WO2023016769A1 - Energiespeicherelement, verbund aus energiespeicherelementen und herstellungsverfahren - Google Patents

Energiespeicherelement, verbund aus energiespeicherelementen und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2023016769A1
WO2023016769A1 PCT/EP2022/070425 EP2022070425W WO2023016769A1 WO 2023016769 A1 WO2023016769 A1 WO 2023016769A1 EP 2022070425 W EP2022070425 W EP 2022070425W WO 2023016769 A1 WO2023016769 A1 WO 2023016769A1
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energy storage
current collector
edge
cup
electrode
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PCT/EP2022/070425
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Reiko Stutz
Stefan STOCK
Herbert Schein
Edward Pytlik
David ENSLING
Stefanie Cadus
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Varta Microbattery Gmbh
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Definitions

  • the invention described below relates to an energy storage element, a composite of energy storage elements and a production method.
  • Electrochemical energy storage elements are capable of converting stored chemical energy into electrical energy through a redox reaction.
  • the simplest form of electrochemical energy storage element is the electrochemical cell. It comprises a positive and a negative electrode separated from each other by a separator. During a discharge, electrons are released at the negative electrode as a result of an oxidation process. This results in an electron stream that can be tapped off by an external electrical consumer for which the electrochemical cell serves as an energy supplier. At the same time, an ion current corresponding to the electrode reaction occurs within the cell. This flow of ions traverses the separator and is made possible by an ion-conducting electrolyte.
  • the discharge is reversible, i.e. if there is the possibility of reversing the conversion of chemical energy into electrical energy during the discharge and charging the cell again, this is referred to as a secondary cell.
  • Secondary lithium-ion cells are used today as energy storage elements for many applications, since they can provide high currents and are characterized by a comparatively high energy density. They are based on the use of lithium, which can migrate back and forth between the electrodes of the cell in the form of ions.
  • the negative electrode and the positive electrode of a lithium-ion cell are usually formed by what are known as composite electrodes, which also include electrochemically inactive components in addition to electrochemically active components.
  • electrochemically active components for secondary lithium-ion cells.
  • active materials carbon-based particles such as graphitic carbon are used for the negative electrode.
  • active materials for the positive elec- for example, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate (LiFePC) or derivatives thereof can be used.
  • the electrochemically active materials are usually contained in the electrodes in particle form.
  • the composite electrodes generally include a flat and/or strip-shaped current collector, for example a metallic foil, which serves as a carrier for the respective active material.
  • the current collector for the negative electrode can be formed of, for example, copper or nickel
  • the current collector for the positive electrode can be formed of, for example, aluminum.
  • the electrodes can comprise an electrode binder (eg polyvinylidene fluoride (PVDF) or another polymer, for example carboxymethyl cellulose), conductivity-improving additives and other additives as electrochemically inactive components.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the electrode binder ensures the mechanical stability of the electrodes and often also the adhesion of the active material to the current collectors.
  • lithium-ion cells usually include solutions of lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in organic solvents (eg ethers and esters of carbonic acid).
  • lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in organic solvents (eg ethers and esters of carbonic acid).
  • the composite electrodes are combined with one or more separators to form a composite body.
  • the electrodes and separators are usually connected to one another under pressure, optionally also by lamination or by gluing.
  • the basic functionality of the cell can then be established by impregnating the composite with the electrolyte.
  • the composite body is formed in the form of a coil or fabricated into a coil. It usually includes the sequence positive electrode / separator / negative electrode. Composite bodies are often produced as so-called bicells with the possible sequences negative electrode/separator/positive electrode/separator/negative electrode or positive electrode/separator/negative electrode/separator/positive electrode.
  • Lithium-ion cells with the highest possible energy density are required for applications in the automotive sector, for e-bikes or for other applications with high energy requirements such as in tools, which are also able to withstand high currents during charging and discharging .
  • Cells for the applications mentioned are often designed as cylindrical round cells, for example with the form factor 21 ⁇ 70 (diameter times height in mm). Cells of this type always comprise a composite body in the form of a coil. Modern lithium-ion cells of this form factor can already achieve an energy density of up to 270 Wh/kg. However, this energy density is only seen as an intermediate step. The market is already demanding cells with even higher energy densities.
  • Cylindrical round cells are described in WO 2017/215900 A1, in which the electrode-separator assembly and its electrodes are designed in the form of a strip and are present in the form of a coil.
  • the electrodes each have current collectors loaded with electrode material.
  • Oppositely polarized electrodes are arranged offset to one another within the electrode-separator combination, so that longitudinal edges of the current collectors of the positive electrodes emerge from the winding on one side and longitudinal edges of the current collectors of the negative electrodes on another side.
  • the cell has a contact plate which is seated on an end face of the winding and is connected to a longitudinal edge of one of the current collectors by welding.
  • Cylindrical round cells such as those in WO 2017/215900 A1 are usually used as part of a cell assembly in which a number of cells are connected to one another in series and/or in parallel. It is often desirable to only have to contact the cells on one of their end faces in order to tap off an electrical voltage. It is correspondingly advantageous to provide both a terminal connected to the positive electrode of the cell and a terminal connected to the negative electrode of the cell on one of the end faces.
  • a lithium-ion round cell is known from US 2006/0019150 A1, which comprises an electrode-separator composite designed as a coil in a cylindrical housing.
  • the housing includes a cylindrical metal housing cup having an opening closed by a metal lid member.
  • the bottom of the housing cup is electrically connected to the positive electrode of the winding, the housing cup is therefore polarized positively. Both housing parts are in direct contact with one another, which is why the cover component is also positively poled.
  • On the A positive metallic connection pole is welded to the cover component.
  • the negative electrode of the winding on the other hand, is connected to a negative metal connection pole, which is routed through an opening in the cover component and is electrically insulated from the cover component.
  • the positive and negative connection poles are thus arranged next to one another on the same side of the cell, so that the cell can be easily integrated into a cell assembly using appropriate current conductors.
  • the cell described in US 2006/0019150 A1 is also characterized by an integrated overpressure protection.
  • the base has a central, circular area which is separated from an annular remaining area of the base by a circumferential weakening line and to which a bent conductor strip is welded on the inside, via which said electrical contact of the base to the positive electrode of the coil exists.
  • the circular area can be blasted out of the ground.
  • a ring-shaped insulator ensures that the ring-shaped residual area has no contact whatsoever with the electrode-separator combination designed as a coil, the electrical connection between the positive electrode and the ring-shaped residual area and all components that are in electrical contact with it, including the positive connection pole, interrupted.
  • the negative electrode of the coil is electrically contacted via a conductor strip that is bent several times, the upper end of which is coupled to the negative terminal pole.
  • the present invention was based on the object of providing energy storage elements which are characterized by an energy density which is improved compared to the prior art and which can be efficiently processed into a cell network. Furthermore, the energy storage elements should also be characterized by improved safety.
  • the invention also relates to the assembly of energy storage elements described below and the manufacturing method described below.
  • a particularly preferred embodiment of the energy storage element according to the invention, the composite according to the invention and the method according to the invention is defined in the independent claims 1, 8 and 9. Preferred embodiments of the invention can be found in the dependent claims 2 to 7.
  • the energy storage element always has the immediately following features a. to I. on: a. It comprises an airtight and liquid-tight sealed housing and an electrode-separator assembly arranged therein.
  • the housing comprises a metallic, cup-shaped housing part which comprises a housing base and an opening at the end.
  • the housing includes a cover component which is welded into the terminal opening of the cup-shaped housing part and closes it.
  • the cover component comprises a metallic cover plate and a connection pole which is routed through an opening in the cover plate and is electrically insulated from the cover plate.
  • the electrode-separator composite comprises a first and a second flat end face.
  • the electrode-separator composite comprises an anode with an anode current collector which has a first edge and a second edge parallel thereto.
  • the anode current collector includes a main portion loaded with a layer of negative electrode material and a free edge strip extending along its first edge which is unloaded with the electrode material.
  • the electrode-separator combination comprises a cathode with a cathode current collector, which has a first edge and a second edge parallel thereto.
  • the cathode current collector includes a main portion loaded with a layer of positive electrode material and a free edge strip extending along its first edge which is unloaded with the electrode material.
  • the anode and the cathode are arranged within the electrode-separator composite such that the first edge of the anode current collector emerges from the first terminal face and the first edge of the cathode current collector emerges from the second terminal face of the electrode-separator composite.
  • the energy storage element comprises a contact plate which is seated on the first edge of the anode current collector and is connected to it by welding.
  • the contact plate is electrically connected to the connection pole routed through the opening in the cover plate.
  • the energy storage element is particularly preferably characterized by the features a. to I by the immediately following additional features m. and n.: m.
  • the connection pole comprises a first contact area made of nickel or copper or titanium or a nickel or copper or titanium alloy or stainless steel and a second contact area made of aluminum or an aluminum alloy. n. The second contacting area can be contacted mechanically from outside the housing.
  • connection pole which comprises two different metallic materials, nickel or copper or titanium or the nickel or copper or titanium alloy or stainless steel on the one hand and aluminum or the aluminum alloy on the other hand. And since the connection pole is electrically coupled to the anode current collector via the contact plate, the connection pole is a negative connection pole.
  • Energy storage elements with such a negative connection pole offer the significant advantage that they can be easily integrated into a cell assembly.
  • poles become more Energy storage elements interconnected via a common conductor.
  • connection pole comprises a first contacting area made of nickel or copper or a nickel or copper alloy or stainless steel and a second contacting area made of aluminum or an aluminum alloy.
  • Suitable aluminum alloys are, for example, Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (3000 series) and GM55. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg and AlMg. The aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
  • Suitable stainless steels are, for example, stainless steels of type 1.4303 or 1.4404 or of type SUS304 or nickel-plated steels.
  • materials of type EN CW-004A or EN CW-008A with a copper content of at least 99.9% can be used as the copper alloy.
  • alloys of the NiFe, NiCu, CuNi, NiCr and NiCrFe type come into consideration as nickel alloys.
  • the energy storage element according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. until d. from: a.
  • the cup-shaped housing part consists of aluminum or an aluminum alloy.
  • the cover plate is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the cover component includes a separate connection pole which is fixed on the cover plate, in particular welded to the cover plate, and which consists of aluminum or an aluminum alloy. i.e.
  • the cup-shaped housing part and the cover plate and the separate connection pole are made of aluminum or an aluminum alloy.
  • features a. and b. particularly preferably also the features a. to c. and a. to d., are realized in combination with one another.
  • the housing of the energy storage element consists essentially (apart from the negative connection pole and its insulation) entirely of aluminum or of the aluminum alloy.
  • the housing itself can basically serve as a positive connection pole on all of its sides.
  • the cell is particularly preferably contacted exclusively via the cover component, which is also where the negative connection pole is located.
  • a current collector can be welded directly to the cover plate or, alternatively, can be fixed to the separate connection pole, for example by means of welding.
  • the separate connection pin is the positive connection pin.
  • Suitable aluminum alloys for the cup-shaped housing part and the cover plate are, for example, Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (3000 series) and GM55. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg and AlMg.
  • the aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
  • the energy storage element according to the invention is designed as a prism or as a round cell.
  • the housing is prismatic.
  • the bottom of the cup-shaped housing part and the cover component preferably have a polygonal, particularly preferably a rectangular, base area.
  • the shape of the terminal opening of the cup-shaped housing part corresponds to the shape of the base and the lid component.
  • the housing includes a plurality of, preferably four, rectangular side parts that connect the base and the cover component to one another.
  • the electrode-separator assembly is preferably likewise formed in a prismatic manner.
  • the electrode-separator assembly is preferably a prismatic stack composed of a plurality of anodes, cathodes and at least one separator, with the electrode-separator assembly within the stack always has the sequence anode / separator / cathode.
  • At least the anodes and cathodes preferably have a rectangular base area, with the current collectors of the anodes and cathodes each having the first edge and the second edge parallel thereto and each having the free edge strip along their first edge, which is not coated with the respective electrode material.
  • the separators preferably also have a rectangular base area.
  • a strip-shaped separator it is also possible for a strip-shaped separator to be used, which separates a number of anodes and cathodes from one another within the stack.
  • the first and second flat terminal faces of the stack are, for example, two opposite or adjacent sides of the stack.
  • the first edges of the anode current collectors emerge from one of these end faces, and the first edges of the cathode current collectors emerge from the other.
  • the contact sheet sits on the first edges of the anode current collectors and is connected to them by welding.
  • the energy storage element according to the invention is preferably characterized by a combination of the immediately following features a. to o. from: a.
  • the terminal opening of the cup-shaped housing part is circular and the cup-shaped housing part comprises a cylindrical housing shell, b. the cover member, which closes the circular opening of the cup-shaped housing part, has a circular periphery, c.
  • the electrode-separator composite is in the form of a cylindrical coil which, in addition to the first and second flat end faces, has a coil jacket lying between the end faces, d.
  • the electrode-separator assembly is aligned axially in the housing, so that the winding jacket rests against the inside of the cylindrical housing jacket, e.
  • the anode and the anode current collector are designed in the form of a strip
  • the anode current collector having a first longitudinal edge and a second longitudinal edge and two end pieces comprises, f. the first edge and the second edge parallel thereto of the anode current collector are the longitudinal edges of the strip-shaped anode current collector, g. the main area of the anode current collector loaded with a layer of negative electrode material is designed in the form of a strip, h. the free edge strip extends along the first longitudinal edge of the anode current collector, i. the cathode and the cathode current collector are strip-shaped, with the cathode current collector comprising a first longitudinal edge and a second longitudinal edge and two end pieces, j.
  • the first edge of the cathode current collector and the second edge parallel thereto are the longitudinal edges of the strip-shaped cathode current collector, k.
  • the main area of the cathode current collector loaded with a layer of positive electrode material is designed in the form of a strip, l.
  • the free edge strip extends along the first longitudinal edge of the cathode current collector, m.
  • the separator or separators of the electrode-separator composite are designed in the form of a strip, n.
