WO2023016989A1

WO2023016989A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: WO2023016989A1
Application number: PCT/EP2022/072244
Authority: WO
Inventors: Bastian Schaar; Mesut Yurtseven; Lukas Kwoczek; Benjamin Bedürftig; Anish GAUSH; Jan Teuwsen; Michael Lang; Rudolf Pape
Original assignee: Volkswagen Aktiengesellschaft
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2023-02-16
Also published as: EP4385085A1; CN117795715A; DE102021120890A1

Abstract

Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse (2) mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen (3, 4) und in dem Gehäuse (2) angeordnet einen Stapel (5) aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen (6), umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden (7, 8) und zwischen den unterschiedlichen Elektroden (7, 8) einen Separator (9); wobei eine erste Elektrode (7) hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche (10) des Gehäuses (2) aus einer Seite (11) des Stapels (5) übersteht und dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich (12) und einen zweiten Anbindungsbereich (13) ausbildet; wobei der erste Anbindungsbereich (12) an einem elektrischen Leitungselement (14) anliegt, über das die erste Elektrode (7) innerhalb des Gehäuses (2) mit einem ersten Anschluss (3) am Gehäuse (2) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Beschreibung

Batteriezelle

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse und darin angeordnet mindestens eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen, umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Die Lagen bilden mindestens einen Stapel.

Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Jede Elektrode umfasst insbesondere einen Stromsammler, der in einem beschichteten Bereich Aktivmaterial aufweist. Der unbeschichtete Bereich dient als Ableiter. Bei Kathoden ist der Stromsammler meist aus Aluminium und bei Anoden aus Kupfer (oder jeweils aus entsprechenden Legierungen) ausgeführt.

Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden insbesondere jeweils miteinander elektrisch leitend verbunden, um die jeweiligen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein.

Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen werden vermehrt Batterien, insbesondere Lithium-Ionen- Batterien eingesetzt. Batterien werden üblicherweise aus Batteriezellen und/ oder aus mehrere Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen zusammengesetzt.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2021 112 444.1 ist eine Batteriezelle, zumindest umfassend ein Gehäuse und darin angeordnet mindestens einen Block Aktivmaterial, bekannt. Der Block Aktivmaterial weist eine Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen auf. Das Gehäuse umfasst ein Mantelteil mit einer offenen ersten Stirnseite und einer offenen zweiten Stirnseite, das den mindestens einen Block Aktivmaterial entlang einer Umfangsrichtung vollumfänglich umschließt, sowie ein einteilig ausgeführtes Kernteil. Das Kernteil weist ein an der ersten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Bodenteil und ein entlang einer axialen Richtung beabstandet dazu an der zweiten Stirnseite angeordnetes und mit dem Mantelteil verbundenes Deckelteil auf, sowie ein das Bodenteil mit dem Deckelteil verbindendes Mittelteil. Der mindestens eine Block Aktivmaterial ist auf einer ersten Seite des Mittelteils entlang einer radialen Richtung zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil sowie auf einer, der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Mittelteils zwischen dem Mantelteil und dem Mittelteil angeordnet. Das Kernteil ist ein Strangpressprofil.

Diese Bauart einer Batteriezelle ermöglicht eine effektive Ausnutzung eines Bauraums, es wird also ein hoher Wert für diesen Parameter in Wh/I [Watt-Stunde pro Liter] erreicht.

Weiterhin ist eine Anbindung der Zelle an die Kühlung im System sehr wichtig. Ein direkter Kühlpfad zwischen den Stapeln bzw. dem Block Aktivmaterial zu einer Systemkühlung ist in aktuellen Bauformen nicht vorhanden. Durch das in der DE 10 2021 112 444.1 vorgeschlagene, als Strangpressprofil ausgeführte Kernteil kann in dem Gehäuse entstehende Wärme einfach abgeführt werden.

Batteriezellen in prismatischer Bauform, also mit formfesten Gehäusen, werden üblicherweise über einen Gehäuseboden an eine Kühlstruktur angebunden. Die Abführung der im Inneren der Batteriezelle, also innerhalb des Gehäuses, entstehenden Wärme erfolgt dabei zunächst entlang der Stapelrichtung der Elektroden an das Gehäuse und dann entlang der Gehäusewände zum Gehäuseboden. Infolge des geschichteten Aufbaus der Elektrodenanordnung ist die thermische Leitfähigkeit in der hier genutzten Stapelrichtung deutlich geringer als in Längsrichtung, also entlang der Erstreckung der Stromsammler der Elektroden. Damit entstehen hohe Temperaturgradienten von innen nach außen und die insgesamt realisierbare Dicke bzw. Stapelhöhe der Batteriezelle ist begrenzt. Weiterhin erfordert dieser thermische Pfad eine gewisse Mindest-Dicke der Gehäusewände.

Insbesondere vor dem Hintergrund steigender Schnellladeanforderungen sind perspektivisch sehr hohe Verlustleistungen zu erwarten, die einen leistungsfähigen Pfad zur Wärmeabfuhr aus den Batteriezellen erforderlich machen.

