WO2024255949A1 - Elektrochemische speicherzelle und verfahren zum einstellen eines kompressionsdrucks einer elektrochemischen speicherzelle - Google Patents

Elektrochemische speicherzelle und verfahren zum einstellen eines kompressionsdrucks einer elektrochemischen speicherzelle Download PDF

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electrode stack
pressure plate
storage cell
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Attila Farkas
Michael Buhl
Simon Erhard
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the following description relates to an electrochemical storage cell with a spring-loaded compression device for compensating an expansion of stacked electrochemical storage cells in the stacking direction. Furthermore, a method for adjusting a compression pressure of an electrochemical storage cell is described.
  • Solid-state batteries are a special type of accumulator in which the electrodes and electrolyte are made of solid material. Solid-state batteries are increasingly seen as an important building block for the electrification of mobility. They are considered safer and enable greater range and shorter charging times than conventional lithium-ion batteries. Furthermore, lithium-silicon batteries are increasingly being developed, which use a silicon-based anode and lithium ions as charge carriers.
  • a known problem in the battery technology of storage cells such as solid-state batteries and lithium-silicon batteries concerns variable layer thicknesses.
  • ASSB anode-free all-solid-state batteries
  • a current collector for example a copper foil
  • an anode in the form of pure lithium is formed, which migrates from the cathode (lithium is stored in the cathode) through a separator during the charging process and is deposited or formed on the copper foil.
  • the electrode layers In order to put the cell into operation, the electrode layers must be pressed together. The necessary forces are in the kN range or the pressures in the double-digit bar range).
  • Constant pressing of the layers of an electrode stack can be achieved pneumatically or hydraulically.
  • Hydraulic or pneumatic systems would have to be continuously supplied with energy in order to keep the pressing forces constant even during longer periods of downtime. These systems can be prone to leaks, a piping system has to be supplied with oil and takes up valuable installation space.
  • One object is to specify an electrochemical storage cell that can be operated with a compression pressure that is easier to adjust and maintain. Furthermore, a method for adjusting a compression pressure of an electrochemical storage cell is to be specified.
  • An electrochemical storage cell refers below to an energy storage device based on electrochemicals, in particular a rechargeable energy storage device that is suitable for storing electrical energy and delivering it to a consumer, for example a consumer in a vehicle.
  • An electrochemical solid-state cell is a solid-state battery, such as a lithium-ion battery, so that the following description also refers to a lithium-ion solid-state battery.
  • a solid is understood to be a chemical substance that is rigid at the temperatures usually prevailing in an electrochemical storage cell or at least has a very low tendency to flow, as can be the case with polymers, for example.
  • lithium ion battery is used synonymously for all terms commonly used in the state of the art for galvanic elements and electrochemical storage cells containing lithium, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell, lithium ion battery cell and lithium ion accumulator. In particular, rechargeable batteries, so-called secondary batteries, are included.
  • battery and “electrochemical storage cell” are also used synonymously with the terms “lithium ion battery” and “lithium ion cell”.
  • electrode stack refers to a sequence of layers or films. In an electrochemical storage cell, the layers follow one another. However, this does not mean that the layers specified here have to follow one another directly. Rather, intermediate layers can also be provided, such as a separator, insulator, electrode binder, coatings and electrical conductivity additives, which can be applied to an electrically conductive carrier of the respective electrodes.
  • An electrochemical storage cell typically has various electrodes, a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode), which can be electrically contacted via current collectors.
  • Each of these electrodes has at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives, which is applied to an electrically conductive carrier (for example a metal foil) or to a current collector of the respective electrodes.
  • an electrically conductive carrier for example a metal foil
  • Non-porous and solid conductor foils made of aluminum (for the positive electrode) or copper (for the negative electrode) are typically used as the electrically conductive carrier. Such conductor foils are typically impermeable to liquid electrolyte and gases.
  • electrochemical storage cells described below can be used with a liquid electrolyte or can be designed with a solid electrolyte as electrochemical solid storage cells, for example as a ceramic or polymer-based solid battery.
  • An electrochemical solid cell comprises a solid electrolyte.
  • an electrochemical storage cell which has means to compensate for compression pressure changes due to an expansion of an electrode stack in the stacking direction.
  • an electrochemical storage cell comprises a housing.
  • the housing has an outer housing shell which comprises a bellows.
  • An electrode stack is arranged in an interior of the housing.
  • a first pressure plate is connected to the outer housing shell and is designed to exert a compression pressure on the electrode stack by means of an elastic deformation of the bellows.
  • the electrochemical storage cell can be arranged in a round housing (as a round cell).
  • the housing is, for example, cylindrical and has a circular cross-section.
  • the other components in the housing, in particular the electrode stack, can preferably also have a circular cross-section.
  • the electrode stack can be mixed with a liquid electrolyte or the electrode stack can be provided with a solid electrolyte that is embossed into the layer sequence of the electrode stack. In this way, an electrochemical solid storage cell (abbreviated to ASSB or all-solid-state battery) can be formed.
  • the bellows also called a corrugated tube, has the outer housing shell, which has a wave-shaped, changing diameter.
  • the housing is made of metal, so that the bellows is also called a metal bellows or metal corrugated tube.
  • the housing is designed as a round cell.
  • the bellows has a circular cross-section and, together with the outer housing shell, encloses a cylindrical housing volume in the housing, in which the electrode stack is arranged.
  • the housing and thus the bellows can have other cross-sections and geometries, for example the housing and the bellows can have a polygonal cross-section, such as a hexagonal cross-section.
  • a storage cell is a storage cell that can be produced quickly and cost-effectively.
  • the round cell enables surface contact between contact elements and the respective electrode, which is electrically connected to the respective contact element.
  • the bellows can be described as a spring element with a Hook spring constant that can be elastically deformed due to its material properties and geometry.
  • the electrode stack can have different layer thicknesses. These layer thicknesses can “compress” or “relieve” the stack due to the spring effect (“compress”: the cell discharges, “relieve”: the cell is charged; for example, the anode layers can be designed depending on the charge level).
  • the bellows are designed to track the pressure changes in the electrochemical storage cell, for example due to expansion and contraction of the electrode stack as a result of charging and discharging processes, and to adjust them to the desired compression pressure.
  • the invention is based in particular on the considerations set out below.
  • One aspect relates to an electrochemical storage cell that allows the layer height of the electrode stack to be adjusted and adjusted continuously without the need for energy.
  • the bellows represents a mechanical spring and can be elastically deformed according to its mechanical properties.
  • the bellows corresponds to a spring-loaded compression device.
  • a compression pressure of a certain size can be set on the electrochemical storage cell. This is done, for example, by a pressing tool that engages in corresponding corrugations of the bellows on the housing during assembly or manufacture of the cell and thus deflects the bellows into a position that corresponds to a certain deflection of the "spring" or a desired compression pressure. If the housing is closed in the adjusted state, the compression pressure acts on the electrode stack. Changes in the layer height of the electrode stack can be adjusted continuously using the spring effect of the bellows without the need for external energy.
  • the first pressure plate is arranged in the housing so as to be movable along a stacking direction of the electrode stack and is firmly connected to a housing base.
  • the first pressure plate is designed to exert the compression pressure on an underside of the electrode stack by means of the elastic deformation of the bellows.
  • the first pressure plate is connected to the outer housing shell.
  • the outer housing shell and the first pressure plate can be made from one piece or alternatively screwed together or otherwise mechanically connected (for example welded or crimped).
  • the bellows can thus move the pressure plate in the housing along the stacking direction of the electrode stack. This movement occurs depending on the elastic deformation of the bellows, i.e. its spring effect or deflection.
  • the pressure plate thus imparts the compression pressure to the electrode stack.
  • the first pressure plate can be referred to as a movable "pressure plate".
  • a second pressure plate is immovably connected to a housing cover in the housing and rests on an upper side of the electrode stack.
  • the second pressure plate is designed to exert a pressure on the electrode stack that is opposite to the compression pressure.
  • the outer housing shell and the housing cover can be made from one piece or alternatively screwed together or otherwise mechanically connected (for example welded or crimped).
  • the second pressure plate is arranged mechanically fixed in the housing so that the pressure plate is in mechanical operative contact with an upper side of the electrode stack and is designed to exert a counterpressure to the compression pressure on the upper side of the electrode stack.
  • the electrode stack can thus be pressed between the two pressure plates according to the compression pressure in the housing set by the bellows.
  • the housing is double-walled and comprises a housing space that is delimited by the outer housing shell and an inner housing shell.
  • the electrode stack is arranged in an interior of the housing that is delimited by the inner housing shell.
  • the housing space is designed to accommodate a temperature control medium.
  • the housing comprises, for example, an outer wall which is formed by the outer housing shell.
  • the outer wall thus has at least partially the shape and function of the bellows.
  • the outer wall is a spring which presses the layers of the electrode stack together according to the compression pressure.
  • An inner wall is, for example, formed by the inner housing shell. In the example of a round cell, the inner wall encloses a cylindrical housing volume in which the electrode stack is arranged. In other words, the inner wall is at least partially the shell surface of a cylindrical cell.
  • the housing space forms a cavity between the inner wall and outer wall and can accommodate a temperature control medium. This can be used to implement immersion cooling, for example.
  • the electrochemical storage cell can be cooled particularly effectively via the outer housing shell, which has an enlarged surface due to the bellows.
  • the housing base is double-walled and designed to accommodate the temperature control medium.
  • An inner wall of the double-walled housing base is connected to the inner housing shell.
  • An outer wall of the double-walled housing base is connected to the outer housing shell.
  • the first pressure plate is connected to the inner and outer walls of the double-walled housing base via a common connection point.
  • the double-walled housing base expands the space available for the temperature control medium and thus the area available for cooling.
  • the pressure plate is coupled to the double-walled housing base via the common connection point and can be moved by the bellows according to the set compression pressure.
  • the inner wall of the housing base can be designed to be flexible, for example through material and/or structure, to support movement.
