WO2023202880A1 - Energiespeicherzelle, energiespeicher, kraftfahrzeug und verfahren zur herstellung einer energiespeicherzelle - Google Patents

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WO2023202880A1
WO2023202880A1 PCT/EP2023/058870 EP2023058870W WO2023202880A1 WO 2023202880 A1 WO2023202880 A1 WO 2023202880A1 EP 2023058870 W EP2023058870 W EP 2023058870W WO 2023202880 A1 WO2023202880 A1 WO 2023202880A1
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energy storage
storage cell
insulating sleeve
cavity
housing
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PCT/EP2023/058870
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Robert Alig
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • Energy storage cell energy storage, motor vehicle and method for producing an energy storage cell
  • the present invention relates to an energy storage cell for a motor vehicle energy storage, an energy storage with a plurality of such energy storage cells, a motor vehicle with the energy storage and a method for producing an energy storage cell.
  • Modern energy storage cells such as lithium-ion accumulators (lithium-ion secondary batteries), generally have an electrode assembly with an anode, a cathode and a separator arranged between the anode and the cathode, the electrode assembly together with an electrolyte in a housing of the Energy storage cell is arranged.
  • the anode or cathode comprises a respective, usually metallic electrode (anode side, for example copper; cathode side, for example aluminum) which is coated with an active material (anode side, for example graphite; cathode side, for example lithium cobalt oxide or lithium manganese oxide).
  • the housing also known as a can for cylindrical energy storage cells, can have an insulator layer on the outside.
  • the separator should only be permeable to lithium ions, but should otherwise electrically insulate the anode from the cathode.
  • lithium metal can be deposited as a sponge or dendrid on the anode (so-called “lithium plating”), particularly during fast charging processes.
  • lithium plating it is known from the prior art to subject the positive and/or negative electrode of a lithium cell to a corona treatment.
  • the document DE 10 2014 218 143 A1 discloses a method for producing a lithium cell, in which a particulate active material and a coating composition containing a binder are applied to a metal foil in order to form a positive or negative electrode. The respective electrode is then pressed.
  • a liquid electrolyte is added in a housing.
  • the positive and/or negative electrode is subjected to a corona treatment so that the liquid electrolyte penetrates into the pores of the electrode.
  • an object of the present invention to provide an energy storage cell suitable for a motor vehicle energy storage device, which can be produced efficiently and is characterized by a relatively long service life. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a corresponding energy storage device, a corresponding motor vehicle, and a corresponding method for producing an energy storage cell.
  • the energy storage cell is intended for installation in a motor vehicle energy storage device and comprises a storage cell housing defining an interior area, an electrode assembly as well as an electrolyte in the interior area and an insulating sleeve which at least partially encases the storage cell housing and is at least partially elastic on an outer peripheral surface of the storage cell housing. At least one cavity is formed in the insulating sleeve.
  • the insulating cover of this energy storage cell allows the electrode assembly and the storage cell housing to expand and shrink again elastically and while adjusting the size of the cavity during charging and over the life of the energy storage cell.
  • the lithium deposition mentioned above as well as other mechanical, thermal and/or chemical effects can lead to a change in volume of the active material and thus a dynamic change in size of the memory cell housing. This size change can occur cyclically via charge/discharge cycles, with the size of the memory cell housing can also increase over its service life. Gas formation indoors can cause an increase in size.
  • the cavity can serve as an alternative space for volume compensation, in particular for accommodating an increase in volume of the expanding storage cell housing.
  • More space in the energy storage can therefore be provided for the contents of the storage cell housing. Accordingly, more space can be available in the energy storage for lithium dendrites that form during a fast charging process, so that the energy storage cell can be long-lasting. At the same time, the energy storage can be designed to be comparatively space-efficient.
  • the insulating sleeve can counteract the expansion of the housing and better distribute gas formed in the interior over the interior.
  • the pressure distribution on the electrode assembly can be comparatively homogeneous. This can synergistically enable less lithium to be deposited even during fast charging processes, so that the energy storage cell can age comparatively slowly. As a result, the high-current load capacity and cycle stability of these energy storage cells can be improved relatively easily.
  • corona treatment of the energy storage cell can be dispensed with.
  • the energy storage cell can be cylindrical (as a so-called round cell) or prismatic.
  • the energy storage cell therefore has at least one main extension direction. This is the direction in which the energy storage cell has the greatest extent (length).
  • this main extension direction is also referred to as axial.
  • the main direction of extension of a cylindrical energy storage cell is the cylinder axis
  • the main direction of extension of a prismatic energy storage cell can in particular run parallel to a (lateral) main surface or central main plane of this energy storage cell.
  • the term radial refers to a direction perpendicular to the main extension direction and/or perpendicular to the outer peripheral surface of the memory cell housing.
  • the electrode assembly is preferably wound, but alternatively may be stacked.
  • the storage cell housing can be cylindrical (“cell can”). If the operational expansion of the active materials in the interior of the round cell as explained above occurs, the housing is subjected to tensile stress in the peripheral area. Comparatively thin housing cross-sections together with the insulating sleeve can therefore advantageously compensate for the forces resulting from the swelling.
  • the memory cell housing is preferably conductive, in particular metallic, and preferably made of aluminum, steel or a steel alloy.
  • the electrode assembly can be provided with an anode, a cathode and a separator between the anode and the cathode.
  • the energy storage cell is preferably a lithium-ion secondary battery (so-called lithium-ion accumulator).
  • the anode and the cathode each preferably comprise a metallic electrode (anode side, for example copper; cathode side, for example aluminum), which is connected to an active material (anode side, for example graphite; cathode side, for example lithium cobalt oxide or lithium manganese oxide). can be coated.
  • the separator here is preferably only permeable to lithium ions, but not to electrons.
  • the electrolyte is preferably liquid; it can alternatively be solid.
  • the insulating sleeve can be more flexible than the memory cell housing. It can partially or completely encase the memory cell housing on the outside and is preferably an insulator (non-conductor).
  • the insulating sleeve can accordingly have an electrical conductivity of less than 10' 8 S/m or less than 10' 10 S/m.
  • At least one cavity is formed in the insulating sleeve.
  • a geometry of the cavity can be round, in particular spherical or ellipsoidal, or rectangular, in particular cuboid. Corners/edges of the cavity may be rounded to prevent cracking of the insulating sleeve during expansion of the memory cell housing.
  • the cavity can be filled with a fluid, in particular air or another gas. The number of these cavities can be at least 3, at least 5 or at least 10.
  • the cavities can be (partially) the same size and/or (partially) different in size when the insulating sleeve is in its initial state, in which it is not deformed and not stretched.
  • An axial length of each cavity can be between 1% and 40%, preferably between 2% and 30% of the axial length of the energy storage cell.
  • a volume occupied by the totality of the cavities can preferably be at least 70% or between 60% and 95% of the total volume of the insulating sleeve.
  • the cavities in the initial state can be distributed at equal distances across the insulating sleeve in order to be able to provide uniform accommodation of the expansion of the memory cell housing. What is said below for the at least one cavity can apply analogously to any or any subnumber of the cavities. Ie, the expression “the at least one cavity” is equivalent to the expression “the one or more cavities”.
  • the at least one cavity is intended to at least partially accommodate an expansion of the memory cell housing.
  • the at least one cavity can therefore be designed to shrink when the memory cell housing expands. If the energy storage cell is in its installed position in the energy storage, in which the energy storage cell occupies a predetermined, fixed installation space assigned to it, an increase in size (swelling) of the storage cell housing can be accompanied by a reduction in the size of the at least one cavity.
  • the at least one cavity thus allows, for a predetermined volume of space occupied by the energy storage cell, an expansion of the storage cell housing and the interior area defined thereby, while reducing the (internal) volume of the at least one cavity.
  • the at least one cavity can be open radially on the outside towards an outer peripheral surface of the insulating sleeve.
  • the at least one cavity is enclosed in the insulating sleeve, ie, enclosed (macroscopically) by the material of the insulating sleeve.
  • the material of the insulating sleeve can be gas-permeable (permeable), as explained in more detail below.
  • the insulating cover is preferably designed in multiple layers. In this case, the at least one cavity is preferably formed between at least two of the layers.
  • the insulating sleeve can have a first layer on an outside of the insulating sleeve facing away from the interior and a second layer on an inside of the insulating sleeve facing the interior.
  • the first and/or the second layer can extend along the entire outer peripheral surface of the memory cell housing in order to advantageously insulate the latter.
  • the second layer can be formed directly or indirectly on the entire outer peripheral surface.
  • the term outer peripheral surface can refer to the lateral surface of the memory cell housing in the circumferential direction.
  • the second layer may be formed (directly or indirectly) on one or both axial end surfaces (so-called end surfaces) of the memory cell housing. If the insulating sleeve has more than two layers, the cavities are preferably formed between two adjacent layers.
  • the at least one cavity can be delimited by the first layer and/or the second layer.
  • the first layer can be connected to the second layer via at least one, preferably flexible, (connecting) web.
  • the at least one cavity is preferably delimited by the at least one web. If at least two webs are provided, the two webs (together with the first layer and the second layer) can delimit the cavity.
  • the insulating sleeve has several cavities, these cavities can be separated from each other axially by at least one web. If several cavities are also formed in the circumferential direction, these can also be separated from each other by at least one web. Overall, the cavities can thus be arranged along the outer peripheral surface of the memory cell housing according to a predetermined pattern or grid.
  • the grid can be regular so that the cavities can be arranged at regular intervals. This makes it possible to absorb the radial force caused by the expansion of the storage cell housing evenly in the insulating sleeve.
  • the at least one web can be designed as a stiffening element and in particular stiffer in the radial direction than the first layer and/or the second layer.
  • the at least one web can be made from a first material that is stiffer than a second material from which at least one of the layers, in particular the first and/or the second layer, is made. It is also conceivable to produce the first layer, the second layer and/or the webs from the same material.
  • the at least one web can be essentially flat or curved, in particular concave.
  • the insulating sleeve is provided with a plurality of cavities, a first of these cavities can be arranged adjacent to a center of the energy storage cell and a second of these cavities can be arranged on an edge of the insulating sleeve, in particular on an axial edge of the insulating sleeve.
  • the energy storage row is a cylindrical cell
  • the first cavity can be arranged centrally with respect to the axis of the energy storage cell and the second cavity can be arranged at an axial end of the energy storage cell.
