DE102022204285A1 - Battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem Zellstapel (20), der mehrere in einer Stapelrichtung (23) abwechselnd übereinander gestapelte Anoden (16) und Kathoden (18) aufweist, zwischen denen jeweils ein Separator (22) angeordnet ist. Der Zellstapel (20) ist umfangsseitig vollständig kraftschlüssig mit einem Band (26) umschlungen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (34) zur Herstellung einer Batteriezelle (14).The invention relates to a battery cell (14) with a cell stack (20), which has a plurality of anodes (16) and cathodes (18) stacked alternately one above the other in a stacking direction (23), between each of which a separator (22) is arranged. The cell stack (20) is completely non-positively wrapped around the circumference with a band (26). The invention further relates to a method (34) for producing a battery cell (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle. Die Batteriezelle weist einen Zellstapel auf, der mehrere in einer Stapelrichtung abwechselnd übereinander gestapelte Anoden und Kathoden umfasst, zwischen denen jeweils ein Separator angeordnet ist.The invention relates to a battery cell and a method for producing a battery cell. The battery cell has a cell stack which comprises a plurality of anodes and cathodes stacked alternately one above the other in a stacking direction, between each of which a separator is arranged.
In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batteriezellen, die meist in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.Increasingly, motor vehicles are at least partially driven by an electric motor, so that they are designed as electric vehicles or hybrid vehicles. A high-voltage battery, which includes several individual battery modules, is usually used to power the electric motor. The battery modules are usually identical to one another and are connected electrically in series and/or parallel, so that the electrical voltage applied to the high-voltage battery corresponds to a multiple of the electrical voltage provided by each of the battery modules. Each battery module in turn comprises several battery cells, which are usually arranged in a common module housing and which are electrically connected to one another in series and/or parallel.
Jede der Batteriezellen wiederum umfasst üblicherweise mehrere galvanische Elemente. Diese weisen jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. In einer Alternative ist die Batteriezelle als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor. Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batteriezelle bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger, der auch als Ableiter bezeichnet wird, aufgebrachten Schicht ist. Hierbei ist es möglich, dass in der Schicht bereits der Elektrolyt vorhanden ist, oder dieser wird nachträglich eingebracht. Zumindest jedoch ist das Aktivmaterial zur Aufnahme der Arbeitsionen, z.B. Lithium-Ionen, geeignet. Je nach Verwendung als Anode oder Kathode wird ein anderes Material für den Träger und eine unterschiedliche Art des Materials der Schicht verwendet.Each of the battery cells in turn usually includes several galvanic elements. These each have two electrodes, namely an anode and a cathode, as well as a separator arranged between them and an electrolyte with freely movable charge carriers. A liquid, for example, is used as such an electrolyte. In an alternative, the battery cell is designed as a solid-state battery and the electrolyte is in the form of a solid. The anode and cathode, which form the electrodes of the battery cell, usually include a carrier that acts as a current collector. An active material is usually attached to this, which is part of a layer applied to the carrier, which is also referred to as an arrester. It is possible that the electrolyte is already present in the layer, or it is introduced later. However, at least the active material is suitable for absorbing the working ions, e.g. lithium ions. Depending on the use as an anode or cathode, a different material is used for the carrier and a different type of material of the layer.
Zum Schutz der galvanischen Elemente sind diese üblicherweise in einem Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnet, das zum Beispiel einen mit einem Deckel verschlossenen Zellbecher umfasst. Auch wird mittels des Zellgehäuses der Elektrolyt vor Umwelteinflüssen geschützt. Damit mittels der jeweiligen Batteriezelle eine vergleichsweise große Kapazität bereitgestellt ist, sind üblicherweise mehrere derartige galvanischen Elemente in dem gemeinsamen Zellgehäuse angeordnet. Um den vorhandenen Platz vergleichsweise effizient auszunutzen und eine Fertigung zu vereinfachen, sind die einzelnen Bestandteile der galvanischen Elemente flächig ausgestaltet und in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt, sodass ein im Wesentlichen quaderförmiger Zellstapel gebildet ist.To protect the galvanic elements, they are usually arranged in a cell housing of the battery cell, which includes, for example, a cell cup closed with a lid. The cell housing also protects the electrolyte from environmental influences. So that a comparatively large capacity is provided by the respective battery cell, several such galvanic elements are usually arranged in the common cell housing. In order to use the available space comparatively efficiently and to simplify production, the individual components of the galvanic elements are designed to be flat and stacked one above the other in a stacking direction, so that a substantially cuboid cell stack is formed.