  • the inner wall of the double-walled housing base comprises a wave-shaped membrane plate.
  • the underside of the storage cell or the inner wall of the double-walled housing base is a wave-shaped membrane plate (preferably made of metal).
  • the membrane plate is wave-shaped and thus ensures elasticity between different charging states of the cell.
  • One advantage of the membrane plate is that the plate can be mechanically connected, for example welded, to the bellows via the common connection point with the inner housing shell and the outer housing shell. This means that the electrodes of the electrode stack can be separated from the cooling medium; no rubber seals are required.
  • the movable pressure plate allows hot gases (in the case of of a thermal event) can be precisely and specifically directed by a deliberately weakened breaking point in the membrane plate (or notches).
  • the housing has a first connection on a top side for receiving the temperature control medium.
  • the housing also has a second connection on a bottom side for receiving the temperature control medium.
  • the housing is designed for a temperature control medium flow between the first connection and the second connection.
  • the temperature control medium or cooling medium can flow between the first connection and the second connection during operation of the electrochemical storage cell, thus implementing immersion cooling.
  • the heat is dissipated at the outer surface of the cell.
  • the bellows supports heat conduction by allowing the cell to be cooled indirectly.
  • the contacts (or terminals) of the cell for example the cathode, can be cooled better, although the immersion essentially takes place at the outer surface.
  • the bellows has essentially parallel corrugations.
  • the corrugations are structured on the outer casing by wave-like, changing diameters. This increases the surface area of the casing, which can lead to better heat transport between the connections.
  • the bellows has essentially spiral-shaped corrugations.
  • the corrugations form, for example, one or more spirals along the housing shell in the stacking direction.
  • the temperature control medium can preferably flow along the spirals so that a linear flow can form.
  • the method comprises the following steps. First, an electrochemical storage cell is provided.
  • the storage cell has a housing with an outer housing shell designed as a bellows and an electrode stack arranged in an interior of the housing.
  • a compression pressure is set by engaging a pressing tool in the bellows, wherein a first pressure plate, which is connected to the outer housing shell, imparts the compression pressure and is supported by a elastic deformation of the bellows exerts on the electrode stack.
  • the housing is closed at the set compression pressure.
  • the pressing tool can, for example, engage in the folding corrugations and deflect the bellows to set a desired compression pressure.
  • By closing the housing for example by welding or crimping, the compression pressure is impressed and maintained by the spring action of the bellows.
  • Figures 1 A, 1 B show an embodiment of an electrochemical storage cell
  • FIGS. 2A, 2B, 2C show an embodiment of an electrochemical storage cell in different charge states
  • Figures 3A, 3B show embodiments of a housing for an electrochemical
  • FIGS 4A to 4C show another embodiment of an electrochemical
  • Figures 1A and 1B show an embodiment of an electrochemical storage cell.
  • the figures show an exploded view of the electrochemical storage cell, whereby the view is divided between Figures 1A and 1B and the electrochemical storage cell is shown in the combination of both figures.
  • Figure 1A shows a bellows 10 and a housing 20. Furthermore, a contact disk 21 and an insulation disk 22 are shown.
  • Figure 1B shows an upper pressure plate 30 and an electrode stack 40. Furthermore, a lower pressure plate 50, a membrane plate 60 and a lower housing cover 23 are shown.
  • the insulation disk has an opening 28.
  • the bellows 10 comprises an outer housing shell 11 and several corrugations 12.
  • the corrugations are structured in the outer housing shell by wave-like, changing diameters.
  • the inner diameters are selected so that the housing 20 can be arranged inside the bellows.
  • the inner diameters are selected so that the bellows encloses an inner cylinder volume.
  • the outer diameters can be selected so that a desired spring strength of the bellows is achieved.
  • the spring strength of the bellows also depends on the material of the bellows, which is typically made of metal, and the geometry of the corrugations.
  • the bellows 10 has a ring-shaped structured top side 13, which is designed to accommodate the (cell) housing 20.
  • An upper opening 14 is provided in the top side.
  • the bellows has a first connection 15 on the top side, via which the housing can accommodate a temperature control medium.
  • the bellows has a ring-shaped structured bottom side 16.
  • the bellows has a second connection 17 on the bottom side for receiving the temperature control medium.
  • the housing 20 is designed as a round housing or cylinder and is made of metal or another pressure-resistant material, for example.
  • the electrochemical storage cell can also be designed as a prismatic cell, wherein the housing is also made of a solid material, usually metal.
  • the housing 20 is shown in an external view.
  • the housing defines an internal receiving space (not shown) with a circular cross-section, in which the electrode stack 40 can be received.
  • the housing comprises an inner housing shell 24 and a housing cover 25.
  • the receiving space is defined in the longitudinal direction of the cylindrical housing on a first side by the Housing cover.
  • the inner housing shell and the housing cover are made from one piece in this example.
  • the housing cover can be screwed to the inner housing shell or otherwise mechanically connected (for example welded or crimped).
  • the housing cover also comprises a central cover opening 26 which allows access to the interior of the electrochemical storage cell, for example for filling in an electrolyte and/or as a pressure valve.
  • the bellows 10 and the housing 20 form a double-walled cell housing.
  • An outer housing wall comprises the outer housing shell 11 of the bellows.
  • An inner housing wall comprises the inner housing shell 24.
  • the housing walls enclose a housing space that can accommodate the temperature control medium, which can be supplied and/or discharged via the connections 15 and 17.
  • the corrugations 12 can support heat exchange with the environment and, depending on the design, also enable laminar flow between the connections.
  • the housing 20 and the bellows 10 can have a polygonal cross-section, such as a hexagonal cross-section.
  • the storage cell designed as a round cell, for example, is a storage cell that can be produced cost-effectively and quickly.
  • the round cell enables surface contact between contacting elements and the respective electrode, which is electrically connected to the respective contacting element.
  • Various other components of the electrochemical storage cell are presented below. Unless explicitly stated, these components have at least a similar cross-section to the housing, so that the components can be connected to the housing or designed to be movable in it. In the case of a round housing or a round cell, the cross-section is essentially circular.
  • the contacting disk 21 can be inserted into the housing and thus engage the housing cover 25.
  • the contacting disk is provided with a raised portion 27 that fits positively into the central cover opening 26.
  • the housing can, for example, represent the positive pole or negative pole of the electrochemical storage cell, depending on how the cell is constructed. The polarity is determined, for example, by the electrode stack 40.
  • the contacting disk provides the contact to the electrode stack and corresponds to the positive pole or negative pole.
  • the insulation disk 22 can be arranged either on or under the contact disk and serves to electrically isolate the poles of the electrochemical cell from each other.
  • the contact disk and the insulation disk can be screwed to the housing or mechanically connected in some other way (for example, welded or crimped).
  • the upper pressure plate 30 is inserted into the housing 20 and permanently connected to the inner housing shell 24, for example welded, crimped or screwed. “Permanently connected” here means that the connection is strong enough to withstand at least the compression pressure with which the electrode stack 40 can be pressed.
  • the compression pressure can reach values in the double-digit kN range.
  • the plate shape of the pressure plate or the pressure plate edge 32 forms an upper internal cavity between the housing cover 25 and the pressure plate base 31.
  • the upper pressure plate thus acts as a stop surface against which the electrode stack is pressed when the compression pressure is built up.
  • the electrode stack is pressed by the corresponding counterpressure.
  • the upper pressure plate has the technical effect of directing the compression pressure or the pressing force from the electrode layers of the electrode stack into the bellows.
  • the electrode stack 40 comprises a plurality of stacks arranged one on top of the other, wherein the respective stack has electrode layers arranged one on top of the other, namely at least one cathode layer 41, at least one anode layer 42 and at least one separator layer 43 arranged between the cathode layer and the anode layer.
  • the stacks can comprise further layers such as insulators and metallic conductor foils (for example made of aluminum or copper).
  • the cathode layers and the anode layers are electrically contacted via corresponding tabs 44 with an inner tube (not visible) and/or with the inner housing shell 24.
  • An upper side of the electrode stack 40 engages the upper pressure plate 30 in a form-fitting manner.
  • the pressure plate base 31, for example, lies essentially flat on the upper side of the electrode stack. Since the upper pressure plate 30 is mechanically firmly connected to the housing 20 or the housing casing 24, the pressure plate cannot move under pressure.
  • the lower housing cover 23 closes off the double-walled housing at its underside.
  • the lower housing cover is screwed to the housing or the outer housing shell 11 or is mechanically connected in some other way (for example welded or crimped). Alternatively, the lower housing cover and the outer housing shell can be made from one piece.
  • the membrane plate closes off the housing base from the inside to the electrode stack 40 so that the temperature control medium remains in the cavity between the inner and outer walls of the housing despite the compensating movement of the bellows.
  • the lower housing cover 23 forms the underside of the bellows 10 and includes the second connection 17.
  • a central elevation 28 is mechanically connected to the pipe socket 54 via the central recess 61 of the membrane plate.
  • the electrochemical storage cell is assembled by inserting the components as shown in Figures 1A and 1B and described above.
  • the inner tube serves as the inner stacking axis, which brings the bellows 10 and the housing 20 together with the two pressure plates 30, 50 and the electrode stack 40 and stacks them on top of each other.
  • the inner tube 40 is guided in particular through the upper opening 14, the cover opening 26, the pressure plate opening 33 and the pressure plate opening 53.
  • the inner tube ends in the central recess 61, into which the pipe socket 54 engages and is mechanically connected to it.
  • Figures 2A to 2C show an embodiment of an electrochemical storage cell in a charged, partially discharged and discharged state in a sectional view. This example corresponds to the embodiment shown in Figures 1A and 1B and described above in the assembled state.
  • Figure 2A the storage cell is charged
  • Figure 2B and in Figure 2B the storage cell is discharged.
  • the cell is designed, for example, as a solid-state cell, in particular as an anode-free all-solid-state battery (ASSB).