Zur Lösung dieser Probleme werden z. B. prismatische Batteriezellen mit begrenzter Dicke und hoher Wandstärke eingesetzt. Für eine Anwendung in zylindrischen Zellen wird in der US 2020/144676 A1 eine Ausführung vorgeschlagen, bei der eine Elektrode des Elektrodenwickels über diesen zum Gehäuseboden hin hinausragt und dort elektrisch und thermisch mittels eines Kontaktierungs-Zwischenelements kontaktiert wird. Auf diese Weise ist eine effiziente Wärmeabfuhr zum Gehäuseboden hin entlang der gut wärmeleitfähigen Richtung des Wickels darstellbar.

Diese Ausführung ist auch für prismatische Bauformen von Batteriezellen bekannt. Die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses besteht hierbei nicht, da alle Elektrodenblätter der jeweiligen Elektrode ohnehin untereinander parallel verschaltet werden müssen, und der über die Gegenelektrode überstehende Separator einen Kontakt zu dieser Gegenelektrode verhindert.

Die Führung eines Potentials auf das Gehäuse ist bei prismatischen Zellen regelmäßig vorzufinden.

Die Verwendung dünnerer prismatischer Batteriezellen begrenzt die darstellbare Größe der Batteriezelle und bedingt damit einen Kostennachteil der Zellen (hoher Anteil passiver Komponenten wie Gehäuse, Terminals etc.). Dicke Wandstärken bei prismatischen Batteriezellen limitieren die erreichbare gravimetrische und volumetrische Energiedichte.

Die Lösung gemäß der US 2020/144676 A1 erfordert gleichzeitig eine hohe elektrische und eine hohe thermische Leitfähigkeit der Kontaktierung zwischen Zellwickel und Gehäuse der Batteriezelle am Gehäuseboden.

Aus der WO 2020/065709 A1 ist ein Batteriemodul mit einer Batteriezellenkühleinrichtung bekannt. Dabei werden mehrere Feststoffbatteriezellen, die jeweils in einem prismatischen Gehäuse angeordnet sind, auf einer Anschlussplatte nebeneinander positioniert und darüber elektrisch kontaktiert. Unterhalb der Anschlussplatte ist ein Kühlkanal angeordnet.

Aus der US 10,403,875 B2 ist ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei die Anschlüsse der Batterien über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind.

Aus der US 10,581 ,055 B2 ist ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen bekannt, wobei die Anschlüsse der Batterien über Verbindungselemente miteinander verbunden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Batteriezelle vorgeschlagen werden, die kostengünstig herstellbar ist, eine effektive Raumnutzung des Gehäuses ermöglicht und eine verbesserte Temperierung der Batteriezelle bzw. des in dem Gehäuse angeordneten Stapels gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgaben trägt eine Batteriezelle mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.

Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen und in dem Gehäuse angeordnet einen Stapel aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen. Die Lagen umfassen mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden und zwischen den unterschiedlichen Elektroden einen Separator. Eine erste Elektrode steht hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche des Gehäuses aus einer Seite des Stapels über und bildet dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich und einen zweiten Anbindungsbereich aus. Der erste Anbindungsbereich liegt an einem elektrischen Leitungselement an, über das die erste Elektrode innerhalb des Gehäuses mit einem ersten Anschluss am Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist. Der zweite Anbindungsbereich liegt an der ersten Seitenfläche an, wobei eine zweite Elektrode mit einem zweiten Anschluss am Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist. Die Elektroden sind ausschließlich über die Anschlüsse von außerhalb des Gehäuses elektrisch kontaktierbar.

Die zumindest gestapelten, ggf. zusätzlich gewickelten bzw. gefalteten, Kathoden, Anoden und Separatoren bilden insbesondere einen Stapel. Die Elektroden weisen Aktivmaterialien insbesondere als Beschichtungen auf elektrisch leitenden Trägermaterialien auf, die insbesondere als Ableiter dienen. Die Anode, die Kathode und der Separator werden jeweils als Lage bezeichnet. Die Lagen können als Einzelblattstapel, Laminierung, Z-Faltung, Jelly Roll angeordnet sein, jeweils in beliebiger Anzahl.

Jede Elektrode ist mit einem sich aus dem Stapel nach außen erstreckenden Ableiter verbunden, so dass ein elektrischer Strom aus dem Stapel ab- oder dem Stapel zugeführt werden kann. Die Ableiter der Anoden und die Ableiter der Kathoden werden jeweils miteinander verbunden, um die jeweiligen gleichartigen Elektroden elektrisch parallel zu verschalten. In der Batteriezelle können auch mehrere Stapel angeordnet sein. Die Elektroden sind insbesondere in bekannter Weise zur Bildung des Stapels angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt.

