WO2020104128A1 - Batteriezelle sowie verfahren zum herstellen einer batteriezelle - Google Patents

Batteriezelle sowie verfahren zum herstellen einer batteriezelle

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Daniel Scherer
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Philipp Schmidt
Julian Eberle
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell, in particular a lithium ion battery cell, as is increasingly used in the automotive field, a battery module comprising a plurality of battery cells, and a method for producing a battery cell.
  • Battery cells of the type in question are used, for example, for high-voltage batteries which are used to supply energy to an electric drive machine of an electric or hybrid vehicle.
  • Battery cells of this type generally have metallic housings (surfaces) which are provided with insulation in some way.
  • a lithium ion battery which has a metallic housing, the outer surface of the metallic housing having an insulating coating which is applied in one or more layers and is firmly connected to the metallic outer surface of the battery.
  • This type of coating can be, for example, a lacquer or a film. The challenge with such coatings or insulation is in particular to ensure that it adheres reliably.
  • a battery cell comprises a metallic housing, an outer surface of the housing having a coating at least in regions, and a laser structuring being arranged or provided under the coating at least in regions. Adhesion of the coating can advantageously be increased by the laser structuring.
  • the housing has a laser structure at least in regions, that is to say is structured by means of a laser, surface being coated on the laser-structured surface, at least in regions.
  • the coating is an insulating varnish.
  • the insulating lacquer is expediently an electrically insulating lacquer, in particular a lacquer curable by UV radiation.
  • the housing can be insulated by the electrically insulating lacquer.
  • the housing is an aluminum housing.
  • an oxide layer formed on the surface, in particular on the aluminum can be removed and / or homogenized.
  • a material of the housing comprises aluminum or an aluminum alloy.
  • the laser structuring has structure scoring in a range from about 0.1 to 20 pm, preferably from at least 0.3, 0.5 or 1 pm. This enables optimal adhesion to the coating, in particular to the aforementioned insulating varnish.
  • the coating is applied over the entire surface of the outer surface.
  • one or more areas are also left blank, for example if this is necessary for the further production or assembly process.
  • Such lamination areas can be provided at a wide variety of locations. In the case of a battery module, comprising a large number of battery cells, these lamination areas can advantageously be arranged on the housings in such different ways that, in the case of two adjacent battery cells, two lamination areas never lie one on top of the other.
  • the laser structuring is applied only in sections.
  • the aforementioned lamination areas are not laser-structured. This saves time and costs during production.
  • the laser structuring is expediently only provided where this is really necessary for insulation reasons.
  • the housing has a prismatic shape, comprising an upper side, a lower side and large and small side surfaces, and the large side surfaces or large surfaces each have a peripheral edge which has the laser structuring.
  • the small side surfaces or the small surfaces and the underside as well as the aforementioned edge (surfaces on both large sides) are expediently laser-structured, since leakage currents can occur in particular in these areas.
  • the aforementioned housing is preferably coated over the entire surface, in particular thus provided with insulating varnish, with the poles being excluded and areas also being formed in which the insulating varnish is directly on the housing of the battery cell, ie can be arranged virtually without a laser structuring in between. This means that the coating or insulation can be optimized or ensured in a very targeted manner where this is still necessary.
  • the invention also relates to a battery module comprising a multiplicity of battery cells according to the invention.
  • the battery module comprises a plurality of battery cells, two pressure plates, between which the battery cells are arranged, with at least two tie rods, which are guided along opposite side areas of the at least two battery cells and which with the pressure plates to form one Surrounding battery cells and pressing the battery cells together are connected to the cell module frame, and wherein the tie rods are preferably connected to the respective side areas of the battery cells by means of an adhesive connection.
  • the adhesive forming the adhesive connection is applied to the coating or insulation of the battery cell housing at a suitable point. This is not a problem in the present case, since the insulation by the laser structuring adheres excellently and reliably.
  • the invention further relates to a method for producing or isolating a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell with an aluminum housing, comprising the steps:
  • the method comprises the provision of a battery cell or in particular a housing of a battery cell and its processing.
  • the coating is preferably formed by an insulating varnish.