  • the electrode stack 40 shown in section comprises several stacks arranged on top of one another.
  • a stack has layers arranged on top of one another, namely a cathode layer 41, an anode layer 42 and a separator layer 43 arranged between the cathode layer and the anode layer.
  • the stacks can have further layers such as insulators and metallic conductor foils (for example made of aluminum or copper), which are not shown here.
  • the cathode layers and the anode layers are electrically contacted with the inner tube or with the housing shell 24 via corresponding tabs 44.
  • a lithium battery is considered.
  • the cathode layers 41 in the charged, partially discharged and discharged states have essentially the same Layer thickness.
  • the layer thickness of the anode layers 42 changes depending on the state of charge.
  • anode layers In the charged state, anode layers have been deposited. These are formed by the charging process, in which lithium collects on conductor foils (for example copper foils).
  • the electrode stack grows in height by the thickness of an anode layer x number of layers.
  • no anode layer 42 is formed.
  • Lithium is stored in the cathode layers. The lithium migrates from the anode layers through the separator layers 43 into the cathode layers and is stored there.
  • the electrode stack 40 expands or contracts in length along the stacking direction.
  • the lower housing cover forms the underside of the bellows 10 and closes off the double-walled housing.
  • the lower housing cover is connected to the pipe socket 54 via the central elevation 24.
  • the pipe socket engages in the central recess 61 of the membrane plate 60.
  • the central recess is closed during normal operation and can break in the event of a thermal event.
  • the central recess can have a notch 55, which serves as a predetermined breaking point in the event of a thermal event (see Figure 1C).
  • the diaphragm plate is welded to the periphery of the housing.
  • the bottom of the pipe socket may be circular and welded to the diaphragm plate.
  • the bottom of the diaphragm plate may be circularly welded to the central elevation 24 of the lower housing cover.
  • the anode layers 42 are formed and the electrode stack 40 has its greatest longitudinal extent (in the stacking direction) in this state. Accordingly, the bellows 10 also has its greatest longitudinal extent. Due to the mechanical connection via the pipe socket 54, the lower pressure plate 50 moves into a Position within the inner housing shell 24 which corresponds to the compression pressure.
  • the compression pressure is adjusted according to the longitudinal expansion of the bellows. Since the pipe socket is also connected to the diaphragm plate 60 and the diaphragm plate to the housing 20, the diaphragm plate bulges outwards, i.e. in the direction of the housing base 23.
  • the anode layers 42 are partially formed and the electrode stack 40 in this state has a reduced (average) longitudinal extent compared to the largest longitudinal extent. Accordingly, the bellows 10 also has an average longitudinal extent. Due to the mechanical connection via the pipe socket 54, the lower pressure plate 50 moves to a middle position within the inner housing shell, which corresponds to the compression pressure. The compression pressure is adjusted according to the longitudinal extent of the bellows. Since the pipe socket is also connected to the membrane plate 60 and the membrane plate to the housing 20, the membrane plate bulges outwards less; in the example shown, the membrane is not bulged at all.
  • the bellows 10 also has a smallest longitudinal extension. Due to the mechanical connection via the pipe socket 54, the lower pressure plate 50 moves into a position within the inner housing shell that corresponds to the compression pressure. The compression pressure is adjusted in accordance with the longitudinal extension of the bellows. Since the pipe socket is also connected to the membrane plate 60 and the membrane plate to the housing 20, the membrane plate bulges inwards, i.e. in the direction of the housing cover 25.
  • the membrane plate 60 or the lower housing cover can each have a notch 55 in the area of the pipe socket 54.
  • the notch is indicated as an example in Figure 2C and can be designed to break in the event of a thermal event. This makes it possible to direct hot gases from the electrode stack 40 precisely out of the housing via the pipe socket and the notch. In this way, the electrochemical storage cell can, in addition to the functions of balancing the compression pressure and effective cooling to include an improved safety feature.
  • Figures 3A and 3B show embodiments of a housing for an electrochemical storage cell with a bellows.
  • Figure 3A shows an external view of a bellows with essentially parallel corrugations.
  • the corrugations are structured on the outer housing shell by wave-like, changing diameters. This increases the surface of the housing, which can lead to better heat transport between the connections.
  • This design is also shown in Figures 2A to 2C.
  • a possible flow of the temperature control medium between the connections is also indicated by arrows. In the case of parallel corrugations, the flow can be set to be laminar if the flow rate does not exceed a certain value.
  • Figure 3A shows an external view of a bellows with essentially spiral-shaped corrugations.
  • the corrugations form, for example, one or more spirals along the housing shell in the stacking direction.
  • the temperature control medium can preferably flow along the spirals, so that a linear flow can form. This has the further advantage that the flow can also be set to be laminar at higher flow rates.
  • FIGS 4A to 4C show a further embodiment of an electrochemical storage cell.
  • the figures show in particular a possible electrical polarity of the storage cell.
  • the negative pole is designated with (-) and the positive pole with (+).
  • the polarity shown is an example, whereby the negative pole and the positive pole are interchangeable.
  • FIG 4A shows the housing 20.
  • the inner housing shell 24 and the membrane plate 60 are placed on the same pole, in this example on the negative pole (-).
  • the housing cover is also placed on the same pole, here on the negative pole (-), as shown in Figure 4B.
  • the contact disk 21 is also shown, which is placed on the positive pole (+).
  • Figure 4C shows the electrochemical storage cell with the polarity reversal introduced in Figures 4A and 4B in section.
  • the electrode stack is electrically connected to the inner tube by the tabs.
  • the inner tube is, for example, on the positive pole (+).
  • the upper pressure plate lies on the electrode stack and is in contact with the inner tube. The upper pressure plate is therefore also on the positive pole (+).
  • the upper pressure plate and the inner tube are insulated from the housing and bellows by the insulation plate 22.
  • the contact disk 21 is also insulated from the housing and the bellows and is on the positive pole (+).
  • the electrode stack is electrically connected to the inner and outer housing shell by the tabs.
  • the housing 20 and the bellows 10 are therefore on the negative pole (-).
  • the lower pressure plate 50 is in electrical contact with the electrode stack and, due to its layer sequence, also on the negative pole (-). Due to the selected contact, the electrochemical storage cell is reversed in such a way that the positive pole (+) can be tapped via the top with the contact disk 21 and the negative pole (-) can be tapped via the bottom with the housing cover.

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Abstract

Eine elektrochemische Speicherzelle umfasst ein Gehäuse (20) mit einem äußeren Gehäusemantel (24), wobei der äußere Gehäusemantel (24) einen Faltenbalg (10) umfasst. Ein Elektrodenstapel (40) ist in einem Innenraum des Gehäuses (20) angeordnet. Eine erste Druckplatte (50), die mit dem äußeren Gehäusemantel (11) verbunden ist, ist eingerichtet, vermittelt durch eine elastische Verformung des Faltenbalgs (10), einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel (40) auszuüben.

Description

ELEKTROCHEMISCHE SPEICHERZELLE UND VERFAHREN ZUM EINSTELLEN EINES
KOMPRESSIONSDRUCKS EINER ELEKTROCHEMISCHEN SPEICHERZELLE
Die folgende Beschreibung betrifft eine elektrochemische Speicherzelle mit einer federbelasteten Kompressionsvorrichtung zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten elektrochemischen Speicherzellen in Stapelrichtung. Ferner wird ein Verfahren zum Einstellen eines Kompressionsdrucks einer elektrochemischen Speicherzelle beschrieben.
Stand der Technik
Festkörperbatterien sind eine besondere Art von Akkumulatoren, bei denen die Elektroden und der Elektrolyt aus festem Material bestehen. Feststoffbatterien werden zunehmend als wichtiger Baustein für die Elektrifizierung der Mobilität gesehen. Sie gelten als sicherer und ermöglichen mehr Reichweite und kürzere Ladezeiten als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus. Des Weiteren werden vermehrt Lithium-Silizium-Batterien entwickelt, bei denen eine Anode auf Siliziumbasis und Lithiumionen als Ladungsträger verwendet werden.
Ein bekanntes Problem in der Batterietechnologie von Speicherzellen wie Feststoffbatterien und Lithium-Silizium-Batterien betrifft variable Schichtdicken. Beispielsweise ist in anoden-freien Feststoffbatterien (anode-free all-solid state battery, ASSB) im entladenen Zustand auf der Anodenseite zunächst keine Anode ausgebildet, sondern lediglich ein Stromkollektor (beispielsweise eine Kupferfolie) vorhanden. Im geladenen Zustand ist eine Anode in Form von reinem Lithium ausgebildet, die von der Kathode (Lithium ist in der Kathode gespeichert) während des Ladevorgangs durch einen Separator wandert und sich auf der Kupferfolie ablagert beziehungsweise ausbildet. Um die Zelle in Betrieb zu nehmen, müssen die Elektrodenschichten zusammengepresst werden. Die notwendigen Kräfte liegen im kN-Bereich beziehungsweise die Drücke im zweistelligen Bar-Bereich).
Der Stand der Technik bietet Lösungen für diese Probleme. Es bleibt jedoch eine technische Herausforderung, die einmal eingestellten Kompressionskräfte oder -drücke innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, insbesondere bei Elektrodenstapeln mit variablen Schichtdicken. Wenn beispielsweise die Kräfte in der Zelle für einen geladenen Zustand ausgelegt sind, wären die entsprechenden Kräfte in den Zwischenzuständen zwischen geladenem und entladenem Zustand zu gering. Die Zelle könnte nicht richtig funktionieren. Wenn die Kräfte in der Zelle für den entladenen Zustand ausgelegt sind, wären die Kompressionskräfte oder -drücke in den Zwischenzuständen zwischen dem geladenen und dem entladenen Zustand zu hoch. Die Zelle könnte platzen.
