförmig, oder auch kreiszylindrisch ausgestaltet. Auch andere Bauformen für Zellengehäuse sind bekannt.
Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Anschluss-Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Die Terminals der Batteriezelle können dabei an dem Zellengehäuse angebracht und elektrisch von dem Zellengehäuse isoliert sein. Es ist aber auch denkbar, dass das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, aufweist, wobei die beiden Gehäuseteile elektrisch voneinander isoliert sind.
Das Dokument DE 10 2012 221 684 Al offenbart eine Batteriezelle, welche mehrere Öffnungen zum Befüllen mit einem Elektrolyt aufweist. Die Öffnungen zum Befüllen mit Elektrolyt sind dabei an einer Deckfläche ebenso wie an Seitenflächen des Gehäuses der Batteriezelle angeordnet. Dabei kann der flüssige Elektrolyt an verschiedenen der vorgesehenen Öffnungen eingefüllt werden, und andere Öffnungen dienen zum Absaugen von innerhalb des Gehäuses befindlichem Gas.
Das Dokument DE 10 2012 222 111 Al offenbart eine Batteriezelle mit einem Gehäuse, in welchem ein Elektrodenwickel angeordnet ist. Der Elektrodenwickel ist dabei mittels eines Arretierkörpers in dem Gehäuse fixiert. Der Arretierkörper weist eine Kanalstruktur auf, mittels welcher innerhalb des Gehäuses entstehende Gase zu einer
Entgasungsöffnung im Deckel des Gehäuses geleitet werden.
Aus dem Dokument EIS 2011/0281142 Al ist eine Lithium-Ionen -Batterie bekannt, welche einen Elektrodenstapel aus Anodensegmenten, Kathodensegmenten und
Separatorsegmenten aufweist. Dabei weisen die Anodensegmente und die
Kathodensegmente jeweils durchgehende Öffnungen auf. Durch die Öffnungen kann ein Elektrolyt die Anodensegmente und die Kathodensegmente durchdringen und vereinfacht zu den Separatorsegmenten gelangen.
Offenbarung der Erfindung Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein Zellengehäuse umfasst, in welchem ein Elektrodenstapel angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel eine mit einem negativen Terminal elektrisch verbundene Anode, welche eine Vielzahl von Anodeneinzellagen umfasst, und eine mit einem positiven Terminal elektrisch verbundene Kathode, welche eine Vielzahl von Kathodeneinzellagen umfasst, aufweist. Die Kathodeneinzellagen und Anodeneinzellagen sind alternierend, durch je eine Separatorlage getrennt, zu dem Elektrodenstapel gestapelt. Besonderheit der hier dargestellten Erfindung ist, dass die Kathodeneinzellagen durchgehende Kathodenöffnungen aufweisen, und dass die Anodeneinzellagen durchgehende Anodenöffnungen aufweisen, welche in dem
Elektrodenstapel in Überdeckung gebracht werden, sodass der Elektrodenstapel einen durchgehenden Durchbruch durch die Einzellagen und optional durch die Separatorlagen aufweist.
Die Anodeneinzellagen, die Kathodeneinzellagen und die Separatorlagen sind in eine Stapelrichtung gestapelt, wobei die Anodenöffnungen und die Kathodenöffnungen sich in die Stapelrichtung erstrecken. Die Anodenöffnungen sowie die Kathodenöffnungen sind beispielsweise mittels Laserschneiden oder mittels eines mechanischen Schnittwerkzeugs oder Stanzwerkzeugs in die Anodeneinzellagen beziehungsweise in die
Kathodeneinzellagen eingebracht.
Erfindungsgemäß ist in dem Zellengehäuse mindestens eine Einfüllöffnung zum
Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten vorgesehen. Die mindestens eine Einfüllöffnung ist dabei derart angeordnet, dass die mindestens eine Einfüllöffnung mit den
Anodenöffnungen und mit den Kathodenöffnungen fluchtet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Separatorlagen durchgehende Separatoröffnungen auf. Auch die Separatoröffnungen in den
Separatorlagen erstrecken sich in die besagte Stapelrichtung. Die Separatoröffnungen sind beispielsweise mittels Laserschneiden oder mittels eines mechanischen
Schnittwerkzeugs oder Stanzwerkzeugs in die Anodeneinzellagen beziehungsweise in die Kathodeneinzellagen eingebracht.
Vorzugsweise sind die Separatoröffnungen derart angeordnet, dass die
Separatoröffnungen mit der mindestens einen Einfüllöffnung in dem Zellengehäuse, mit den Anodenöffnungen und mit den Kathodenöffnungen fluchten.