  • the anode and the cathode are arranged within the electrode-separator composite in such a way that the first Longitudinal edge of the anode current collector exits from the first terminal end face and the first longitudinal edge of the cathode current collector exits from the second terminal end face of the electrode-separator composite, and o. the contact plate sits on the first longitudinal edge of the anode current collector and is connected to it by welding.
  • the electrode-separator assembly preferably comprises a strip-shaped separator or two strip-shaped separators, which each have a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
  • the electrode-separator combination always includes the electrodes and the separator with the sequence anode/separator/cathode.
  • the energy storage element according to the invention is particularly preferably characterized by the immediately following feature a. from: a.
  • the housing includes a cover component which is welded into the terminal opening of the cup-shaped housing part and closes it.
  • the cover component with the circular periphery is preferably arranged in the circular opening of the cup-shaped housing part in such a way that the edge along a circumferential contact zone rests against the inside of the cup-shaped housing part, the edge of the cover component being connected to the cup-shaped housing part via a circumferential weld seam is.
  • the height of energy storage elements designed as a cylindrical round cell is preferably in the range from 50 mm to 150 mm.
  • the diameter of the cylindrical round cells is preferably in the range from 15 mm to 60 mm. Cylindrical round cells with these form factors are particularly suitable for powering electric drives in motor vehicles.
  • the energy storage element according to the invention is designed as a cylindrical round cell, it preferably has a diameter of 26 mm and a height of 105-106 mm.
  • the anode current collector, the cathode current collector and the separator or separators preferably have the following dimensions:
  • the free edge strip which extends along the first longitudinal edge and is not loaded with the electrode material, preferably has a width of not more than 5000 ⁇ m.
  • the energy storage element according to the invention is characterized by one of the following features: a.
  • the energy storage element is a lithium-ion cell.
  • the energy storage element includes a lithium-ion cell.
  • Feature a refers in particular to the described embodiment of the energy storage element according to the invention as a cylindrical round cell.
  • the energy storage element preferably comprises precisely one electrochemical cell.
  • feature b refers in particular to the described prismatic embodiment of the energy storage element according to the invention.
  • the energy storage element can also comprise more than one electrochemical cell.
  • all electrode materials known for secondary lithium-ion cells can be used for the electrodes of the energy storage element.
  • Particles based on carbon such as graphitic carbon, or non-graphitic carbon materials capable of intercalating lithium, preferably also in particle form, can be used as active materials in the negative electrodes.
  • lithium titanate (Li 4 Ti 5 Oi 2 ) or a derivative thereof can also be contained in the negative electrode, preferably also in particle form.
  • the negative electrode as active material can contain at least one material from the group consisting of silicon, aluminum, tin, antimony or a compound or alloy of these materials which can reversibly intercalate and deintercalate lithium, for example silicon oxide (in particular SiO x with 0 ⁇ x ⁇ 2 ), included, optionally in combination with carbon-based active materials.
  • Tin, aluminum, antimony and silicon able to form intermetallic phases with lithium.
  • the capacity for absorbing lithium is many times greater than that of graphite or comparable materials, particularly in the case of silicon. Mixtures of silicon and carbon-based storage materials are often used. Thin anodes made of metallic lithium are also suitable.
  • lithium metal oxide compounds and lithium metal phosphate compounds such as LiCoO 2 and LiFePO 4 can be considered as active materials for the positive electrodes.
  • lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) with the molecular formula LiNi x Mn y COzO 2 (where x+y+z is typically 1)
  • lithium manganese spinel (LMO) with the molecular formula LiMn 2 O 4
  • lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA) with the molecular formula LiNi x Co y AlzO 2 (where x + y + z is typically 1).
  • NMCA lithium nickel manganese cobalt aluminum oxide
  • Lii +x M-0 compounds and/or mixtures of the materials mentioned can be used.
  • the cathodic active materials are also preferably used in particulate form.
  • the electrodes of an energy storage element according to the invention preferably contain an electrode binder and/or an additive to improve the electrical conductivity.
  • the active materials are preferably embedded in a matrix of the electrode binder, with neighboring particles in the matrix preferably being in direct contact with one another.
  • Conductors serve to increase the electrical conductivity of the electrodes.
  • Customary electrode binders are based, for example, on polyvinylidene fluoride (PVDF), (Li)polyacrylate, styrene-butadiene rubber or carboxymethyl cellulose or mixtures of different binders.
  • Common conductive materials are soot, fine graphite, carbon fibers, carbon nanotubes and metal powder.
  • the energy storage element according to the invention preferably comprises an electrolyte, in the case of a lithium-ion cell in particular an electrolyte based on at least one lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), which is dissolved in an organic solvent (e.g. in a mixture of organic carbonates or a cyclic ether such as THF or a nitrile).
  • an organic solvent e.g. in a mixture of organic carbonates or a cyclic ether such as THF or a nitrile.
  • lithium tetrafluoroborate LiBF 4
  • LiTFSI lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
  • LiFSI lithium bis(fluorosulfonyl)imide
  • LiBOB lithium bis(oxalato)borate
  • the nominal capacity of a lithium-ion-based energy storage element according to the invention designed as a cylindrical round cell is preferably up to 15000 mAh.
  • the energy storage element in one embodiment as a lithium-ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1500 mAh to 7000 mAh, particularly preferably in the range from 3000 to 5500 mAh.
  • the cell in one embodiment as a lithium ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1000 mAh to 5000 mAh, particularly preferably in the range from 2000 to 4000 mAh.
  • manufacturer information on the nominal capacities of secondary batteries is strictly regulated.
  • information on the nominal capacity of secondary nickel-cadmium batteries based on measurements according to the standards IEC/EN 61951-1 and IEC/EN 60622 information on the nominal capacity of secondary nickel-metal hydride batteries on measurements according to the IEC/EN 61951-2 standard, information on the nominal capacity of secondary lithium batteries on measurements according to the standard IEC/EN 61960 and information on the nominal capacity of secondary lead-acid batteries on measurements according to the standard IEC/EN 61056-1 based.
  • Any information on nominal capacities in the present application is preferably also based on these standards.
  • the separator or separators are preferably formed from electrically insulating plastic films. It is preferred that the separators can be penetrated by the electrolyte.
  • the plastic films used can have micropores, for example.
  • the film can consist, for example, of a polyolefin or of a polyether ketone. Fleeces and fabrics made from plastic materials or other electrically insulating flat structures can also be used as separators. Separators are preferably used which have a thickness in the range from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • separators are used which are coated or impregnated on one or both sides with ceramic particles (eg Al 2 O 3 or SiO 2 ).
  • the separator or separators of the composite can also be one or more layers of a solid electrolyte.
  • the strip-shaped anode, the strip-shaped cathode and the strip-shaped separator or separators are preferably spirally wound.
  • the strip-shaped electrodes are fed together with the strip-shaped separator or separators to a winding device and wound up in this preferably spirally around a winding axis.
  • the electrodes and the separator are wound onto a cylindrical or hollow-cylindrical winding core, which sits on a winding mandrel and remains in the winding after winding.
  • the winding jacket can be formed, for example, by a plastic film or an adhesive tape. It is also possible for the winding jacket to be formed by one or more separator turns. Preferred embodiments of the current collectors
  • the current collectors of the energy storage element serve to electrically contact electrochemically active components contained in the respective electrode material over as large an area as possible.
  • the current collectors preferably consist of a metal or are at least metallized on the surface.
  • suitable metals for the anode current collector are, for example, copper or nickel or also other electrically conductive materials, in particular copper and nickel alloys or metals coated with nickel.
  • materials of type EN CW-004A or EN CW-008A with a copper content of at least 99.9% can be used as the copper alloy.
  • alloys of the NiFe, NiCu, CuNi, NiCr and NiCrFe type come into consideration as nickel alloys.
  • alloys of the NiFe, NiCu, CuNi, NiCr and NiCrFe type come into consideration as nickel alloys.
  • stainless steel is also an option, for example type 1.4303 or 1.4404 or type SUS304.
  • aluminum or other electrically conductive materials are particularly suitable as the metal for the cathode current collector.
  • Suitable aluminum alloys for the cathode current collector are, for example, Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (3000 series) and GM55. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg and AlMg.
  • the aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
  • the anode current collector and/or the cathode current collector is preferably a metal foil with a thickness in the range of 4 ⁇ m to 30 ⁇ m, in the case of the described configuration of the energy storage element as a cylindrical round cell it is a strip-shaped metal foil with a thickness in the range of 4 ⁇ m until 30 p.m.
  • strip-shaped substrates such as metallic or metallized nonwovens or open-pored metallic foams or expanded metals can also be used as current collectors.
  • the current collectors are preferably loaded on both sides with the respective electrode material.
  • the longitudinal edges of the separator or separators form the end faces of the electrode-separator composite designed as a coil.
  • edges of the separator or separators form the end faces of the stack, from which the edges of the current collectors protrude.
  • the longitudinal edges or edges of the anode current collector and/or the cathode current collector emerging from the terminal end faces of the coil or sides of the stack do not protrude by more than 5000 ⁇ m, preferably no more than 3500 ⁇ m, from the end faces or the sides .
  • the edge or the longitudinal edge of the anode current collector particularly preferably protrudes from the side of the stack or the end face of the coil by no more than 2500 ⁇ m, particularly preferably no more than 1500 ⁇ m.
  • the edge or the longitudinal edge of the cathode current collector particularly preferably protrudes from the side of the stack or the end face of the coil by no more than 3500 ⁇ m, particularly preferably no more than 2500 ⁇ m.
  • the contact plate is electrically connected to the negative connection pole, which is routed through the opening in the cover plate, and to the anode current collector. In particular, it is welded directly to the first contact area and/or the anode current collector.
  • the contact plate electrically connected to the negative connection pole is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. out of: a.
  • the contact sheet consists of nickel or copper or titanium or a nickel or copper or titanium alloy or stainless steel, for example type 1.4303 or 1.4404 or type SUS304, or nickel-plated copper.
  • the contact sheet consists of the same material as the first contact area.
  • the contact plate consists of the same material as the anode current collector.
  • features a. and b. are implemented in combination with one another.
  • the contact sheet consists of the same material as the first contacting area and/or the anode current collector, these components can be welded without problems.
  • the contact plate is not welded directly to the first contacting area, but is connected to the first contacting area via a separate current conductor.
  • the separate current conductor is preferably welded to the first contact area and the contact sheet.
  • the separate current conductor consists of the same material as the first contacting area and/or the contact plate.
  • the separate current conductor is particularly preferably made of nickel or copper or titanium or a nickel or copper or titanium alloy or of high-grade steel, for example of the 1.4303 or 1.4404 type or of the SUS304 type.
  • materials of the type EN CW-004A can be used as the copper alloy, and alloys of the type NiFe, NiCu, CuNi, NiCr and NiCrFe can be considered as the nickel alloys.
  • the contact plate electrically connected to the negative connection pole is characterized by at least one of the immediately following features a. to g. from: a.
  • the contact sheet has a preferably uniform thickness in the range from 50 ⁇ m to 600 ⁇ m, preferably in the range from 150 ⁇ m to 350 ⁇ m.
  • the contact sheet has two opposite flat sides and essentially only extends in one dimension.
  • the contact sheet is a disk or a preferably rectangular plate. i.e.
  • the contact plate is dimensioned in such a way that it covers at least 60% of the end face, preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, of the first end face. e.
  • the contact sheet has at least one opening, in particular at least one hole and/or at least one slot.
  • the contact sheet has at least one bead, which appears as an elongated depression on one flat side of the contact sheet and as an elongated elevation on the opposite flat side, with the flat side of the contact sheet bearing the elongated elevation being on the first edge of the Anode current collector is seated.
  • the contact plate is welded to the first edge of the anode current collector in the area of the bead, in particular via one or more weld seams arranged in the bead.
  • features a. and b. and d. are realized in combination with each other.
  • the features a. and b. and d. in combination with one of the features c. or e. or the features f. and g realized. All features a. to g. implemented in combination.
  • the largest possible covering of the end face is important for the thermal management of the grounded energy storage element.
  • the larger the cover the more likely it is possible to contact the first edge of the anode current collector over its entire length if possible. Heat generated in the electrode-separator assembly can thus be dissipated easily via the contact sheet.
  • At least one depression can be folded into the edge, which depression corresponds to the at least one bead or the elongated elevation on the flat side of the contact sheet facing the first end face.
  • the edge of the Stromko Hector can also have been subjected to a directional deformation by a pre-treatment. For example, it can be bent in a defined direction.
  • the at least one opening in the contact sheet can be expedient, for example, in order to be able to saturate the electrode-separator assembly with an electrolyte.
  • the energy storage element according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the energy storage element comprises a second contact plate, which is seated on the first edge of the cathode current collector and is connected to it by welding.
  • the second contact plate is electrically connected to the cup-shaped housing part.
  • the second contact sheet is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • features a. and b. preferably also features a. to c., are implemented in combination with one another.
  • the current-carrying capacity also increases on the cathode side.
  • the thermal management of the energy storage element is further improved.
  • aluminum alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (3000 series) and GM55 are suitable as aluminum alloys for the contact sheet.
  • aluminum alloys for the contact sheet are also suitable.
  • the aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
  • the contact plate seated on the first edge of the cathode current collector is preferably designed similarly to the contact plate seated on the first edge of the anode current collector, apart from its material properties. It is preferably characterized by at least one of the immediately following features a. to g. from: a.
  • the second contact sheet preferably has a uniform thickness in the range from 50 ⁇ m to 600 ⁇ m, preferably in the range from 150 ⁇ m to 350 ⁇ m.
  • the second contact sheet has two opposite flat sides and extends essentially only in one dimension.
  • the second contact plate is a disk or a preferably rectangular plate. i.e.
  • the second contact plate is dimensioned in such a way that it covers at least 60% of the end face, preferably at least 70%, particularly preferably at least 80%, of the second end face.
  • the second contact plate has at least one opening, in particular at least one hole and/or at least one slot.