  • the application of the coating or the insulating varnish can be done by dipping and / or by spraying and / or by powder coating.
  • a continuously emitting solid-state laser is used as the laser.
  • the housing can be completed after the aforementioned process steps.
  • the housing does not comprise any further components or electrical components, such as the cell stack, the cell terminal, the poles, etc., prior to the laser structuring and / or the coating.
  • the housing as such can already be completely or at least partially completed be, in particular to the extent that it is z. B. only needs to be switched ver.
  • the method comprises the step:
  • the laser structuring is advantageously only provided where this is really necessary.
  • these are, for example, the underside, the small side surfaces and the edge areas of the large side surfaces.
  • Laser structuring enables the oxide layer to be removed or a defined oxide layer to be produced which is free of any type of contamination.
  • the laser pre-treatment ensures the adhesion of the insulation varnish, so that the structure of the varnished cell is glued to the adjacent module frame components, cf. the aforementioned battery module is made possible.
  • the adhesion of the insulation is so good that it is suitable as the basis for an adhesive connection.
  • Such cell isolation is also extremely robust as such and enables good further processing of the battery cell or the housing.
  • the laser structuring can give the best values, e.g. B. GT0 can be achieved.
  • Fig. 1 shows a battery cell, in particular a prismatic battery cell, with a Ge housing 10, the housing 10 having an upper surface 12, a lower surface 14 and large side surfaces 16 (large surfaces) and small side surfaces 18 (small surfaces). On the upper side 12, the poles 20 are arranged.
  • Reference symbol S1 denotes an area on the large side surfaces 16 which is not coated.
  • the coating is in particular an insulating varnish.
  • the housing 10, as outlined in FIG. 1, is completely coated with insulating varnish before on the small side surfaces 18, on the underside 14 and on the large side surfaces 16, the region S1 being excluded.
  • the housing 10 or an outer surface of the housing 10 is likewise provided with a laser structuring over the entire surface, the region S1 may or may not be excluded.
  • FIG. 2 now shows a further embodiment of a housing 10 of a battery cell, the essential features already being known from FIG. 1 and therefore not in the present case can be repeated further.
  • the small side surfaces 18 and the large side surfaces 16 coated with insulating varnish over the entire surface there is a bottom 14, the small side surfaces 18 and the large side surfaces 16 coated with insulating varnish over the entire surface, however, the laser structuring is not provided over the entire surface, but only on the underside 14, the small side surfaces 18 and the peripheral edge areas S2 of the large side surface - Chen 16, the edge widths being provided with the reference symbols x, y and z.
  • These marginal widths can be adjusted individually, for example if this is necessary due to leakage currents.
  • the area S1 denotes a lamination area, as is already known from FIG.
  • the area S1 may or may not be laser structured.
  • the area S2 designates the edge area which is laser-structured and painted, while the area S3 designates an area which is provided with insulating varnish, but has no laser structure below.

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Abstract

Batteriezelle, umfassend ein metallisches Gehäuse, wobei eine Außenfläche des Gehäuses zumindest bereichsweise eine Beschichtung aufweist, und wobei unter der Beschichtung zumindest bereichsweise eine Laserstrukturierung vorgesehen ist.

Description

Batteriezelle sowie Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionenbatterie zelle, wie sie zunehmend im Kraftfahrzeugbereich Verwendung findet, ein Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Batte riezelle.
Batteriezellen der in Rede stehenden Art werden beispielsweise für Hochvoltbatterien ver wendet, welche zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs dienen. Derartige Batteriezellen besitzen in der Regel metallische Ge- häuse(-Oberflächen), welche in irgendeiner Art und Weise mit einer Isolation versehen sind. Aus der DE 10 2012 213 868 A1 ist beispielsweise eine Lithiumionenbatterie bekannt, wel che ein metallisches Gehäuse besitzt, wobei die Außenfläche des metallischen Gehäuses eine isolierende Beschichtung aufweist, die ein- oder mehrlagig aufgetragen und fest mit der metallischen Außenfläche der Batterie verbunden vorliegt. Dabei kann es sich bei einer der artigen Beschichtung beispielsweise um einen Lack oder um eine Folie handeln. Die Heraus forderung bei derartigen Beschichtungen oder Isolationen besteht dabei insbesondere darin, sicherzustellen, dass diese zuverlässig haftet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Batteriezellen weiter zuentwickeln und insbesondere deren Isolierung zu optimieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1 , durch ein Batteriemodul ge mäß Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beige fügten Figuren.