Die Elektroden sind insbesondere folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode ist insbesondere eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet. Die Separatoren sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden angeordnet. Insbesondere erstrecken sich unbeschichtete Teile der Elektroden als Ableiter aus dem Stapel heraus.

Insbesondere sind jeweils die Anoden und die Kathoden innerhalb des Stapels miteinander parallelgeschaltet, so dass die Ableiter einer Mehrzahl von Anoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind und die Ableiter einer Mehrzahl von Kathoden miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

Das Gehäuse der Batteriezelle ist insbesondere nur plastisch verformbar. Das Gehäuse wird auch als Hardcase bezeichnet und die Batteriezelle z. B. als eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Gehäuse quaderförmig ausgeführt und weist sechs Seitenflächen auf. Der Begriff „prismatisch“ kann aber auch andere, im Wesentlichen quaderförmige, Gehäuseformen umformen, die z. B. abgerundete Kanten aufweisen.

Insbesondere ist das Gehäuse zumindest teilweise als Druckgussteil, als Strangpressprofil oder als Schweißkonstruktion ausgeführt. Dabei ist es auch möglich, zwei Halbschalen zu fertigen und diese zu verbinden, z. B. durch Schweißen. Eine Herstellung durch additive Fertigungsverfahren, also z. B. durch dreidimensionalen Druck ist natürlich auch möglich.

Bei dem Verfahren Strangpressen wird ein Ausgangsmaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und mit hohem Druck durch eine formgebende Matrize gedrückt. Das so entstehende Profil wird aus der Matrize entlang einer Vorschubrichtung weiterbewegt.

Bei dem Verfahren Druckguss wird ein flüssiges Ausgangsmaterial in ein Formnegativ eingeleitet und nach Erstarrung entformt.

Die Batteriezelle ist insbesondere eine lithiumhaltige Batteriezelle, insbesondere eine Sekundärzelle, also eine wiederaufladbare Batteriezelle. Insbesondere steht die erste Elektrode gegenüber den anderen Komponenten des Stapels, also der zweiten Elektrode und dem Separator, hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche des Gehäuses aus einer Seite des Stapels über - bzw. erstreckt sich dort weiter als die anderen Komponenten hin zur ersten Seitenfläche - und bildet dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich und einen zweiten Anbindungsbereich aus. Insbesondere erstreckt sich die erste Elektrode ausschließlich an der einen Seite des Stapels über die anderen Komponenten hinweg.

Insbesondere erstrecken sich ausschließlich unbeschichtete Bereiche der mindestens einen ersten Elektrode an der Seite des Stapel über die anderen Komponenten, zweite Elektrode und Separator hinaus.

Der erste Anbindungsbereich, der mindestens einen ersten Elektrode liegt an dem Leitungselement an bzw. ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Der erste Anbindungsbereich dient der elektrischen Kontaktierung der mindestens einen ersten Elektrode. Der zweite Anbindungsbereich liegt an der ersten Seitenfläche an. Der zweite Anbindungsbereich dient insbesondere ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung.

Insbesondere wird über den zweiten Anbindungsbereich kein elektrischer Strom zwischen erster Elektrode und Gehäuse übertragen.

Die zweite Elektrode ist mit einem zweiten Anschluss elektrisch leitend verbunden. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss sind gegenüber dem Gehäuse elektrisch isolierte Kontaktierungen, die eine Kontaktierung des innerhalb des Gehäuses angeordneten Stapels mit einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Stromkreis ermöglichen. Jeder Anschluss umfasst höchstens 5 % einer Fläche des Gehäuses.

Insbesondere wird ein Stapel so aufgebaut, dass die erste Elektrode, insbesondere ein unbeschichteter Bereich der ersten Elektrode, also eine von Anode oder

Kathode, zur ersten Seitenfläche, bevorzugt zum Boden, des Gehäuses hin aus dem Stapel heraussteht. Dieser "Überstand" wird beim Zusammenbau der Batteriezelle, also beim Anordnen des Stapels in dem Gehäuse, an die erste Seitenfläche gedrückt. Diese im zweiten Anbindungsbereich gebildete Kontaktfläche zwischen erster Elektrode und Gehäuse dient insbesondere ausschließlich der thermischen Kontaktierung des Stapels mit dem Gehäuse. Die elektrische Kontaktierung des Stapels und/ oder der ersten Elektrode wird räumlich separat zur thermischen Kontaktierung ausgeführt. Hierzu wird ein Gehäuse-internes Leitungselement, insbesondere eine Stromschiene, am "Überstand" der ersten Elektrode, insbesondere an einer unteren Seite des Stapels befestigt. Die Befestigung kann z. B. mittels einer Schweißnaht erfolgen. Hierzu können entsprechend ausgeführte Löcher bzw. Langlöcher an der Kontaktfläche des Leitungselements vorgesehen sein.