Eine konstante Verpressung der Schichten eines Elektrodenstapels kann pneumatisch oder hydraulisch erreicht werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass entweder alle Zellen mit einer Druckeinheit oder entsprechende Module mit mehreren Zellen mit je einer Pump- oder Druckeinheit versorgt werden müssen. Dies ist aufwendig und benötigt viel Platz, um zum Beispiel die Ausdehnung einzelner Zellen oder mehrerer Zellen im Modul ausgleichen zu können. Hydraulik- oder Pneumatiksysteme müssten kontinuierlich mit Energie versorgt werden, um die Presskräfte auch bei längeren Standzeiten konstant zu halten. Diese Systeme können zu Leckagen neigen, ein Rohrleitungssystem muss mit Öl versorget werden und belegen wertvollen Bauraum.
Eine Aufgabe besteht darin, eine elektrochemische Speicherzelle zu spezifizieren, die mit einem leichter einstellbaren und aufrechterhaltbaren Kompressionsdruck betrieben werden kann. Ferner soll ein Verfahren zum Einstellen eines Kompressionsdrucks einer elektrochemischen Speicherzelle angegeben werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein eine elektrochemische Speicherzelle und ein Speicherzellenmodul gemäß den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zusammenfassung
Im Folgenden wird zugrunde gelegt, dass jedes Merkmal, das in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschrieben ist, allein oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder in beliebiger Kombination einer beliebigen anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht explizit als Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne den Anwendungsbereich der beanspruchten Gegenstände zu verlassen. Eine elektrochemische Speicherzelle bezeichnet im Folgenden einen Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, insbesondere einen wiederaufladbaren Energiespeicher, der geeignet ist, elektrische Energie zu speichern und an einen Verbraucher, beispielsweise einen Verbraucher in einem Fahrzeug, abzugeben. Eine elektrochemische Feststoffzelle ist eine Feststoffbatterie, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auch auf eine Lithium-Ionen-Feststoffbatterie bezieht. Unter einem Feststoff ist ein chemischer Stoff zu verstehen, der bei den üblicherweise in einer elektrochemischen Speicherzelle herrschenden Temperaturen starr ist oder zumindest eine sehr geringe Fließneigung aufweist, wie dies beispielsweise bei Polymeren der Fall sein kann.
Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und elektrochemischen Speicherzellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium- Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-Batteriezelle und Lithiumionen- Akkumulator. Insbesondere sind aufladbare Batterien, sogenannte Sekundärbatterien, inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Speicherzelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt.
Der Begriff „Elektrodenstapel“ bezeichnet eine Abfolge von Schichten oder Folien. In einer elektrochemischen Speicherzelle folgen die Schichten aufeinander. Das bedeutet jedoch nicht, dass die hier angegebenen Schichten direkt aufeinander folgen müssen. Es können vielmehr auch Zwischenschichten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Separator, Isolator, Elektrodenbinder, Beschichtungen und elektrische Leitfähigkeitszusätze, welche auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektroden aufgebracht werden können.
Eine elektrochemische Speicherzelle hat typischerweise verschiedene Elektroden, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode), die über Stromabnehmer elektrisch kontaktiert werden können. Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welche auf einen elektrisch leitenden Träger (zum Beispiel eine Metallfolie) oder auf einen Stromabnehmer der jeweiligen Elektroden aufgebracht wird. Als elektrisch leitender Träger kommen typischerweise nicht poröse und feste Ableiterfolien aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz. Derartige Ableiterfolien sind typischerweise undurchlässig für flüssigen Elektrolyt und Gase. Die im Folgenden beschriebenen elektrochemischen Speicherzellen können mit einem flüssigen Elektrolyten verwendet werden oder mit einem Feststoffelektrolyten als elektrochemische Feststoffspeicherzellen, beispielsweise als keramische oder polymerbasierte Feststoffbatterie, ausgestaltet sein. Eine elektrochemische Feststoffzelle umfasst einen Feststoffelektrolyten.
Im Weiteren wird eine elektrochemische Speicherzelle vorgeschlagen, die über Mittel verfügt, Kompressionsdruckänderungen infolge einer Ausdehnung eines Elektrodenstapels in Stapelrichtung zu kompensieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine elektrochemische Speicherzelle ein Gehäuse. Das Gehäuse hat einen äußeren Gehäusemantel, der einen Faltenbalg umfasst. Ein Elektrodenstapel ist in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Eine erste Druckplatte ist mit dem äußeren Gehäusemantel verbunden und eingerichtet, vermittelt durch eine elastische Verformung des Faltenbalgs, einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel auszuüben.
Die elektrochemische Speicherzelle kann in einem runden Gehäuse (als Rundzelle) angeordnet werden. Das Gehäuse ist beispielsweise zylinderförmig und hat einen kreisförmigen Querschnitt. Die weiteren Komponenten im Gehäuse, insbesondere der Elektrodenstapel, können vorzugsweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Elektrodenstapel kann mit einem flüssigen Elektrolyten versetzt werden oder der Elektrodenstapel wird mit einem Feststoffelektrolyten versehen, der in die Schichtenfolge des Elektrodenstapel eingeprägt wird. Auf diese Weise kann eine elektrochemische Feststoff- Speicherzelle (kurz ASSB oder All-Solid-State-Batterie) geformt werden.
Der Faltenbalg, auch Wellenrohr genannt, verfügt über den äußeren Gehäusemantel, der einen wellenförmig wechselnden Durchmesser hat. Beispielsweise ist das Gehäuse aus Metall, so dass der Faltenbalg auch als Metallfaltenbalg oder Metallwellrohr bezeichnet wird. In einer Ausführungsform ist das Gehäuse als Rundzelle ausgeführt. Der Faltenbalg hat einen kreisförmigen Querschnitt und im Gehäuse schließt mit dem äußeren Gehäusemantel ein zylinderförmig Gehäusevolumen ein, in dem der Elektrodenstapel angeordnet ist. Das Gehäuse und somit der Faltenbalg können andere Querschnitte und Geometrien aufweisen, beispielsweise können das Gehäuse und der Faltenbalg einen polygonalen Querschnitt, wie einen hexagonalen Querschnitt, aufweisen. Die beispielsweise als Rundzelle ausgebildete Speicherzelle ist eine kosten- und zeitgünstig herstellbare Speicherzelle. Die Rundzelle ermöglicht eine flächige Kontaktierung zwischen Kontaktierungselementen und der jeweiligen Elektrode, welche elektrisch mit dem jeweiligen Kontaktierungselement verbunden ist. Der Faltenbalg kann als ein Federelement mit einer Hook Federkonstante beschrieben werden, das sich aufgrund seiner Materialeigenschaften und Geometrie elastisch verformen lässt.
Je nach Ladezustand der elektrochemischen Speicherzelle kann der Elektrodenstapel unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Diese Schichtdicken können durch die Federwirkung den Stapel „verpressen“ oder „entlasten“ („verpressen“: die Zelle entlädt sich, „entlasten“: die Zelle wird geladen, beispielsweise können die Anodenschichten abhängig vom Ladezustand ausgebildet sein). Der Faltenbalg ist eingerichtet, die Druckänderungen in der elektrochemischen Speicherzelle, beispielsweise aufgrund von Ausdehnung und Kontraktion des Elektrodenstapels infolge von Lade- und Entladevorgängen, nachzuführen und auf den gewünschten Kompressionsdruck einzustellen.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen. Ein Aspekt betrifft eine elektrochemische Speicherzelle, die es erlaubt, die Schichthöhe des Elektrodenstapels stufenlos ohne Energiebedarf zu justieren und nachzufahren. Der Faltenbalg stellt eine mechanische Feder dar und kann entsprechend ihrer mechanischen Eigenschaften elastisch verformt werden. Mit anderen Worten entspricht der Faltenbalg einer federbelasteten Kompressionsvorrichtung. Mit einer initialen Verformung kann ein Kompressionsdruck einer bestimmten Größe an der elektrochemischen Speicherzelle eingestellt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch ein Verpresswerkzeug, das während der Montage oder Herstellung der Zelle in entsprechende Faltenwellen des Faltenbalgs am Gehäuse eingreift und den Faltenbalg so in eine Position auslenkt, die einer bestimmten Auslenkung der „Feder“ oder einem gewünschten Kompressionsdruck entspricht. Wird das Gehäuse in dem so eingestellten Zustand verschlossen, wirkt der Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel. Änderungen der Schichthöhe des Elektrodenstapels lassen sich stufenlos durch die Federwirkung des Faltenbalgs ohne externen Energiebedarf nachjustieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Druckplatte entlang einer Stapelrichtung des Elektrodenstapels beweglich im Gehäuse angeordnet und mit einem Gehäuseboden fest verbunden. Die erste Druckplatte ist eingerichtet, vermittelt durch die elastische Verformung des Faltenbalgs, den Kompressionsdruck auf eine Unterseite des Elektrodenstapels auszuüben. Beispielsweise ist die erste Druckplatte mit dem äußeren Gehäusemantel verbunden. Der äußere Gehäusemantel und die erste Druckplatte können aus einem Stück gefertigt sein oder alternativ miteinander verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt). Der Faltenbalg kann so die Druckplatte im Gehäuse entlang der Stapelrichtung des Elektrodenstapels bewegen. Diese Bewegung erfolgt in Abhängigkeit der elastischen Verformung des Faltenbalgs, also dessen Federwirkung bzw. Auslenkung. Die Druckplatte vermittelt so den Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel. Die erste Druckplatte kann als beweglicher „Druckteller“ bezeichnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine zweite Druckplatte mit einem Gehäusedeckel unbeweglich im Gehäuse verbunden und liegt auf einer Oberseite des Elektrodenstapels auf. Die zweite Druckplatte ist eingerichtet, einen dem Kompressionsdruck entgegengerichteten Druck auf den Elektrodenstapel auszuüben.