  • the first cavity and the second cavity are already of different sizes when the insulating sleeve is in its unstressed initial state.
  • the first cavity is axially and/or radially shorter than the second cavity.
  • further cavities can be provided, which can be larger than the first cavity and smaller than the second cavity. Additional webs can be arranged between these cavities. This configuration makes it possible to counteract the expansion of the memory cell housing more axially in the middle than axially at the edge.
  • the insulating sleeve is preferably non-positively and/or materially connected to the memory cell housing (ie, joined to the memory cell housing). In the case of a non-positive connection, the insulating sleeve can, for example, be attached to the memory cell housing and/or removable (non-destructively) from the memory cell housing.
  • the insulating sleeve can, for example, be vulcanized or glued onto the storage cell housing.
  • the connection mentioned can extend over the entire outer peripheral surface. Ie, in both the non-positive connection and the material connection, it can be provided, as described above, that the insulating sleeve is in connecting contact with the memory cell housing over its entire surface (with its entire inner peripheral surface facing the memory cell housing).
  • the inner circumferential surface of the insulating sleeve can lie flat against the outer circumferential surface of the memory cell housing.
  • a contour of the memory cell housing can follow a contour of the insulating sleeve.
  • the insulating cover can be designed as an enveloping body (so-called sleeve).
  • a enveloping body in the sense of the present disclosure is a three-dimensional body that is itself dimensionally stable.
  • a simple insulating layer on the storage cell housing does not form an enveloping body due to a lack of dimensional/intrinsic stability.
  • the insulating sleeve or the enveloping body preferably has a (radial) thickness of at least 3 mm or at least 4.5 mm or at least 6 mm. Based on the thickness of the memory cell housing, the insulating sleeve/enveloping body is preferably at least twice or at least 3 times as thick radially.
  • a receptacle is preferably formed in such an enveloping body, in which the memory cell housing can be accommodated.
  • the receptacle can be smaller than the memory cell housing when the insulating sleeve is separated from the memory cell housing.
  • the insulating sleeve is preferably radially prestressed.
  • the insulating cover in particular the first layer and/or the second layer, is preferably at least partially fluid-permeable, for example gas-tight.
  • a fluid in particular gas
  • the at least one cavity can be designed as a gas pocket.
  • the respective at least one cavity / the at least one gas pocket can in particular be connected to the environment of the energy storage cell (in the storage interior) through at least one opening in order to provide pressure equalization when compressing the insulating sleeve / when shrinking the at least one cavity.
  • the insulating sleeve can be made from a fluid-tight material.
  • the at least one cavity is filled with a compressible fluid, in particular a gas.
  • the insulating sleeve, the first layer and/or the second layer can each be made at least in sections from an elastomer, a thermoplastic elastomer, a (vulcanized) rubber (rubber) or a chloroprene rubber.
  • the insulating sleeve 30 can also be designed to be free of joints (monolithic; “from a single piece”).
  • the (motor vehicle) energy storage can in particular be a drive battery for the motor vehicle.
  • the energy storage includes a storage housing and several energy storage cells described in detail above for the electrochemical storage of energy.
  • the energy storage cells are in particular accommodated next to one another in the storage housing. Insulating sleeves of energy storage cells adjacent to one another are clamped between storage cell housings of the adjacent energy storage cells.
  • the energy storage can have a plurality of structurally separate storage modules, each of which contains a set of several of the energy storage cells.
  • Each memory module can be enclosed in a module housing.
  • the module housing preferably has outer walls that can be welded together.
  • two opposite sides of the energy storage pressure plates may be provided as part of the module housing, which compress the set of energy storage cells (radially). Accordingly, the insulating sleeves of the energy storage cells can be radially prestressed in their installed position in the storage module.
  • the pressure plates can be connected to one another via side walls of the module housing.
  • the pressure plates and the side walls can be firmly joined together, in particular welded together.
  • the energy storage cells of the storage module are prismatic cells
  • the pressure plates are preferably aligned parallel to the main planes of the energy storage cells.
  • the threshold forces of the energy storage cells thus act essentially perpendicular to the pressure plates and to the main surfaces of the insulating sleeve. If the energy storage cells are not grouped into storage modules, i.e. the energy storage cells are mounted directly in the storage housing, what was said above for a storage module applies analogously to the entire energy storage device. In this case, the memory housing takes the place of the module housing.
  • the motor vehicle proposed here can in particular be an air, water or ground vehicle.
  • the motor vehicle is a passenger car or a commercial vehicle.
  • the motor vehicle has an energy storage device described above.
  • the energy storage is preferably designed as a flat storage device. In particular, it can be arranged between two adjacent axles of the motor vehicle in the underfloor area of the motor vehicle.
  • the method proposed here is intended for producing an energy storage cell, in particular the energy storage cell described in detail above, and comprises the steps: providing the storage cell housing; Arranging the electrode assembly and the electrolyte in the interior of the memory cell housing; and attaching the insulating sleeve to an outer peripheral surface of the memory cell housing, wherein the memory cell housing is at least partially covered with the insulating sleeve.
  • arranging the electrode assembly indoors includes stacking or wrapping the electrode assembly and inserting the stacked/wound electrode assembly into the memory cell housing. It is preferred that the step of attaching the insulating cover is carried out before a step of forming the energy storage cell. Accordingly, gases generated in the interior area during forming can be distributed evenly in the interior area, in particular also in corner or edge sections of the interior area, by the compression forces caused by the insulating sleeve.
  • Figure 1 shows a variant of an energy storage cell in a longitudinal sectional view, with the storage cell housing of the energy storage cell in its non-expanded initial state;
  • Figure 2 shows the energy storage cell from Figure 1 in a longitudinal sectional view, with the storage cell housing expanded and the insulating sleeve compressed;
  • Figure 3 shows a further variant of an energy storage cell in a longitudinal sectional view, in which the insulating sleeve has a section covering a bottom end face of the storage cell housing, the storage cell housing being in its initial state;
  • Figure 4 shows a further variant of an energy storage cell in a longitudinal sectional view, the insulating sleeve having cavities of different sizes when the storage cell housing is in its initial state;
  • Figure 5 shows a further variant of an energy storage cell in a longitudinal section view, the insulating sleeve also having cavities of different sizes when the storage cell housing is in its initial state;
  • Figure 6 shows a further variant of an energy storage cell in a longitudinal sectional view, wherein the insulating sleeve has cavities of different sizes, and wherein the storage cell housing is in its initial state;
  • Figure 7 shows a further variant of an energy storage cell in a longitudinal sectional view, with differently designed cavities being provided on opposite sides of the storage cell housing;
  • FIG. 8 shows a storage module of an energy storage device with several energy storage cells according to FIG.
  • Figure 9 shows the memory module of Figure 8 after the memory cell housings have expanded
  • Figure 10 shows a storage module of a further energy storage with several energy storage cells according to Figure 4, the energy storage cells contacting each other via their insulating sleeves, and the Memory cell housings are each in their non-expanded initial state;
  • Figure 11 shows the memory module of Figure 10 after the memory cell housings have expanded
  • Figure 12 shows a variant of a motor vehicle with the energy storage, which has several storage modules.
  • Figure 13 shows a variant of a method for producing an energy storage cell.
  • FIGS 1 and 2 show an energy storage cell 10, which is intended for installation in an energy storage 200 for a motor vehicle 300 shown in Figure 12 (here: passenger car).
  • the energy storage cell 10 is here, for example, designed as a round cell and contains a storage cell housing 20 and an insulating sleeve 30 attached to the outside of the storage cell housing 20.
  • the storage cell housing 20 delimits an interior region 22 of the energy storage cell 10, in which an electrode assembly 24 designed in this variant as an electrode coil or electrode stack is arranged is.
  • the interior area 22 contains an electrolyte, in particular a liquid electrolyte.
  • the insulating sleeve 30 is at least 4 mm thick in the initial state from FIG. 1 and encases the memory cell housing 20 on the outside.
  • the insulating sleeve 30 contacts with its entire inner peripheral surface an outer peripheral surface 26 of the memory cell housing 20 at any time, i.e. both in the non-expanded initial state of the memory cell housing 20 shown in FIG. 1 and in the expanded state of the memory cell housing 20 shown in FIG the inner peripheral surface is as large as the outer peripheral surface 26.
  • the memory cell housing 20 is thus advantageously insulated on the entire outer peripheral surface 26.
  • a width B here: external diameter
  • knife, cf. Figures 1 and 2) of the energy storage cell 10 is essentially the same when the storage cell housing expands as described above.
  • the insulating sleeve 30 is designed to be elastically resilient, for example made of rubber, and can therefore, optionally radially elastically prestressed, be placed on the storage cell housing 20. In addition, the insulating sleeve 30 can yield further when the memory cell housing 20 expands radially.
  • a plurality of cavities 32, 42, 44 are integrated in the insulating sleeve 30. In the initial state of the energy storage cell from Figure 1, all cavities 32, 42, 44 are essentially the same size (apart from minor manufacturing tolerances).
  • a first cavity 42 is arranged axially (relative to the center longitudinal axis A of the energy storage cell 10) in the middle and a second cavity 44 is arranged at an axial edge/end of the insulating sleeve 30 and adjacent to an end face of the energy storage cell 10.
  • the cavities 32 are arranged evenly distributed over the insulating sleeve 30. In other words, a distance between two adjacent cavities 32 is essentially the same for all cavities 32.
  • the insulating sleeve 30 can additionally have axially extending webs 38 which can cross the radially extending webs 38. Overall, this results in a regular grid of cavities 32, which are arranged along the circumference of the memory cell housing and radially at the same distance from one another.
  • the cavities 32, the first cavity 42 and the second cavity 44 are bounded by a first layer 34 of the insulating sleeve 30 and a second layer 36 of the insulating sleeve 30.
  • Webs 38 are formed between the first layer 34 and the second layer 36, which connect the first layer 34 and the second layer 36 to one another and separate adjacent cavities 32 from one another. These webs 38 serve to stiffen the insulating sleeve 30.
  • the webs 38 are also stiffer (for radial forces) than the first layer 34 and / or the second layer 36.
  • the webs 38 can in particular be made of a different, preferably be made of stiffer material than the first layer 34 and / or the second layer 36.