Insbesondere ist der erste Anschluss an einer zweiten Seitenfläche angeordnet, die angrenzend oder beabstandet zur ersten Seitenfläche angeordnet ist. Insbesondere sind die beiden Anschlüsse an einer gemeinsamen oder an, einander gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet. Insbesondere ist keiner der Anschlüsse an der ersten Seitenfläche angeordnet.

Insbesondere ist der erste Anbindungsbereich stoffschlüssig mit dem Leitungselement verbunden, bevorzugt über eine Schweißverbindung zwischen jeder ersten Elektrode und dem Leitungselement. Insbesondere ist das Leitungselement ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durchströmbaren Querschnitt hat, dass durch das Leitungselement keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle auftritt.

Insbesondere wird der elektrische Strom nicht über das Gehäuse der Batteriezelle geführt, sondern nur von den Ableitern auf den zweiten Anschluss (zweite Elektrode) bzw. über den ersten Anbindungsbereich auf das Leitungselement, das seinerseits mit dem ersten Anschluss verbunden ist.

Eine wie vorgeschlagen getrennte Ausführung der thermischen und elektrischen Kontaktierung der Anode oder Kathode stellt eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit sicher. Die Anforderung am thermischen Kontakt ist geringer, wodurch auch ein Andrücken des "Überstands" der ersten Elektrode bzw. der Ableiter bzw. der unbeschichteten Abschnitte der ersten Elektrode ausreichend ist.

Weiter erlaubt die wie vorgeschlagen getrennte Ausführung der thermischen und elektrischen Kontaktierung einen Einsatz anderer Gehäusematerialen (klassisch: Alu, Stahl). Das Gehäuse kann nun auch aus schlecht elektrisch leitendem Material bestehen (z. B. Kunststoff). Insbesondere die thermische Leitfähigkeit sollte ausreichend hoch sein.

Es kann damit ein verbesserter Entwärmungspfad entlang der elektrisch und thermisch gut leidenden Richtung des Stapels (entlang der Oberflächen der Elektroden bzw. quer zur Stapelrichtung), direkt zur ersten Seitenwand bzw. zum Boden des Gehäuses, bereitgestellt werden. Auch ein mit Elektrolyt und/oder Gas gefüllter Spalt zwischen Gehäuse und Stapel kann so keinen zusätzlichen thermischen Widerstand bilden, der eine Kühlung der Batteriezelle zusätzlich behindern würde.

Weiter liegt kein negativer Einfluss der Dicke des Stapels auf die Kühlperformance der Batteriezelle vor, so dass dadurch kostengünstige große prismatische Batteriezellen bei gleichzeitig hoher Leistungs-ZSchnellladeanforderung umsetzbar sind.

Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik ergibt sich somit eine erhebliche Reduzierung des elektrischen Widerstandes der Batteriezelle und eine Verbesserung der Kühleigenschaften der Batteriezelle.

Weiter ergibt sich insbesondere ein Energiedichtevorteil, da sehr dünne Gehäusewände ermöglicht werden können.

Insbesondere ist der zweite Anbindungsbereich nur kraftschlüssig mit der Seitenfläche verbunden. Bevorzugt wird die erste Elektrode in dem zweiten Anbindungsbereich auf die Seitenfläche draufgedrückt und dabei zumindest teilweise verformt, insbesondere umgebogen, so dass eine Kontaktierung der ersten Elektrode mit dem Gehäuse sichergestellt ist.

Insbesondere ist der mindestens eine Separator nach Art einer z-Faltung in dem Stapel gefaltet angeordnet, wobei sich der Separator an der ersten Seitenfläche jeweils über die mindestens eine zweite Elektrode hinweg erstreckt, so dass die zweite Elektrode jeweils über den Separator von der ersten Seitenfläche getrennt angeordnet ist.

Insbesondere besteht zumindest die erste Seitenfläche zumindest teilweise (z. B. in Form einer elektrisch isolierenden Schicht oder Beschichtung) oder vollständig aus einem elektrisch nicht leitenden Material. Insbesondere bestehen mindestens eine weitere oder sogar alle Seitenflächen des Gehäuses aus einem elektrisch nicht leitenden Material bzw. sind zumindest teilweise aus einem solchen Material ausgeführt.

Insbesondere liegt an der ersten Seitenfläche und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich eine konturierte Oberfläche vor, durch die eine Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode und der Oberfläche vergrößert ist. Insbesondere kontaktiert also die erste Elektrode die erste Seitenfläche nicht nur mit einer Kante und bildet so einen linienförmigen Kontakt, sondern legt sich mit einer Fläche an einer Gegenfläche der konturierten Oberfläche an. Die Konturierung kann z. B. eine wellenförmige oder sägezahnförmige Ausgestaltung aufweisen, durch die geneigte Oberflächenbereiche gebildet sind, an die sich einzelne oder mehrere erste Elektroden anlegen können.

Insbesondere sind die Anschlüsse an einer Seitenfläche des Gehäuses angeordnet, die der ersten Seitenfläche gegenüberliegt. Die (mindestens zwei) elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle können an einer Seitenfläche oder auf zwei Seitenflächen verteilt angeordnet sein.