Erfindungsgemäß umfasst eine Batteriezelle ein metallisches Gehäuse, wobei eine Außen fläche des Gehäuses zumindest bereichsweise eine Beschichtung aufweist, und wobei unter der Beschichtung zumindest bereichsweise eine Laserstrukturierung angeordnet oder vorge sehen ist. Mit Vorteil kann durch die Laserstrukturierung eine Haftung der Beschichtung er höht werden. Insbesondere weist das Gehäuse zumindest bereichsweise eine Laserstruktu rierung auf, ist also mittels eines Lasers strukturiert, wobei auf die laserstrukturierte Oberflä che, zumindest bereichsweise, beschichtet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Beschichtung um einen Isolationslack. Zweckmäßigerweise ist der Isolationslack ein elektrisch isolierender Lack, ins besondere ein durch UV-Strahlung aushärtbarer Lack. Durch den elektrisch isolierenden Lack kann eine Isolation des Gehäuses erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse ein Aluminiumgehäuse. Durch das Laserstrukturieren bzw. durch den Laserprozess kann eine sich auf der Oberfläche, ins besondere auf dem Aluminium, gebildete Oxidschicht entfernt und/oder homogenisiert wer den. Insbesondere umfasst ein Material des Gehäuses Aluminium oder eine Aluminiumlegie rung.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserstrukturierung Strukturriefen in einem Bereich von etwa 0,1 bis 20 pm auf, bevorzugt von zumindest 0,3, 0,5 oder 1 pm. Dies ermöglicht eine optimale Adhäsion zur Beschichtung, insbesondere zum vorgenannten Isolationslack.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Beschichtung vollflächig auf die Außenfläche aufgetra gen. Mit Vorteil sind ein oder mehrere Bereiche auch ausgespart, beispielsweise wenn dies für den weiteren Produktions- bzw. Montageverlauf nötig ist. Derartige Kaschierungsbereiche können an den verschiedensten Stellen vorgesehen sein. Bei einem Batteriemodul, umfas send eine Vielzahl von Batteriezellen, können diese Kaschierungsbereiche mit Vorteil derart unterschiedlich auf den Gehäusen angeordnet sein, dass bei zwei aneinander grenzenden Batteriezellen nie zwei Kaschierungsbereiche aufeinander liegen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserstrukturierung nur abschnittsweise aufgebracht. Beispielsweise sind die vorgenannten Kaschierungsbereiche nicht laserstrukturiert. Dies spart Zeit und Kosten bei der Herstellung. Zweckmäßigerweise ist die Laserstrukturierung nur dort vorgesehen, wo dies aus Isolationsgründen auch wirklich notwendig ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse eine prismatische Form auf, umfassend eine Oberseite, eine Unterseite sowie große und kleine Seitenflächen und wobei die großen Seitenflächen bzw. Großflächen jeweils einen umlaufenden Rand aufweisen, welcher die La serstrukturierung aufweist. Zweckmäßigerweise sind die kleinen Seitenflächen bzw. die Kleinflächen sowie die Unterseite als auch der vorgenannte Rand (auf beiden großen Seiten flächen) laserstrukturiert, da insbesondere in diesen Bereichen Kriechströme auftreten kön nen. Bevorzugt ist das vorgenannte Gehäuse vollflächig beschichtet, insbesondere also mit Isolationslack versehen, wobei die Pole ausgenommen sind und wobei auch Bereiche gebil det werden, bei welchen der Isolationslack direkt auf dem Gehäuse der Batteriezelle, also quasi ohne eine Laserstrukturierung dazwischen, angeordnet sein kann. Somit kann sehr ge zielt die Beschichtung bzw. Isolation dort optimiert bzw. sichergestellt werden, wo dies noch nötig ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemä ßen Batteriezellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei zwei Druckplatten, zwischen welchen die Batteriezel len angeordnet sind, mit zumindest zwei Zugankern, welche entlang von gegenüberliegen den Seitenbereichen der zumindest zwei Batteriezellen geführt sind und welche mit den Druckplatten unter Ausbildung eines die Batteriezellen umgebenden und die Batteriezellen aneinanderpressenden Zellmodulrahmens verbunden sind, und wobei die Zuganker bevor zugt mittels einer Klebeverbindung mit den jeweiligen Seitenbereichen der Batteriezellen stoffschlüssig verbunden sind. Der die Klebeverbindung bildende Kleber wird auf die Be schichtung bzw. Isolation der Batteriezellengehäuse an geeigneter Stelle aufgetragen. Dies ist vorliegend unproblematisch, da die Isolation durch die Laserstrukturierung ausgezeichnet und zuverlässig haftet.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen oder Isolieren einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithiumionenbatteriezelle mit einem Aluminiumgehäuse, umfassend die Schritte:
Erzeugen einer Laserstrukturierung auf einem Gehäuse einer Batteriezelle;
Aufbringen einer Beschichtung auf die Laserstrukturierung bzw. das Gehäuse.
Insbesondere umfasst das Verfahren das Bereitstellen einer Batteriezelle bzw. insbesondere eines Gehäuses einer Batteriezelle sowie dessen Bearbeitung. Bevorzugt wird die Beschich tung durch einen Isolationslack gebildet. Das Aufbringen der Beschichtung bzw. des Isolati onslacks kann durch Tauchen und/oder durch Sprühen und/oder auch durch ein Pulverbe schichten erfolgen. Als Laser wird gemäß einer Ausführungsform ein kontinuierlich emittie render Festkörperlaser verwendet. Das Gehäuse kann im Anschluss an die vorgenannten Verfahrensschritte komplettiert werden. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ge häuse also vor der Laserstrukturierung und/oder der Beschichtung keine weiteren Bauteile oder elektrischen Komponenten, wie beispielsweise den Zellstapel, das Zellterminal, umfas send die Pole etc. Alternativ kann das Gehäuse als solches bereits ganz oder zumindest teil weise komplettiert sein, insbesondere soweit komplettiert sein, dass es z. B. nur noch ver schaltet werden muss.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
Bereichsweise Aufbringen oder Erzeugen der Laserstrukturierung. Mit Vorteil wird die Laserstrukturierung nur dort vorgesehen, wo dies auch wirklich nötig ist. Bei einer prismatischen Zelle sind dies beispielsweise die Unterseite, die kleinen Seitenflä chen sowie die Randbereiche der großen Seitenflächen.
Die Laserstrukturierung ermöglicht ein Entfernen der Oxidschicht oder das Erzeugen einer definierten Oxidschicht, die frei von Verschmutzungen jeglicher Art ist. Durch die Laservorbe handlung wird die Haftung des Isolationslacks sichergestellt, sodass eine Strukturverklebung der lackierten Zelle an angrenzende Modulrahmenbauteile, vgl. das vorerwähnte Batteriemo dul, ermöglicht ist. Mit anderen Worten ist die Haftung der Isolation so gut, dass diese als Basis für eine Klebeverbindung geeignet ist. Eine derartige Zellisolation ist zudem als sol ches äußerst robust und ermöglicht eine gute Weiterverarbeitung der Batteriezelle bzw. des Gehäuses. In der Gitterschnittprüfung können durch die Laserstrukturierung beste Kenn werte, z. B. GT0, erzielt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsformen von Batteriezellen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine Ausführungsform einer Batteriezelle in einer Seitenansicht;
Fig. 2: eine weitere Ausführungsform einer Batteriezelle.