  • the insulating sleeve 30 is cohesively connected to the outer peripheral surface 26 of the storage cell housing 20.
  • the insulating sleeve is vulcanized onto the outer peripheral surface 26 by means of the second layer 36 using an adhesive.
  • the insulating sleeve 30 is designed in another variant as an inherently rigid enveloping body, the insulating sleeve can be non-positively connected to the outer peripheral surface 26. In this case no adhesive is required. Rather, in this case, the insulating sleeve 30 can be provided with a receptacle 31 for receiving the memory cell housing 20, into which the memory cell housing 20 can be inserted. In addition, the memory cell housing 20 can then be removed from the receptacle 31 without destroying the insulating cover 30.
  • the storage cell housing 20 expands/expands ("swells") in the installed position of the energy storage cell 10 in the storage module 100 (see FIG. 8) during the service life of the energy storage cell 10, in particular during a rapid charging process, the axially central first cavity 42 takes on more of expansion and thereby shrinks more than the axially edge-side second cavity 44. The further away a cavity 32 is from the center of the energy storage cell 10, the more this cavity 32 shrinks as a result of the expansion of the storage cell housing 20 (see Figure 2). During this process, if at least the first layer 34 is gas-tight, gas, in particular air, is pressed out of the first cavity 42, the second cavity 44 and the remaining cavities 32.
  • the gas can at least partially remain in the cavities 42, 44, 32 mentioned and be compressed.
  • the insulating sleeve 30 thus advantageously acts like a gas pressure spring.
  • the insulating sleeve 30 (and thus also the at least one cavity) can expand in volume in return.
  • An energy storage cell 10 shown in Figure 3 differs from the energy storage cell 10 from Figure 1 in that the cavities 32 as well as the first cavity 42 and the second cavity 44 are round, essentially spherical.
  • the insulating sleeve 30 additionally has an end section which extends over a (here bottom-side), radially extending end face 28 of the energy storage cell 10.
  • the connection between the end face 28 and the insulating sleeve 30 is designed like the connection between the outer peripheral surface 26 and the insulating sleeve 30.
  • the insulating sleeve 30 from Figure 3 like the insulating sleeve 30 from Figure 1, can be designed to be free of joints (monolithic).
  • Cavities 32 formed in the end section preferably have the same properties as the remaining cavities 32 formed in the part of the insulating sleeve 30 adjacent to the outer peripheral surface 26.
  • the insulating sleeve can therefore be designed in such a way that when the memory cell housing 20 expands axially, the cavities 32 in End section shrink to provide further space for the expansion of the memory cell housing 20. In this way, pushing out of the energy storage cell 10 from a module housing 102 explained in more detail below due to the expansion of the energy storage cell 10 can be counteracted if the end section of the energy storage cell 10 rests on a bottom of the module housing 102 and is clamped radially. Furthermore, the energy storage cell 10 from FIG. 3 has all the features of the energy storage cell 10 from FIG. 1.
  • Another energy storage cell 10 from FIG. 4 differs from the energy storage cell 10 from FIG. 4
  • Further cavities 32 between the first cavity 42 and the second cavity 44 are characterized by an internal volume that increases with the distance from the center of the energy storage cell 10. Accordingly, the insulating sleeve 30 can accommodate less of the expansion of the memory cell housing axially in the middle than at the axial ends. As a result, gas formed during a charging process is better distributed in the interior area 22. This effect is enhanced in a synergistic manner by the fact that the stood between adjacent webs 38 in the area of the first cavity 42 is smaller, which results in a higher rigidity of the insulating sleeve 30 in this area.
  • the webs delimiting the first cavity 42 can be designed to be stiffer than webs 38 delimiting the second cavity 44.
  • the longitudinal section of the energy storage cell 10 from Figure 4 can be repeated at predetermined angles of rotation about the central longitudinal axis A. That is, cavities 32 adjacent to one another in the circumferential direction can be essentially the same size, analogous to the variant from FIG.
  • the energy storage cell 10 from FIG. 4 has all the features of the energy storage cell 10 from FIG. 1.
  • FIG. 5 differs from the energy storage cell 10 from FIG. 5 differs from the energy storage cell 10 from FIG. Further cavities 32 between the first cavity 42 and the second cavity 44 are characterized by an internal volume that decreases with the distance from the center of the energy storage cell 10. Accordingly, the insulating sleeve 30 can accommodate more of the expansion of the memory cell housing axially in the middle than at the axial ends.
  • the longitudinal section of the energy storage cell 10 can also be repeated in this variant at predetermined rotation angles about the central longitudinal axis A. That is, cavities 32, 42, 44 adjacent to one another in the circumferential direction can be essentially the same size, analogous to the variant from FIG.
  • the energy storage cell 10 from FIG. 5 has all the features of the energy storage cell 10 from FIG. 4.
  • FIG. 6 Further energy storage cells 10 are shown in Figures 6 and 7.
  • the energy storage cell 10 from Figure 6 differs from the energy storage cell 10 from Figure 4 in that the latter has a larger number of rows of cavities axially than the former. While the energy storage cell 10 from Figure 4 has, for example, eight rows of cavities extending along the circumference of the energy storage cell 10, the energy storage cell 10 from Figure 6 contains only five hollow spaces. rows of rooms. In this way, the number of webs 38 can be reduced, so that the memory cell housing 20 can ultimately have more space available for expansion. So that the insulating sleeve 30 has a high level of stability at the same time, individual or all webs 38 can be made from a different, in particular stiffer, material than the first layer 34 and/or the second layer 36. For example, webs 38 can be provided from a thermoplastic or thermoset.
  • the insulating sleeve 30 contains a first part in the circumferential direction, which is designed like the insulating sleeve 30 from Figure 4, and a second part in the circumferential direction, which is designed like the insulating sleeve 30 from Figure 6.
  • the energy storage cells 10 from FIGS. 6 and 7 have all the features of the energy storage cell 10 from FIG. 4.
  • the storage module 100 shown in FIGS. 8 and 9 contains a module housing 102 and several energy storage cells 10 according to FIG. 3.
  • the energy storage cells 10 are accommodated in the module housing 102.
  • the insulating sleeves 30 of adjacent energy storage cells 10 are clamped between storage cell housings 20 of the adjacent energy storage cells 10.
  • another of the energy storage cells 10 described here as well as combinations of various of these energy storage cells 10 can be accommodated in the module housing 102.
  • the module housing 102 is essentially rigid and defines an installation space for the entirety of the energy storage cells 10.
  • 8 shows the storage module 100 in its initial state, in which the energy storage cells 10 are inserted into the module housing 102 directly after formation.
  • the energy storage cells 10 are clamped in a force-fitting manner in the module housing 102 under pretension of the insulating sleeve 30, although other types of connection are also conceivable.
  • Each energy storage cell 10 occupies a space assigned to it in the storage cell housing 20 and is in its initial state, in which the respective memory cell housings 20 are also in their initial state.
  • the module housing 102 may form a frame that surrounds a set of energy storage cells 10.
  • This frame has pressure plates 104, 106 on opposite end sides, which can be connected to one another via side walls (not shown).
  • the pressure plates 104, 106 and the side walls are glued and/or welded together here.
  • each energy storage cell 10 allows the associated storage cell housing 20 to swell by reducing the volume it occupies in the module housing 102.
  • the cavities 32 as well as the first cavity 42 and the second cavity 44 shrink all the more, the smaller the distance between the respective cavity 32, 42, 44 and the center of the associated energy storage cell 10.
  • the insulating sleeves 30 thus cushion the radial threshold forces emanating from the storage cell housing 20.
  • tensile stress on the storage cell housing 20 and in particular on the welding/gluing seams between the pressure plates 104, 106 and the side walls can be reduced.
  • the insulating sleeve 30 and the cavities 32, 42, 44 expand elastically.
  • the memory module 100 from Figure 10 has the same features as the memory module 100 from Figure 8.
  • the motor vehicle 300 shown in FIG. 12 has an energy storage device 200 which contains several energy storage modules 100 according to FIG. 8 or FIG. 10 are.
  • the energy storage 200 has a storage housing 202 in which the energy storage modules 100 are attached.
  • Each of the energy storage cells 10 described above can be produced using a manufacturing process 400 shown very schematically in FIG. 13.
  • a manufacturing process 400 shown very schematically in FIG. 13.
  • the preferably empty (metallic) memory cell housing 20 is provided.
  • the electrode assembly 24 can be manufactured in a further step, not shown, by winding or stacking.
  • the electrode assembly 24 is then arranged in the interior region 22 of the memory cell housing 20 in a step 404.
  • the electrolyte is preferably also introduced into the interior region 22.
  • the storage cell housing 20 can then be closed (except for a degassing hole).
  • the insulating sleeve 30 can be attached to an outer peripheral surface 26 of the memory cell housing 20. This may include producing the insulating sleeve 30 separately from the energy storage cell 10, for example by means of an injection molding process, and plugging it axially onto the storage cell housing 20.
  • the insulating sleeve 30 can be prestressed at least radially.
  • the insulating sleeve 30 can be formed directly on the outer peripheral surface 26.
  • the second layer 36 can first be worn together with the webs 38 on the outer peripheral surface 26 and, if necessary, on one or both one-sided end faces of the storage cell housing 20, in particular the end face 28. Placeholders for the cavities 32 as well as the first cavity 42 and the second cavity 44 can be overmolded.
  • the outer first layer 34 can be formed on the webs 38.
  • the memory cell housing 20 is covered with the insulating sleeve 30.
  • Forming and/or degassing processes are preferably carried out for improved gas distribution after the energy storage cell 10 has been provided with the insulating cover 30.
  • the degassing hole can then be closed.
  • a module housing 102 can be provided and the energy storage cells 10 can be fixed in the module housing 102 under radial prestressing of the insulating sleeves 30.
  • the energy storage cells 10 can be assembled under force control to a predetermined radial force that acts between the pressure plates 104, 106.
  • the storage modules 100 can then be mounted in the energy storage 200.
  • the energy storage cells 10 can be inserted directly into the storage housing 202.
  • the expression “at least one” has been partially omitted from this disclosure. If a feature is described in the singular or indefinitely (e.g. the/a cavity, etc.), its plurality is also disclosed at the same time (e.g. the at least one cavity, i.e. the one cavity or the several cavities). In this case, at least in sections means in sections or completely.