  • the second contact sheet has at least one bead, which appears as an elongated depression on one flat side of the contact sheet and as an elongated elevation on the opposite flat side, the flat side of the contact sheet bearing the elongated elevation being on the first edge of the cathode current collector sits up G.
  • the second contact plate is welded to the first edge of the cathode current collector in the area of the bead, in particular via one or more weld seams arranged in the bead.
  • the features a. and b. and d. are realized in combination with each other.
  • the features a. and b. and d. in combination with one of the features c. or e. or the features f. and g realized.
  • all features a are particularly preferred. to g. implemented in combination.
  • connection or welding of the first edge of the cathode current collector to the second contact sheet is preferably implemented analogously to the connection of the first edge of the anode current collector described above, ie particularly preferably via a weld in the area of the bead.
  • the edge of the stream ko hector has been subjected to a directional deformation by means of a pretreatment.
  • it can be bent in a defined direction.
  • the second contact plate is welded directly to the bottom of the cup-shaped housing part or to a part of the bottom. In further preferred embodiments, the second contact plate is connected to the bottom of the cup-shaped housing part connected. In the latter case, it is preferred that the separate current conductor is welded both to the base of the cup-shaped housing part and to the second contact plate.
  • the separate current conductor is preferably made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the energy storage element according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to f. from: a.
  • the negative connection pole comprises a tubular or cup-shaped first part, which comprises the first contact area.
  • the tubular or cup-shaped part is made of nickel or copper or titanium or a nickel or copper or titanium alloy or of stainless steel, for example type 1.4303 or 1.4404 or type SUS304.
  • the negative connection pole comprises a terminal tubular or cup-shaped first part which has a sleeve made of nickel or copper or a nickel or copper alloy, in particular with which nickel or copper or the nickel or copper alloy is coated. i.e.
  • the negative connection pole comprises a second part made of aluminum or an aluminum alloy, which comprises the second contact area.
  • the second part is fixed to the first part mechanically and/or by means of welding.
  • the second part comprises a pin-shaped section which is mechanically fixed in the tubular or cup-shaped part, preferably pressed into the tubular or cup-shaped part or fixed in the tubular or cup-shaped part by screwing.
  • features a. and b. in combination are realized together.
  • the embodiments in which the first part is tubular or cup-shaped offer a simple and elegant solution for forming the negative terminal pole.
  • the part offers a receptacle for the pin-shaped section of the second part, which can be inserted into the first and fixed there. If necessary, the mechanical fixation can also be supported by an additional welded connection.
  • the electrical insulation of the negative connection pole relative to the cover component can be implemented, for example, by an insulating element arranged in a ring around the connection pole.
  • This can consist, for example, of glass, a ceramic material, an electrically insulating polymer or a combination of these materials.
  • the energy storage element according to the invention is distinguished by a combination of the immediately following features a. to e. from: a.
  • the bottom of the cup-shaped housing part includes an opening, in particular a preferably circular hole, which is closed by a metallic membrane.
  • the metal membrane is fixed by welding to the cup-shaped housing part.
  • the metallic membrane comprises an indentation, in the area of which the membrane extends through the opening into the interior of the housing. i.e.
  • the second contact sheet is electrically isolated from the bottom of the housing. e.
  • the second contact plate is connected by welding to the part of the metallic membrane that extends into the interior of the housing.
  • This embodiment offers a possibility with the energy storage element according to the invention to be equipped with a reliable and at the same time space-saving safety function.
  • the metallic membrane can be easily integrated into a recess in the ground. If the electrical insulation from the floor is designed as a thin plastic film, for example, the second contact plate can lie flat on the floor, separated from it only by the thin film. If a sufficiently high overpressure occurs inside the housing, the indentation is pressed outwards, causing the membrane to tear off the contact plate. The electrical contact to the cathode is interrupted and any current flow is stopped. If the pressure continues to rise, the membrane can burst.
  • an opening in particular a hole, in the second contact plate, through which the indented area communicates with the interior of the housing.
  • the thickness of the membrane can be adjusted to the pressure at which the fuse should trip. r housing parts
  • the energy storage element according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a.
  • the base of the cup-shaped housing part has a thickness in the range from 200 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the side wall of the cup-shaped housing part has a thickness in the range from 150 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the cover component in particular the cover plate of the cover component, has a thickness in the range from 200 ⁇ m to 2000 ⁇ m.
  • the composite according to the invention is characterized by the following features: a.
  • the composite comprises at least two energy storage elements according to any one of claims 1 to 7 and b.
  • the composite comprises an electrical conductor made of aluminum or an aluminum alloy, which is connected to the negative terminal pole of one of the energy storage elements and to a pole of another of the energy storage elements by welding.
  • the aluminum conductor can be an aluminum rail, for example.
  • Al alloys of type 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (3000 series) and GM55 can be considered as aluminum alloys for the conductor. Also suitable are AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg and AlMg.
  • the aluminum content of said alloys is preferably above 99.5%.
  • the electrical conductor is preferably connected to the first contact area of the negative connection pole.
  • the method according to the invention serves to produce the composite according to the invention and is characterized by the following steps: a. At least two energy storage elements according to one of Claims 1 to 7 and the electrical conductor made of aluminum or of the aluminum alloy are provided and b. the aluminum or aluminum alloy electrical conductor is connected to the negative terminal pole of one of the energy storage elements and to a pole of another of the energy storage elements by welding.
  • the welding is particularly preferably effected by means of a laser.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an energy storage element according to the invention and its behavior in the event of overpressure as a result of a malfunction (cross-sectional views)
  • FIG. 2 shows an electrode-separator combination, which is part of the energy storage element shown in FIG. 1, and its components,
  • FIG. 3 two contact plates, which are components of the energy storage element shown in FIG. 1, and
  • FIG 4 shows the assembly of a negative connection pole according to the invention (cross-sectional views).
  • the energy storage element shown in Fig. 1 designed as a cylindrical round cell with a diameter of 26 mm and a height of 105 mm, comprises an airtight and liquid-tight sealed housing made of a metal, cup-shaped housing part 101, which has a housing base 101a, a cylindrical housing jacket 101b and a circular housing includes terminal opening, and a lid member 102 having a circular periphery.
  • the cover component 102 is arranged in the circular opening of the cup-shaped housing part 101 in such a way that its edge lies against the inside of the cup-shaped housing part 101 along a circumferential contact zone, the edge of the cover component 102 being connected to the cup-shaped housing part 101 via a circumferential weld seam 118 connected is.
  • the cover component 102 is welded into the terminal opening of the cup-shaped housing part 101 and closes it.
  • the cover component 102 comprises a metallic cover plate 102a and a negative connection pole 102b, which is passed through an opening in the cover plate 102a and is electrically insulated from the cover plate 102.
  • the cover component 102 includes the annular insulating element 102g.
  • An electrode-separator assembly 104 is arranged in the housing. This is in the form of a cylindrical coil which, in addition to a first flat terminal end face 104a and a second flat terminal end face 104b, has a winding jacket 104c located between the end faces.
  • the electrode-separator composite 104 is aligned axially, so that the winding jacket 104c rests against the inside of the cylindrical housing jacket 101b.
  • Only one electrically insulating layer 115 is arranged between the winding jacket 104c and the inside. The electrically insulating layer 115 extends almost over the entire inside of the housing. Both the side wall of the housing part 101 and large areas of its base 101a and the inside of the cover plate 102a are shielded from direct and therefore also electrical contact with a component of the electrode-separator assembly 104 .
  • the structure of the electrode-separator assembly 104 is illustrated with reference to FIG. 2 .
  • the composite 104 comprises the strip-shaped anode 105 (FIG. 2A) with the strip-shaped anode current collector 106, which has a first longitudinal edge 106a and a second longitudinal edge parallel thereto.
  • the anode current collector 106 is a copper or nickel foil. This comprises a band-shaped main area which is loaded with a layer of negative electrode material 107 and a free edge strip 106b which extends along its first longitudinal edge 106a and which is not loaded with the electrode material 107.
  • the assembly 104 comprises the strip-shaped cathode 108 (FIG.
  • the cathode current collector 109 is an aluminum foil. It comprises a ribbon-shaped main portion loaded with a layer of positive electrode material 110 and a free edge strip 109b which extends along its first longitudinal edge 109a and which is not loaded with the electrode material 110. Both electrodes are shown individually in the unwound state.
  • the anode 105 and the cathode 108 are arranged offset to one another within the electrode-separator assembly 104, so that the first longitudinal edge 106a of the anode current collector 106 from the first terminal face 104a and the first longitudinal edge 109a of the cathode current collector 109 from the second terminal face 104b of the Electrode-separator composite 104 exits.
  • the staggered arrangement is shown in Figure 2C.
  • the two strip-shaped separators 116 and 117 are also shown there, which separate the electrodes 105 and 108 from one another in the coil.
  • FIG. 2D shows the electrode-separator composite 104 in a wound form, as can be used in an energy storage element according to FIG. 1 .
  • the electrode edges (106a, 109a) emerging from the end faces (104a, 104b) are clearly visible.
  • the winding jacket 104c is formed by a plastic film.
  • the energy storage element 100 further includes the contact plate 111. This sits on the first longitudinal edge 106a of the anode current collector 106 and is connected to it by welding. Furthermore, the contact plate 111 is directly connected to the negative connection pole 102b, which is routed through the opening in the cover plate 102a. This is namely welded onto the contact sheet 111 .
  • the insulating layer 115 prevents contact between the edges of the contact plate 111 and the housing part 101 and contact between the contact plate 111 and the cover plate 102a.
  • a second contact plate 112 sits on the protruding first edge 109a of the cathode current collector 109 and is connected to it by welding.
  • the two contact plates 111 and 112 are shown in FIG. Both are flat metal discs ranging in thickness from 150 ⁇ m to 350 ⁇ m.
  • the metal disk 112 consists of aluminum, the disk 111 of copper or nickel.
  • the contact plates 111 and 112 have a diameter which essentially corresponds to the diameter of the electrode-separator combination designed as a coil. They thus cover the end faces 104a and 104b almost completely.
  • the contact sheet 112 has a central hole 122, which can be helpful, among other things, when impregnating the electrode-separator assembly with an electrolyte.
  • Both contact plates 111 and 112 each have three beads (purple, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c). In the area of these beads, the contact sheets 111 and 112 are welded to the edges 106a and 109a.
  • the negative connection pole 102b shown in FIG. 1 comprises a cup-shaped first part 102e, which comprises a first contacting region 102c at its bottom. This contact area sits directly on the contact plate 111 and is connected to it by welding. The welding can take place, for example, by means of a laser.
  • the cup-shaped part 102e is made of nickel or copper. In order to facilitate the welding, it preferably consists of the same material as the contact plate 111.
  • the negative connection pole 102b comprises a second part 102f made of aluminum or an aluminum alloy. This includes a second contact area 102d.
  • the second part 102f comprises a pin-shaped section 102g which is mechanically fixed in the cup-shaped part 102e.
  • the second part 102f is preferably pressed into the cup-shaped part 102e or fixed in the cup-shaped part 102e by means of a screw connection. An additional fixation by welding is possible.
  • the second contacting area 102d can be contacted mechanically from outside the housing. Due to its material properties, it can easily be laser-welded to an aluminum conductor.
  • the second contact plate 112 is electrically connected to the cup-shaped housing part 101, exclusively via the metallic membrane 113. Otherwise, the second contact plate 112 is electrically insulated from the base 101a, specifically by means of the insulation 119, which can be designed as a disc. can optionally also be part of the insulating layer 115 .
  • the membrane 113 closes an opening 101b in the base 101a of the housing part 101.
  • the base 101a has an annular, flat recess on its outside around the opening 101b, in which the membrane 113 is fixed by welding to the cup-shaped housing part 101 .
  • the membrane 113 consequently has the annular weld seam 113a.
  • the metallic membrane 113 has an indentation 114, in the region of which the membrane 113 extends through the opening 101b into the interior of the housing.
  • the second contact plate 112 is connected by welding to the part of the metallic membrane 113 that extends into the interior of the housing.
  • the contact sheet 112 advantageously has a plurality of holes 120 .
  • the opening 101b is coupled to an axial cavity 121 within the electrode-separator composite 104 via one of the holes. If an overpressure occurs inside the housing, the pressure can act on the membrane 113 via one or more of the holes. If the pressure is sufficiently high, the indentation 114 is pushed outwards, tearing the membrane 113 away from the contact plate 112, as shown in FIG. 1A. In this way, the electrical contact to the cathode 108 is interrupted and any current flow is stopped. If the pressure continues to rise, the membrane can burst, see Fig. 1B.
  • the solution shown is advantageous in that the safety function is integrated into the housing base 101a and therefore does not take up any space within the housing. Despite this, it is extremely reliable.
  • FIG. 4 illustrates the assembly of the negative connection pole 102b shown in FIG. 1 .
  • the bottom of the cup-shaped first part 102e is connected to the contact plate 111 welded.
  • the welding takes place by means of a laser.
  • the pin-shaped section 102g of the second part 102f is then pressed into the cup-shaped part 102e.

Abstract

Ein Energiespeicherelement (100) umfasst ein luft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse und einen darin angeordneten Elektroden-Separator-Verbund (104). Der Elektroden-Separator-Verbund (104) umfasst eine Anode (105) mit einem Anodenstromkollektor (106) sowie eine Kathode (108) mit einem Kathodenstromkollektor (109), wobei der Anodenstromkollektor (106) und der Kathodenstromkollektor (109) jeweils einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus einem Elektrodenmaterial (107, 110) beladen ist, sowie entlang eines ersten Längsrands (106a, 109a) einen freien Randstreifen (106b, 109b), der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, umfassen, und die Anode (105) und die Kathode (108) derart angeordnet sind, dass der erste Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) aus einer ersten flachen endständigen Stirnseite (104a) und der erste Rand (109a) des Kathodenstromkollektors (109) aus einer zweiten flachen endständigen Stirnseite (104b) des Elektroden-Separator-Verbunds (104) austreten. Das Gehäuse umfasst ein metallisches, becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil (101) mit einem Gehäuseboden (101a) und einer endständigen Öffnung sowie ein Deckelbauteil (102) mit einer Deckelplatte (102a), das in die endständige Öffnung eingeschweißt ist und diese verschließt. Durch eine Durchbrechung in der Deckelplatte (102a) ist ein Anschlusspol (102b) geführt und gegenüber der Deckelplatte (102a) elektrisch isoliert. Das Energiespeicherelement umfasst ein Kontaktblech (111), das auf dem ersten Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) aufsitzt und mit diesem durch Verschweißung verbunden ist und das zugleich mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte (102a) geführten Anschlusspol (102b) elektrisch verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Anschlusspol (102b) einen ersten Kontaktierungsbereich (102c) aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder Edelstahl und einen zweiten Kontaktierungsbereich (102d) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei der zweite Kontaktierungsbereich (102d) von außerhalb des Gehäuses mechanisch kontaktierbar ist.