Der äußere Gehäusemantel und der Gehäusedeckel können aus einem Stück gefertigt sein oder alternativ miteinander verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt). Die zweite Druckplatte ist mechanisch fest im Gehäuse angeordnet, so dass die Druckplatte in mechanischem Wirkkontakt mit einer Oberseite des Elektrodenstapel steht und eingerichtet ist, einen Gegendruck zum Kompressionsdruck auf die Oberseite des Elektrodenstapel auszuüben. Der Elektrodenstapel kann so zwischen den beiden Druckplatten entsprechend dem durch den Faltenbalg eingestellten Kompressionsdruck im Gehäuse gepresst werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse doppelwandig ausgeführt und umfasst einen Gehäusezwischenraum, der durch den äußeren Gehäusemantel und einem inneren Gehäusemantel begrenzt ist. Der Elektrodenstapel ist in einem vom inneren Gehäusemantel begrenzten Innenraum des Gehäuses angeordnet. Ferner ist der Gehäusezwischenraum zur Aufnahme eines Temperiermittels eingerichtet.
Das Gehäuse umfasst beispielsweise eine Außenwand, die durch den äußeren Gehäusemantel gebildet wird. Die Außenwand hat so zumindest teilweise die Form und Funktion des Faltenbalgs. Die Außenwand ist eine Feder, die die Schichten des Elektrodenstapels entsprechend dem Kompressionsdrucks zusammendrückt. Eine Innenwand wird beispielsweise durch den inneren Gehäusemantel gebildet. Im Beispiel einer Rundzelle umschließt die Innenwand ein zylinderförmig Gehäusevolumen, in dem der Elektrodenstapel angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Innenwand zumindest teileweise die Mantelfläche einer zylindrischen Zelle. Der Gehäusezwischenraum bildet sich als Hohlraum zwischen die Innenwand und Außenwand aus und kann ein Temperiermittel aufnehmen. So kann beispielsweise eine Immersionskühlung realisiert werden. Die elektrochemische Speicherzelle kann über den äußeren Gehäusemantel, der aufgrund des Faltenbalgs eine vergrößerte Fläche aufweist, besonders effektiv gekühlt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Gehäuseboden doppelwandig und zur Aufnahme des Temperiermittels eingerichtet. Eine innere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens ist mit dem inneren Gehäusemantel verbunden. Eine äußere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens ist mit dem äußeren Gehäusemantel verbunden. Die erste Druckplatte ist über eine gemeinsame Verbindungsstelle mit der inneren und der äußeren Wand des doppelwandigen Gehäusebodens verbunden.
Der doppelwandige Gehäuseboden erweitert die Aufnahme des Temperiermittels und damit die für die Kühlung bereitstehende Fläche. Über die gemeinsame Verbindungsstelle ist die Druckplatte mit dem doppelwandigen Gehäuseboden gekoppelt und kann durch den Faltenbalg entsprechen dem eingestellten Kompressionsdruck bewegt werden. Dazu kann die innere Wand des Gehäusebodens flexibel ausgestaltet sein, beispielsweise durch Material und/oder Struktur, um eine Bewegung zu unterstützen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die innere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens eine wellenförmige Membranplatte.
Die Unterseite der Speicherzelle bzw. die innere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens ist eine wellenförmige Membranplatte (bevorzugt aus Metall). Der Membranplatte ist wellenförmig und gewährleistet so eine Elastizität zwischen verschiedenen Ladezustände der Zelle. Ein Vorteil der Membranplatte liegt darin, dass die Platte über die gemeinsame Verbindungsstelle mit dem inneren Gehäusemantel und dem äußeren Gehäusemantel mit dem Faltenbalg mechanisch verbunden, beispielsweise verschweißt, werden kann. Somit können die Elektroden des Elektrodenstapels vom Kühlmedium getrennt werden, es werden keine Gummidichtungen benötigt. Durch die bewegliche Druckplatte können heiße Gase (in Falle eines thermischen Events) durch eine gezielt geschwächte Sollbruchstelle in der Membranplatte (oder Einkerbungen) präzise und gezielt gelenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse an einer Oberseite einen ersten Anschluss zur Aufnahme des Temperiermittels auf. Das Gehäuse weist ferner an einer Unterseite einen zweiten Anschluss zur Aufnahme des Temperiermittels auf. Das Gehäuse ist eingerichtet für eine Temperiermittelströmung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss.
Das Temperiermittel oder Kühlmedium kann im Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss strömen und so eine Immersionskühlung implementieren. Die Wärme wird an der Mantelfläche der Zelle abgeführt. Der Faltenbalg unterstützt die Wärmeleitung, indem die Zelle indirekt gekühlt werden kann. Insbesondere können die Kontakte (oder Terminale) der Zelle, beispielsweise die Kathode besser gekühlt werden, obwohl die Immersion im Wesentlichen an der Mantelfläche stattfindet.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Faltenbalg im Wesentlichen parallele Faltenwellen auf. Die Faltenwellen werden am äußeren Gehäusemantel durch wellenförmig wechselnde Durchmesser strukturiert. Dadurch wird die Oberfläche des Gehäuses vergrößert, was zu einem besseren Wärmetransport zwischen den Anschlüssen führen kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Faltenbalg im Wesentlichen spiralförmige Faltenwellen auf. Die Faltenwelle formen beispielsweise eine oder mehrere Spiralen entlang des Gehäusemantels in Stapelrichtung. Das Temperiermittel kann bevorzugt entlang der Spiralen fließen, so dass sich eine lineare Strömung ausbilden kann.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Einstellen eines Kompressionsdrucks einer elektrochemischen Speicherzelle vorgeschlagen.
Gemäß einer Ausführung umfasst das Verfahren die folgenden Schritte. Zunächst wird eine elektrochemische Speicherzelle bereitgestellt. Die Speicherzelle hat ein Gehäuse mit einem als Faltenbalg eingerichteten äußeren Gehäusemantel und einem in einem Innenraum des Gehäuses angeordneten Elektrodenstapel. Ein Kompressionsdruck wird durch Eingreifen eines Verpresswerkzeugs in den Faltenbalg eingestellt, wobei eine erste Druckplatte, die mit dem äußeren Gehäusemantel verbunden ist, den Kompressionsdruck vermittelt und durch eine elastische Verformung des Faltenbalgs auf den Elektrodenstapel ausübt. Schließlich wird das Gehäuse bei dem eingestellten Kompressionsdruck verschlossen.
Das Verpresswerkzeug kann beispielsweise in die Faltwellen eingreifen und den Faltenbalg auslenken, um einen gewünschten Kompressionsdruck einzustellen. Durch Verschließen des Gehäuses (zum Beispiel verschweißen oder crimpen) wird der Kompressionsdruck eingeprägt und durch die Federwirkung des Faltenbalg aufrecht gehalten.
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Soweit Komponenten und Bestandteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird deren Beschreibung nicht notwendigerweise für jede der folgenden Figuren wiederholt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Einzelnen zeigen:
Figuren 1 A, 1 B ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle,
Figuren 2A, 2B, 2C ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle in unterschiedlichen Ladezuständen,
Figuren 3A, 3B Ausführungsbeispiele eines Gehäuses für eine elektrochemische
Speicherzelle mit einem Faltenbalg, und
Figuren 4A bis 4C ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen
Speicherzelle.
Detaillierte Beschreibung Die Figuren 1A und 1 B zeigen ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle. Die Abbildungen zeigen eine Explosionsdarstellung der elektrochemischen Speicherzelle, wobei die Darstellung über die Figuren 1A und 1 B geteilt ist und sich die elektrochemische Speicherzelle in der Zusammenschau beider Abbildungen darstellt. Figur 1A zeigt einen Faltenbalg 10 und ein Gehäuse 20. Des Weiteren sind eine Kontaktierungsscheibe 21 , sowie eine Isolationsscheibe 22 gezeigt. Figur 1 B zeigt eine obere Druckplatte 30 und einen Elektrodenstapel 40. Des Weiteren sind ein untere Druckplatte 50, sowie eine Membranplatte 60 und ein unterer Gehäusedeckel 23 gezeigt. Die Isolationsscheibe hat eine Öffnung 28.
Der Faltenbalg 10 umfasst einen äußeren Gehäusemantel 11 und mehrere Faltenwellen 12. Die Faltenwellen sind in den äußeren Gehäusemantel durch wellenförmig wechselnde Durchmesser strukturiert. Die inneren Durchmesser sind dabei so gewählt, dass das Gehäuse 20 im Inneren des Faltenbalgs angeordnet werden kann. In diesem Beispiel sind die inneren Durchmesser so gewählt, dass der Faltenbalg ein inneres Zylindervolumen einschließt. Die äußeren Durchmesser können so gewählt werden, dass eine gewünschte Federstärke des Faltenbalgs erreicht wird. Die Federstärke des Faltenbalgs hängt zusätzlich u.a. auch vom Material des Faltenbalgs, der typischerweise aus einem Metall ist, und der Geometrie der Faltenwellen ab.
Der Faltenbalg 10 weist eine ringförmig strukturierte Oberseite 13 auf, die eingerichtet ist, das (Zell-)Gehäuse 20 aufzunehmen. In der Oberseite ist eine obere Öffnung 14 vorgesehen. Des Weiteren weist der Faltenbalg an der Oberseite einen ersten Anschluss 15 auf, über den das Gehäuse ein Temperiermittel aufnehmen kann. Der Faltenbalg weist eine ringförmig strukturierte Unterseite 16 auf. Der Faltenbalg weist an der Unterseite einen zweiten Anschluss 17 zur Aufnahme des Temperiermittels auf. Das Gehäuse 20 ist in diesem Beispiel als Rundgehäuse bzw. Zylinder ausgestaltet und beispielsweise aus Metall oder einem anderen druckbeständigen Material. Alternativ kann die elektrochemische Speicherzelle auch als prismatische Zelle ausgebildet sein, wobei das Gehäuse ebenfalls aus einem festen Material aufgebaut ist, meist aus Metall.