Es können an jeder Seitenfläche, oder aber an nur einer der Seitenfläche, auch mehrere Anschlüsse angeordnet sein. Dabei können an einer Seitenfläche gleichartige oder unterschiedliche Kontakte angeordnet sein.

Insbesondere weist der Stapel an der Seite und außerhalb der Anbindungsbereiche einen Fixierbereich auf, in dem die Elektroden und der Separator durch ein Fixiermittel in ihrer Lage zueinander fixiert sind.

Beim Zusammenbau einer Batteriezelle wird der Stapel von Elektroden in dem Gehäuse angeordnet und das Gehäuse insbesondere mit einem Elektrolyten befüllt. Der Stapel wird insbesondere im Rahmen einer Vormontage als Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt, wobei die Lage der Elektroden und der Separatoren durch mindestens ein Fixiermittel, z. B. ein Tape, also ein Klebebandmaterial, fixiert ist. Infolge der Fixierung der Lage der Elektrodenfolien zueinander kann ein Handling des Stapels vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung der Elektroden im Gehäuse ermöglicht wird.

In dem Fixierbereich weisen die Elektroden und der mindestens einen Separator insbesondere eine im Wesentlichen in Stapelrichtung fluchtende Anordnung auf.

Insbesondere ist der Fixierbereich zwischen dem ersten Anbindungsbereich und dem zweiten Anbindungsbereich angeordnet.

Insbesondere ist der jeweilige elektrische Anschluss gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Der Anschluss ist insbesondere gegenüber dem mindestens einen Stapel durch eine Stapelisolierung elektrisch isoliert angeordnet. Insbesondere ist zumindest eine zweite Elektrode des mindestens einen Stapels mit dem zweiten Anschluss über einen sich nur im Bereich des zweiten Anschlusses aus dem Stapel heraus erstreckenden Ableiter elektrisch leitend verbunden.

Insbesondere erstrecken sich die Ableiter also nur dort aus dem Stapel bzw. der Isolierung des Stapels heraus, wo der mit den Ableitern zu kontaktierende elektrische Anschluss angeordnet ist.

Das Gehäuse der Batteriezelle weist insbesondere an einer Seitenfläche einen sogenannten Berstschutz auf, der bei einem unzulässigen Druckanstieg innerhalb des Gehäuses eine vorbestimmte Versagensstelle des Gehäuses zur Druckreduzierung bildet. Insbesondere weist das Gehäuse weiterhin mindestens eine Befüllöffnung für das Befüllen mit einem Elektrolyten auf.

Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.

Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend. Soweit hier eine Mehrzahl von Bauteilen angesprochen ist, umfasst dies auch mehr als zwei Bauteile.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1 : eine Batteriezelle in einer perspektivischen Darstellung;

Fig. 2: die Batteriezelle nach Fig. 1 ohne einen Gehäuseteil, in einer perspektivischen

Ansicht;

Fig. 3: eine andere perspektivische Ansicht der Batteriezelle nach Fig. 2;

Fig. 4: ein Detail der Fig. 3;

Fig. 5: eine Darstellung des Schnitts V-V nach Fig. 1 ;

Fig. 6: eine Darstellung des Schnitts Vl-Vl nach Fig. 1 ; und

Fig. 7: eine Darstellung des Schnitts Vll-Vll.

Fig. 1 zeigt eine Batteriezelle 1 in einer perspektivischen Darstellung. Fig. 2 zeigt die Batteriezelle 1 nach Fig. 1 ohne einen Gehäuseteil, in einer perspektivischen Ansicht. Fig. 3 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Batteriezelle 1 nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt ein Detail der Fig. 3. Die Fig. 1 bis 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.

Die Batteriezelle 1 umfasst ein formfestes Gehäuse 2 mit zwei elektrischen Anschlüssen 3, 4 und in dem Gehäuse 2 angeordnet einen Stapel 5 aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen 6. Die Lagen 6 umfassen eine Vielzahl Anoden und eine Vielzahl Kathoden als Elektroden 7, 8 und zwischen den unterschiedlichen Elektroden 7, 8 jeweils einen Separator 9. Die ersten Elektroden 7 stehen hin zu einer ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 aus einer Seite 11 des Stapels 5 über und bilden dabei einen ersten Anbindungsbereich 12 und einen zweiten Anbindungsbereich 13 aus. Der erste Anbindungsbereich 12 liegt an einem elektrischen Leitungselement 14 an, über das die ersten Elektroden 7 innerhalb des Gehäuses 2 mit einem ersten Anschluss 3 am Gehäuse 2 elektrisch leitend verbunden sind. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 an. Die zweiten Elektroden sind mit einem zweiten Anschluss 4 am Gehäuse 2 elektrisch leitend verbunden. Die Elektroden 7, 8 sind ausschließlich über die Anschlüsse 3, 4 von außerhalb des Gehäuses 2 elektrisch kontaktierbar. Das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 weist an einer zweiten Seitenfläche 15 einen sogenannten Berstschutz 21 auf, der bei einem unzulässigen Druckanstieg innerhalb des Gehäuses 2 eine vorbestimmte Versagensstelle des Gehäuses 2 zur Druckreduzierung bildet. Weiter weist das Gehäuse 2 eine Befüllöffnung 22 für das Befüllen mit einem Elektrolyten auf.