Description

Energiespeicherelement. Verbund aus Energiespeicherelementen und Herstellungsverfahren
Die nachstehend beschriebene Erfindung betrifft ein Energiespeicherelement, einen Verbund aus Energiespeicherelementen und ein Herstellungsverfahren.
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Elektrochemische Energiespeicherelemente sind dazu in der Lage, gespeicherte chemische Energie durch eine Redoxreaktion in elektrische Energie umzuwandeln. Die einfachste Form eines elektrochemischen Energiespeicherelements ist die elektrochemische Zelle. Sie umfasst eine positive und eine negative Elektrode, die von einem Separator voneinander getrennt sind. Bei einer Entladung werden an der negativen Elektrode durch einen Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt. Hieraus resultiert ein Elektronenstrom, der von einem externen elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann, für den die elektrochemische Zelle als Energielieferant dient. Zugleich kommt es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden lonenstrom innerhalb der Zelle. Dieser lonenstrom durchquert den Separator und wird durch einen ionenleitenden Elektrolyten ermöglicht.
Wenn die Entladung reversibel ist, also die Möglichkeit besteht, die bei der Entladung erfolgte Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie wieder umzukehren und die Zelle wieder zu laden, spricht man von einer sekundären Zelle. Die bei sekundären Zellen allgemein übliche Bezeichnung der negativen Elektrode als Anode und die Bezeichnung der positiven Elektrode als Kathode bezieht sich auf die Entladefunktion der elektrochemischen Zelle.
Für viele Anwendungen werden als Energiespeicherelemente heute sekundäre Lithium-Ionen-Zel- len eingesetzt, da diese hohe Ströme bereitstellen können und sich durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte auszeichnen. Sie basieren auf dem Einsatz von Lithium, welches in Form von Ionen zwischen den Elektroden der Zelle hin und her wandern kann. Die negative Elektrode und die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle werden in der Regel von sogenannten Kompositelektroden gebildet, die neben elektrochemisch aktiven Komponenten auch elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen.
Als elektrochemisch aktive Komponenten (Aktivmaterialien) für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen kommen prinzipiell sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abgeben können. Für die negative Elektrode werden hierfür beispielsweise Partikel auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise graphitischer Kohlenstoff, eingesetzt. Als Aktivmaterialien für die positive Elekt- rode können beispielsweise Lithiumcobaltoxid (LiCoO2), Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumeisenphosphat (LiFePC ) oder Derivate hiervon eingesetzt werden. Die elektrochemisch aktiven Materialien sind in der Regel in Partikelform in den Elektroden enthalten.
Als elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen die Kompositelektroden im Allgemeinen einen flächigen und/oder bandförmigen Stromkollektor, beispielsweise eine metallische Folie, der als Träger für das jeweilige Aktivmaterial dient. Der Stromkollektor für die negative Elektrode (Anodenstromkollektor) kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel und der Stromkollektor für die positive Elektrode (Kathodenstromkollektor) beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin können die Elektroden als elektrochemisch inaktive Komponenten einen Elektrodenbinder (z. B. Polyvinyli- denfluorid (PVDF) oderein anderes Polymer, beispielsweise Carboxymethylzellulose), leitfähigkeitsverbessernde Additive und andere Zusätze umfassen. Der Elektrodenbinder gewährleistet die mechanische Stabilität der Elektroden und häufig auch die Haftung des Aktivmaterials auf den Stromkollektoren.
Als Elektrolyten umfassen Lithium-Ionen-Zellen in der Regel Lösungen von Lithiumsalzen wie Lithi- umhexafluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln (z. B. Ether und Ester der Kohlensäure).
Die Kompositelektroden werden bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit einem oder mehreren Separatoren zu einem Verbundkörper kombiniert. Hierbei werden die Elektroden und Separatoren meist unter Druck, gegebenenfalls auch durch Lamination oder durch Verklebung, miteinanderverbunden. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Zelle kann dann durch Tränkung des Verbunds mit dem Elektrolyten hergestellt werden.
In vielen Ausführungsformen wird der Verbundkörper in Form eines Wickels gebildet oder zu einem Wickel verarbeitet. In der Regel umfasst er die Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode. Häufig werden Verbundkörper ais sogenannte Bizellen mitden möglichen Sequenzen negative Elektrode /Separator/ positive Elektrode /Separator/ negative Elektrode oder positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / positive Elektrode hergestellt.
Für Anwendungen im Automobilbereich, für E-Bikes oder auch für andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf wie z.B. in Werkzeugen werden Lithium-Ionen-Zellen mit möglichst hoher Energiedichte benötigt, die gleichzeitig in der Lage sind, mit hohen Strömen beim Laden und Entladen belastet zu werden. Häufig sind Zellen für die genannten Anwendungen als zylindrische Rundzellen ausgebildet, beispielsweise mit dem Formfaktor 21 x 70 (Durchmesser mal Höhe in mm) Zellen dieser Art umfassen stets einen Verbundkörper in Form eines Wickels. Moderne Lithium-Ionen-Zellen dieses Formfaktors können bereits eine Energiedichte von bis zu 270 Wh/kg erreichen. Diese Energiedichte wird allerdings nur als Zwischenschritt angesehen. Vom Markt werden bereits Zellen mit noch höheren Energiedichten gefordert.
In der WO 2017/215900 Al sind zylindrische Rundzellen beschrieben, bei denen der Elektroden-Se- parator-Verbund sowie dessen Elektroden bandförmig ausgebildet sind und in Form eines Wickels vorliegen. Die Elektroden weisen jeweils mit Elektrodenmaterial beladene Stromkollektoren auf. Entgegengesetzt gepolte Elektroden sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds versetztzueinander angeordnet, so dass Längsränder der Stromkollektoren der positiven Elektroden an einer Seite und Längsränder der Stromkollektoren der negativen Elektroden an einerweiteren Seite aus dem Wickel austreten. Zur elektrischen Kontaktierung der Stromkollektoren weist die Zelle eine Kontaktplatte auf, die auf einer Stirnseite des Wickels aufsitzt und mit einem Längsrand eines der Stromkollektoren durch Verschweißung verbunden ist. Dadurch ist es möglich, den Stromkollektor und damit auch die dazugehörige Elektrode über seine / ihre gesamte Länge elektrisch zu kontaktieren. Dies senkt den Innenwiderstand innerhalb der beschriebenen Zelle sehr deutlich. Das Auftreten großer Ströme kann in der Folge sehr viel besser abgefangen und auch Wärme kann besser aus dem Wickel abgeführt werden.
Zylindrische Rundzellen wie die in der WO 2017/215900 Al werden meist als Teil eines Zellverbunds eingesetzt, in dem mehrere Zellen seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Häufig ist es gewünscht, die Zellen zum Abgreifen einer elektrischen Spannung nur an einer ihrer Stirnseiten kontaktieren zu müssen. Es ist entsprechend vorteilhaft, an einer der Stirnseiten sowohl einen mit der positiven Elektrode der Zelle verbundenen Anschlusspol als auch einen mit der negativen Elektrode der Zelle verbundenen Anschlusspol vorzusehen.
Aus der US 2006/0019150 Al ist eine Lithium-Ionen-Rundzelle bekannt, die in einem zylindrischen Gehäuse einen als Wickel ausgebildeten Elektroden-Separator-Verbund umfasst. Das Gehäuse umfasst einen zylindrischen Gehäusebecher aus Metall mit einer Öffnung, die durch ein metallisches Deckelbauteil verschlossen ist. Der Boden des Gehäusebechers ist elektrisch mit der positiven Elektrode des Wickels verbunden, der Gehäusebecher ist daher positiv gepolt. Beide Gehäuseteile stehen unmittelbar miteinander in Kontakt, weshalb das Deckelbauteil ebenfalls positiv gepolt ist. Auf das Deckelbauteil ist ein positiver metallischer Anschlusspol geschweißt. Die negative Elektrode des Wickels ist dagegen mit einem negativen metallischen Anschlusspol verbunden, der durch eine Durchbrechung im Deckelbauteil geführt und gegenüber dem Deckelbauteil elektrisch isoliert ist. Der positive und der negative Anschlusspol sind somit auf der gleichen Seite der Zelle nebeneinander angeordnet, so dass die Zelle über entsprechende Stromleiter leicht in einem Zellverbund integriert werden kann.
Neben ihrer guten Kontaktierbarkeitzeichnetsich die in der US 2006/0019150 Al beschriebene Zelle auch durch eine integrierte Überdrucksicherung aus. Der Boden weist hierzu einen zentralen, kreisrunden Bereich auf, der von einem ringförmigen Restbereich des Bodens durch eine umlaufende Schwächungslinie abgegrenzt ist und an den innenseitig ein umgebogener Ableiterstreifen geschweißt ist, überden besagter elektrischer Kontakt des Bodens zur positiven Elektrode des Wickels besteht. Im Falle eines Überdrucks innerhalb des Gehäuses kann der kreisrunde Bereich aus dem Boden gesprengt werden. Da durch einen ringförmigen Isolator gewährleistet ist, dass der ringförmige Restbereich keinerlei Kontakt zu dem als Wickel ausgebildeten Elektroden-Separator-Verbund hat, wird dabei die elektrische Verbindung zwischen der positiven Elektrode und dem ringförmigen Restbereich sowie allen damit elektrisch in Kontakt stehenden Bauteilen, einschließlich des positiven Anschlusspols, unterbrochen.
Die negative Elektrode des Wickels ist über einen mehrfach gebogenen Ableiterstreifen elektrisch kontaktiert, dessen oberes Ende an den negativen Anschlusspol gekoppelt ist.
Unter energetischen Aspekten ist die Konstruktion der in der US 2006/0019150 Al beschriebene Zelle nicht optimal. An beiden Enden des Wickels findet sich ein Totvolumen, zu dessen Überbrückung die genannten Ableiterstreifen erforderlich sind. Diese wirken sich negativ auf die Energiedichte der Zelle aus. Weiterhin bestehen auch Zweifel hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Überdrucksicherung. Sofern die genannte Schwächungslinie beim Auslösen der Überdrucksicherung nicht über ihre komplette Länge reißt, wird die elektrische Verbindung zum positiven Anschlusspol nicht vollständig unterbrochen und es kann weiter Strom fließen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Dervorliegenden Erfindung lagdie Aufgabe zugrunde, Energiespeicherelemente bereitzustellen, die sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Energiedichte auszeichnen und die effizient zu einem Zellverbund verarbeitet werden können. Weiterhin sollen sich die Energiespeicherelemente auch durch eine verbesserte Sicherheit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch das nachfolgend beschriebene Energiespeicherelement gelöst. Auch der nachfolgend beschriebene Verbund aus Energiespeicherelementen und das nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren sind Gegenstand der Erfindung. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements, des erfindungsgemäßen Verbunds und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 8 und 9 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7.
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Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement weist stets die unmittelbar folgenden Merkmale a. bis I. auf: a. Es umfasst ein lüft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse und einen darin angeordneten Elektroden-Separator-Verbund. b. Das Gehäuse umfasst ein metallisches, becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil, das einen Gehäuseboden und eine endständige Öffnung umfasst. c. Das Gehäuse umfasst ein Deckelbauteil, das in die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils eingeschweißt ist und diese verschließt. d. Das Deckelbauteil umfasst eine metallische Deckelplatte und einen Anschlusspol, der durch eine Durchbrechung in der Deckelplatte geführt und gegenüber der Deckelplatte elektrisch isoliert ist. e. Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst eine erste und eine zweite flache endständige Stirnseite. f. Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst eine Anode mit einem Anodenstromkollektor, der einen ersten und einen dazu parallelen zweiten Rand aufweist. g. Der Anodenstromkollektor umfasst einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, dersich entlangseines ersten Rands erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist. h. Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst eine Kathode mit einem Kathodenstromkollek- tor, der einen ersten und einen dazu parallelen zweiten Rand aufweist. i. Der Kathodenstromkollektor umfasst einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, dersich entlangseines ersten Rands erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist. j. Die Anode und die Kathode sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds derart angeordnet, dass der erste Rand des Anodenstromkollektors aus der ersten endständigen Stirnseite und der erste Rand des Kathodenstromkollektors aus der zweiten endständigen Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds austritt. k. Das Energiespeicherelement umfasst ein Kontaktblech, das auf dem ersten Rand des Anodenstromkollektors aufsitzt und mit diesem durch Verschweißung verbunden ist. l. Das Kontaktblech ist mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte geführten Anschlusspol elektrisch verbunden.
Besonders bevorzugt zeichnet sich das Energiespeicherelement mit den Merkmalen a. bis I durch die unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale m. und n. aus: m. Der Anschlusspol umfasst einen ersten Kontaktierungsbereich aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder Edelstahl und einen zweiten Kontaktierungsbereich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. n. Der zweite Kontaktierungsbereich ist von außerhalb des Gehäuses mechanisch kontaktierbar.
Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement zeichnet sich also besonders bevorzugt durch einen Anschlusspol aus, der zwei unterschiedliche metallische Werkstoffe, auf der einen Seite Nickel oder Kupfer oder Titan oder die Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder Edelstahl und auf der anderen Seite Aluminium oder die Aluminiumlegierung umfasst. Und da der Anschlusspol über das Kontaktblech mit dem Anodenstromkollektor elektrisch gekoppelt ist, handelt es sich bei dem Anschlusspol um einen negativen Anschlusspol.
Energiespeicherelemente mit einem solchen negativen Anschlusspol bieten den signifikanten Vorteil, dass sie sich einfach in einen Zellverbund integrieren lassen. Hierbei werden Pole mehrerer Energiespeicherelemente über einen gemeinsamen Stromleiter miteinander verschaltet. Produktionstechnisch kann es von Vorteil sein, die Pole der Zellen mittels Laser an den Stromleiter zu schweißen. Dies ist in der Regel unproblematisch nur dann möglich, wenn die zu verschweißenden Materialien die gleichen sind. Beispielsweise ist die Verschweißung eines Anschlusspols aus Kupfer an einen Stromleiter aus Aluminium mittels Laser nur schwer oder gar nicht zu realisieren. Mit dem zweiten Kontaktierungsbereich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist dies hingegen problemlos möglich. So können selbst negative Anschlusspole einer Zelle mittels Laser über einen gemeinsamen Stromleiter verbunden werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Anschlusspol einen ersten Kontaktierungsbereich aus Nickel oder Kupfer oder einer Nickel- oder Kupferlegierung oder Edelstahl und einen zweiten Kontaktierungsbereich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst.
Geeignete Aluminiumlegierungen sind beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMgund AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %. Geeignete Edelstähle sind beispielsweise Edelstähle vom Typ 1.4303 oder 1.4404 oder vom Typ SUS304 oder vernickelte Stähle. Als Kupferlegierung können insbesondere Werkstoffe vom Typ EN CW-004A bzw. EN CW-008A mit einem Kupferanteil von mindestens 99,9% eingesetzt werden. Als Nickellegierungen kommen insbesondere Legierungen vom Typ NiFe, NiCu, CuNi, NiCr und NiCrFe in Frage.
Aluminiumgehäuse
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. b. Die Deckelplatte besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. c. Der Deckelbauteil umfasst einen separaten Anschlusspol, der auf der Deckelplatte fixiert ist, insbesondere an die Deckelplatte angeschweißt ist, und der aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht. d. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil und die Deckelplatte und der separate Anschlusspol bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt auch die Merkmale a. bis c. und a. bis d., in Kombination miteinander realisiert sind.
In dieser Ausführungsform besteht das Gehäuse des Energiespeicherelements im Wesentlichen (abgesehen von dem negativen Anschlusspol und dessen Isolierung) vollständig aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung. Dies hat diverse Vorteile. Die Ausbildung von Lokalelementen bei einem Kontakt der Außenseite der Zelle mit Feuchtigkeit ist ausgeschlossen. Das Gehäuse selbst kann im Grunde auf allen seinen Seiten als positiver Anschlusspol dienen. Besonders bevorzugt wird die Zelle allerdings ausschließlich über das Deckelbauteil kontaktiert, wo sich ja auch der negative Anschlusspol befindet. Hierzu kann ein Stromableiter unmittelbar an die Deckelplatte geschweißt werden oder alternativ an dem separaten Anschlusspol fixiert werden, beispielsweise mittels Verschweißung. In diesem Fall handelt es sich bei dem separaten Anschlusspol um den positiven Anschlusspol.
Geeignete Aluminiumlegierungen für das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil und die Deckelplatte sind beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.
Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement ist in bevorzugten Ausführungsformen prismatisch oder als Rundzelle ausgebildet.
Prismatische Ausführungsform
In dieser Ausführungsform ist das Gehäuse prismatisch ausgebildet. Der Boden des becherförmigen Gehäuseteils und das Deckelbauteil weisen in dieser Ausführungsform bevorzugt eine polygonale, besonders bevorzugt eine rechteckige Grundfläche, auf. Die Form der endständigen Öffnung des becherförmigen Gehäuseteils entspricht der Form des Bodens und des Deckelbauteils. Darüber hinaus umfasst das Gehäuse mehrere, bevorzugt vier, rechteckige Seitenteile, die den Boden und das Deckelbauteil miteinander verbinden. Der Elektroden-Separator-Verbund ist in dieser Ausführungsform bevorzugt ebenfalls prismatisch ausgebildet. Bei dem Elektroden-Separator-Verbund handelt es sich in diesem Fall bevorzugt um einen prismatischen Stapel aus mehreren Anoden, Kathoden und mindestens einem Separator, wobei der Elektroden-Separator-Verbund innerhalb des Stapels stets die Sequenz Anode / Separator / Kathode aufweist.
Zumindest die Anoden und Kathoden weisen bevorzugt eine rechteckige Grundfläche auf, wobei die Stromkollektoren der Anoden und der Kathoden jeweils den ersten und den dazu parallelen zweiten Rand aufweisen und jeweils entlang ihres ersten Randes den freien Randstreifen aufweisen, der nicht mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beschichtet ist. Im Falle mehrerer Separatoren zwischen den Anoden und Kathoden weisen die Separatoren bevorzugt ebenfalls eine rechteckige Grundfläche auf. Es ist jedoch auch möglich, dass ein bandförmiger Separator zum Einsatz kommt, der mehrere Anoden und Kathoden innerhalb des Stapels voneinander trennt.
Bei derersten und derzweiten flachen endständigen Stirnseite des Stapels handelt es sich beispielsweise um zwei gegenüberliegende oder benachbarte Seiten des Stapels. Aus einer dieser Stirnseiten treten die ersten Ränder der Anodenstromkollektoren hervor, aus der anderen die ersten Ränder der Kathodenstromkollektoren. Das Kontaktblech sitzt auf den ersten Rändern der Anodenstromkollektoren auf und ist mit diesen durch Verschweißung verbunden.
Ausführungsform als zylindrische Rundzelle
In dieser Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement bevorzugt durch eine Kombination der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis o. aus: a. Die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils ist kreisförmig ausgebildet und das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil umfasst einen zylindrischen Gehäusemantel, b. das Deckelbauteil, das die kreisförmige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils verschließt, weist einen kreisförmigen Umfang auf, c. der Elektroden-Separator-Verbund liegt in Form eines zylindrischen Wickels vor, der neben der ersten und der zweiten flachen endständigen Stirnseite einen zwischen den Stirnseiten liegenden Wickelmantel aufweist, d. in dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund axial ausgerichtet, so dass der Wickelmantel an der Innenseite des zylindrischen Gehäusemantels anliegt, e. die Anode und der Anodenstromkollektor sind bandförmig ausgebildet, wobei der Anodenstromkollektor einen ersten Längsrand und einen zweiten Längsrand und zwei Endstücke umfasst, f. bei dem ersten und dem dazu parallelen zweiten Rand des Anodenstromkollektors handelt es sich um die Längsränder des bandförmigen Anodenstromkollektors, g. der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial beladene Hauptbereich des Anodenstromkollektors ist bandförmig ausgebildet, h. der freie Randstreifen erstreckt sich entlang des ersten Längsrands des Anodenstromkollektors, i. die Kathode und der Kathodenstromkollektorsind bandförmig ausgebildet, wobei der Ka- thodenstromkollektor einen ersten Längsrand und einen zweiten Längsrand und zwei Endstücke umfasst, j. bei dem ersten und dem dazu parallelen zweiten Rand des Kathodenstromkollektors handelt es sich um die Längsränder des bandförmigen Kathodenstromkollektors, k. der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial beladene Hauptbereich des Kathodenstromkollektors ist bandförmig ausgebildet, l. der freie Randstreifen erstreckt sich entlang des ersten Längsrands des Kathodenstromkollektors, m. der Separator oder die Separatoren des Elektroden-Separator-Verbunds sind bandförmig ausgebildet, n. die Anode und die Kathode sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds derart angeordnet, dass der erste Längsrand des Anodenstromkollektors aus der ersten endständigen Stirnseite und der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors aus der zweiten endständigen Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds austritt, und o. das Kontaktblech sitzt auf dem ersten Längsrand des Anodenstromkollektors auf und ist mit diesem durch Verschweißung verbunden.
Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst in dieser Ausführungsform bevorzugt einen bandförmigen Separator oder zwei bandförmige Separatoren, der oder die jeweils einen ersten und einen zweiten Längsrand sowie zwei Endstücke aufweisen. Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst die Elektroden und den oder den Separator stets mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode. Besonders bevorzugt zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement in dieser Ausführungsform durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das Gehäuse umfasst ein Deckelbauteil, das in die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils eingeschweißt ist und diese verschließt.
Bevorzugt ist das Deckelbauteil mit dem kreisförmigen Umfang derart in der kreisförmigen Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils angeordnet, dass der Rand entlang einer umlaufenden Kontaktzone an der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils anliegt, wobei der Rand des Deckelbauteils mit dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil über eine umlaufende Schweißnaht verbunden ist.
Bevorzugt liegt die Höhe als zylindrische Rundzelle ausgebildeter Energiespeicherelemente im Bereich von 50 mm bis 150 mm. Der Durchmesser derzylindrischen Rundzellen liegt bevorzugt im Bereich von 15 mm bis 60 mm. Zylindrische Rundzellen mit diesen Formfaktoren eignen sich insbesondere zur Stromversorgung elektrischer Antriebe von Kraftfahrzeugen.
Wenn das erfindungsgemäße Energiespeicherelement als zylindrische Rundzelle ausgebildet ist, weist es bevorzugt einen Durchmesser von 26 mm und eine Höhe von 105-106 mm auf.
Der Anodenstromkollektor, der Kathodenstromkollektor und der Separator oder die Separatoren weisen in Ausführungsformen, bei denen die erfindungsgemäße Zelle eine zylindrische Rundzelle ist, bevorzugt die folgenden Dimensionen auf:
Eine Länge im Bereich von 0,5 m bis 25 m
Eine Breite im Bereich 30 mm bis 145 mm
Der freie Randstreifen, der sich entlang des ersten Längsrands erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, weist in diesen Fällen bevorzugt eine Breite von nicht mehr als 5000 pm auf.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch eines der folgenden Merkmale aus: a. Das Energiespeicherelement ist eine Lithium-Ionen-Zelle. b. Das Energiespeicherelement umfasst eine Lithium-Ionen-Zelle.
Merkmal a. bezieht sich insbesondere auf die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements als zylindrische Rundzelle. In dieser Ausführungsform umfasst das Energiespeicherelement bevorzugt genau eine elektrochemische Zelle.
Merkmal b. bezieht sich insbesondere auf die beschriebene prismatische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements. In dieser Ausführungsform kann das Energiespeicherelement auch mehr als eine elektrochemische Zelle umfassen.
Für die Elektroden des Energiespeicherelements können im Grunde sämtliche für sekundäre Li- thium-lonen-Zellen bekannten Elektrodenmaterialien verwendet werden.
In den negativen Elektroden können als Aktivmaterialien Partikel auf Kohlenstoffbasis wie graphitischer Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte, nicht-graphitische Kohlenstoffmaterialien, bevorzugt ebenfalls in Partikelform, eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch Lithiumtitanat (Li4Ti5Oi2) oder ein Derivat desselben in der negativen Elektrode enthalten sein, bevorzugt ebenfalls in Partikelform. Weiterhin kann die negative Elektrode als Aktivmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Antimon oder eine Verbindung oder Legierung dieser Materialien, die Lithium reversibel ein- und auslagern kann, beispielsweise Siliziumoxid (insbesondere SiOx mit 0 < x < 2), enthalten, gegebenenfalls in Kombination mit Aktivmaterialien auf Kohlenstoffbasis. Zinn, Aluminium, Antimon und Silizium in der Lage, mit Lithium intermetallische Phasen zu bilden. Die Kapazität zur Aufnahme von Lithium übersteigt dabei, insbesondere im Fall von Silizium, die von Graphit oder vergleichbaren Materialien um ein Vielfaches. Oft werden Mischungen aus Silizium- und Kohlenstoff-basierten Speichermaterialien eingesetzt. Weiterhin eignen sich auch dünne Anoden aus metallischem Lithium.
Für die positiven Elektroden kommen als Aktivmaterialien beispielsweise Lithium-Metalloxid-Ver- bindungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie LiCoO2 und LiFeP04 in Frage. Weiterhin gut geeignet sind insbesondere Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC) mit der Summenformel Li- NixMnyCOzO2 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist), Lithiummanganspinell (LMO) mit der Summenformel LiMn2O4, oder Lithiumnickelcobaltaluminiumoxid (NCA) mit der Summenformel LiNixCoyAlzO2 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist). Auch Derivate hiervon, beispielsweise Lithiumnickelmangancobaltaluminiumoxid (NMCA) mit der Summenformel Lii.u(Nio.4o no.39Coo.i6Alo.o5)o.8902 oder Lii+xM-0 Verbindungen und/oder Mischungen der genannten Materialien können eingesetzt werden. Auch die kathodischen Aktivmaterialien werden bevorzugt partikulär eingesetzt.
Daneben enthalten die Elektroden eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements bevorzugt einen Elektrodenbinder und/oder ein Additiv zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Aktivmaterialien sind bevorzugt in eine Matrix aus dem Elektrodenbinder eingebettet, wobei benachbarte Partikel in der Matrix bevorzugt in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. Leitmittel dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden zu erhöhen. Übliche Elektrodenbinder basieren beispielsweise auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), (Li-)Polyacrylat, Styrol-Butadien-Kautschuk oder Carboxymethylzellulose oder auch Mischungen unterschiedlicher Binder. Übliche Leitmittel sind Ruß, feine Grafite, Kohlenstofffasern, Carbon-Nanotubes und Metallpulver.
Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement umfasst bevorzugt einen Elektrolyten, im Falle einer Lithium-Ionen-Zelle insbesondere einen Elektrolyten auf der Basis mindestens eines Lithiumsalzes wie beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), das in einem organischen Lösungsmittel gelöst vorliegt (z. B. in einer Mischung organischer Carbonate oder einem cyclischen Ether wie THF oder einem Nitril). Andere einsetzbare Lithium-Salze sind beispielsweise Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiFSI) und Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB).
Die Nennkapazität eines als zylindrische Rundzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Energiespeicherelements auf Lithium-Ionen-Basis beträgt bevorzugt bis zu 15000 mAh. Mit dem Formfaktor von 21 x70 hat das Energiespeicherelement in einer Ausführungsform als Lithium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Bereich von 1500 mAh bis 7000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 3000 bis 5500 mAh. Mit dem Formfaktor von 18 x 65 hat die Zelle in einer Ausführungsform als Li- thium-lonen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Bereich von 1000 mAh bis 5000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 2000 bis 4000 mAh.
In der Europäischen Union sind Herstellerangaben zu Angaben betreffend die Nennkapazitäten von sekundären Batterien streng reglementiert. So haben etwa Angaben zur Nennkapazität von sekundären Nickel-Cadmium-Batterien auf Messungen gemäß den Normen IEC/EN 61951-1 und IEC/EN 60622, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Nickel-Metallhydrid-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61951-2, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Lithium-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61960 und Angaben zur Nennkapazität von sekundären Blei- Säure-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61056-1 zu basieren. Jegliche Angaben zu Nennkapazitäten in der vorliegenden Anmeldung basieren bevorzugt ebenfalls auf diesen Normen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Separators
Bevorzugt werden der Separator oder die Separatoren aus elektrisch isolierenden Kunststofffolien gebildet. Es ist bevorzugt, dass die Separatoren von dem Elektrolyten durchdrungen werden kann. Zu diesem Zweck können die verwendeten Kunststofffolien beispielsweise Mikroporen aufweisen. Die Folie kann beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon bestehen. Auch Vliese und Gewebe aus Kunststoffmaterialien oder andere elektrisch isolierende Flächengebilde können als Separator zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden Separatoren eingesetzt, die eine Dicke im Bereich von 5 pm bis 50 pm aufweisen.
In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen werden Separatoren verwendet, die mit keramischen Partikeln (z.B. Al2O3 oder SiO2) ein- oder beidseitig beschichtet oder imprägniert sind.
Insbesondere bei den prismatischen Ausführungsformen des Energiespeicherelements kann es sich bei dem Separator oder den Separatoren des Verbundes auch um eine oder mehrere Schichten aus einem Festelektrolyten handeln.
Bevorzugte Struktur eines als Wickel ausgebildeten Elektroden-Separator-Verbunds
In dem als Wickel ausgebildeten Elektroden-Separator-Verbund liegen die bandförmige Anode, die bandförmige Kathode und der oder die bandförmigen Separatoren bevorzugt spiralförmig aufgewickelt vor. Zur Herstellungdes Elektroden-Separator-Verbunds werden die bandförmigen Elektroden gemeinsam mit dem oder den bandförmigen Separatoren einer Wickelvorrichtung zugeführt und in dieser bevorzugt um eine Wickelachse herum spiralförmig aufgewickelt. In einigen Ausführungsformen werden die Elektroden und derSeparator hierzu auf einen zylindrischen oder hohlzylindrischen Wickelkern aufgewickelt, der auf einem Wickeldorn sitzt und nach dem Wickeln im Wickel verbleibt.
Der Wickelmantel kann beispielsweise durch eine Kunststofffolie oder ein Klebeband gebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Wickelmantel durch eine oder mehrere Separatorwindungen gebildet ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Stromkollektoren
Die Stromkollektoren des Energiespeicherelements dienen dazu, im jeweiligen Elektrodenmaterial enthaltene elektrochemisch aktive Komponenten möglichst großflächig elektrisch zu kontaktieren. Bevorzugt bestehen die Stromkollektoren aus einem Metall oder sind zumindest oberflächlich metallisiert.
Im Falle eines als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Energiespeicherelements eignen sich als Metall für den Anodenstromkollektor beispielsweise Kupfer oder Nickel oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Kupfer- und Nickellegierungen oder mit Nickel beschichtete Metalle. Als Kupferlegierung können insbesondere Werkstoffe vom Typ EN CW- 004A bzw. EN CW-008A mit einem Kupferanteil von mindestens 99,9% eingesetzt werden. Als Nickellegierungen kommen insbesondere Legierungen vom Typ NiFe, NiCu, CuNi, NiCr und NiCrFe in Frage. Als Nickellegierungen kommen insbesondere Legierungen vom Typ NiFe, NiCu, CuNi, NiCr und NiCrFe in Frage. Auch Edelstahl kommt grundsätzlich in Frage, beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4404 oder vom Typ SUS304.
Als Metall für den Kathodenstromkollektor eignen sich im Falle eines als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Energiespeicherelements insbesondere Aluminium oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, darunter auch Aluminiumlegierungen.
Geeignete Aluminiumlegierungen für den Kathodenstromkollektor sind beispielsweise Al-Legierun- gen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Anodenstromkollektor und/oder dem Kathodenstromkollektor jeweils um eine Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm, im Fall der beschriebenen Konfiguration des Energiespeicherelements als zylindrische Rundzelle um eine bandförmige Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm.
Neben Folien können als Stromkollektoren allerdings auch andere bandförmige Substrate wie metallische oder metallisierte Vliese oder offenporige metallische Schäume oder Streckmetalle verwendet werden. Die Stromkollektoren sind bevorzugt beidseitig mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beladen.
Im Fall der beschriebenen Konfiguration des Energiespeicherelements als zylindrische Rundzelle ist es bevorzugt, dass die Längsränder des oder der Separatoren die Stirnseiten des als Wickel ausgebildeten Elektroden-Separator-Verbunds bilden.
Im Fall der beschriebenen prismatischen Konfiguration des Energiespeicherelements ist es bevorzugt, dass die Ränder des oder der Separatoren die Stirnseiten des Stapels bilden, aus denen die Ränder der Stromkollektoren hervortreten.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels oder Seiten des Stapels austretenden Längsränder oder Ränder des Anodenstromkollektors und/oder des Katho- denstromkollektors nicht mehr als 5000 pm, bevorzugt nicht mehr als 3500 pm, aus den Stirnseiten oder den Seiten herausragen.
Besonders bevorzugt ragt der Rand oder der Längsrand des Anodenstromkollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 2500 pm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1500 pm, heraus. Besonders bevorzugt ragt der Rand oder der Längsrand des Kathodenstrom- kollektors aus der Seite des Stapels oder der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 3500 pm, besonders bevorzugt nicht mehr als 2500 pm, heraus.
Die unmittelbare Kontaktierung des Rands des Anodenstromkollektors mit dem Kontaktblech senkt den Innenwiderstand des Energiespeicherelements und erhöht damit dessen Strombelastbarkeit. des Kontaktblechs an den Anoden¬
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Das Kontaktblech ist mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte geführten negativen Anschlusspol und mit dem Anodenstromkollektor elektrisch verbunden. Insbesondere ist es unmittelbar an den ersten Kontaktierungsbereich und/oder den Anodenstromkollektor geschweißt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das mit dem negativen Anschlusspol elektrisch verbundene Kontaktblech durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das Kontaktblech besteht aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder eine Nickel- oder Kupferoder Titanlegierung oder Edelstahl, beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4404 oder vom Typ SUS304, oder aus nickelplattiertem Kupfer. b. Das Kontaktblech besteht aus dem gleichen Material wie der erste Kontaktierungsbereich. c. Das Kontaktblech besteht aus dem gleichen Material wie der Anodenstrom kollektor.
Es ist bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt auch die Merkmale a. bis c., in Kombination miteinander realisiert sind.
Wenn das Kontaktblech aus dem gleichen Material wie der erste Kontaktierungsbereich und/oder der Anodenstromkollektor besteht, ist das Verschweißen dieser Bauteile ohne Probleme möglich.
In einigen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass das Kontaktblech nicht unmittelbar mit dem ersten Kontaktierungsbereich verschweißt ist, sondern über einen separaten Stromleiter mit dem ersten Kontaktierungsbereich verbunden ist. In diesen Fällen ist der separate Stromleiters bevorzugt mit dem ersten Kontaktierungsbereich und dem Kontaktblech verschweißt. Weiterhin ist in diesen Fällen bevorzugt, dass der separate Stromleiter aus dem gleichen Material wie der erste Kontaktierungsbereich und/oder das Kontaktblech besteht.
Besonders bevorzugt besteht der separate Stromleiter aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder aus Edelstahl, beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4404 oder vom Typ SUS304. Als Kupferlegierung können insbesondere Werkstoffe vom Typ EN CW- 004A bzw. Als Nickellegierungen kommen insbesondere Legierungen vom Typ NiFe, NiCu, CuNi, NiCr und NiCrFe in Frage. EN CW-008A mit einem Kupferanteil von mindestens 99,9% eingesetzt werden. Dies alles gilt auch für das Kontaktblech selbst.
In einerweiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das mit dem negativen Anschlusspol elektrisch verbundene Kontaktblech durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus: a. Das Kontaktblech weist eine bevorzugt gleichmäßige Dicke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt im Bereich von 150 pm bis 350 pm, auf. b. Das Kontaktblech weist zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten auf und erstreckt sich im Wesentlichen nur in einer Dimension. c. Das Kontaktblech ist eine Scheibe oder eine bevorzugt rechteckige Platte. d. Das Kontaktblech ist derart dimensioniert, dass es mindestens 60 % der Stirnseite, bevorzugt mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, der ersten endständigen Stirnseite abdeckt. e. Das Kontaktblech weist mindestens eine Durchbrechung, insbesondere mindestens ein Loch und oder mindestens einen Schlitz, auf. f. Das Kontaktblech weist mindestens eine Sicke auf, die auf einer Flachseite des Kontaktblechs als längliche Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Flachseite als längliche Erhöhung zu Tage tritt, wobei das Kontaktblech mit der Flachseite, welche die längliche Erhö- hungträgt, auf dem ersten Rand des Anodenstromkollektors aufsitzt. g. Das Kontaktblech ist im Bereich der Sicke mit dem ersten Rand des Anodenstromkollektors verschweißt, insbesondere über eine oder mehrere in der Sicke angeordnete Schweißnähte.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und d. in Kombination miteinander realisiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Merkmale a. und b. und d. in Kombination mit einem der Merkmale c. oder e. oder den Merkmalen f. und g realisiert. Besonders bevorzugt sind alle Merkmale a. bis g. in Kombination miteinander realisiert.
Die möglichst großflächige Abdeckung der Stirnseite ist für das thermische Management des erdungsgemäßen Energiespeicherelements von Bedeutung. Je größer die Abdeckung ist, desto eher ist es möglich, den ersten Rand des Anodenstromkollektors möglichst über seine gesamte Länge zu kontaktieren. In Elektroden-Separator-Verbund gebildete Wärme kann so gut über das Kontaktblech abgeführt werden.
Es hat sich in einigen Ausführungsformen als vorteilhaft erwiesen den Rand des Stromkollektors einer Vorbehandlung zu unterziehen, bevor das Kontaktblech aufgesetzt wird. Insbesondere kann in den Rand mindestens eine Vertiefung eingefalzt werden, die zu der mindestens einen Sicke bzw. der länglichen Erhöhung auf der der ersten endständigen Stirnseite zugewandten Flachseite des Kontaktblechs korrespondiert.
Der Rand des Strom ko Hektors kann auch durch eine Vorbehandlung einer gerichteten Umformung unterzogen worden sein. Beispielsweise kann er in eine definierte Richtung umgebogen sein. Die mindestens eine Durchbrechung in dem Kontaktblech kann beispielsweise zweckmäßig sein, um den Elektroden-Separator-Verbund mit einem Elektrolyten tränken zu können.
Elektrische Anbindung des Kathodenstromkollektors an das Gehäuse / Zweites Kontaktblech
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das Energiespeicherelement umfasst ein zweites Kontaktblech, das auf dem ersten Rand des Kathodenstromkollektors aufsitzt und mit diesem durch Verschweißung verbunden ist. b. Das zweite Kontaktblech ist mit dem becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil elektrisch verbunden. c. Das zweite Kontaktblech besteht aus Aluminium oderaus einer Aluminiumlegierung.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b., bevorzugt auch die Merkmale a. bis c., in Kombination miteinander realisiert sind.
Mit dem zweiten Kontaktblech erhöht sich auch kathodenseitig die Strombelastbarkeit. Zudem verbessert sich das thermische Management des Energiespeicherelements weiter.
Als Aluminiumlegierungen kommen für das Kontaktblech beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55 in Frage. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.
Das auf dem ersten Rand des Kathodenstromkollektors aufsitzende Kontaktblech ist bevorzugt, abgesehen von seiner materiellen Beschaffenheit, ähnlich dem auf dem ersten Rand des Anodenstromkollektors aufsitzenden Kontaktblech ausgebildet. Es zeichnet sich bevorzugt durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis g. aus: a. Das zweite Kontaktblech weist eine bevorzugt gleichmäßige Dicke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt im Bereich von 150 pm bis 350 pm, auf. b. Das zweite Kontaktblech weist zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten auf und erstreckt sich im Wesentlichen nur in einer Dimension. c. Das zweite Kontaktblech ist eine Scheibe oder eine bevorzugt rechteckige Platte. d. Das zweite Kontaktblech ist derart dimensioniert, dass es mindestens 60 % der Stirnseite, bevorzugt mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, der zweiten endständigen Stirnseite abdeckt. e. Das zweite Kontaktblech weist mindestens eine Durchbrechung, insbesondere mindestens ein Loch und oder mindestens einen Schlitz, auf. f. Das zweite Kontaktblech weist mindestens eine Sicke auf, die auf einer Flachseite des Kontaktblechs als längliche Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Flachseite als längliche Erhöhungzu Tage tritt, wobei das Kontaktblech mit der Flachseite, welche die längliche Erhöhung trägt, auf dem ersten Rand des Kathodenstromkollektors aufsitzt. g. Das zweite Kontaktblech ist im Bereich der Sicke mit dem ersten Rand des Kathodenstromkollektors verschweißt, insbesondere über eine oder mehrere in der Sicke angeordnete Schweißnähte.