Bevorzugt weisen die Separatoröffnungen einen kleineren Querschnitt auf als die Anodenöffnungen. Somit wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen Anodeneinzellagen und Kathodeneinzellagen auch unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen sowie Lagetoleranzen verhindert.
Ebenso bevorzugt weisen die Separatoröffnungen einen kleineren Querschnitt auf als die Kathodenöffnungen. Somit wird ein elektrischer Kurzschluss zwischen
Anodeneinzellagen und Kathodeneinzellagen auch unter Berücksichtigung von
Fertigungstoleranzen sowie Lagetoleranzen verhindert.
Weiterhin weisen die Anodenöffnungen bevorzugt einen kleineren Querschnitt auf als die Kathodenöffnungen. Dadurch werden insbesondere auch Lithiumablagerungen auf den Anodeneinzellagen beim Entladen der Batteriezelle verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Anodenöffnungen zumindest annähernd zentriert in den Anodeneinzellagen angeordnet, und die
Kathodenöffnungen sind zumindest annähernd zentriert in den Kathodeneinzellagen angeordnet. Ferner sind die Separatoröffnungen vorzugsweise zentriert in den
Separatorlagen angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine
Einfüllöffnung in dem Zellengehäuse mittels eines Stopfens verschlossen. Bei dem Stopfen handelt es sich um einen Festkörper, welcher in die mindestens eine
Einfüllöffnung eingebracht ist. Der Stopfen ist beispielsweise durch Verkleben oder durch Laserschweißen an dem Zellengehäuse befestigt. Es ist auch denkbar, die mindestens eine Einfüllöffnung durch Verkleben mit einem Verschlussblech oder durch Heißsiegeln mit einer Pouchfolie zu verschließen um ein Austreten von Elektrolyt zu verhindern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Zellengehäuse ein erstes Gehäuseteil, welches das negative Terminal bildet, und ein zweites Gehäuseteil, welches das positive Terminal bildet, auf.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem
Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie, insbesondere zur
Netzstabilisierung in Haushalten, oder in einer Batterie in einer marinen Anwendung.
Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
Vorteile der Erfindung Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle ist eine vereinfachte Diffusion des Elektrolyten innerhalb des Zellengehäuses ermöglicht. Der Elektrolyt kann einerseits seitlich an dem Elektrodenstapel vorbeifließen und von dort in die
Separatorfolien eindringen. Zusätzlich kann der Elektrolyt auch durch die
Anodenöffnungen und die Kathodenöffnungen zu den Separatorfolien fließen und von dort in die Separatorfolien eindringen. Der Elektrolyt gelangt dabei auf einen minimalen Weg und somit schnellstmöglich zu den Anodenöffnungen und den Kathodenöffnungen, wenn die Einfüllöffnung in dem Zellengehäuse mit den Anodenöffnungen und mit den Kathodenöffnungen fluchtet. Dadurch lassen sich Prozesszeiten bei der Befüllung der Batteriezelle mit Flüssigelektrolyt signifikant verkürzen und somit Kosten einsparen. In einer erfindungsgemäß ausgestalteten Batteriezelle gestaltet sich auch das Einfüllen des Elektrolyten verhältnismäßig einfach. Vorteilhaft ist die Einfüllöffnung in dem
Zellengehäuse beispielsweise durch Einbringen eines Festkörpers in Form eines Stopfens, sowie durch Verkleben oder durch Aufschmelzen verschließbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle,
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Anodeneinzellage,
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Kathodeneinzellage,
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Separatorlage und
Figur 5 eine perspektivische teilgeschnittene Darstellung einer Batteriezelle,
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 umfasst ein Zellengehäuse 3, welches elektrisch leitend ausgeführt ist. Das
Zellengehäuse 3 weist ein erstes Gehäuseteil 61 und ein zweites Gehäuseteil 62 auf, welche durch ein umlaufendes Isolationselement 60 elektrisch voneinander isoliert sind. Die Gehäuseteile 61, 62 sind aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer oder Hilumin, gefertigt. Das erste Gehäuseteil 61 bildet ein negatives Terminal 11, und das zweite Gehäuseteil 62 bildet 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.
Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist ein Elektrodenstapel 10 angeordnet, welcher zwei Elektroden, nämlich eine Anode 21 und eine Kathode 22, sowie einen Separator 18 aufweist. Die Anode 21 umfasst eine Vielzahl von Anodeneinzellagen 25. Die Kathode 22 umfasst eine Vielzahl von Kathodeneinzellagen 26. Der Separator 18 umfasst eine Vielzahl von Separatorlagen 28. Die Anodeneinzellagen 25 und die
Kathodeneinzellagen 26 sind dabei unter Zwischenlage von Separatorlagen 28 zu dem Elektrodenstapel 10 gestapelt. Ferner ist ein flüssiger Elektrolyt innerhalb des
Zellengehäuses 3 angeordnet.
Die Anode 21 umfasst Anodeneinzellagen 25, die wiederum als Schichtverbund, bestehend aus einem folienartigen Stromableiter 31 (i.d.R. Kupferfolie) mit einer mindestens einseitigen Beschichtung ausgeführt sind. Diese Beschichtung besteht mindestens aus einem elektrochemisch aktiven Anteil 41 dem i.d.R. festen Speicher- oder Aktivmaterial (Partikel), der in seiner Funktion als elektrochemisches Speichermedium durch mindestens einen i.d.R. festen elektrisch leitenden Anteil (Leitadditiv, Partikel) und mindestens einen Binderanteil (i.d.R ein Polymer) ergänzt werden kann. Auch weitere Additive sind denkbar. In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist die
Beschichtung porös ausgeprägt, sodass der in der Regel flüssige Elektrolyt in die Beschichtung eindringen (benetzen) kann und so den Transport von im Elektrolyt mobilen Lithiumionen zu allen Speicher- oder Aktivmaterialpartikeln sicherstellen kann.
Die Kathode 22 umfasst Kathodeneinzellagen 26, die wiederum als Schichtverbund, bestehend aus einem folienartigen Stromableiter 32 (i.d.R. Aluminium) mit einer mindestens einseitigen Beschichtung ausgeführt sind. Diese Beschichtung besteht mindestens aus einem elektrochemisch aktiven Anteil 42 dem i.d.R. festen Speicher- oder Aktivmaterial (Partikel), der in seiner Funktion als elektrochemisches Speichermedium durch mindestens einen i.d.R. festen elektrisch leitenden Anteil (Leitadditiv, Partikel) und mindestens einen Binderanteil (i.d.R ein Polymer) ergänzt werden kann. Auch weitere Additive sind denkbar. In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist die
Beschichtung porös ausgeprägt, sodass der in der Regel flüssige Elektrolyt in die Beschichtung eindringen (benetzen) kann und so den Transport von im Elektrolyt mobilen Lithiumionen zu allen Speicher- oder Aktivmaterialpartikeln sicherstellen kann. Der Stromableiter 31 der Anode 21 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Kupfer. Von dem Stromableiter 31 der Anode 21 ragen Anodenkontaktfahnen 35 weg. Die Anodenkontaktfahnen 35 des Stromableiters 31 der Anode 21 sind elektrisch mit dem ersten Gehäuseteil 61 des Zellengehäuses 3, und somit mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Somit ist auch die Anode 21 mit dem negativen Terminal 11 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
Der Stromableiter 32 der Kathode 22 ist elektrisch leitfähig ausgeführt und aus einem Metall gefertigt, beispielsweise aus Aluminium. Von dem Stromableiter 32 der Kathode 22 ragen Kathodenkontaktfahnen 36 weg. Die Kathodenkontaktfahnen 36 des
Stromableiters 32 der Kathode 22 sind elektrisch mit dem zweiten Gehäuseteil 62 des Zellengehäuses 3, und somit mit dem positiven Terminal 12 der Batteriezelle 2 verbunden. Somit ist auch die Kathode 22 mit dem positiven Terminal 12 der
Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Anodeneinzellage 25. Die Anodeneinzellage 25 ist flach und plattenförmig ausgebildet und weist einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Querschnitt und Ausprägung der Anodeneinzellage 25 schränken die
Vorteilhaftigkeit der Erfindung nicht ein, sie kann auch anders geartet sein. An einer Seite der Anodeneinzellage 25 ragt eine Anodenkontaktfahne 35 weg, welche mit einem hier nicht dargestellten Stromableiter 31 der Anode 21 verbunden ist. Die Ausprägung als Fahne schränkt die Vorteilhaftigkeit der Erfindung nicht ein, sie kann in ihrer Form und Ausprägung auch anders geartet sein.