Zur Stabilisierung der einzelnen Bestandteile des Zellstapels sind üblicherweise Klebestreifen vorgesehen, die entlang jeweils einer der Längsseiten des Zellstapels geführt sind und diesen randseitig umgreifen. Damit hierbei die mittleren Lagen des Zellstapels auch stabilisiert werden, ist es erforderlich, dass die Klebestreifen unter Ausbildung eines Kraftschlusses montiert werden. Dies führt zu einer lokalen Verformung des Zellstapels, und somit zu einer Schwächung in diesem Bereich. Bei einer höheren Belastung im Betrieb ist es möglich, dass der Zellstapel oder zumindest einige der Anoden oder Kathoden dort berechnen.To stabilize the individual components of the cell stack, adhesive strips are usually provided, which are guided along one of the long sides of the cell stack and surround the edge of the cell stack. In order for the middle layers of the cell stack to be stabilized, it is necessary that the adhesive strips are installed to form a frictional connection. This leads to a local deformation of the cell stack and thus to a weakening in this area. With a higher load during operation, it is possible that the cell stack or at least some of the anodes or cathodes are charging there.
Zusätzlich sind, damit die zwischen den Enden des Zellstapels angeordneten Anoden, Kathoden und Separatoren vergleichsweise sicher gehalten werden, jeder Längsseite des Zellstapels mehrere derartige Klebestreifen zugeordnet. Aufgrund der Vielzahl der Klebestreifen ist eine Herstellungsdauer verlängert. Auch ist es erforderlich, die Klebestreifen vergleichsweise genau zu positionieren, was die Herstellung erschwert. Zudem ist aufgrund der maximal mittels der Klebestreifen aufbringbaren Kraft eine maximale Anzahl an Lagen des Zellstapels begrenzt. Falls daher eine vergrößerte Kapazität der Batteriezelle bereitgestellt werden soll, ist es erforderlich, mehrere derartige Zellstapel zu verwenden, die mittels jeweils der Klebebänder zueinander stabilisiert sind. Die Zellstapel wiederum werden aneinander mittels weiterer Klebestreifen gehalten, was eine Fertigung weiter verkompliziert.In addition, so that the anodes, cathodes and separators arranged between the ends of the cell stack are held comparatively securely, several such adhesive strips are assigned to each longitudinal side of the cell stack. Due to the large number of adhesive strips, the production time is extended. It is also necessary to position the adhesive strips comparatively precisely, which makes production more difficult. In addition, due to the maximum force that can be applied using the adhesive strips, a maximum number of layers of the cell stack is limited. If an increased capacity of the battery cell is to be provided, it is necessary to use several such cell stacks, which are stabilized relative to one another by means of the adhesive tapes. The cell stacks, in turn, are held together by additional adhesive strips, which further complicates production.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriezelle und ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle anzugeben, wobei vorteilhafterweise Material -und/oder Herstellungskosten reduziert sind, wobei geeigneterweise eine Herstellung vereinfacht ist, und wobei insbesondere eine Betriebssicherheit erhöht ist.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable battery cell and a particularly suitable method for producing a battery cell, advantageously material and/or manufacturing costs being reduced, suitably manufacturing being simplified, and in particular operational reliability being increased.