In Figur 1A ist das Gehäuse 20 in einer Außenansicht gezeigt. Das Gehäuse begrenzt einen innenliegenden Aufnahmeraum (nicht gezeigt) mit einem kreisförmigen Querschnitt, in den der Elektrodenstapel 40 aufgenommen werden kann. Das Gehäuse umfasst einen inneren Gehäusemantel 24 und einen Gehäusedeckel 25. Der Aufnahmeraum ist in Längserstreckungsrichtung des zylindrischen Gehäuses auf einer ersten Seite durch den Gehäusedeckel begrenzt. Der innere Gehäusemantel und der Gehäusedeckel sind in diesem Beispiel aus einem Stück gefertigt. Alternativ kann der Gehäusedeckel mit dem inneren Gehäusemantel verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt). Ferner umfasst der Gehäusedeckel eine zentrale Deckelöffnung 26, die einen Zugriff in das Innere der elektrochemischen Speicherzelle ermöglicht, beispielsweise zum Einfüllen eines Elektrolyten und/oder als Druckventil.
Zusammen bilden der Faltenbalg 10 und das Gehäuse 20 ein doppelwandiges Zellgehäuse. Eine äußere Gehäusewand umfasst dabei den äußeren Gehäusemantel 11 des Faltenbalgs. Eine innere Gehäusewand umfasst den inneren Gehäusemantel 24. Die Gehäusewände umschließen einen Gehäusezwischenraum, der das Temperiermittel aufnehmen kann, das über die Anschlüsse 15 und 17 zugeführt und/oder abgeführt werden kann. Wie weiter unten diskutiert, können die Faltenwellen 12 einen Wärmeaustausch mit der Umgebung unterstützen und zudem je nach Ausgestaltung eine laminare Strömung zwischen den Anschlüssen ermöglichen.
Das Gehäuse 20 wie auch der Faltenbalg 10 können einen polygonalen Querschnitt aufweisen, wie einen hexagonalen Querschnitt. Die beispielsweise als Rundzelle ausgebildete Speicherzelle ist eine kosten- und zeitgünstig herstellbare Speicherzelle. Die Rundzelle ermöglicht eine flächige Kontaktierung zwischen Kontaktierungselementen und der jeweiligen Elektrode, welche elektrisch mit dem jeweiligen Kontaktierungselement verbunden ist. Im Folgenden werden unterschiedliche weitere Komponenten der elektrochemischen Speicherzelle vorgestellt. Soweit nicht explizit angegeben, haben diese Komponenten einen zumindest ähnlichen Querschnitt wie das Gehäuse, so dass die Komponenten mit dem Gehäuse verbindbar oder in diesem beweglich gestaltet werden können. Im Fall eines Rundgehäuse bzw. einer Rundzelle ist der Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig.
Die Kontaktierungsscheibe 21 kann in das Gehäuse eingeführt werden und so den Gehäusedeckel 25 eingreifen. Dazu ist die Kontaktierungsscheibe mit einer Erhöhung 27 versehen, die formschlüssig in die zentrale Deckelöffnung 26 passt. Das Gehäuse kann beispielsweise den positiven Pol oder negativen Pol der elektrochemischen Speicherzelle darstellen, je nachdem wie die Zelle aufgebaut ist. Die Polung wird beispielsweise durch den Elektrodenstapel 40 vorgegeben. Die Kontaktierungsscheibe vermittelt die Kontaktierung zum Elektrodenstapel und entspricht dem positiven Pol oder negativen Pol. Die Isolationsscheibe 22 kann wahlweise auf oder unter der Kontaktierungsscheibe angeordnet werden und dient dazu, die Pole der elektrochemischen Zelle voneinander elektrisch zu isolieren. Die Kontaktierungsscheibe und die Isolationsscheibe können mit dem Gehäuse verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt).
In Figur 1B ist die obere Druckplatte 30 gezeigt. Die obere Druckplatte 20 ist entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses 20 ausgestaltet, in diesem Beispiel also im Wesentlichen kreisförmig. Die Druckplatte umfasst einen Druckplattenboden 31 und einen Druckplattenrand 32. Der Druckplattenboden ist eingerichtet, auf einer Oberseite des Elektrodenstapels 40 formschlüssig aufzuliegen. Der Druckplattenrand umfasst eine Wand, die sich tellerförmig entlang des Umfangs der Druckplatte erstreckt und vom Druckplattenboden erhebt. Des Weiteren weist die Druckplatte eine zentrale Druckplattenöffnung 33 auf, die im Wesentlichen mit der zentrale Deckelöffnung 26 zusammenfällt und formschlüssig in die Druckplattenöffnung 33 eingreifen kann. Die Druckplattenöffnung ist so groß, dass sie ein Innenrohr aufnehmen kann bzw. das Innenrohr durch die Druckplattenöffnung durchgeführt werden kann.
Die obere Druckplatte 30 wird in das Gehäuse 20 eingeführt und mit diesem am inneren Gehäusemantel 24 permanent verbunden, zum Beispiel verschweißt, gecrimpt oder verschraubt. „Permanent verbunden“ bedeutet hier, dass die Verbindung stark genug ist, um mindestens dem Kompressionsdruck, mit dem der Elektrodenstapel 40 verpresst werden kann, standzuhalten. Der Kompressionsdruck kann Werte im zweistelligen kN Bereich erreichen. Durch die Tellerform der Druckplatte bzw. durch den Druckplattenrand 32 wird zwischen dem Gehäusedeckel 25 und dem Druckplattenboden 31 ein oberer innenliegender Hohlraum gebildet. Die obere Druckplatte wirkt so als Anschlagsfläche, gegen die der Elektrodenstapel gedrückt wird, wenn der Kompressionsdruck aufgebaut wird. Durch den entsprechenden Gegendruck wird der Elektrodenstapel verpresst. Mit anderen Worten hat die obere Druckplatte den technischen Effekt, den Kompressionsdruck bzw. die Verpresskraft aus den Elektrodenschichten des Elektrodenstapel in den Faltenbalg zu leiten.
Der Elektrodenstapel 40 umfasst mehrere, aufeinander angeordnete Stapel, wobei der jeweilige Stapel aufeinander angeordnete Elektrodenschichten aufweist, nämlich wenigstens eine Kathodenschicht 41, wenigstens eine Anodenschicht 42 und wenigstens eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Separatorschicht 43. Des Weiteren können die Stapel weitere Schichten wie Isolatoren und metallische Leiterfolien (beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer) aufweisen. Die Kathodenschichten und die Anodenschichten sind über entsprechende Laschen 44 mit einem Innenrohr (nicht sichtbar) und/oder mit dem inneren Gehäusemantel 24 elektrisch kontaktiert.
Eine Oberseite des Elektrodenstapels 40 greift formschlüssig auf die obere Druckplatte 30 auf. Der Druckplattenboden 31 liegt beispielsweise im Wesentlichen flächig auf der Oberseite des Elektrodenstapels. Da die obere Druckplatte 30 am Gehäuse 20 bzw. dem Gehäusemantel 24 mechanisch fest verbunden ist, ist die Druckplatte unter Druck nicht beweglich.
Die untere Druckplatte 50 ist entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses 20 ausgestaltet, in diesem Beispiel also im Wesentlichen kreisförmig. Die untere Druckplatte umfasst einen Druckplattenboden 52 und einen Druckplattenrand 51. Der Druckplattenrand umfasst optional eine Dichtung, die sich entlang des Umfangs der Druckplatte erstreckt und die Druckplatte 50 vom inneren Gehäusemantel 24 abdichtet, die Druckplatte jedoch in Stapelrichtung beweglich innerhalb des Gehäuses hält. In der dargestellten Ausführung ist keine Dichtung nötig, weil die Membranplatte 60 das Abdichten übernimmt. Des Weiteren weist die Druckplatte eine zentrale Druckplattenöffnung 53 auf, die im Wesentlichen mit der Deckelöffnung 23 axial zusammenfällt, so dass zum Beispiel das Innenrohr bis in die zentrale Druckplattenöffnung 53 geführt werden kann und in diesem Bereich endet.
Der Druckplattenrand kann, wie ein Kolben in einem Verbrennungsmotor, gegenüber dem Druckplattenboden abgeflacht sein, um eine Verkippung der Druckplatte im Gehäuse zu vermeiden. Eine Verkippung wird auch über den Elektrodenstapel 40 verhindert. Zudem ist die Druckplattenöffnung ist so groß, dass sie zum Beispiel das Innenrohr aufnehmen kann bzw. das Innenrohr durch die Druckplattenöffnung durchgeführt werden kann. Die untere Druckplatte 50 wird in das Gehäuse eingeführt und ist am inneren Gehäusemantel 24 und dem Innenrohr entlang in Stapelrichtung beweglich. Die untere Druckplatte 50 umfasst an einer, dem Elektrodenstapel abgewandten Seite einen Rohrstutzen 54.
Die Membranplatte 60 schließt das Gehäuse an dessen Unterseite ab und bildet so die innere Wand des doppelwandigen Gehäuses am Gehäuseboden. Die Membranplatte ist dazu am Gehäuse bzw. dem inneren Gehäusemantel 24 verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt). Alternativ können die Membranplatte und der Gehäusemantel aus einem Stück gefertigt sein. Die Membranplatte kann aus demselben Material wie das Gehäuse gefertigt sein (zum Beispiel aus Metall) oder aus einem anderen Material, wie Kunststoff. Die Membranplatte hat eine wellige Struktur, die dem Faltenbalg ähnelt, also Wellen und Täler aufweist. Im Gegensatz zum Faltenbalg ist die Membranplatte nicht eingerichtet, eine Kraft übertragen. Die Einleitung der Kompressionskraft auf einer Seite der Membranplatte wird auf die gegengesetzte Seite der Membranplatte übertragen, so dass die Platte auf Kompression belastet ist. Mit anderen Worten kann die Membranplatte - ähnlich einem Fotobalg - einer Auslenkung des Faltenbalgs 10 in der Länge bzw. einer Bewegung der unteren Druckplatte 50 folgen. Die Membranplatte weist eine zentrale Ausnehmung 61 auf, in die der Rohrstutzen 54 eingreifen kann und mit diesem mechanisch verbunden ist.