Fig. 1 zeigt eine Batteriezelle, insbesondere eine prismatische Batteriezelle, mit einem Ge häuse 10, wobei das Gehäuse 10 eine Oberseite 12, eine Unterseite 14 sowie große Seiten flächen 16 (Großflächen) und kleine Seitenflächen 18 (Kleinflächen) aufweist. Auf der Ober seite 12 sind die Pole 20 angeordnet. Bezugszeichen S1 bezeichnet einen Bereich auf den großen Seitenflächen 16, welcher nicht beschichtet ist. Bei der Beschichtung handelt es sich insbesondere um einen Isolationslack. Das Gehäuse 10, wie in der Fig. 1 skizziert, ist bevor zugt an den kleinen Seitenflächen 18, an der Unterseite 14 sowie auf den großen Seitenflä chen 16 vollflächig mit Isolationslack beschichtet, wobei der Bereich S1 ausgenommen ist. Ebenso vollflächig ist das Gehäuse 10 bzw. eine Außenfläche des Gehäuses 10 mit einer Laserstrukturierung versehen, wobei der Bereich S1 ausgenommen sein kann oder auch nicht.
Fig. 2 zeigt nun eine weitere Ausführungsform eines Gehäuses 10 einer Batteriezelle, wobei die wesentlichen Merkmale bereits aus der Fig. 1 bekannt sind und daher vorliegend nicht weiter wiederholt werden. Auch hier sind eine Unterseite 14, die kleinen Seitenflächen 18 so wie die großen Seitenflächen 16 vollflächig mit Isolationslack beschichtet, allerdings ist die Laserstrukturierung hier nicht vollflächig vorgesehen, sondern nur auf der Unterseite 14, den kleinen Seitenflächen 18 sowie den umlaufenden Randbereichen S2 der großen Seitenflä- chen 16, wobei die Randbreiten mit dem Bezugszeichen x, y und z versehen sind. Diese Randbreiten können individuell angepasst werden, beispielsweise wenn dies aufgrund auf tretender Kriechströme nötig ist. Der Bereich S1 bezeichnet einen Kaschierungsbereich, wie er bereits aus der Fig. 1 bekannt ist, wobei dieser Bereich bevorzugt nicht mit Isolationslack versehen ist, weil hier beispielsweise die Batteriezelle für die Montage kontaktiert wird. Der Bereich S1 kann laserstrukturiert sein oder auch nicht. Der Bereich S2 bezeichnet den Rand bereich, welcher laserstrukturiert und lackiert ist, während der Bereich S3 einen Bereich be zeichnet, welcher zwar mit Isolationslack versehen ist, aber keine Laserstrukturierung darun ter aufweist.
Bezugszeichenliste
10 Gehäuse
12 Oberseite
14 Unterseite
16 Seitenfläche (groß)
18 Seitenfläche (klein)
20 Pol
S1 Bereich 1
S2 Bereich 2
S3 Bereich 3 x Randbreite y Randbreite z Randbreite

Claims

Ansprüche
1. Batteriezelle,
umfassend ein metallisches Gehäuse (10),
wobei eine Außenfläche des Gehäuses (10) zumindest bereichsweise eine Beschich tung aufweist, und
wobei unter der Beschichtung zumindest bereichsweise eine Laserstrukturierung vor gesehen ist.
2. Batteriezelle nach Anspruch 1 ,
wobei die Beschichtung durch einen Isolationslack gebildet ist.
3. Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Gehäuse (10) ein Aluminiumgehäuse ist.
4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Beschichtung vollflächig auf die Außenfläche aufgetragen ist.
5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Laserstrukturierung nur abschnittsweise aufgebracht ist.
6. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Gehäuse (10) eine prismatische Form aufweist, umfassend eine Oberseite (12), eine Unterseite (14) sowie große (16) und kleine Seitenflächen (18), und wobei die großen Seitenflächen (16) jeweils einen umlaufenden Rand aufweisen, wel cher die Laserstrukturierung aufweist.
7. Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen nach einem der vorherge henden Ansprüche.
8. Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle,
umfassend die Schritte:
Erzeugen einer Laserstrukturierung auf einem Gehäuse (10) einer Batteriezelle; Aufbringen einer Beschichtung auf die Laserstrukturierung.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die Beschichtung durch einen Isolationslack gebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-9,
umfassend den Schritt:
Bereichsweise Aufbringen oder Erzeugen der Laserstrukturierung.
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