Die Anodeneinzellage 25 weist eine durchgehende Anodenöffnung 45 auf. Die
Anodenöffnung 45 ist dabei annähernd zentriert in der Anodeneinzellage 25 angeordnet. Die Anodenöffnung 45 ist vorliegend rund, also in Form einer Bohrung, ausgestaltet. Die Anodenöffnung 45 kann aber auch andere Formen annehmen und beispielswiese rechteckig, dreieckig, polygonal oder oval ausgestaltet sein. Vorliegend ist genau eine Anodenöffnung 45 dargestellt. Die Anodeneinzellage 25 kann auch mehrere
durchgehende Anodenöffnungen 45 aufweisen. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Kathodeneinzellage 26. Die Kathodeneinzellage 26 ist ebenfalls flach und plattenförmig ausgebildet und weist einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf. Querschnitt und Ausprägung der Kathodeneinzellage schränken die Vorteilhaftigkeit der Erfindung nicht ein, sie kann auch anders geartet sein. An einer Seite der Kathodeneinzellage 26 ragt eine Kathodenkontaktfahne 36 weg, welche mit einem hier nicht dargestellten Stromableiter 32 der Kathode 22 verbunden ist. Die Ausprägung als Fahne schränkt die Vorteilhaftigkeit der Erfindung nicht ein, sie kann in ihrer Form und Ausprägung auch anders geartet sein.
Die Kathodeneinzellage 26 weist eine durchgehende Kathodenöffnung 46 auf. Die Kathodenöffnung 46 ist dabei annähernd zentriert in der Kathodeneinzellage 26 angeordnet. Die Kathodenöffnung 46 ist vorliegend rund, also in Form einer Bohrung, ausgestaltet. Die Kathodenöffnung 46 kann aber auch andere Formen annehmen und beispielswiese rechteckig, dreieckig, polygonal oder oval ausgestaltet sein. Vorliegend ist genau eine Kathodenöffnung 46 dargestellt. Die Kathodeneinzellage 26 kann auch mehrere durchgehende Kathodenöffnungen 46 aufweisen.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Separatorlage 28. Auch die Separatorlage 28 ist flach und plattenförmig ausgebildet und weist einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf.
Die Separatorlage 28 weist eine durchgehende Separatoröffnung 48 auf. Die
Separatoröffnung 48 ist dabei annähernd zentriert in der Separatorlage 28 angeordnet. Die Separatoröffnung 48 ist vorliegend rund, also in Form einer Bohrung, ausgestaltet. Die Separatoröffnung 48 kann aber auch andere Formen annehmen und beispielswiese rechteckig, dreieckig, polygonal oder oval ausgestaltet sein. Vorliegend ist genau eine Separatoröffnung 48 dargestellt. Die Separatorlage 28 kann auch mehrere durchgehende Separatoröffnungen 48 oder keine Separatoröffnung 48 aufweisen.
Figur 5 zeigt eine perspektivische teilgeschnittene Darstellung einer Batteriezelle 2. Wie bereits erwähnt, sind die Anodeneinzellagen 25 und die Kathodeneinzellagen 26 unter Zwischenlage von Separatorlagen 28 zu dem Elektrodenstapel 10 gestapelt, welcher innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnet ist.
In dem Zellengehäuse 3, vorliegend in dem ersten Gehäuseteil 61, ist eine Einfüllöffnung 92 zum Einfüllen des flüssigen Elektrolyten vorgesehen. Die Einfüllöffnung 92 kann alternativ auch in dem zweiten Gehäuseteil 62 vorgesehen sein. Es können auch mehrere Einfüllöffnungen 92 zum Einfüllen des flüssigen Elektrolyten vorgesehen sein. Die Einfüllöffnung 92 ist vorliegend rund, also in Form einer Bohrung, ausgestaltet.
Die Einfüllöffnung 92 ist derart angeordnet, dass die Einfüllöffnung 92 mit den
Anodenöffnungen 45 in den Anodeneinzellagen 25, mit den Kathodenöffnungen 46 in den Kathodeneinzellagen 26 und mit den Separatoröffnungen 48 in den Separatorlagen 28 fluchtet. Die Anodenöffnungen 45, die Kathodenöffnungen 46 und die
Separatoröffnungen 48 bilden dabei einen durchgehenden Kanal 50 in dem
Elektrodenstapel 10.
Bei der Herstellung der Batteriezelle 2 wird der flüssige Elektrolyt zunächst in einer Einfüllrichtung A in die Einfüllöffnung 92 in dem Zellengehäuse 3 eingefüllt. Die Einfüllrichtung A fluchtet dabei mit der Einfüllöffnung 92 und mit dem Kanal 50 in dem Elektrodenstapel 10. Der flüssige Elektrolyt fließt somit zunächst innerhalb des Kanals 50 durch den Elektrodenstapel 10.