Jede Elektrode 7, 8 ist mit einem sich aus dem Stapel 5 nach außen erstreckenden Ableiter 20 verbunden bzw. weist jeweils einen Ableiter 20 auf, so dass ein elektrischer Strom über die Anschlüsse 3, 4 aus dem Stapel 5 ab- oder dem Stapel 5 zugeführt werden kann. Die Ableiter 20 der Anoden und die Ableiter der Kathoden sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, um die jeweiligen gleichartigen Elektroden 7, 8 elektrisch parallel zu verschalten.

Die Elektroden 7, 8 sind in bekannter Weise zur Bildung des Stapels 5 angeordnet und werden von einem Elektrolyten bzw. einer Elektrolytflüssigkeit beaufschlagt.

Die Elektroden 7, 8 sind folienartig ausgeführt, weisen also eine große Seitenfläche und eine geringe Dicke auf. Auf der Seitenfläche bzw. auf jeder Seitenfläche der Elektrode 7, 8 ist eine Beschichtung mit Aktivmaterial angeordnet (hier nicht gesondert dargestellt). Die nicht beschichteten Bereiche der Seitenfläche der Elektroden 7, 8 bilden die Ableiter 20. Die Separatoren 9 sind jeweils zwischen den Seitenflächen der benachbart angeordneten unterschiedlichen Elektroden 7, 8 angeordnet.

Das Gehäuse 2 ist quaderförmig ausgeführt und weist sechs Seitenflächen 10, 15 auf.

Die ersten Elektroden 7 stehen gegenüber den anderen Komponenten des Stapels 5, also den zweiten Elektroden 8 und dem Separator 9, hin zu der ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 aus einer Seite 11 des Stapels 5 über - bzw. erstrecken sich dort weiter als die anderen Komponenten hin zur ersten Seitenfläche 10 - und bilden dabei den ersten Anbindungsbereich 12 und den zweiten Anbindungsbereich 13 aus. Es erstrecken sich dabei ausschließlich unbeschichtete Bereiche der ersten Elektroden 7, also die Ableiter 20, an der Seite 11 des Stapel 5 über die anderen Komponenten, zweite Elektroden 8 und Separatoren 9, hinaus.

Der erste Anbindungsbereich 12 der ersten Elektroden 7 liegt an dem Leitungselement 14 an und ist mit diesem elektrisch leitend verbunden. Der erste Anbindungsbereich 12 dient der elektrischen Kontaktierung der ersten Elektroden 7. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 an. Der zweite Anbindungsbereich 13 dient ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung. Über den zweiten Anbindungsbereich 13 wird kein elektrischer Strom zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 übertragen.

Die zweite Elektrode 8 ist mit dem zweiten Anschluss 4 elektrisch leitend verbunden. Der erste Anschluss 3 und der zweite Anschluss 4 sind gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isolierte Kontaktierungen, die eine Kontaktierung des innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stapels 5 mit einem außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Stromkreis (nicht dargestellt) ermöglichen.

Der Stapel 5 ist so aufgebaut, dass die erste Elektrode 7, also ein unbeschichteter Bereich der ersten Elektrode 7, zum Boden des Gehäuses 2 hin aus dem Stapel 5 heraussteht. Dieser "Überstand" wird beim Zusammenbau der Batteriezelle 1 , also beim Anordnen des Stapels 5 in dem Gehäuse 2, an die erste Seitenfläche 10 gedrückt. Diese im zweiten Anbindungsbereich 13 gebildete Kontaktfläche zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 dient ausschließlich der thermischen Kontaktierung des Stapels 5 mit dem Gehäuse 2. Die elektrische Kontaktierung des Stapels 5 bzw. der ersten Elektroden 7 wird räumlich separat zur thermischen Kontaktierung ausgeführt. Hierzu wird das Gehäuse-interne Leitungselement 14, eine Stromschiene, am "Überstand" der ersten Elektroden 7 an einer unteren Seite 11 des Stapels 5 befestigt. Die Befestigung kann z. B. mittels einer Schweißnaht erfolgen. Hierzu sind entsprechend ausgeführte Löcher 23 bzw. Langlöcher an der Kontaktfläche des Leitungselements 14 vorgesehen.

Der erste Anschluss 3 ist an einer zweiten Seitenfläche 15 angeordnet, die beabstandet zur ersten Seitenfläche 10 angeordnet ist. Die beiden Anschlüsse 3, 4 sind an einer gemeinsamen zweiten Seitenfläche 15 angeordnet. Keiner der Anschlüsse 3, 4 ist an der ersten Seitenfläche 10 angeordnet.