  • the term “substantially” includes the exact property or value as well as deviations that are insignificant for the function of the property/value, for example due to manufacturing tolerances.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle (10) für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher, umfassend ein einen Innenbereich (22) festlegendes Speicherzellengehäuse (20), eine Elektrodenbaugruppe (24) sowie einen Elektrolyten im Innenbereich (22), und eine das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei in der Isolierhülle (30) mindestens ein Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Energiespeicher mit der Energiespeicherzelle, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung der Energiespeicherzelle.

Description

Energiespeicherzelle, Energiespeicher, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle für einen Kraftfahrzeug- Energiespeicher, einen Energiespeicher mit mehreren derartigen Energiespeicherzellen, ein Kraftfahrzeug mit dem Energiespeicher sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle.
Moderne Energiespeicherzellen, wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren (Lithium-Ionen Sekundärbatterien), weisen im Allgemeinen eine Elektrodenbaugruppe mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Separator auf, wobei die Elektrodenbaugruppe zusammen mit einem Elektrolyten in einem Gehäuse der Energiespeicherzelle angeordnet ist. Die Anode bzw. Kathode umfasst eine jeweilige, üblicherweise metallische Elektrode (anodenseitig beispielsweise Kupfer; kathodenseitig beispielsweise Aluminium), die mit einem Aktivmaterial (anodenseitig beispielsweise Graphit; kathodenseitig beispielsweise Lithium-Kobalt- Oxid oder Lithium-Mangan-Oxid) beschichtet ist. Das Gehäuse, bei zylindrischen Energiespeicherzellen auch als Dose (engl. „Can“) bezeichnet, kann außenseitig eine Isolatorschicht aufweisen. Der Separator soll bestimmungemäß nur für Lithium- Ionen durchlässig sein, ansonsten aber die Anode gegenüber der Kathode elektrisch isolieren.
Sowohl bei der Herstellung als auch während der weiteren Lebensdauer derartiger Energiespeicherzellen kann insbesondere bei Schnellladevorgängen Lithium-Metall als Schwamm oder Dendrid an der Anode abgeschieden werden (sogenanntes „Li- thium-Plating“). Um die Abscheidung von Lithium zu verringern, ist aus dem Stand der Technik bekannt, die positive und/oder negative Elektrode einer Lithium-Zelle einer Korona-Behandlung zu unterwerfen. Diesbezüglich offenbart beispielsweise das Dokument DE 10 2014 218 143 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Lithium- Zelle, bei dem ein partikelförmiges Aktivmaterial und eine ein Bindemittel enthaltende Beschichtungsmasse auf eine Metallfolie aufgebracht wird, um eine positive bzw. negative Elektrode zu bilden. Anschließend wird die jeweilige Elektrode verpresst. Nach dem Einbringen des Separators zwischen die Elektroden wird in einem Gehäuse ein flüssiger Elektrolyt zugegeben. Vor dem Benetzen mit dem flüssigen Elektrolyt wird die positive und/oder negative Elektrode einer Koronabehandlung unterworfen, damit der flüssige Elektrolyt in die Poren der Elektrode eindringt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher geeignete Energiespeicherzelle bereitzustellen, die effizient herstellbar ist und sich durch eine relativ lange Lebensdauer auszeichnet. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Energiespeicher, ein entsprechendes Kraftfahrzeug, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeicherzelle gemäß Patentanspruch 1 , einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Energiespeicherzelle gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Die Energiespeicherzelle ist zum Einbau in einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher vorgesehen und umfasst ein einen Innenbereich festlegendes Speicherzellengehäuse, eine Elektrodenbaugruppe sowie einen Elektrolyten im Innenbereich und eine das Speicherzellengehäuse zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle auf einer Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses. In der Isolierhülle ist mindestens ein Hohlraum ausgebildet.
Die Isolierhülle dieser Energiespeicherzelle ermöglicht der Elektrodenbaugruppe und dem Speicherzellengehäuse, sich während des Ladens sowie über die Lebensdauer der Energiespeicherzelle elastisch und unter Größenanpassung des Hohlraums auszudehnen sowie wieder zu verkleinern. Die eingangs genannte Lithium- Abscheidung sowie andere mechanische, thermische und/oder chemische Effekte können zu einer Volumenänderung des Aktivmaterials und damit einer dynamischen Größenänderung des Speicherzellengehäuses führen. Diese Größenänderung kann zyklisch über Lade- / Entladezyklen erfolgen, wobei die Größe des Speicherzellen- gehäuses zusätzlich über die Lebensdauer zunehmen kann. Durch Gasbildung im Innenbereich kann eine Größenzunahme bewirkt werden. Der Hohlraum kann in Einbaulage der Energiespeicherzelle im Kraftfahrzeug-Energiespeicher als Ausweichraum zum Volumenausgleich, insbesondere zur Aufnahme einer Volumenzunahme des sich aufweitenden Speicherzellengehäuses, dienen. Dem Inhalt des Speicherzellengehäuses kann also mehr Platz im Energiespeicher bereitgestellt werden. Dementsprechend kann sich etwa bei einem Schnellladevorgang ausbil- dendenden Lithium-Dendriten mehr Platz im Energiespeicher zur Verfügung stehen, sodass die Energiespeicherzelle im Ergebnis langlebig sein kann. Gleichzeitig kann der Energiespeicher vergleichsweise bauraumeffizient ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann die Isolierhülle aufgrund ihrer Steifigkeit der Ausdehnung des Gehäuses entgegenwirken und im Innenbereich gebildetes Gas besser über den Innenbereich verteilen. Die Druckverteilung an der Elektrodenbaugruppe kann vergleichsweise homogen sein. Dies kann auf synergetische Art und Weise ermöglichen, dass selbst bei schnellen Ladevorgängen weniger Lithium abgeschieden wird, sodass die Energiespeicherzelle vergleichsweise langsam altem kann. In der Folge kann auch die Hochstrom belastbarkeit und Zyklusstabilität dieser Energiespeicherzellen relativ einfach verbessert werden. Außerdem kann auf eine Koronabehandlung der Energiespeicherzelle verzichtet werden.
Die Energiespeicherzelle kann zylindrisch (als sogenannte Rundzelle) oder prismatisch ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Energiespeicherzelle somit mindestens eine Haupterstreckungsrichtung auf. Dabei handelt es sich um diejenige Richtung, in der die Energiespeicherzelle das größte Ausmaß (Länge) aufweist. Im Folgenden ist diese Haupterstreckungsrichtung auch als axial bezeichnet. Während die Haupterstreckungsrichtung einer zylindrischen Energiespeicherzelle die Zylinderachse ist, kann die Haupterstreckungsrichtung einer prismatischen Energiespeicherzelle insbesondere parallel zu einer (seitlichen) Hauptfläche oder Mittelhauptebene dieser Energiespeicherzelle verlaufen. Entsprechend bezieht sich der Begriff radial auf eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung und/oder senkrecht zur Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses. Die Elektrodenbaugruppe ist vorzugsweise gewickelt, kann jedoch alternativ gestapelt sein. Wenn die Energiespeicherzelle eine Rundzelle ist, kann das Speicherzellengehäuse zylinderförmig sein (engl. „cell can“). Kommt es zur oben erläuterten, betriebsbedingten Ausdehnung der Aktivmaterialien im Innenbereich der Rundzelle, so wird das Gehäuse im Umfangsbereich auf Zug beansprucht. Vorteilhaft können somit vergleichsweise dünne Gehäusequerschnitte zusammen mit der Isolierhülle die aus dem Aufschwellen resultierenden Kräfte kompensieren. Bevorzugt ist das Speicherzellengehäuse leitend, insbesondere metallisch, und vorzugsweise aus Aluminium, Stahl oder einer Stahllegierung, hergestellt.
Die Elektrodenbaugruppe kann mit einer Anode, einer Kathode sowie einem Separator zwischen der Anode und der Kathode versehen sein. Vorzugsweise handelt es sich bei der Energiespeicherzelle um eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (sog. Lithium-Ionen-Akkumulator). D.h., die Anode und die Kathode umfassen jeweils vorzugsweise eine metallische Elektrode (anodenseitig beispielsweise Kupfer; ka- thodenseitig beispielsweise Aluminium), die mit einem Aktivmaterial (anodenseitig beispielsweise Graphit; kathodenseitig beispielsweise Lithium-Kobalt-Oxid oder Li- thium-Mangan-Oxid) beschichtet sein kann. Der Separator ist hier vorzugsweise nur für Lithium-Ionen, nicht jedoch für Elektronen, durchlässig. Der Elektrolyt ist vorzugsweise flüssig; er kann alternativ fest sein. Die Isolierhülle kann nachgiebiger als das Speicherzellengehäuse sein. Sie kann das Speicherzellengehäuse außenseitig abschnittsweise oder vollständig ummanteln und ist vorzugsweise ein Isolator (Nichtleiter). Die Isolierhülle kann entsprechend eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10’8 S/m oder weniger als 10’10 S/m aufweisen.
Es wurde gesagt, dass in der Isolierhülle mindestens ein Hohlraum (d.h., ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume) ausgebildet ist. Eine Geometrie des Hohlraums kann rund, insbesondere sphärisch oder ellipsoidisch, oder rechtwinklig, insbesondere quaderförmig, sein. Ecken / Kanten des Hohlraums können gerundet sein, um Risse in der Isolierhülle während des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses zu vermeiden. Der Hohlraum kann dabei mit einem Fluid, insbesondere Luft oder einem anderen Gas, gefüllt sein. Die Anzahl dieser Hohlräume kann mindestens 3, mindestens 5 oder mindestens 10 betragen. Die Hohlräume können (teilweise) gleich groß und/oder (teilweise) unterschiedlich groß sein, wenn sich die Isolierhülle in ihrem Ausgangszustand befindet, in der sie nicht deformiert sowie nicht gespannt ist. Eine axiale Länge jedes Hohlraums kann zwischen 1 % und 40 %, vorzugsweise zwischen 2% und 30 % der axialen Länge der Energiespeicherzelle betragen. Ein von der Gesamtheit der Hohlräume eingenommenes Volumen kann bevorzugt mindestens 70 % oder zwischen 60 % und 95 % des Gesamtvolumens der Isolierhülle betragen. Außerdem können die Hohlräume im Ausgangszustand in gleichen Abständen über die Isolierhülle verteilt sein, um eine gleichmäßige Aufnahme der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses bereitstellen zu können. Im Folgenden für den mindestens einen Hohlraum gesagtes kann analog für jeden beliebigen bzw. eine beliebige Unteranzahl der Hohlräume gelten. D.h., der Ausdruck „der mindestens eine Hohlraum“ ist gleichbedeutend mit dem Ausdruck „der eine oder die mehreren Hohlräume“.