Der flüssige Elektrolyt füllt dabei den Kanal 50 in dem Elektrodenstapel 10 und gelangt dadurch in Kontakt zu den Anodeneinzellagen 25, zu den Kathodeneinzellagen 26 und zu den Separatorlagen 28. Die Separatorlagen 28 saugen dabei den flüssigen Elektrolyt auf und werden somit von dem flüssigen Elektrolyt getränkt. Der flüssige Elektrolyt diffundiert dabei in eine Diffusionsrichtung B in die Separatorlagen 28 hinein. Die Diffusionsrichtung B verläuft dabei radial zu einer Mittellinie des Kanals 50 des Elektrodenstapels 10.
Nachdem eine ausreichende Menge an Elektrolyt in das Zellengehäuse 3 eingefüllt und in die Separatorlagen 28 diffundiert ist wird die Einfüllöffnung 92 in dem Zellengehäuse 3 mittels eines Stopfens 96 verschlossen. Bei dem Stopfen 96 handelt es sich beispielsweise um einen pilzförmig ausgebildeten Festkörper, welcher in die Einfüllöffnung 92 eingebracht wird. Der Stopfen 96 wird anschließend durch Verkleben oder durch Laserschweißen an dem Zellengehäuse 3 befestigt. Der Stopfen 96 schließt außen bündig mit dem Zellengehäuse 3 ab.
Die Einfüllöffnung 92 weist dabei einen geringeren Durchmesser auf als die
Anodenöffnungen 45, die Kathodenöffnungen 46 und die Separatoröffnungen 48. Somit hat der Stopfen 96 keinen Kontakt zu den Anodeneinzellagen 25 und den
Kathodeneinzellagen 26. Insbesondere, wenn die Separatorlagen 28 keine
Separatoröffnungen 48 aufweisen, ragt der Stopfen 96 nicht in den Elektrodenstapel 10 hinein. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Batteriezelle (2), umfassend
ein Zellengehäuse (3), in welchem ein Elektrodenstapel (10) angeordnet ist, wobei der Elektrodenstapel (10)
eine mit einem negativen Terminal (11) elektrisch verbundene Anode (21), welche eine Vielzahl von Anodeneinzellagen (25) umfasst, und
eine mit einem positiven Terminal (12) elektrisch verbundene Kathode (22), welche eine Vielzahl von Kathodeneinzellagen (26) umfasst, aufweist, wobei die Anodeneinzellagen (25) und die Kathodeneinzellagen (26) alternierend durch je eine Separatorlage (28) getrennt zu dem Elektrodenstapel (10) gestapelt sind, wobei
die Anodeneinzellagen (25) durchgehende Anodenöffnungen (45) aufweisen, und die Kathodeneinzellagen (26) durchgehende Kathodenöffnungen (46) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Zellengehäuse (3) mindestens eine Einfüllöffnung (92) zum Einfüllen eines flüssigen Elektrolyten vorgesehen ist, welche derart angeordnet ist, dass die mindestens eine Einfüllöffnung (92) mit den Anodenöffnungen (45) und mit den Kathodenöffnungen (46) fluchtet.
2. Batteriezelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Separatorlagen (28) durchgehende Separatoröffnungen (48) aufweisen.
3. Batteriezelle (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Separatoröffnungen (48) mit der mindestens einen Einfüllöffnung (92), mit den Anodenöffnungen (45) und mit den Kathodenöffnungen (46) fluchten.
4. Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Separatoröffnungen (48) einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Anodenöffnungen (45).
5. Batteriezelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Separatoröffnungen (48) einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Kathodenöffnungen (46).
6. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Anodenöffnungen (45) einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Kathodenöffnungen (46).
7. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Anodenöffnungen (45) zentriert in den Anodeneinzellagen (25) angeordnet sind, und dass die Kathodenöffnungen (46) zentriert in den
Kathodeneinzellagen (26) angeordnet sind.
8. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Einfüllöffnung (92) mittels eines Stopfens (96) verschlossen ist.
9. Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Zellengehäuse (3) ein erstes Gehäuseteil (61), welches das negative Terminal (11) bildet, und ein zweites Gehäuseteil (62), welches das positive Terminal (12) bildet, aufweist.
10. Verwendung einer Batteriezelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug- In-Hybridfahrzeug (PHEV), in einer stationären Batterie, oder in einer Batterie in einer marinen Anwendung.
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