Auch hier ist es besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und d. in Kombination miteinander realisiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Merkmale a. und b. und d. in Kombination mit einem der Merkmale c. oder e. oder den Merkmalen f. und g realisiert. Besonders bevorzugt sind auch hier alle Merkmale a. bis g. in Kombination miteinander realisiert.
Die Anbindung bzw. Anschweißung des ersten Rands des Kathodenstromkollektors an das zweite Kontaktblech ist bevorzugt analog zur oben beschriebenen Anbindung des ersten Rands des Anodenstromkollektors realisiert, also besonders bevorzugt über eine Verschweißung im Bereich der Sicke.
Weiterhin kann es auch hier bevorzugt sein, dass der Rand des Strom ko Hektors durch eine Vorbehandlung einer gerichteten Umformung unterzogen wurde. Beispielsweise kann er in eine definierte Richtung umgebogen sein.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das zweite Kontaktblech unmittelbar mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils oder einem Teil des Bodens verschweißt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das zweite Kontaktblech über einen separaten Stromleiter mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils verbunden. In letzterem Fall ist es bevorzugt, dass der separate Stromleitersowohl mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils als auch mit dem zweiten Kontaktblech verschweißt ist. Der separate Stromleiter besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Grundsätzlich auch direkte Anbindung des ersten Rands des Kathodenstromkollektors an den Boden möglich. Hierzu kann beispielsweise eine Verschweißung mittels Lasers von außen durch den Boden des becherförmigen Gehäuseteils vorgenommen werden.
Bevorzugte Ausgestaltung des negativen Anschlusspols
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis f. aus: a. Der negative Anschlusspol umfasst ein rohrförmiges oder becherförmiges erstes Teil, das den ersten Kontaktierungsbereich umfasst. b. Das rohrförmige oder becherförmige Teil besteht aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder aus Edelstahl, beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4404 oder vom Typ SUS304 . c. Der negative Anschlusspol umfasst ein endständiges rohrförmiges oder becherförmiges erstes Teil, das eine Hülle aus Nickel oder Kupfer oder einer Nickel- oder Kupferlegierung aufweist, insbesondere mit dem Nickel oder dem Kupfer oder der Nickel- oder Kupferlegierung beschichtet ist. d. Der negative Anschlusspol umfasst ein zweites Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das den zweiten Kontaktierungsbereich umfasst. e. Das zweite Teil ist an dem ersten Teil mechanisch und/oder mittels Verschweißung fixiert. f. Das zweite Teil umfasst einen stiftförmigen Abschnitt, der in dem rohrförmigen oder becherförmigen Teil mechanisch fixiert ist, bevorzugt in das rohrförmige oder becherförmige Teil eingepresst oder in dem rohrförmigen oder becherförmigen Teil mittels Verschraubung fixiert ist.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander realisiert sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Merkmale a. und b. in Kombination mit den Merkmalen d. und e. oder in Kombination mit den Merkmalen d. bisf. realisiert. In einer alternativen Ausführungsform sind die Merkmale c., d. und e., besonders bevorzugt die vier Merkmale c. bis f., in Kombination miteinander realisiert.
Die Ausführungsformen, bei denen das erste Teil rohrförmig oder becherförmig ausgebildet ist, bieten eine einfache und elegante Lösung zur Bildung des negativen Anschlusspols. Das Teil bietet eine Aufnahme für den stiftförmigen Abschnitt des zweiten Teils, der in das erste eingeschoben und dort fixiert werden kann. Gegebenenfalls kann die mechanische Fixierung auch durch eine zusätzliche Schweißverbindung unterstützt werden.
Die elektrische Isolierung des negativen Anschlusspols gegenüber dem Deckelbauteil kann beispielsweise durch ein ringförmig um den Anschlusspol angeordnetes Isolierelement realisiert sein. Dieses kann beispielweise aus Glas, einem keramischen Werkstoff, einem elektrisch isolierenden Polymer oder einer Kombination dieser Werkstoffe bestehen.
CID-Lösung im Bodenbereich
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch eine Kombination der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Der Boden des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils umfasst eine Durchbrechung, insbesondere ein bevorzugt kreisrundes Loch, die mittels einer metallischen Membran verschlossen ist. b. Die metallische Membran ist durch Verschweißung an dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil fixiert. c. Die metallische Membran umfasst eine Einbuchtung, in deren Bereich sich die Membran durch die Durchbrechung ins Gehäuseinnere erstreckt. d. Das zweite Kontaktblech ist gegenüber dem Boden des Gehäuses elektrisch isoliert. e. Das zweite Kontaktblech ist durch Verschweißung mit dem sich ins Gehäuseinnere erstreckenden Teil der metallischen Membran verbunden.
Diese Ausführungsform bietet eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Energiespeicherelement mit einer zuverlässigen und gleichzeitig platzsparenden Sicherheitsfunktion auszustatten. Die metallische Membran lässt sich ohne Probleme in eine Vertiefung im Boden integrieren. Wenn man die elektrische Isolierung gegenüber dem Boden beispielsweise als dünne Kunststofffolie ausgestaltet, kann das zweite Kontaktblech flach auf dem Boden aufliegen, von diesem lediglich durch die dünne Folie getrennt. Tritt im Gehäuseinneren ein ausreichend hoher Überdruck auf, wird die Einbuchtung nach außen gedrückt, wobei die Membran von der Kontaktplatte abreißt. Dabei wird der elektrische Kontakt zur Kathode unterbrochen und ein eventueller Stromfluss wird gestoppt. Steigt der Druck dennoch weiter an, kann die Membran bersten.
Um zu gewährleisten, dass ein auftretender Innendruck in beabsichtigterweise auf die Einbuchtung einwirken kann, kann es bevorzugt sein, in der zweiten Kontaktplatte eine Durchbrechung, insbesondere ein Loch, vorzusehen, durch die der eingebuchtete Bereich mit dem Innenraum des Gehäuses in kommunizierenderVerbindung steht.
Die Dicke der Membran kann an den Druck, bei dem die Sicherung auslösen soll, angepasst werden.
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r Gehäuseteile
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespeicherelement durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der Boden des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils weist eine Dicke im Bereich von 200 pm bis 2000 pm auf. b. Die Seitenwand des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils weist eine Dicke im Bereich von 150 pm bis 2000 pm auf. c. Das Deckelbauteil, insbesondere die Deckelplatte des Deckelbauteils, weist eine Dicke im Bereich von 200 pm bis 2000 pm auf.
Besonders bevorzugt sind die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination realisiert.
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n
Der erfindungsgemäße Verbund zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus: a. Der Verbund umfasst mindestens zwei Energiespeicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und b. derVerbund umfasst einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, der mit dem negativen Anschlusspol eines der Energiespeicherelemente und mit einem Pol eines anderen der Energiespeicherelemente durch Verschweißung verbunden ist.
Bei dem Leiter aus Aluminium kann es sich beispielsweise um eine Aluminiumschiene handeln.
Als Aluminiumlegierung kommen für den Leiter beispielsweise Al-Legierungen vom Typ 1235, 1050, 1060, 1070, 3003, 5052, Mg3, Mg212 (Serie 3000) und GM55 in Frage. Weiterhin geeignet sind AlSi, AlCuTi, AlMgSi, AlSiMg, AlSiCu, AlCuTiMg und AlMg. Der Aluminiumanteil besagter Legierungen liegt bevorzugt oberhalb von 99,5 %.
Bevorzugt ist der elektrische Leiter mit dem ersten Kontaktierungsbereich des negativen Anschlusspols verbunden.
Erfindungsgemäßes Verfahren
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbunds und zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: a. Es werden mindestens zwei Energiespeicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und der elektrische Leiter aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung bereitgestellt und b. der elektrische Leiter aus Aluminium oder aus der Aluminiumlegierung wird mit dem negativen Anschlusspol eines der Energiespeicherelemente und mit einem Pol eines anderen der Energiespeicherelemente durch Verschweißung verbunden.
Besonders bevorzugt wird die Verschweißung mittels eines Lasers bewirkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. Die einzelnen Merkmale können dabei jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Zeichnungen zeigen schematisch
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeicherelements und dessen Verhalten im Falle eines Überdrucks in Folge einer Fehlfunktion (Querschnittsdarstellungen),
Fig. 2 einen Elektroden-Separator-Verbund, der Bestandteil des in Fig. 1 dargestellten Energiespeicherelements ist, sowie dessen Komponenten,
Fig. 3 zwei Kontaktbleche, die Bestandteile des in Fig. 1 dargestellten Energiespeicherelements sind, und
Fig. 4 die Montage eines negativen Anschlusspols gemäß der Erfindung (Querschnittsdarstellungen).
Das in Fig. 1 dargestellte, als zylindrische Rundzelle mit 26 mm Durchmesser und 105 mm Höhe ausgebildete Energiespeicherelement umfasst ein lüft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse aus einem metallischen, becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil 101, das einen Gehäuseboden 101a, einen zylindrischen Gehäusemantel 101b und eine kreisförmig ausgebildete endständige Öffnung umfasst, und einem Deckelbauteil 102 mit einem kreisförmigen Umfang. Das Deckelbauteil 102 ist derart in der kreisförmigen Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 angeordnet, dass sein Rand entlang einer umlaufenden Kontaktzone an der Innenseite des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 anliegt, wobei der Rand des Deckelbauteils 102 mit dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil 101 über eine umlaufende Schweißnaht 118 verbunden ist. Im Ergebnis ist das Deckelbauteil 102 in die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils 101 eingeschweißt und verschließt diese. Das Deckelbauteil 102 umfasst eine metallische Deckelplatte 102a und einen negativen Anschlusspol 102b, der durch eine Durchbrechung in der Deckelplatte 102a geführt und gegenüber der Deckelplatte 102 elektrisch isoliert ist. Hierzu umfasst das Deckelbauteil 102 das ringförmige Isolierelement 102g.
In dem Gehäuse ist ein Elektroden-Separator-Verbund 104 angeordnet. Dieser liegt in Form eines zylindrischen Wickels vor, der neben einer ersten flachen endständigen Stirnseite 104a und einer zweiten flachen endständigen Stirnseite 104b einen zwischen den Stirnseiten liegenden Wickelmantel 104c aufweist. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 axial ausgerichtet, so dass der Wickelmantel 104c an der Innenseite des zylindrischen Gehäusemantels 101b anliegt. Zwischen dem Wickelmantel 104c und der Innenseite ist lediglich noch eine elektrisch isolierende Schicht 115, beispielsweise aus einer oder mehreren Kunststofffolien, angeordnet. Die elektrisch isolierende Schicht 115 erstreckt sich nahezu über die gesamte Innenseite des Gehäuses. Sowohl die Seitenwand des Gehäuseteils 101 als weite Bereiche seines Bodens 101a und die Innenseite der Deckelplatte 102a sind gegenüber einem unmittelbaren und damit auch einem elektrischen Kontakt mit einer Komponente des Elektroden-Separator-Verbunds 104 abgeschirmt.
Der Aufbau des Elektroden-Separator-Verbund 104 wird anhand von Fig. 2 veranschaulicht. Der Verbund 104 umfasst die bandförmige Anode 105 (Fig. 2A) mit dem bandförmigen Anodenstromkollektor 106, der einen ersten Längsrand 106a und einen dazu parallelen zweiten Längsrand aufweist. Bei dem Anodenstromkollektor 106 handelt es sich um eine Folie aus Kupfer oder Nickel. Diese umfasst einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial 107 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 106b, der sich entlang seines ersten Längsrands 106a erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 107 beladen ist. Weiterhin umfasst der Verbund 104 die bandförmige Kathode 108 (Fig. 2B) mit dem bandförmigen Kathodenstromkollektor 109, der einen ersten Längsrand 109a und einen dazu parallelen zweiten Längsrand aufweist. Bei dem Kathodenstromkollektor 109 handelt es sich um eine Aluminiumfolie. Er umfasst einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial 110 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 109b, der sich entlang seines ersten Längsrands 109a erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 110 beladen ist. Beide Elektroden sind einzeln in ungewickeltem Zustand dargestellt.
Die Anode 105 und die Kathode 108 sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds 104 versetzt zueinander angeordnet, so dass der erste Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106 aus der ersten endständigen Stirnseite 104a und der erste Längsrand 109a des Kathodenstromkollektors 109 aus der zweiten endständigen Stirnseite 104b des Elektroden-Separator-Verbunds 104 austritt. Die versetzte Anordnung geht aus Fig. 2C hervor. Dortsind auch die zwei bandförmigen Separatoren 116 und 117 dargestellt, die im Wickel die Elektroden 105 und 108 voneinander trennen.
In Fig. 2 D ist der Elektroden-Separator-Verbunds 104 in gewickelter Form dargestellt, wie er in einem Energiespeicherelement gemäß Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Die aus den Stirnseiten (104a, 104b) austretenden Elektrodenränder (106a, 109a) sind gut zu erkennen. Der Wickelmantel 104c wird durch eine Kunststofffolie gebildet. Aberzurückzu Fig. 1, das Energiespeicherelement 100 umfasst weiterhin das Kontaktblech 111. Dieses sitzt auf dem ersten Längsrand 106a des Anodenstromkollektors 106 auf und ist mit diesem durch Verschweißung verbunden. Weiterhin ist das Kontaktblech 111 mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte 102a geführten negativen Anschlusspol 102b unmittelbar verbunden. Dieser ist nämlich auf das Kontaktblech 111 aufgeschweißt. Die Isolierschicht 115 unterbindet einen Kontakt der Ränder des Kontaktblechs 111 mit dem Gehäuseteil 101 und einen Kontakt der Kontaktplatte 111 mit der Deckelplatte 102a. Ein zweites Kontaktblech 112 sitzt auf dem überstehenden ersten Rand 109a des Kathodenstromkollektors 109 auf und ist mit diesem durch Verschweißung verbunden.