Hinsichtlich der Batteriezelle wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.With regard to the battery cell, this task is solved according to the invention by the features of claim 1 and with regard to the method by the features of
Die Batteriezelle, die im nachfolgend insbesondere auch lediglich als Batterie bezeichnet ist, ist vorzugsweise wiederladbar ausgestaltet und zweckmäßigerweise eine Sekundärbatterie. Vorzugsweise ist die Batteriezelle im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batteriezelle geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batteriezelle beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batteriezellen aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batteriezellen auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Batteriezellen sind insbesondere in einem Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespeicher/Batteriemodul anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Batteriezellen bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batteriezellen dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht.The battery cell, which is hereinafter referred to in particular simply as a battery, is preferably designed to be rechargeable and preferably a secondary battery. Preferably, the battery cell is a component of a motor vehicle in its intended condition. The battery cell is suitable for this, in particular intended and set up. In the intended state, the battery cell is, for example, a component of an energy storage device of the motor vehicle, which has several such battery cells. The battery cells are preferably divided into several battery modules, which in turn are structurally identical to one another. The battery cells are arranged in particular in a housing of the energy storage or the respective battery module and are electrically connected in parallel and/or in series with one another. The electrical voltage applied to the energy storage/battery module is therefore a multiple of the electrical voltage provided by each of the battery cells. All battery cells are expediently identical in construction, which simplifies production.
Das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls, die somit insbesondere einen Verbund derartiger Batteriezellen bilden, ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren, Tiefzugverfahren, Gießpressen oder Strangpressen verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls eine Schnittstelle eingebracht, die zum Beispiel einen Stecker des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Batteriezellen kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Batteriezellen von außerhalb des Energiespeichers möglich ist, sofern an den Stecker ein entsprechender Gegenstecker gesteckt ist.The housing of the energy storage or the respective battery module, which thus in particular forms a composite of such battery cells, is preferably made of a metal, for example a steel, such as stainless steel, or an aluminum alloy. For example, a die-casting process, deep-drawing process, casting molding or extrusion molding is used for production. In particular, the housing of the energy storage or the respective battery module is designed to be closed. An interface is expediently incorporated into the housing of the energy storage or the respective battery module, which forms, for example, a plug of the energy storage/battery module. The interface is electrically contacted with the battery cells, so that electrical energy can be fed in and/or electrical energy can be withdrawn from the battery cells from outside the energy storage, provided that a corresponding mating connector is plugged into the plug.
Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Schiff oder Boot. Bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, geeigneterweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs, angetrieben sind. Insbesondere ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).The motor vehicle is, for example, a ship or boat. Preferably, however, the motor vehicle is land-based and preferably has a number of wheels, at least one of which, suitably several or all of them, are driven by means of a drive. In particular, one, preferably several, of the wheels is designed to be controllable. This makes it possible to move the motor vehicle independently of a specific roadway, for example rails or the like. It is expediently possible to position the motor vehicle essentially anywhere on a road that is made in particular from asphalt, tar or concrete. The motor vehicle is, for example, a commercial vehicle, such as a truck or a bus. However, the motor vehicle is particularly preferably a passenger car (car).
Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.The motor vehicle is expediently moved by means of the drive. For example, the drive, in particular the main drive, is at least partially designed to be electrical, and the motor vehicle is, for example, an electric vehicle. The electric motor is operated, for example, by means of the energy storage device, which is suitably designed as a high-voltage battery. An electrical direct voltage is expediently provided by means of the high-voltage battery, the electrical voltage being, for example, between 200 V and 800 V and, for example, essentially 400 V. Preferably, an electrical converter is arranged between the energy storage device and the electric motor, by means of which the current supply to the electric motor is adjusted. In an alternative, the drive also has an internal combustion engine, so that the motor vehicle is designed as a hybrid motor vehicle. In an alternative, a low-voltage electrical system of the motor vehicle is fed by means of the energy storage, and in particular an electrical direct voltage of 12 V, 24 V or 48 V is provided by means of the energy storage.