Der mindestens eine Hohlraum ist dazu vorgesehen, eine Ausdehnung des Speicherzellengehäuses zumindest teilweise aufzunehmen. Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Hohlraum also dazu ausgelegt sein, beim Ausdehnen des Speicherzellengehäuses zu schrumpfen. Wenn sich die Energiespeicherzelle in ihrer Einbaulage im Energiespeicher befindet, in der die Energiespeicherzelle einen vorbestimmten, festen, ihr zugewiesenen Bauraum einnimmt, kann eine Vergrößerung (Aufschwellen) des Speicherzellengehäuses mit einer Verkleinerung des mindestens einen Hohlraums einhergehen. Der mindestens eine Hohlraum gestattet somit, bei vorgegebenem, von der Energiespeicherzelle eingenommenem Raumvolumen eine Ausdehnung des Speicherzellengehäuses sowie des dadurch festgelegten Innenbereichs unter Verkleinerung des (Innen-) Volumens des mindestens einen Hohlraums. Der mindestens eine Hohlraum kann radial außen zu einer Außenumfangsfläche der Isolierhülle hin offen sein. Bevorzugt ist der mindestens eine Hohlraum hingegen in der Isolierhülle eingeschlossen, d.h., vom Material der Isolierhülle (makroskopisch) umschlossen. Das Material der Isolierhülle kann dabei wie unten näher erläutert gasdurchlässig (permeabel) sein. Die Isolierhülle ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet. In diesem Fall ist der mindestens eine Hohlraum vorzugsweise zwischen mindestens zwei der Schichten ausgebildet. Die Isolierhülle kann eine erste Schicht auf einer vom Innenbereich abgewandten Außenseite der Isolierhülle sowie eine zweite Schicht auf einer dem Innenbereich zugewandten Innenseite der Isolierhülle aufweisen. Die erste und/oder die zweite Schicht können sich dabei entlang der gesamten Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses erstrecken, um letzteres vorteilhafterweise zu isolieren. Insbesondere kann die zweite Schicht direkt oder indirekt auf der gesamten Außenumfangsfläche ausgebildet sein. Der Begriff Außenumfangsfläche kann hierbei die Mantelfläche des Speicherzellengehäuses in Umfangsrichtung bezeichnen. Zusätzlich kann die zweite Schicht (direkt oder indirekt) auf einer oder beiden axialen Endflächen (sogenannte Stirnflächen) des Speicherzellengehäuses ausgebildet sein. Wenn die Isolierhülle mehr als zwei Schichten aufweist, sind die Hohlräume vorzugsweise zwischen zwei benachbarten Schichten ausgebildet.
Der mindestens eine Hohlraum kann durch die erste Schicht und/oder die zweite Schicht begrenzt sein. Darüber hinaus kann die erste Schicht über mindestens einen, vorzugsweise nachgiebigen, (Verbindungs-) Steg mit der zweiten Schicht verbunden sein. In diesem Fall ist der mindestens eine Hohlraum vorzugsweise von dem mindestens einen Steg begrenzt. Wenn mindestens zwei Stege vorgesehen sind, können die beiden Stege (zusammen mit der ersten Schicht und der zweiten Schicht) den Hohlraum begrenzen. Wenn die Isolierhülle mehrere Hohlräume aufweist, können diese Hohlräume axial durch jeweils mindestens einen Steg voneinander abgetrennt sein. Wenn außerdem in Umfangsrichtung mehrere Hohlräume ausgebildet sind, können diese ebenfalls durch jeweils mindestens einen Steg voneinander abgetrennt sein. Insgesamt können die Hohlräume somit entlang der Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses gemäß einem vorbestimmten Muster oder Raster angeordnet sein. Das Raster kann regelmäßig sein, sodass die Hohlräume in regelmäßigen Abständen angeordnet sein können. Dies ermöglicht, die durch die Ausdehnung des Speicherzellengehäuses bewirkte Radialkraft gleichmäßig in der Isolierhülle aufzunehmen. Der mindestens eine Steg kann als Versteifungselement und insbesondere in Radialrichtung steifer als die erste Schicht und/oder die zweite Schicht ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann der mindestens eine Steg aus einem ersten Werkstoff hergestellt sein, der steifer als ein zweiter Werkstoff ist, aus dem mindestens eine der Schichten, insbesondere die erste und/oder die zweite Schicht, hergestellt ist. Es ist auch denkbar, die erste Schicht, die zweite Schicht und/oder die Stege aus demselben Werkstoff herzustellen. Der mindestens eine Steg kann im Wesentlichen flach oder gekrümmt, insbesondere konkav, ausgebildet sein.
Wenn die Isolierhülle mit mehreren Hohlräumen versehen ist, können ein erster dieser Hohlräume benachbart zu einer Mitte der Energiespeicherzelle und ein zweiter dieser Hohlräume an einem Rand der Isolierhülle, insbesondere an einem axialen Rand der Isolierhülle, angeordnet sein. Wenn die Energiespeicherzeile beispielsweise eine zylindrische Zelle ist, können der erste Hohlraum mittig bezüglich der Achse der Energiespeicherzelle und der zweite Hohlraum an einem axialen Ende der Energiespeicherzelle angeordnet sein.
In einer bevorzugten Variante sind der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum bereits dann unterschiedlich groß, wenn sich die Isolierhülle in ihrem ungespannten Ausgangszustand befindet. Vorzugsweise ist der erste Hohlraum axial und/oder radial kürzer als der zweite Hohlraum. Zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum können weitere Hohlräume vorgesehen sein, die größer als der erste Hohlraum und kleiner als der zweite Hohlraum sein können. Zwischen diesen Hohlräumen können weitere Stege angeordnet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht, der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses axial mittig stärker entgegenzuwirken als axial randseitig. Da dem Speicherzellengehäuse aufgrund der Größenverhältnisse des ersten Hohlraums und des zweiten Hohlraums axial in der Mitte der Energiespeicherzelle weniger Raum zur Ausdehnung zur Verfügung steht als an den axialen Enden, können sich im Innenbereich während der Herstellung des Energiespeichers oder während eines späteren Ladevorgangs bildende Gase effektiv über den Innenbereich verteilt werden. Die Isolierhülle ist vorzugsweise kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Speicherzellengehäuse verbunden (d.h. , an das Speicherzellengehäuse gefügt). Im Fall der kraftschlüssigen Verbindung, kann die Isolierhülle beispielsweise auf das Speicherzellengehäuse aufgesteckt und/oder (zerstörungsfrei) von dem Speicherzellengehäuse abnehmbar sein. Im Fall der stoffschlüssigen Verbindung kann die Isolierhülle beispielsweise auf dem Speicherzellengehäuse aufvulkanisiert oder aufgeklebt sein. Die genannte Verbindung kann sich über die gesamte Außenumfangsfläche erstrecken. D.h., sowohl bei der kraftschlüssigen Verbindung als auch bei der stoffschlüssigen Verbindung kann wie vorstehend beschrieben vorgesehen sein, dass die Isolierhülle vollflächig (mit ihrer gesamten, dem Speicherzellengehäuse zugewandten Innenumfangsfläche) mit dem Speicherzellengehäuse in Verbindungskontakt steht. Die Innenumfangsfläche der Isolierhülle kann an der Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses flächig anliegen. In einem radialen Querschnitt durch das Speicherzellengehäuse und die Isolierhülle kann eine Kontur des Speicherzellengehäuses einer Kontur der Isolierhülle folgen.
Die Isolierhülle kann als Hüllkörper (sogenannte Manschette) ausgebildet sein. Als derartiger Hüllkörper im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird ein selbst formstabiler dreidimensionaler Körper bezeichnet. Eine einfache Isolierschicht auf dem Speicherzellengehäuse bildet somit vorliegend mangels Form- / Eigenstabilität keinen Hüllkörper. Vorzugsweise hat die Isolierhülle bzw. der Hüllkörper eine (radiale) Dicke von mindestens 3 mm oder mindestens 4,5 mm oder mindestens 6 mm. Bezogen auf die Dicke des Speicherzellengehäuses ist die Isol ierhü lle/der Hüllkörper radial vorzugsweise mindestens doppelt oder mindestens 3-Mal so dick. Diese Maßangaben beziehen sich dabei vorzugsweise auf den ungespannten Ausgangszustand des Hüllkörpers. In einem derartigen Hüllkörper ist vorzugsweise eine Aufnahme ausgebildet, in der das Speicherzellengehäuse aufgenommen sein kann. Um einen Kraftschluss zwischen der Isolierhülle und dem Speicherzellengehäuse zu realisieren, kann die Aufnahme kleiner als das Speicherzellengehäuse sein, wenn die Isolierhülle von dem Speicherzellengehäuse separiert ist. Beim Einbringen des Speicherzellengehäuses in die Aufnahme wird in diesem Fall die Isolierhülle vorzugsweise radial vorgespannt. Die Isolierhülle, insbesondere die erste Schicht und/oder die zweite Schicht, sind bevorzugt zumindest abschnittsweise fluiddurchlässig, beispielsweise gasundicht. Auf diese Weise kann ein Fluid (insbesondere Gas) aus dem mindestens einen Hohlraum durch das Material der Isolierhülle hindurch in die Umgebung der Energiespeicherzelle entweichen, wenn sich das Speicherzellengehäuse ausdehnt und der mindestens eine Hohlraum schrumpft. Wenn der mindestens eine Hohlraum mit Gas gefüllt ist, kann er als Gastasche ausgebildet sein. Der jeweilige mindestens eine Hohlraum / die mindestens eine Gastasche kann insbesondere durch jeweils mindestens eine Öffnung mit der Umgebung der Energiespeicherzelle (im Speicherinnenraum) verbunden sein, um einen Druckausgleich beim Komprimieren der Isolierhülle / beim Schrumpfen des mindestens einen Hohlraums bereitzustellen. Alternativ kann die Isolierhülle aus einem fluiddichten Material hergestellt sein. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Hohlraum mit einem kompressiblen Fluid, insbesondere einem Gas, befüllt ist. Die Isolierhülle, die erste Schicht und/oder die zweite Schicht können jeweils zumindest abschnittsweise aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, einem (vulkanisierten) Kautschuk (Gummi) oder einem Chloropren-Kautschuk hergestellt sein. Die Isolierhülle 30 kann außerdem fügestellenfrei (monolithisch; „aus einem Guss“) ausgebildet sein.