Der untere Gehäusedeckel 23 schließt das doppelwandige Gehäuse an dessen Unterseite ab. Der untere Gehäusedeckel ist dazu am Gehäuse bzw. dem äußeren Gehäusemantel 11 verschraubt oder anderweitig mechanisch verbunden sein (beispielsweise verschweißt oder gecrimpt). Alternativ können der untere Gehäusedeckel und der äußere Gehäusemantel aus einem Stück gefertigt sein. Die Membranplatte schließt den Gehäuseboden von Innen zum Elektrodenstapel 40 ab, so dass das Temperiermittel trotz der Ausgleichsbewegung des Faltenbalgs im Hohlraum zwischen der inneren und äußeren Wand des Gehäuses verbleibt. Der untere Gehäusedeckel 23 bildet die Unterseite des Faltenbalgs 10 und umfasst den zweiten Anschluss 17. Eine zentrale Erhebung 28 ist über die zentrale Ausnehmung 61 der Membranplatte mit dem Rohrstutzen 54 mechanisch verbunden.
Die elektrochemische Speicherzelle wird zusammengebaut, indem die Bauteile, wie sie in den Figuren 1 A und 1 B gezeigt und oben beschrieben wurden, ineinander geführt werden. Das Innenrohr dient dabei als innere Stapelachse, welches den Faltenbalg 10 und das Gehäuse 20 mit den beiden Druckplatten 30, 50, und dem Elektrodenstapel 40 zusammenführt und aufeinandergestapelt. Das Innenrohr 40 wird dazu insbesondere durch die obere Öffnung 14, die Deckelöffnung 26, Druckplattenöffnung 33 und die Druckplattenöffnung 53 geführt. Das Innenrohr endet in der zentralen Ausnehmung 61, in die der Rohrstutzen 54 eingreift und mit diesem mechanisch verbunden ist.
So zusammengebaut, kann durch eine Federwirkung des Faltenbalgs 10 ein Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel 30 ausgeübt werden. Dazu kann der Faltenbalg durch ein Verpresswerkzeug elastisch verformt werden, indem das Werkzeug in den Faltenbalg bzw. die Faltenwellen 12 eingreift. Dadurch vermittelt die untere Druckplatte 50, die mit dem äußeren Gehäusemantel 11 verbunden ist, den Kompressionsdruck gegen die obere Druckplatte 30 und so auf den Elektrodenstapel 40. Dabei ist die untere Druckplatte beweglich im Gehäuse und kann so Druckschwankungen infolge von Änderungen der Schichtdicken im Elektrodenstapel ausgleichen bzw. nachführen. Die obere Druckplatte 30 hingegen ist permanent mit dem Gehäuse verbunden und dient so als Gegendruckfläche für den Kompressionsdruck. Durch den entsprechenden Gegendruck wird der Elektrodenstapel verpresst.
Trotz der Ausgleichsbewegung durch den Faltenbalg 10 (die einer Auslenkung einer mechanischen Feder entspricht) ist durch die Membranplatte 60 gewährleistet, dass das Temperiermittel im Hohlraum zwischen der inneren und äußeren Wand des Gehäuses verbleibt. Das doppelwandige Gehäuse ermöglicht im Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle sowohl einen konstanten Kompressionsdruck als auch eine effektive Wärmeleitung oder Kühlung.
Die Figuren 2A bis 2C zeigen ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle in geladenem, teilweise entladenem und entladenem Zustand in Schnittdarstellung. Dieses Beispiel entspricht der in den Figuren 1A und 1 B gezeigten und oben beschrieben Ausführungsbeispiel im zusammengebauten Zustand. In Figur 2A ist die Speicherzelle geladen, in Figur 2B und in Figur 2B ist die Speicherzelle entladen.
Die Zelle ist beispielsweise als Feststoffzelle, insbesondere als anoden-freie Feststoffbatterie (anode-free all-solid state battery, ASSB) ausgestaltet. Der im Schnitt gezeigte Elektrodenstapel 40 umfasst mehrere, aufeinander angeordnete Stapel. Ein Stapel weist aufeinander angeordnete Schichten auf, nämlich jeweils eine Kathodenschicht 41 , eine Anodenschicht 42 und eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Separatorschicht 43. Des Weiteren können die Stapel weitere Schichten wie Isolatoren und metallische Leiterfolien (beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer) aufweisen, die hier nicht dargestellt sind. Die Kathodenschichten und die Anodenschichten sind über entsprechende Laschen 44 mit dem Innenrohr oder mit dem Gehäusemantel 24 elektrisch kontaktiert.
In diesem Beispiel wird eine Lithium-Batterie betrachtet. Hier haben die Kathodenschichten 41 im geladenen, teilweise entladenen und entladenen Zustand im Wesentlichen dieselbe Schichtdicke. Im Gegensatz dazu ändert sich die Schichtdicke der Anodenschichten 42 in Abhängigkeit vom Ladezustand. Im geladenen Zustand haben sich Anodenschichten abgelagert. Diese werden durch den Ladeprozess ausgebildet, indem sich Lithium auf Leiterfolien (zum Beispiel Kupferfolien) sammelt. Der Elektrodenstapel wächst in der Höhe um die Dicke einer Anodenschicht x Anzahl der Schichten. Im entladenen Zustand ist keine Anodenschicht 42 ausgebildet. Lithium ist in den Kathodenschichten gespeichert. Das Lithium wandert aus den Anodenschichten durch die Separatorschichten 43 in die Kathodenschichten und wird dort gespeichert. Die unterschiedlichen Schichtdicken sind den Zeichnungen angedeutet (vgl. Figur 2A: die Speicherzelle ist geladen, Figur 2B: die Speicherzelle ist teilweise entladen und Figur 2C: die Speicherzelle ist entladen). In allen gezeigten Zuständen wird ein gewünschter Kompressionsdruck eingestellt, der auf den Elektrodenstapel 40 wirkt. Dies erfolgt vermittelt durch den Faltenbalg daran befestigte, im Gehäuse bewegliche untere Druckplatte 50.
Infolge der beschriebenen Lade- und Entladeprozesse kommt es entlang der Stapelrichtung zu einer Längenausdehnung bzw. Längenkontraktion des Elektrodenstapels 40. Dies ist in den Schnittdarstellungen der Figuren 2A bis 2C durch eine unterschiedliche Stellung der unteren Druckplatte 50, zum Beispiel gegenüber dem unteren Gehäusedeckel 23, erkennbar. Der untere Gehäusedeckel bildet die Unterseite des Faltenbalgs 10 und schließt das doppelwandige Gehäuse ab. Über die zentrale Erhebung 24 ist der untere Gehäusedeckel mit dem Rohrstutzen 54 verbunden. Der Rohrstutzen greift dabei in die zentrale Ausnehmung 61 der Membranplatte 60 ein. Die zentrale Ausnehmung ist im Regelbetrieb verschlossen und kann bei einem thermischen Ereignis brechen. Dazu kann die zentrale Ausnehmung eine Einkerbung 55 aufweisen, die als Sollbruchstelle im Falle eines thermischen Ereignisses dient (vgl. Figur 1C).
Zum Beispiel ist die Membranplatte auf dem Umfang des Gehäuses zusammengeschweißt. Unterseite des Rohrstutzen kann kreisförmig und mit der Membranplatte zusammengeschweißt sein. Die Unterseite der Membranplatte kann kreisförmig mit der zentralen Erhebung 24 des unteren Gehäusedeckels zusammengeschweißt sein.
Im in Figur 2A gezeigten geladenen Zustand sind die Anodenschichten 42 ausgebildet und der Elektrodenstapel 40 hat in diesem Zustand seine größte Längsausdehnung (in Stapelrichtung). Entsprechend hat auch der Faltenbalg 10 seine größte Längsausdehnung. Aufgrund der mechanischen Verbindung über den Rohrstutzen 54 bewegt sich untere Druckplatte 50 in eine Position innerhalb des inneren Gehäusemantels 24, die dem Kompressionsdruck entspricht.
Der Kompressionsdruck stellt sich entsprechend der Längsausdehnung des Faltenbalgs ein. Da der Rohrstutzen auch mit der Membranplatte 60 und die Membranplatte mit dem Gehäuse 20 verbunden ist, wölbt sich die Membranplatte nach Außen, d.h. in Richtung Gehäuseboden 23.
Im in Figur 2B gezeigten teilweise geladenen Zustand sind die Anodenschichten 42 teilweise ausgebildet und der Elektrodenstapel 40 hat in diesem Zustand eine gegenüber der größte Längsausdehnung verringerte (mittlere) Längsausdehnung. Entsprechend hat auch der Faltenbalg 10 eine mittlere Längsausdehnung. Aufgrund der mechanischen Verbindung über den Rohrstutzen 54 bewegt sich untere Druckplatte 50 in eine mittlere Position innerhalb des inneren Gehäusemantels, die dem Kompressionsdruck entspricht. Der Kompressionsdruck stellt sich entsprechend der Längsausdehnung des Faltenbalgs ein. Da der Rohrstutzen auch mit der Membranplatte 60 und die Membranplatte mit dem Gehäuse 20 verbunden ist, wölbt sich die Membranplatte weniger nach außen, im gezeigten Beispiel ist die Membran gar nicht gewölbt.
Im in Figur 2C gezeigten entladenen Zustand sind die Anodenschichten 42 nicht mehr ausgebildet und der Elektrodenstapel 40 hat in diesem Zustand eine kleinste Längsausdehnung. Entsprechend hat auch der Faltenbalg 10 eine kleinste Längsausdehnung. Aufgrund der mechanischen Verbindung über den Rohrstutzen 54 bewegt sich untere Druckplatte 50 in eine Position innerhalb des inneren Gehäusemantels, die dem Kompressionsdruck entspricht. Der Kompressionsdruck stellt sich entsprechend der Längsausdehnung des Faltenbalgs ein. Da der Rohrstutzen auch mit der Membranplatte 60 und die Membranplatte mit dem Gehäuse 20 verbunden ist, wölbt sich die Membranplatte nach innen, d.h. in Richtung Gehäusedeckel 25.