In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. Hierbei wird die Batteriezelle beispielsweise innerhalb eines Kraftwerks oder eines Haushalts/Industrieanlage verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons oder eines Wearables, oder eines Computers. Auch ist es möglich, eine derartige Batteriezelle im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.In a further alternative, the battery cell is a component of an industrial truck, an industrial plant, a hand-held device, such as a tool, in particular a cordless screwdriver. In a further alternative, the battery cell is a component of an energy supply and is used there, for example, as a so-called buffer battery. Here, the battery cell is used, for example, within a power plant or a household/industrial facility. In a further alternative, the battery cell is a component of a portable device, for example a portable cell phone or a wearable, or a computer. It is also possible to use such a battery cell in camping, model building or other outdoor activities.
Die Batteriezelle weist mehrere Anoden und Kathoden, die insbesondere die Elektroden der Batteriezelle bilden. Besonders bevorzugt sind sämtliche Anoden und sämtliche Kathoden jeweils zueinander baugleich, was eine Herstellung vereinfacht. Die Elektroden, also die Anoden und die Kathoden, sind flächig ausgestaltet und insbesondere im Wesentlichen rechteckförmig. Die Anoden und Kathoden weisen zweckmäßigerweise jeweils einen Träger auf, der auch als Ableiter bezeichnet ist. Insbesondere ist der jeweilige Träger mittels einer Metallfolie gebildet, die einseitig oder beidseitig mit einer Schicht zumindest abschnittsweise beschichtet ist. Als Metall des Trägers/Ableiters der Kathoden wird beispielsweise Aluminium und als Metall des Ableiters der Anoden Kupfer verwendet.The battery cell has several anodes and cathodes, which in particular form the electrodes of the battery cell. It is particularly preferred that all anodes and all cathodes are identical in construction, which simplifies production. The electrodes, i.e. the anodes and the cathodes, are designed to be flat and in particular essentially rectangular. The anodes and cathodes each expediently have a carrier, which is also referred to as an arrester. In particular, the respective carrier is formed by means of a metal foil which is coated at least in sections with a layer on one or both sides. As the metal of the carrier/conductor of the cathodes For example, aluminum is used and copper is used as the metal for the anode arrester.
Die Schicht weist hierbei eine Dicke unter 1 mm auf. Zweckmäßigerweise weisen die Träger eine Dicke unter 0,1 mm auf. Vorzugsweise weist die jeweilige Schicht ein Aktivmaterial, einen Binder und/oder ein Leitadditiv, wie Leitruß auf. Das Aktivmaterial dient zur Aufnahme von Arbeitsionen, wie Lithium-Ionen, und ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Als Aktivmaterial wird für die Kathode beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA oder LFP, und/oder für die Anode LTO oder Graphit, Si-basiert, verwendet.The layer has a thickness of less than 1 mm. The carriers expediently have a thickness of less than 0.1 mm. The respective layer preferably has an active material, a binder and/or a conductive additive, such as conductive carbon black. The active material is used to absorb working ions, such as lithium ions, and is suitable, intended and set up for this purpose. The active material used for the cathode is, for example, a lithium metal oxide, such as lithium cobalt (III) oxide (LiCoO2), NMC, for example NMC622 or NMC811, NCA or LFP, and/or LTO or graphite, Si for the anode. based, used.
Die Elektroden, also die Anoden und Kathoden, sind übereinander zu einem Zellstapel gestapelt, wobei die Stapelrichtung senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Elektroden ist, die zueinander parallel angeordnet sind. Hierbei wechseln sich die Anoden und Kathoden in der Stapelrichtung des Zellstapels ab. Zwischen benachbarten Elektroden, also zwischen jeweils einer der Anoden einer der Kathoden, ist jeweils ein Separator des Zellstapels angeordnet, der vorzugsweise ebenfalls flächig ausgestaltet. Beispielsweise sind sämtliche Separatoren zueinander baugleich. Insbesondere sind die Elektroden im Wesentlichen bündig übereinander gestapelt, wobei beispielsweise sämtliche Anoden zumindest geringfügig über die Kathoden überstehen. Somit ist eine unerwünschte Materialanlagerung an den Randbereichen der Anoden vermieden. Aufgrund der Stapelung der Elektroden ist der Zellstapel somit ebenfalls im Wesentlichen quaderförmig.The electrodes, i.e. the anodes and cathodes, are stacked one above the other to form a cell stack, the stacking direction being perpendicular to the direction of expansion of the electrodes, which are arranged parallel to one another. The anodes and cathodes alternate in the stacking direction of the cell stack. A separator of the cell stack is arranged between adjacent electrodes, that is to say between one of the anodes and one of the cathodes, which is preferably also designed to be flat. For example, all separators are identical to one another. In particular, the electrodes are stacked essentially flush one above the other, with all anodes, for example, protruding at least slightly beyond the cathodes. This avoids undesirable material accumulation on the edge regions of the anodes. Due to the stacking of the electrodes, the cell stack is also essentially cuboid-shaped.