Der erste Anbindungsbereich 12 ist stoffschlüssig mit dem Leitungselement 14 verbunden, z. B. über eine Schweißverbindung zwischen jeder ersten Elektrode 7 und dem Leitungselement 14. Das Leitungselement 14 ist ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durchströmbaren Querschnitt hat, dass durch das Leitungselement 14 keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle 1 auftritt.

Der elektrische Strom wird nicht über das Gehäuse 2 der Batteriezelle 1 geführt, sondern nur von den Ableitern 20 auf den zweiten Anschluss 4 (zweite Elektrode 8) bzw. über den ersten Anbindungsbereich 12 auf das Leitungselement 14, das seinerseits mit dem ersten Anschluss 3 verbunden ist.

Der Stapel 5 weist an der Seite 11 und außerhalb der Anbindungsbereiche 12, 13 einen Fixierbereich 17 auf, in dem die Elektroden 7, 8 und der Separator 9 durch ein Fixiermittel 18 in ihrer Lage zueinander fixiert sind.

Beim Zusammenbau einer Batteriezelle 1 wird der Stapel 5 von Elektroden 7, 8 in dem Gehäuse 2 angeordnet und das Gehäuse 2 mit einem Elektrolyten befüllt. Der Stapel 5 wird im Rahmen einer Vormontage als Batteriezellenbaugruppe bereitgestellt, wobei die Lage der Elektroden 7, 8 und der Separatoren 9 durch Fixiermittel 18, ein Tape, also ein Klebebandmaterial, fixiert ist. Infolge der Fixierung der Lage der Elektroden 7, 8 zueinander kann ein Handling des Stapels 5 vereinfacht werden, so dass eine maßgenaue Anordnung der Elektroden 7, 8 im Gehäuse 2 ermöglicht wird.

In dem Fixierbereich 17 weisen die Elektroden 7, 8 und die Separatoren 9 eine im Wesentlichen in Stapelrichtung 19 fluchtende Anordnung auf. Der Fixierbereich 17 ist zwischen dem ersten Anbindungsbereich 12 und dem zweiten Anbindungsbereich 13 angeordnet.

Fig. 5 zeigt eine Darstellung des Schnitts V-V nach Fig. 1 . Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Schnitts Vl-Vl nach Fig. 1. Fig. 7 zeigt eine Darstellung des Schnitts Vll-Vll. Die Fig. 5 bis 7 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 bis 4 wird verwiesen.

In Fig. 5 ist der erste Anschluss 3 im Schnitt V-V dargestellt. Die zweite Seitenfläche 15 des Gehäuses 2 bildet einen Deckel des Gehäuses. Der Stapel 5 bildet keine elektrische leitende Kontaktierung mit dem ersten Anschluss 3. Die ersten Elektroden 7 sind ausschließlich über den ersten Anbindungsbereich 12 mit dem Leitungselement 14 elektrisch leitend verbunden (siehe Fig. 6). Über das Leitungselement 14 sind die ersten Elektroden 7 mit dem ersten Anschluss 3 elektrisch leitend verbunden. Dazu erstreckt sich das Leitungselement 14 ausgehend von der ersten Seitenfläche 10 bis hin zur zweiten Seitenfläche 15 und dort zum ersten Anschluss 3. Der Stapel 5 ist über ein Isolationsgitter 24 beabstandet zur zweiten Seitenfläche 15 angeordnet. Der erste Anschluss 3 erstreckt sich über eine Öffnung in der zweiten Seitenfläche 15 durch das Gehäuse 2, wobei eine Dichtung 25 die Öffnung und damit das Gehäuse 2 abdichtet. In Fig. 6 ist die erste Seitenfläche 10 im Schnitt Vl-Vl dargestellt. Die erste Seitenfläche 10 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgeführt. Der erste Anbindungsbereich 12 ist stoffschlüssig mit dem Leitungselement 14 verbunden. Das Leitungselement 14 ist ein Massivteil, dass für den elektrischen Strom einen zumindest so großen durch ström baren Querschnitt hat, das durch das Leitungselement 14 keine zusätzliche Wärmeentwicklung in der Batteriezelle 1 auftritt.

In Fig. 7 ist die Seitenfläche 10 im Schnitt Vll-Vll dargestellt. Der zweite Anbindungsbereich 13 liegt an der ersten Seitenfläche 10 des Gehäuses 2 an. Der zweite Anbindungsbereich 13 dient ausschließlich einer wärmeleitenden Kontaktierung. Über den zweiten Anbindungsbereich 13 wird kein elektrischer Strom zwischen ersten Elektroden 7 und Gehäuse 2 übertragen.