Ein hier vorgeschlagener Energiespeicher ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Bei dem (Kraftfahrzeug-) Energiespeicher kann es sich insbesondere um eine Antriebsbatterie für das Kraftfahrzeug handeln. Der Energiespeicher umfasst ein Speichergehäuse sowie mehrere vorstehend im Detail beschriebene Energiespeicherzellen zur elektrochemischen Speicherung von Energie. Die Energiespeicherzellen sind insbesondere nebeneinander im Speichergehäuse aufgenommen. Isolierhüllen zueinander benachbarter Energiespeicherzellen sind zwischen Speicherzellengehäusen der benachbarten Energiespeicherzellen eingespannt.
Der Energiespeicher kann mehrere baulich getrennte Speichermodule aufweisen, die jeweils einen Satz von mehreren der Energiespeicherzellen enthalten. Dabei kann jedes Speichermodul von einem Modulgehäuse umschlossen sein. Das Modulgehäuse weist vorzugsweise Außenwände auf, die miteinander verschweißt sein können. Insbesondere können entlang eines Umfangs des Energiespeichers auf zwei einander entgegengesetzten Seiten des Energiespeichers Druckplatten als Teil des Modulgehäuses vorgesehen sein, die den Satz von Energiespeicherzellen (radial) zusammendrücken. Entsprechend können die Isolierhüllen der Energiespeicherzellen in ihrer Einbaulage im Speichermodul radial vorgespannt sein.
Die Druckplatten können über Seitenwände des Modulgehäuses miteinander verbunden sein. Die Druckplatten und die Seitenwände können dabei fest aneinander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt, sein. Wenn es sich bei den Energiespeicherzellen des Speichermoduls um prismatische Zellen handelt, sind die Druckplatten vorzugsweise parallel zu den Hauptebenen der Energiespeicherzellen ausgerichtet. Vorteilhafterweise wirken die Schwellkräfte der Energiespeicherzellen somit im Wesentlichen senkrecht zu den Druckplatten sowie zu den Hauptflächen der Isolierhülle. Wenn die Energiespeicherzellen nicht in Speichermodule gruppiert sind, die Energiespeicherzellen also direkt im Speichergehäuse montiert sind, gilt vorstehend für ein Speichermodul gesagtes analog für den gesamten Energiespeicher. In diesem Fall tritt also das Speichergehäuse an die Stelle des Modulgehäuses.
Bei dem hier vorgeschlagenen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein Luft- , Wasser- oder Bodenfahrzeug handeln. Vorzugsweise ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist einen vorstehend beschriebenen Energiespeicher auf. Vorzugsweise ist der Energiespeicher als Flachspeicher ausgebildet. Er kann insbesondere zwischen zwei benachbarten Achsen des Kraftfahrzeuges im Unterflurbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet sein.
Das hier vorgeschlagene Verfahren ist zur Herstellung einer Energiespeicherzelle, insbesondere der vorstehend im Detail beschriebenen Energiespeicherzelle, vorgesehen und umfasst die Schritte: Bereitstellen des Speicherzellengehäuses; Anordnen der Elektrodenbaugruppe sowie des Elektrolyten im Innenbereich des Speicherzellengehäuses; und Anbringen der Isolierhülle auf einer Außenumfangsfläche des Speicherzellengehäuses, wobei das Speicherzellengehäuse zumindest abschnittsweise mit der Isolierhülle ummantelt wird. Vorzugsweise umfasst das Anordnen der Elektrodenbaugruppe im Innenbereich, die Elektrodenbaugruppe zu stapeln oder zu wickeln und die gestapelte/gewickelte Elektrodenbaugruppe in das Speicherzellengehäuse einzusetzen. Bevorzugt ist, dass der Schritt des Anbringens der Isolierhülle vor einem Schritt des Formierens der Energiespeicherzelle durchgeführt wird. Entsprechend können während des Formierens im Innenbereich entstehende Gase durch die von der Isolierhülle bewirkten Verpresskräfte gleichmäßig im Innenbereich, insbesondere auch in Eck- oder Randabschnitte des Innenbereichs, verteilt werden.
Im Energiespeicher, in dem Fahrzeug sowie in dem Herstellverfahren der Energiespeicherzelle können beliebige, insbesondere alle der vorstehend in Zusammenhang mit der Energiespeicherzelle beschriebenen Merkmale realisiert sein.
Bevorzugte Ausführungsformen einer Energiespeicherzelle, eines Energiespeichers, eines Kraftfahrzeuges sowie eines Verfahrens zur Herstellung eines Energiespeichers werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen erläutert, wobei
Figur 1 eine Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei sich das Speicherzellengehäuse der Energiespeicherzelle in seinem nicht ausgedehnten Ausgangszustand befindet;
Figur 2 die Energiespeicherzelle aus Figur 1 in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei das Speicherzellengehäuse ausgedehnt und die Isolierhülle zusammengedrückt ist;
Figur 3 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, in der die Isolierhülle einen eine bodenseitige Stirnfläche des Speicherzellengehäuses bedeckenden Abschnitt aufweist, wobei sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet; Figur 4 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle unterschiedlich große Hohlräume aufweist, wenn sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
Figur 5 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle ebenfalls unterschiedlich große Hohlräume aufweist, wenn sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
Figur 6 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei die Isolierhülle unterschiedlich große Hohlräume aufweist, und wobei sich das Speicherzellengehäuse in seinem Ausgangszustand befindet;
Figur 7 eine weitere Variante einer Energiespeicherzelle in einer Längsschnittsansicht zeigt, wobei auf entgegengesetzten Seiten des Speicherzellengehäuses unterschiedlich ausgestaltete Hohlräume vorgesehen sind;
Figur 8 ein Speichermodul eines Energiespeichers mit mehreren Energiespeicherzellen gemäß Figur 3, wobei die Energiespeicherzellen einander über deren Isolierhüllen kontaktieren, und wobei sich die Speicherzellengehäuse jeweils in deren nicht ausgedehntem Ausgangszustand befinden;
Figur 9 das Speichermodul aus Figur 8 zeigt, nachdem sich die Speicherzellengehäuse ausgedehnt haben;
Figur 10 ein Speichermodul eines weiteren Energiespeichers mit mehreren Energiespeicherzellen gemäß Figur 4, wobei die Energiespeicherzellen einander über deren Isolierhüllen kontaktieren, und wobei sich die Speicherzellengehäuse jeweils in deren nicht ausgedehntem Ausgangszustand befinden;
Figur 11 das Speichermodul aus Figur 10 zeigt, nachdem sich die Speicherzellengehäuse ausgedehnt haben;
Figur 12 eine Variante eines Kraftfahrzeuges mit dem Energiespeicher zeigt, der mehrere Speichermodule aufweist; und
Figur 13 eine Variante eines Verfahrens zur Herstellung einer Energiespeicherzelle zeigt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Energiespeicherzelle 10, die zum Einbau in einen Energiespeicher 200 für ein in Figur 12 gezeigtes Kraftfahrzeug 300 (hier: Personenkraftwagen) vorgesehen ist. Die Energiespeicherzelle 10 ist hier beispielhaft als Rundzelle ausgebildet und enthält ein Speicherzellengehäuse 20 sowie eine außenseitig auf dem Speicherzellengehäuse 20 angebrachte Isolierhülle 30. Das Speicherzellengehäuse 20 begrenzt einen Innenbereich 22 der Energiespeicherzelle 10, in dem eine in dieser Variante als Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel ausgebildete Elektrodenbaugruppe 24 angeordnet ist. Darüber hinaus enthält der Innenbereich 22 eine Elektrolyten, insbesondere einen Flüssigelektrolyten.
Die Isolierhülle 30 ist im Ausgangszustand aus Figur 1 mindestens 4 mm dick und ummantelt das Speicherzellengehäuse 20 außenseitig. Insbesondere kontaktiert die Isolierhülle 30 zu jedem Zeitpunkt, also sowohl im nicht ausgedehnten, in Figur 1 dargestellten Ausgangszustand des Speicherzellengehäuses 20, als auch im in Figur 2 gezeigten, ausgedehnten Zustand des Speicherzellengehäuses 20, mit ihrer gesamten Innenumfangsfläche eine Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20. Somit ist die Innenumfangsfläche so groß wie die Außenumfangsfläche 26. Das Speicherzellengehäuse 20 ist somit vorteilhafterweise an der gesamten Außenumfangsfläche 26 isoliert. In der Einbaulage der Energiespeicherzelle 10 im Speichermodul 100 (vgl. Figuren 8 und 10) bleibt eine Breite B (hier: Außendurch- messer, vgl. Figuren 1 und 2) der Energiespeicherzelle 10 im Wesentlichen gleich, wenn sich das Speicherzellengehäuse wie oben beschrieben aufweitet.
Die Isolierhülle 30 ist elastisch federnd, beispielsweise aus Gummi, ausgebildet und kann daher, optional radial elastisch vorgespannt, auf das Speicherzellengehäuse 20 aufgesetzt sein. Außerdem kann die Isolierhülle 30 weiter nachgeben, wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 radial ausdehnt. Um einen für die Energiespeicherzelle im Energiespeicher vorgegebenen, festen Bauraum während des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses beizubehalten, sind mehrere Hohlräume 32, 42, 44 in der Isolierhülle 30 integriert. Im Ausgangszustand der Energiespeicherzelle aus Figur 1 sind alle Hohlräume 32, 42, 44 im Wesentlichen (abgesehen von geringfügigen Fertigungstoleranzen) gleich groß. Ein erster Hohlraum 42 ist axial (bezogen auf die Mitte llängsachse A der Energiespeicherzelle 10) mittig angeordnet und ein zweiter Hohlraum 44 ist an einem axialen Rand/Ende der Isolierhülle 30 sowie benachbart zu einer Stirnfläche der Energiespeicherzelle 10 angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur einige der Hohlräume 32 mit Bezugszeichen versehen. In der Variante aus Figur 1 sind die Hohlräume 32 gleichmäßig über der Isolierhülle 30 verteilt angeordnet. Mit anderen Worten, ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Hohlräumen 32 ist für alle Hohlräume 32 im Wesentlichen gleich groß. Obgleich in Figur 1 nur radial verlaufende Stege 38 gezeigt sind, kann die Isolierhülle 30 zusätzlich axial verlaufende Stege 38 aufweisen, die die radial verlaufenden Stege 38 kreuzen können. Insgesamt ergibt sich so ein regelmäßiges Raster von Hohlräumen 32, die entlang des Umfangs des Speicherzellengehäuses sowie radial im gleichen Abstand voneinander angeordnet sind.