In den unterschiedlichen Ladezuständen ist ein Hohlraum ausgebildet, der das Temperiermittel aufnimmt. Eine Kühlung ist trotz der Bewegung durch den Faltenbalg 10 gewährleistet. Darüber hinaus können die Membranplatte 60 oder auch der untere Gehäusedeckel jeweils im Bereich des Rohrstutzen 54 eine Einkerbung 55 aufweisen. Die Einkerbung ist in Figur 2C beispielhaft angedeutet und kann eingerichtet sein, bei einem thermischen Event zu brechen. So ist es möglich, heiße Gase aus dem Elektrodenstapel 40 heraus über den Rohrstutzen und die Einkerbung präzise aus dem Gehäuse heraus zu lenken. Auf diese Weise kann die elektrochemische Speicherzelle zusätzlich zu den Funktionen Ausgleich des Kompressionsdrucks und effektive Kühlung um eine verbesserte Sicherheitsfunktion erweitert werden.
Figur 3A und 3B zeigen Ausführungsbeispiele eines Gehäuses für eine elektrochemische Speicherzelle mit einem Faltenbalg. Dabei zeigt Figur 3A eine Außenansicht eines Faltenbalgs mit im Wesentlichen parallelen Faltenwellen. Die Faltenwellen werden am äußeren Gehäusemantel durch wellenförmig wechselnde Durchmesser strukturiert. Dadurch wird die Oberfläche des Gehäuses vergrößert, was zu einem besseren Wärmetransport zwischen den Anschlüssen führen kann. Diese Ausführung ist auch in den Figuren 2A bis 2C gezeigt. Dort ist auch ein möglicher Fluss des Temperiermittels zwischen den Anschlüssen durch Pfeile angedeutet. Im Fall paralleler Faltenwellen kann der Fluss laminar eingestellt werden, wenn die Fließgeschwindigkeit einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Figur 3A eine Außenansicht eines Faltenbalgs mit im Wesentlichen spiralförmigen Faltenwellen. Die Faltenwelle formen beispielsweise eine oder mehrere Spiralen entlang des Gehäusemantel in Stapelrichtung. Das Temperiermittel kann bevorzugt entlang der Spiralen fließen, so dass sich eine lineare Strömung ausbilden kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass der Fluss laminar auch mit höheren Fließgeschwindigkeit eingestellt werden kann.
Figuren 4A bis 4C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle. Die Abbildungen zeigen insbesondere eine mögliche elektrische Polung der Speicherzelle. Dabei ist in den Zeichnungen der negative Pol mit (-) und der positive Pol mit (+) bezeichnet. Die dargestellte Polung ist ein Beispiel, wobei der negative Pol und der positive Pol austauschbar sind.
In Figur 4A ist das Gehäuse 20 gezeigt. Der innere Gehäusemantel 24 und die Membranplatte 60 sind auf den gleichen Pol gelegt, in diesem Beispiel auf den negativen Pol (-). Auch der Gehäusedeckel ist auf den gleichen Pol gelegt, hier also auf den negativen Pol (-), wie in Figur 4B gezeigt. Des Weiteren ist die Kontaktierungsscheibe 21 gezeigt, die auf den positiven Pol (+) gelegt ist.
Figur 4C zeigt die elektrochemische Speicherzelle mit der in den Figuren 4A und 4B eingeführten Verpolung im Schnitt. Zu erkennen ist, dass der Elektrodenstapel durch die Laschen elektrisch leitend mit dem Innenrohr verbunden ist. Dadurch liegt das Innenrohr beispielsweise auf dem positiven Pol (+). Die obere Druckplatte liegt auf dem Elektrodenstapel auf und ist mit dem Innenrohr kontaktiert. Die obere Druckplatte liegt demnach ebenfalls auf dem positiven Pol (+). Durch die Isolationsplatte 22 sind die obere Druckplatte und das Innenrohr von Gehäuse und Faltenbalg isoliert. Die Kontaktierungsscheibe 21 ist ebenfalls von dem Gehäuse und dem Faltenbalg isoliert und liegt auf dem positiven Pol (+). Der Elektrodenstapel ist durch die Laschen elektrisch leitend mit dem inneren und äußeren Gehäusemantel verbunden. Daher liegen das Gehäuse 20 und der Faltenbalg 10 auf dem negativen Pol (-). Die untere Druckplatte 50 ist in elektrischem Kontakt mit dem Elektrodenstapel und durch dessen Schichtenfolge ebenfalls auf dem negativen Pol (-). Durch die gewählte Kontaktierung ist die elektrochemische Speicherzelle so verpolt, dass über die Oberseite mit der Kontaktierungsscheibe 21 der positive Pol (+) und durch die Unterseite mit dem Gehäusedeckel der negative Pol (-) abgreifbar ist.
Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezuqszeichenliste
10 Faltenbalg
11 äußerer Gehäusemantel
12 Faltenwellen
13 ringförmig strukturierte Oberseite
14 obere Öffnung
15 erster Anschluss
16 ringförmig strukturierte Unterseite
17 zweiter Anschluss
20 Gehäuse
21 Kontaktierungsscheibe
22 Isolationsscheibe
23 unterer Gehäusedeckel
24 innerer Gehäusemantel
25 Gehäusedeckel
26 zentrale Deckelöffnung
27 Erhöhung
28 Erhöhung
29 Öffnung der Isolationsplatte
30 obere Druckplatte
31 Druckplattenboden
32 Druckplattenrand
33 zentrale Druckplattenöffnung
40 Elektrodenstapel
41 Kathodenschicht
42 Anodenschicht
43 Separatorschicht
44 Laschen
50 untere Druckplatte
51 Druckplattenrand
52 Druckplattenboden
53 zentrale Druckplattenöffnung
54 Rohrstutzen Einkerbung Membranplatte zentrale Ausnehmung

Claims

1. Eine elektrochemische Speicherzelle umfassend:
- ein Gehäuse (20) mit einem äußeren Gehäusemantel (24), wobei der äußere Gehäusemantel (24) einen Faltenbalg (10) umfasst,
- einen Elektrodenstapel (40), der in einem Innenraum des Gehäuses (20) angeordnet ist, und
- eine erste Druckplatte (50), die mit dem äußeren Gehäusemantel (11) verbunden ist und eingerichtet ist, vermittelt durch eine elastische Verformung des Faltenbalgs (10), einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel (40) auszuüben.
2. Die Speicherzelle nach Anspruch 1, wobei
- die erste Druckplatte (50) entlang einer Stapelrichtung des Elektrodenstapels (40) beweglich Gehäuse angeordnet ist und mit einem Gehäuseboden (23) fest verbunden ist,
- die erste Druckplatte (50) eingerichtet ist, vermittelt durch die elastische Verformung des Faltenbalgs (10), den Kompressionsdruck auf eine Unterseite des Elektrodenstapels (40) auszuüben.
3. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- eine zweite Druckplatte (30) mit einem Gehäusedeckel (25) unbeweglich im Gehäuse (20) verbunden ist und auf einer Oberseite des Elektrodenstapels (40) aufliegt, und
- die zweite Druckplatte (30) eingerichtet ist, einen dem Kompressionsdruck entgegengerichteten Druck auf den Elektrodenstapel (40) auszuüben.
4. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das Gehäuse (20) doppelwandig ist und einen Gehäusezwischenraum umfasst, der durch den äußeren Gehäusemantel (11) und einem inneren Gehäusemantel (24) begrenzt ist,
- der Elektrodenstapel (40) in einem vom inneren Gehäusemantel (24) begrenzten Innenraum des Gehäuses (20) angeordnet ist, und
- der Gehäusezwischenraum zur Aufnahme eines Temperiermittels eingerichtet ist.
5. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- der Gehäuseboden doppelwandig und zur Aufnahme des Temperiermittels eingerichtet ist,
- eine innere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens mit dem inneren Gehäusemantel (24) verbunden ist,
- eine äußere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens mit dem äußeren Gehäusemantel (11) verbunden ist und
- die erste Druckplatte (30) über eine gemeinsame Verbindungsstelle mit der inneren und der äußeren Wand des doppelwandigen Gehäusebodens verbunden ist.
6. Die Speicherzelle nach Anspruch 5, wobei die innere Wand des doppelwandigen Gehäusebodens eine Membranplatte (60) umfasst.
7. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das Gehäuse an einer Oberseite einen ersten Anschluss (15) zur Aufnahme des Temperiermittels aufweist,
- das Gehäuse an einer Unterseite einen zweiten Anschluss (17) zur Aufnahme des Temperiermittels aufweist, und
- das Gehäuse (20) eingerichtet ist, für eine Temperiermittelströmung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss.
8. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Faltenbalg im Wesentlichen parallele Faltenwellen (12) aufweist.
9. Die Speicherzelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Faltenbalg im Wesentlichen spiralförmige Faltenwellen (12) aufweist.
10. Verfahren zum Einstellen eines Kompressionsdrucks einer elektrochemischen Speicherzelle, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen einer elektrochemischen Speicherzelle mit einem Gehäuse (20) mit einem als Faltenbalg (10) eingerichteten äußeren Gehäusemantel (11) und einem in einem Innenraum des Gehäuses (20) angeordneten Elektrodenstapel (40), - Einstellen des Kompressionsdruck durch Eingreifen eines Verpresswerkzeugs in den Faltenbalg (10), wobei eine erste Druckplatte (30), die mit dem äußeren Gehäusemantel (11) verbunden ist, den Kompressionsdruck vermittelt durch eine elastische Verformung des Faltenbalgs (10) auf den Elektrodenstapel (40) ausübt und
- Verschließen des Gehäuses (20) bei dem eingestellten Kompressionsdruck.
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