Die zwei Kontaktbleche 111 und 112 sind in Fig. 3 dargestellt. Bei beiden handelt es sich um flache Metallscheiben mit einer Dicke im Bereich von 150 pm bis 350 pm. Die Metallscheibe 112 besteht aus Aluminium, die Scheibe 111 aus Kupfer oder Nickel. Die Kontaktbleche 111 und 112 haben einen Durchmesser, der im Wesentlichen dem Durchmesser des als Wickel ausgebildeten Elektroden-Se- parator-Verbunds entspricht. Sie decken damit die Stirnseiten 104a und 104b nahezu vollständig ab. Das Kontaktblech 112 weist ein zentrales Loch 122 auf, das u.a. beim T ränken des Elektroden-Sepa- rator-Verbunds mit einem Elektrolyten hilfreich sein kann. Beide Kontaktbleche 111 und 112 weisen jeweils drei Sicken (lila, 111b, 111c; 112a, 112b, 112c) auf. Im Bereich dieser Sicken sind die Kontaktbleche 111 und 112 mit den Rändern 106a und 109a verschweißt.
Der in Fig. 1 dargestellte negative Anschlusspol 102b umfasst ein becherförmiges erstes Teil 102e, das an seinem Boden einen ersten Kontaktierungsbereich 102c umfasst. Dieser Kontaktierungsbereich sitzt unmittelbar auf dem Kontaktblech 111 auf und ist mit diesem durch Verschweißung verbunden. Die Verschweißung kann beispielsweise mittels eines Lasers erfolgen. Das becherförmige Teil 102e besteht aus Nickel oder Kupfer. Um die Verschweißung zu erleichtern, besteht es bevorzugt aus dem gleichen Material wie das Kontaktblech 111. Weiterhin umfasst der negative Anschlusspol 102b ein zweites Teil 102f aus Aluminium oder aus einer Alu miniumlegierung. Dieses umfasst einen zweiten Kontaktierungsbereich 102d. Das zweite Teil 102f umfasst einen stiftförmigen Abschnitt 102g, der in dem becherförmigen Teil 102e mechanisch fixiert ist. Bevorzugt ist das zweite Teil 102f in das becherförmige Teil 102e eingepresst oder in dem becherförmigen Teil 102e mittels Verschraubung fixiert. Eine zusätzliche Fixierung mittels Verschweißung ist möglich. Der zweite Kontaktierungsbereich 102d ist von außerhalb des Gehäuses mechanisch kontaktierbar. Aufgrund seiner materiellen Beschaffenheit kann er mittels Laser problemlos an einen Stromleiter aus Aluminium geschweißt werden.
Das zweite Kontaktblech 112 ist mit dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil 101 elektrisch verbunden, und zwar ausschließlich über die metallische Membran 113. Ansonsten ist das zweite Kontaktblech 112 gegenüber dem Boden 101a elektrisch isoliert, und zwar mittels der Isolierung 119, die als Scheibe ausgebildet sein kann, gegebenenfalls auch Teil der isolierenden Schicht 115 sein kann.
Die Membran 113 verschließt eine Durchbrechung 101b im Boden 101a des Gehäuseteils 101. Zwecks Platzersparnis weist der Boden 101a auf seiner Außenseite um die Durchbrechung 101b herum eine ringförmige, flache Ausnehmung auf, in welcher die Membran 113 durch Verschweißung an das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil 101 fixiert ist. Die Membran 113 weist in der Folge die ringförmige Schweißnaht 113a auf. In ihrem Zentrum weist die metallische Membran 113 eine Einbuchtung 114 auf, in deren Bereich sich die Membran 113 durch die Durchbrechung 101b ins Gehäuseinnere erstreckt. Das zweite Kontaktblech 112 ist durch Verschweißung mit dem sich ins Gehäuseinnere erstreckenden Teil der metallischen Membran 113 verbunden.
Das Kontaktblech 112 weist vorteilhafterweise mehrere Löcher 120 auf. Über eines der Löcher ist die Durchbrechung 101b mit einem axialen Hohlraum 121 innerhalb des Elektroden-Separator-Verbun- des 104 gekoppelt. Tritt im Gehäuseinneren ein Überdruck auf, kann der Druck übereines oder mehrere der Löcher auf die Membran 113 wirken. Ist der Druck ausreichend hoch, so wird die Einbuchtung 114 nach außen gedrückt, wobei die Membran 113 von der Kontaktplatte 112 abreißt, wie es in Fig. 1A dargestellt ist. Dabei wird der elektrische Kontakt zur Kathode 108 unterbrochen und ein eventueller Stromfluss wird gestoppt. Steigt der Druck dennoch weiter an, kann die Membran bersten, siehe Fig. 1B.
Die dargestellte Lösung ist insoweit vorteilhaft, als die Sicherungsfunktion in den Gehäuseboden 101a integriert ist und somit keinen Platz innerhalb des Gehäuses beansprucht. Trotzdem istsie ausgesprochen zuverlässig.
In Fig. 4 ist die Montage des in Fig. 1 dargestellten negativen Anschlusspols 102b illustriert. Hierzu wird zunächst der Boden des becherförmigen ersten Teils 102e mit dem Kontaktblech 111 durch Verschweißung verbunden. Die Verschweißung erfolgt vorliegend mittels eines Lasers. Anschließend wird der stiftförmigen Abschnitt 102g des zweiten Teils 102f in das becherförmige Teil 102e eingepresst.

Claims

Patentansprüche Energiespeicherelement (100) mit den Merkmalen a. Es umfasst ein lüft- und flüssigkeitsdicht verschlossenes Gehäuse und einen darin angeordneten Elektroden-Separator-Verbund (104), b. das Gehäuse umfasst ein metallisches, becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil (101), das einen Gehäuseboden (101a) und eine endständige Öffnung umfasst, c. das Gehäuse umfasstein Deckelbauteil (102), das in die endständige Öffnung des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils (101) eingeschweißt ist und diese verschließt, d. das Deckelbauteil (102) umfasst eine metallische Deckelplatte (102a) und einen negativen Anschlusspol (102b), der durch eine Durchbrechung in der Deckelplatte (102) geführt und gegenüber der Deckelplatte (102) elektrisch isoliert ist, e. der Elektroden-Separator-Verbund (104) umfasst eine erste flache endständige Stirnseite (104a) und eine zweite flache endständige Stirnseite (104b), f. der Elektroden-Separator-Verbund (104) umfasst eine Anode (105) mit einem Anodenstromkollektor (106), der einen ersten Rand (106a) und einen dazu parallelen zweiten Rand aufweist, g. der Anodenstromkollektor (106) umfasst einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial (107) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (106b), der sich entlang seines ersten Rands (106a) erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (107) beladen ist, h. der Elektroden-Separator-Verbund (104) umfasst eine Kathode (108) mit einem Ka- thodenstromkollektor (109), der einen ersten Rand (109a) und einen dazu parallelen zweiten Rand aufweist, i. der Kathodenstromkollektor (109) umfasst einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial (110) beladen ist, sowie einen freien Randstreifen (109b), der sich entlang seines ersten Rands (109a) erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (110) beladen ist, j. die Anode (105) und die Kathode (108) sind innerhalb des Elektroden-Separator-Ver- bunds (104) derart angeordnet, dass der erste Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) aus der ersten endständigen Stirnseite (104a) und der erste Rand (109a) des Kathodenstromkollektors (109) aus der zweiten endständigen Stirnseite (104b) des Elektroden-Separator-Verbunds (104) austritt, k. das Energiespeicherelement umfasst ein Kontaktblech (111), das auf dem ersten Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) aufsitzt und mit diesem durch Verschweißungverbunden ist, l. das Kontaktblech (111) ist mit dem durch die Durchbrechung in der Deckelplatte (102a) geführten negativen Anschlusspol (102b) elektrisch verbunden, m. Der negative Anschlusspol (102b) umfasst einen ersten Kontaktierungsbereich (102c) aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder Edelstahl und einen zweiten Kontaktierungsbereich (102d) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und n. der zweite Kontaktierungsbereich (102d) ist von außerhalb des Gehäuses mechanisch kontaktierbar. Energiespeicherelement nach Anspruch 1 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil (101) besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. b. Die Deckelplatte (102a) besteht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. c. Der Deckelbauteil (102) umfasst einen separaten positiven Anschlusspol, der auf der Deckelplatte (102a) fixiert ist, insbesondere an die Deckelplatte (102a) angeschweißt ist, und der aus Aluminium oder aus einer Alu miniumlegierung besteht. d. Das becherförmig ausgebildete Gehäuseteil (101) und die Deckelplatte (102a) und derseparate positive Anschlusspol bestehen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Energiespeicherelement nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das Kontaktblech (111) besteht aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder eine Nickeloder Kupfer- oder Titanlegierung oder Edelstahl. b. Das Kontaktblech (111) besteht aus dem gleichen Material wie der erste Kontaktierungsbereich (102c). c. Das Kontaktblech (111) besteht aus dem gleichen Material wie der Anodenstromkollektor (106). Energiespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das Kontaktblech (111) weist eine bevorzugt gleichmäßige Dicke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt im Bereich von 150 pm bis 350 pm, auf. b. Das Kontaktblech (111) weist zwei sich gegenüberliegenden Flachseiten auf und erstreckt sich im Wesentlichen nur in einer Dimension. c. Das Kontaktblech (111) ist eine Scheibe oder eine bevorzugt rechteckige Platte. d. Das Kontaktblech (111) ist derart dimensioniert, dass es mindestens 60 % der Stirnseite, bevorzugt mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, der ersten endständigen Stirnseite abdeckt. e. Das Kontaktblech (111) weist mindestens eine Durchbrechung, insbesondere mindestens ein Loch und oder mindestens einen Schlitz, auf. f. Das Kontaktblech (111) weist mindestens eine Sicke auf, die auf einer Flachseite des Kontaktblechs (111) als längliche Vertiefung und auf der gegenüberliegenden Flachseite als längliche Erhöhung zu Tage tritt, wobei das Kontaktblech (111) mit der Flachseite welche die längliche Erhöhungträgt, auf dem ersten Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) aufsitzt. g. Das Kontaktblech (111) ist im Bereich der Sicke mit dem ersten Rand (106a) des Anodenstromkollektors (106) verschweißt, insbesondere über eine oder mehrere in der Sicke angeordnete Schweißnähte. Energiespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das Energiespeicherelement umfasst ein zweites Kontaktblech (112), das auf dem ersten Rand (109a) des Kathodenstromkollektors (109) aufsitzt und mit diesem durch Verschweißung verbunden ist. b. Das zweite Kontaktblech (112) ist mit dem becherförmig ausgebildetes Gehäuseteil (101) elektrisch verbunden. c. Das zweite Kontaktblech (112) besteht aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Energiespeicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Der negative Anschlusspol (102b) umfasstein rohrförmiges oder becherförmiges erstes Teil (102e), das den ersten Kontaktierungsbereich (102c) umfasst. b. Das rohrförmige oder becherförmige Teil (102e) besteht aus Nickel oder Kupfer oder Titan oder einer Nickel- oder Kupfer- oder Titanlegierung oder aus Edelstahl. c. Der negative Anschlusspol (102b) umfasst ein endständiges rohrförmiges oder becherförmiges erstes Teil, das eine Hülle aus Nickel oder Kupfer oder einer Nickel- o- der Kupferlegierung aufweist, insbesondere mit dem Nickel oder dem Kupfer oder der Nickel- oder Kupferlegierung beschichtet ist. d. Der negative Anschlusspol (102b) umfasst ein zweites Teil (102f) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das den zweiten Kontaktierungsbereich (102d) umfasst. e. Das zweite Teil (102f) ist an dem ersten Teil (102e) mechanisch und/oder mittels Verschweißung fixiert. f. Das zweite Teil (102f) umfasst einen stiftförmigen Abschnitt (102g), der in dem rohrförmigen oder becherförmigen Teil (102e) mechanisch fixiert ist, bevorzugt in das rohrförmige oder becherförmige Teil (102e) eingepresst oder in dem rohrförmigen oder becherförmigen Teil (102e) mittels Verschraubung fixiert ist.
Energiespeicherelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6 mit den folgenden zusätzlichen
Merkmalen: a. Der Boden (101a) des becherförmig ausgebildeten Gehäuseteils (101) umfasst eine Durchbrechung (101b), die mittels einer metallischen Membran (113) verschlossen ist. b. Die metallische Membran (113) ist durch Verschweißung an dem becherförmig ausgebildeten Gehäuseteil (101) fixiert. c. Die metallische Membran (113) umfasst eine Einbuchtung (114), in deren Bereich sich die Membran (113) durch die Durchbrechung (101b) ins Gehäuseinnere erstreckt. d. Das zweite Kontaktblech (112) ist gegenüber dem Boden (101a) des Gehäuses elektrisch isoliert. e. Das zweite Kontaktblech (112) ist durch Verschweißung mit dem sich ins Gehäuseinnere erstreckenden Teil der metallischen Membran (113) verbunden.
8. Verbund aus Energiespeicherelementen mit den Merkmalen a. Der Verbund umfasst mindestens zwei Energiespeicherelement (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und b. derVerbund umfasst einen elektrischen Leiter aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, der mit dem negativen Anschlusspol (102b) eines der Energiespeicherelemente und mit einem Pol (102b) eines anderen der Energiespeicherelemente durch Verschweißung verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Verbunds aus Energiespeicherelementen (100) mit den Schritten a. Es werden mindestens zwei Energiespeicherelemente (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und ein elektrischer Leiter aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bereitgestellt und b. der elektrische Leiter aus Aluminium oder aus der Alu miniumlegierung wird mit dem negativen Anschlusspol (102b) eines der Energiespeicherelemente und mit einem Pol (102b) eines anderen der Energiespeicherelemente durch Verschweißung verbunden.
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