Die Hohlräume 32, der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 sind von einer ersten Schicht 34 der Isolierhülle 30 und einer zweiten Schicht 36 der Isolierhülle 30 begrenzt. Zwischen der ersten Schicht 34 und der zweiten Schicht 36 sind Stege 38 ausgebildet, die die erste Schicht 34 und die zweite Schicht 36 miteinander verbinden und jeweils benachbarte Hohlräume 32 voneinander abtrennen. Diese Stege 38 dienen der Versteifung der Isolierhülle 30. Die Stege 38 sind (für Radialkräfte) außerdem steifer als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36. Zu diesem Zweck können die Stege 38 insbesondere aus einem anderen, vorzugsweise steiferen Werkstoff hergestellt sein als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36.
In der Variante aus Figur 1 ist die Isolierhülle 30 stoffschlüssig mit der Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20 verbunden. Insbesondere ist die Isolierhülle mittels der zweiten Schicht 36 unter Verwendung eines Haftmittels auf die Außenumfangsfläche 26 aufvulkanisiert. Wenn die Isolierhülle 30 hingegen in einer anderen Variante als eigensteifer Hüllkörper ausgebildet ist, kann die Isolierhülle kraftschlüssig mit der Außenumfangsfläche 26 verbunden sein. In diesem Fall ist kein Haftmittel erforderlich. Vielmehr kann die Isolierhülle 30 in diesem Fall mit einer Aufnahme 31 zum Aufnehmen des Speicherzellengehäuses 20 versehen sein, in die das Speicherzellengehäuse 20 eingesteckt werden kann. Außerdem kann das Speicherzellengehäuse 20 dann aus der Aufnahme 31 entnommen werden, ohne die Isolierhülle 30 zu zerstören.
Wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 in der Einbaulage der Energiespeicherzelle 10 im Speichermodul 100 (vgl. Figur 8) während der Lebensdauer der Energiespeicherzelle 10, insbesondere während eines Schnellladevorgangs, aufweitet/ausdehnt („anschwillt“), nimmt der axial mittige erste Hohlraum 42 mehr von der Ausdehnung auf und schrumpft dadurch mehr als der axial randseitige zweite Hohlraum 44. Je weiter ein Hohlraum 32 von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 entfernt ist, desto stärker schrumpft dieser Hohlraum 32 infolge des Ausdehnens des Speicherzellengehäuses 20 (vgl. Figur 2). Bei diesem Vorgang wird, sofern zumindest die erste Schicht 34 gasundicht ist, Gas, insbesondere Luft, aus dem ersten Hohlraum 42, dem zweiten Hohlraum 44 sowie den übrigen Hohlräumen 32 hinaus gedrückt. Falls die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36 hingegen gasdicht ist, kann das Gas zumindest teilweise in den genannten Hohlräumen 42, 44, 32 verbleiben und komprimiert werden. Die Isolierhülle 30 wirkt somit vorteilhafterweise wie eine Gasdruckfeder. Bei einer Verkleinerung des Speicherzellengehäuses 20 im Lade- / Entladezyklus kann sich die Isolierhülle 30 (und somit auch der mindestens eine Hohlraum) im Gegenzug volumenmäßig ausdehnen. Eine in Figur 3 gezeigte Energiespeicherzelle 10 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 1 , dass die Hohlräume 32 sowie der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 rund, im Wesentlichen kugelförmig, ausgebildet sind. Darüber hinaus weist die Isolierhülle 30 zusätzlich einen Endabschnitt auf, der sich über eine (hier bodenseitige), radial verlaufende Stirnfläche 28 der Energiespeicherzelle 10 erstreckt. Die Verbindung zwischen der Stirnfläche 28 und der Isolierhülle 30 ist wie die Verbindung zwischen der Außenumfangsfläche 26 und der Isolierhülle 30 ausgestaltet. Die Isolierhülle 30 aus Figur 3 kann ebenso wie die Isolierhülle 30 aus Figur 1 fügestellenfrei (monolithisch) ausgebildet sein.
Im Endabschnitt ausgebildete Hohlräume 32 weisen vorzugsweise dieselben Eigenschaften auf wie die übrigen, im an die Außenumfangsfläche 26 angrenzenden Teil der Isolierhülle 30 ausgebildeten Hohlräume 32. Die Isolierhülle kann also derart ausgebildet sein, dass, wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 axial aufweitet, die Hohlräume 32 im Endabschnitt schrumpfen, um weiteren Raum für die Ausdehnung des Speicherzellengehäuses 20 bereitzustellen. Auf diese Weise kann einem durch die Aufweitung der Energiespeicherzelle 10 bedingten Herausdrücken der Energiespeicherzelle 10 aus einem unten näher erläuterten Modulgehäuse 102 entgegengewirkt werden, wenn die Energiespeicherzelle 10 mit dem Endabschnitt auf einem Boden des Modulgehäuses 102 aufliegt und radial eingespannt ist. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 3 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 1 auf.
Eine weitere Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 1 , dass im die Mittellängsachse A enthaltenden Längsschnitt aus Figur 4 betrachtet der axial mittige erste Hohlraum 42 kleiner als der axial randseitige zweite Hohlraum 44 ist. Weitere Hohlräume 32 zwischen dem ersten Hohlraum 42 und dem zweiten Hohlraum 44 zeichnen sich durch ein mit dem Abstand von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 steigendes Innenvolumen aus. Entsprechend kann die Isolierhülle 30 axial in der Mitte weniger von der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses als an den axialen Enden aufnehmen. In der Folge wird während eines Ladevorgangs gebildetes Gas besser im Innenbereich 22 verteilt. Dieser Effekt wird auf synergetische Art und Weise dadurch verstärkt, dass der Ab- stand zwischen benachbarten Stegen 38 im Bereich des ersten Hohlraums 42 kleiner ist, woraus sich eine höhere Steifigkeit der Isolierhülle 30 in diesem Bereich ergibt.
Zusätzlich können die den ersten Hohlraum 42 begrenzenden Stege steifer ausgestaltet sein als den zweiten Hohlraum 44 begrenzende Stege 38. Der Längsschnitt der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 kann sich in vorbestimmten Drehwinkeln um die Mittellängsachse A wiederholen. D.h., in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Hohlräume 32 können analog zur Variante aus Figur 1 im Wesentlichen gleich groß sein. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 1 auf.
Eine wiederum weitere, in Figur 5 gezeigte Energiespeicherzelle 10 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4, dass im die Mittellängsachse A enthaltenden Längsschnitt betrachtet der axial mittige erste Hohlraum 42 größer als der axial randseitige zweite Hohlraum 44 ist. Weitere Hohlräume 32 zwischen dem ersten Hohlraum 42 und dem zweiten Hohlraum 44 zeichnen sich durch ein mit dem Abstand von der Mitte der Energiespeicherzelle 10 geringer werdendes Innenvolumen aus. Entsprechend kann die Isolierhülle 30 axial in der Mitte mehr von der Ausdehnung des Speicherzellengehäuses als an den axialen Enden aufnehmen. Der Längsschnitt der Energiespeicherzelle 10 kann sich auch bei dieser Variante in vorbestimmten Drehwinkeln um die Mittellängsachse A wiederholen. D.h., in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Hohlräume 32, 42, 44 können analog zur Variante aus Figur 1 im Wesentlichen gleich groß sein. Im Übrigen weist die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 5 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 auf.
Weitere Energiespeicherzellen 10 sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 6 unterscheidet sich dadurch von der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4, dass letztere axial eine größere Anzahl von Hohlraumreihen aufweist als erstere. Während die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 beispielhaft acht sich entlang des Umfangs der Energiespeicherzelle 10 erstreckende Hohlraumreihen aufweist, enthält die Energiespeicherzelle 10 aus Figur 6 lediglich fünf Hohl- raumreihen. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der Stege 38 reduzieren, sodass dem Speicherzellengehäuse 20 letztlich mehr Bauraum zur Ausdehnung zur Verfügung stehen kann. Damit die Isolierhülle 30 gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweist, können einzelne oder alle Stege 38 aus einem anderen, insbesondere steiferen Werkstoff hergestellt sein als die erste Schicht 34 und/oder die zweite Schicht 36. Beispielsweise können Stege 38 aus einem Thermoplast oder Duroplast vorgesehen sein.
In der weiteren Variante aus Figur 7 enthält die Isolierhülle 30 einen ersten Teil in der Umfangsrichtung, der wie die Isolierhülle 30 aus Figur 4 ausgestaltet ist, sowie einen zweiten Teil in der Umfangsrichtung, der wie die Isolierhülle 30 aus Figur 6 ausgestaltet ist. Auf diese Weise lassen sich selbst asymmetrische Abschnitte eines Speichermoduls 100 bauraumeffizient bei verbesserter Kraftverteilung ausnutzen. Im Übrigen weisen die Energiespeicherzellen 10 aus den Figuren 6 und 7 alle Merkmale der Energiespeicherzelle 10 aus Figur 4 auf.
Das in den Figuren 8 und 9 dargestellte Speichermodul 100 enthält ein Modulgehäuse 102 sowie mehrere Energiespeicherzellen 10 gemäß Figur 3. Die Energiespeicherzellen 10 sind im Modulgehäuse 102 aufgenommen. Die Isolierhüllen 30 zueinander benachbarter Energiespeicherzellen 10 sind zwischen Speicherzellengehäusen 20 der benachbarten Energiespeicherzellen 10 eingespannt. Anstatt der Energiespeicherzellen 10 aus Figur 3 kann eine andere der hier beschriebenen Energiespeicherzellen 10 sowie Kombinationen verschiedener dieser Energiespeicherzellen 10 im Modulgehäuse 102 aufgenommen sein.