Der zweite Anbindungsbereich 13 der ersten Elektroden 7 ist nur kraftschlüssig mit der ersten Seitenfläche 10 verbunden. Die erste Elektrode 7 wird in dem zweiten Anbindungsbereich 13 auf die erste Seitenfläche 10 draufgedrückt und dabei zumindest teilweise verformt, insbesondere umgebogen, so dass eine Kontaktierung der ersten Elektroden 7 mit dem Gehäuse 2 sichergestellt ist. Fig. 7 zeigt nur einen linienförmigen Kontakt der Kanten der ersten Elektroden 7 mit der ersten Seitenfläche 10.

An der ersten Seitenfläche 10 und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich 13 kann eine konturierte Oberfläche 16 (nur angedeutet) angeordnet sein, durch die eine Kontaktfläche zwischen den ersten Elektroden 7 und der Oberfläche 16 vergrößert ist. Die ersten Elektroden 7 kontaktieren die erste Seitenfläche 10 dann nicht nur mit einer Kante und bilden so einen linienförmigen Kontakt, sondern legen sich mit einer Fläche an einer Gegenfläche der konturierten Oberfläche 16 an. Die Konturierung kann z. B. eine wellenförmige oder sägezahnförmige Ausgestaltung aufweisen, durch die geneigte Oberflächenbereiche gebildet sind, an die sich einzelne oder mehrere erste Elektroden 7 anlegen können.

Bezugszeichenliste

Batteriezelle

Gehäuse erster Anschluss zweiter Anschluss

Stapel

Lage erste Elektrode zweite Elektrode

Separator erste Seitenfläche

Seite erster Anbindungsbereich zweiter Anbindungsbereich Leitungselement zweite Seitenfläche

Oberfläche

Fixierbereich

Fixiermittel

Stapelrichtung

Ableiter

Berstschutz

Befüllöffnung

Loch

Isolationsgitter

Dichtung

Claims

Patentansprüche Batteriezelle (1), zumindest umfassend ein formfestes Gehäuse (2) mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen (3, 4) und in dem Gehäuse (2) angeordnet einen Stapel (5) aus einer Mehrzahl von aufeinander zumindest gestapelten Lagen (6), umfassend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode als Elektroden (7, 8) und zwischen den unterschiedlichen Elektroden (7, 8) einen Separator (9); wobei eine erste Elektrode (7) hin zu mindestens einer ersten Seitenfläche (10) des Gehäuses (2) aus einer Seite (11) des Stapels (5) übersteht und dabei zumindest einen ersten Anbindungsbereich (12) und einen zweiten Anbindungsbereich (13) ausbildet; wobei der erste Anbindungsbereich (12) an einem elektrischen Leitungselement (14) anliegt, über das die erste Elektrode (7) innerhalb des Gehäuses (2) mit einem ersten Anschluss (3) am Gehäuse (2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der zweite Anbindungsbereich (13) an der ersten Seitenfläche (10) anliegt; wobei eine zweite Elektrode (8) mit einem zweiten Anschluss (4) am Gehäuse (2) elektrisch leitend verbunden ist; wobei die Elektroden (7, 8) ausschließlich über die Anschlüsse (3, 4) von außerhalb des Gehäuses (2) elektrisch kontaktierbar sind. Batteriezelle (1) nach Patentanspruch 1 , wobei der erste Anschluss (3) an einer zweiten Seitenfläche (15) angeordnet ist, die angrenzend oder beabstandet zur ersten Seitenfläche (10) angeordnet ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der erste Anbindungsbereich (12) stoffschlüssig mit dem Leitungselement (14) verbunden ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der zweite Anbindungsbereich (13) nur kraftschlüssig mit der ersten Seitenfläche (10) verbunden ist. Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der mindestens eine Separator (9) nach Art einer z-Faltung in dem Stapel (5) gefaltet angeordnet ist, wobei sich der Separator (9) an der ersten Seitenfläche (10) jeweils über die mindestens ein zweite Elektrode (8) hinweg erstreckt, so dass die zweite Elektrode (8) jeweils über den Separator (9) von der ersten Seitenfläche (10) getrennt angeordnet ist. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest die erste Seitenfläche (10) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an der ersten Seitenfläche (10) und gegenüber zum zweiten Anbindungsbereich (13) eine konturierte Oberfläche (16) vorliegt, durch die eine Kontaktfläche zwischen der ersten Elektrode (7) und der Oberfläche (16) vergrößert ist. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlüsse (3, 4 an einer Seitenfläche (15) des Gehäuses (2) angeordnet sind, die der ersten Seitenfläche (10) gegenüberliegt. Batteriezelle (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Stapel (5) an der Seite (11 ) und außerhalb der Anbindungsbereiche (12, 13) einen Fixierbereich (17) aufweist, in dem die Elektroden (7, 8) und der Separator (9) durch ein Fixiermittel (18) in ihrer Lage zueinander fixiert sind. Batteriezelle (1 ) nach Patentanspruch 9, wobei der Fixierbereich (17) zwischen dem ersten Anbindungsbereich (12) und dem zweiten Anbindungsbereich (13) angeordnet ist.