Wie in den Figuren 8 und 9 dargestellt, ist das Modulgehäuse 102 im Wesentlichen starr und legt einen Bauraum für die Gesamtheit der Energiespeicherzellen 10 fest. Figur 8 zeigt das Speichermodul 100 in seinem Ausgangszustand, in dem die Energiespeicherzellen 10 direkt nach der Formierung in das Modulgehäuse 102 eingesetzt sind. Vorzugsweise sind die Energiespeicherzellen 10 dabei unter Vorspannung der Isolierhülle 30 kraftschlüssig im Modulgehäuse 102 eingespannt, wenngleich auch andere Verbindungsarten denkbar sind. Dabei nimmt jede Energiespeicherzelle 10 einen ihr zugeordneten Bauraum im Speicherzellengehäuse 20 ein und befindet sich in ihren Ausgangszustand, in dem sich die jeweiligen Speicherzellengehäuse 20 ebenfalls in deren Ausgangszustand befinden.
Das Modulgehäuse 102 kann einen Rahmen ausbilden, der einen Satz von Energiespeicherzellen 10 umgibt. Dieser Rahmen hat an einander gegenüberliegenden Endseiten Druckplatten 104, 106, die über (nicht gezeigte) Seitenwände miteinander verbunden sein können. Die Druckplatten 104, 106 und die Seitenwände sind hier miteinander verklebt und/oder verschweißt.
Die Isolierhülle 30 jeder Energiespeicherzelle 10 lässt ein Aufschwellen des zugehörigen Speicherzellengehäuses 20 zu, indem sie das von ihr selbst im Modulgehäuse 102 eingenommene Volumen reduziert. Hierbei schrumpfen die Hohlräume 32 sowie der erste Hohlraum 42 und der zweite Hohlraum 44 umso stärker, je geringer ein Abstand zwischen dem jeweiligen Hohlraum 32, 42, 44 und der Mitte der zugehörigen Energiespeicherzelle 10 ist. Wie in Figur 9 dargestellt, federn die Isolierhüllen 30 somit die vom Speicherzellengehäuse 20 ausgehenden radialen Schwellkräfte ab. Dadurch kann eine Zugbeanspruchung des Speicherzellengehäuses 20 und insbesondere der Schweiß- / Klebenähte zwischen den Druckplatten 104, 106 und den Seitenwänden verringert werden. Wenn sich das Speicherzellengehäuse 20 wiederum verkleinert (vgl. Übergang von Figur 9 zu Figur 8), weiten sich die Isolierhülle 30 sowie die Hohlräume 32, 42, 44 elastisch auf.
Ein weiteres Speichermodul 100 aus den Figuren 10 und 11 enthält Energiespeicherzellen 10 gemäß Figur 4. Wie in diesen Figuren dargestellt, wirken sich die kleineren, axial mittigen ersten Hohlräume 42 beim Anschwellen derart aus, dass axial mittig weniger Platz für das aufschwellende Speicherzellengehäuse 20 zur Verfügung steht als an den axialen Enden der Energiespeicherzellen 10. In der Folge wird das Gas besser im Innenbereich verteilt. Im Übrigen weist das Speichermodul 100 aus Figur 10 dieselben Merkmale auf wie das Speichermodul 100 aus Figur 8.
Das in Figur 12 dargestellte Kraftfahrzeug 300 weist einen Energiespeicher 200 auf, in dem mehrere Energiespeichermodule 100 gemäß Figur 8 oder Figur 10 enthalten sind. Der Energiespeicher 200 hat ein Speichergehäuse 202, in dem die Energiespeichermodule 100 befestigt sind.
Jede der vorstehend beschriebenen Energiespeicherzellen 10 kann mittels eines in Figur 13 stark schematisiert dargestellten Herstellverfahrens 400 produziert werden. In einem ersten Schritt 402 wird das vorzugsweise leere (metallische) Speicherzellengehäuse 20 bereitgestellt. Die Elektrodenbaugruppe 24 kann in einem nicht dargestellten weiteren Schritt durch Wickeln oder Stapeln hergestellt werden.
Anschließend wird die Elektrodenbaugruppe 24 in einem Schritt 404 im Innenbereich 22 des Speicherzellengehäuses 20 angeordnet. In diesem Schritt wird vorzugsweise auch der Elektrolyt in den Innenbereich 22 eingebracht. Im Anschluss daran kann das Speicherzellengehäuse 20 (bis auf ein Entgasungsloch) geschlossen werden.
Im nächsten Schritt 406 kann die Isolierhülle 30 auf einer Außenumfangsfläche 26 des Speicherzellengehäuses 20 angebracht werden. Dieses wird kann enthalten, die Isolierhülle 30 separat von der Energiespeicherzelle 10, beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens, herzustellen und axial auf das Speicherzellengehäuse 20 aufzustecken. Hierbei kann die Isolierhülle 30 zumindest radial vorgespannt werden. Alternativ kann die Isolierhülle 30 direkt auf der Außenumfangsfläche 26 ausgebildet werden. Hierbei kann zunächst die zweite Schicht 36 zusammen mit den Stegen 38 auf der Außenumfangsfläche 26, sowie gegebenenfalls auf einer oder beiden einseitigen Stirnflächen des Speicherzellengehäuses 20, insbesondere der Stirnfläche 28, angenossen werden. Platzhalter für die Hohlräume 32 sowie den ersten Hohlraum 42 und den zweiten Hohlraum 44 können dabei umspritzt werden.
Nach Entfernen der Platzhalter kann die äußere erste Schicht 34 an den Stegen 38 ausgebildet werden. Auf diese Weise wird das Speicherzellengehäuse 20 mit der Isolierhülle 30 ummantelt. Formierungs- und/oder Entgasungsprozesse werden zur verbesserten Gasverteilung bevorzugt durchgeführt, nachdem die Energiespeicherzelle 10 mit der Isolierhülle 30 versehen worden ist. Das Entgasungsloch kann abschließend geschlossen werden. Zum Herstellen des Speichermoduls 100 kann ein Modulgehäuse 102 bereitgestellt werden und die Energiespeicherzellen 10 können unter radialer Vorspannung der Isolierhüllen 30 im Modulgehäuse 102 fixiert werden. Die Montage der Energiespeicherzellen 10 kann dabei unter Kraftregelung auf eine vorbestimmte Radialkraft, die zwischen den Druckplatten 104, 106 wirkt, erfolgen. Die Speichermodule 100 können sodann im Energiespeicher 200 montiert werden. Alternativ können die Energiespeicherzellen 10 direkt in das Speichergehäuse 202 eingesetzt werden.
Aus Gründen der Leserlichkeit ist in dieser Offenbarung vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Hohlraum, etc.) so ist gleichzeitig auch seine Mehrzahl mit offenbart (z.B. der mindestens eine Hohlraum, d.h., der eine Hohlraum oder die mehreren Hohlräume). Zumindest abschnittsweise bedeutet vorliegend abschnittsweise oder vollständig. Der Begriff „im Wesentlichen“ umfasst im Kontext dieser Offenbarung jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/des Wertes unerhebliche Abweichungen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Energiespeicherzelle (10) für einen Kraftfahrzeug-Energiespeicher, umfassend ein einen Innenbereich (22) festlegendes Speicherzellengehäuse (20), eine Elektrodenbaugruppe (24) sowie einen Elektrolyten im Innenbereich (22), und eine das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise ummantelnde, zumindest abschnittsweise elastische Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei in der Isolierhülle (30) mindestens ein Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist.
2. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 1 , wobei die Isolierhülle (30) mehrere Schichten (34, 36) aufweist, zwischen denen der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) ausgebildet ist.
3. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) von mindestens einem die Schichten (34, 36) miteinander verbindenden Steg (38) begrenzt ist.
4. Energiespeicherzelle (10) nach Anspruch 3, wobei der Steg (38) steifer als mindestens eine der Schichten (34, 36) ist.
5. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) dazu ausgelegt ist, bei Ausdehnen des Speicherzellengehäuses (20) zu schrumpfen.
6. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) mehrere Hohlräume umfasst, die im Wesentlichen gleich groß sind und/oder in gleichen Abständen über die Isolierhülle (30) verteilt sind.
7. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Hohlraum (32, 42, 44) einen benachbart zu einer
Mitte (12) der Energiespeicherzelle (10) angeordneten ersten Hohlraum (42) sowie einen zweiten Hohlraum (44) an einem Rand der Isolierhülle (30) umfasst, der kleiner als der erste Hohlraum (42) ist.
8. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) auf dem Speicherzellengehäuse (20) aufgeklebt oder aufvulkanisiert ist.
9. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) als Hüllkörper ausgebildet ist, der eine Dicke von mindestens 4,5 mm aufweist, wobei der Hüllkörper vorzugsweise eine Aufnahme (31 ) aufweist, in der das Speicherzellengehäuse (20) aufgenommen ist.
10. Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) zumindest abschnittsweise gasundicht ist.
11 . Energiespeicherzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolierhülle (30) aus einem elastischen Werkstoff hergestellt ist, und/oder wobei die Isolierhülle (30) zumindest abschnittsweise aus einem
Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, einem Kautschuk oder einem Chlo- ropren-Kautschuk hergestellt ist.
12. Energiespeicher (200) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Speichergehäuse (202) sowie mehrere Energiespeicherzellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicherzellen (10) im Speichergehäuse (202) aufgenommen sind, und wobei Isolierhüllen (30) zueinander benachbarter Energiespeicherzellen (10) zwischen Speicherzellengehäusen (20) der benachbarten Energiespeicherzellen (10) eingespannt sind.
13. Kraftfahrzeug (300) mit einem Energiespeicher (200) nach Anspruch 12.
14. Verfahren (402) zur Herstellung einer Energiespeicherzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte:
Bereitstellen (402) des Speicherzellengehäuses (20); Anordnen (404) der Elektrodenbaugruppe (24) sowie des Elektrolyten im Innenbereich (22) des Speicherzellengehäuses (20); und
Anbringen (406) der Isolierhülle (30) auf einer Außenumfangsfläche (26) des Speicherzellengehäuses (20), wobei das Speicherzellengehäuse (20) zumindest abschnittsweise mit der Isolierhülle (30) ummantelt wird.
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