Die Batteriezelle weist ferner ein Band auf, mittels dessen der Zellstapel umfangsseitig vollständig kraftschlüssigen umschlungen ist. Mit anderen Worten liegt das Band kraftschlüssige an dem Zellstapel an, wobei zum Beispiel mittels des Bands eine Kraft auf den Zellstapel ausgeübt wird. Alternativ hierzu liegt das Band zumindest flächig an dem Zellstapel an, wobei zumindest ein Ausbilden von Falten oder dergleichen in dem Band aufgrund der kraftschlüssigen Anlage ausgeschlossen ist. Das Band ist zweckmäßigerweise flächig ausgestaltet und umgibt den Zellstapel umfangsseitig vollständig. Somit ist das Band im Wesentlichen banderolenförmig oder hohlzylindrisch ausgestaltet. Insbesondere reicht hierbei das Band um die Enden des Zellstapels in Stapelrichtung, und um zwei senkrecht zur Stapelrichtung gegenüberliegende Seiten des Zellstapels. Die anderen beiden gegenüberliegenden Seiten des quaderförmigen Zellstapels sind insbesondere frei von dem Band. Auf diese Weise ist eine Montage und/oder Anordnung des Bands vereinfacht. Zusammenfassend ist mittels des Bands der Zellstapel einmal außenseitig umgeben. Vorzugsweise liegt das Band mechanisch direkt an dem Zellstapel an, sodass zwischen dem Band und dem Zellstapel keine weiteren Bauteile vorhanden sind.The battery cell also has a band by means of which the cell stack is completely wrapped around the circumference in a non-positive manner. In other words, the band lies non-positively against the cell stack, with a force being exerted on the cell stack, for example, by means of the band. Alternatively, the band lies at least flat against the cell stack, with at least the formation of folds or the like in the band being ruled out due to the force-fitting contact. The band is expediently designed to be flat and completely surrounds the cell stack on the circumference. The band is therefore essentially band-shaped or hollow cylindrical. In particular, the band extends around the ends of the cell stack in the stacking direction, and around two sides of the cell stack that are opposite perpendicular to the stacking direction. The other two opposite sides of the cuboid cell stack are in particular free of the band. In this way, assembly and/or arrangement of the band is simplified. In summary, the cell stack is surrounded on the outside by means of the band. Preferably, the band lies mechanically directly against the cell stack, so that no further components are present between the band and the cell stack.
Aufgrund des Bandes wird der Zellstapel, also die Anoden, Kathoden und Separatoren zueinander stabilisiert, wobei aufgrund der kraftschlüssigen Anlage einerseits ein ungewolltes Ablösen des Bandes von dem Zellstapel unterbunden ist. Andererseits werden auf diese Weise die Anoden und Kathoden sowie Separatoren geeignet zueinander ausgerichtet. Somit ist eine Herstellung vereinfacht. Hierbei ist unter Beibehaltung der Robustheit auch das Ausbilden eines vergleichsweise großen Zellstapels in Stapelrichtung möglich, weswegen eine Energiedichte oder zumindest Kapazität der Batteriezelle vergrößert ist. Auch erfolgt das Ausrichten sowie aneinander Befestigen mittels des Bandes in einem Arbeitsschritt, weswegen eine Herstellungszeit und -kosten reduziert sind. Dabei hierfür lediglich vergleichsweise wenige Bauteile erforderlich sind, sind Materialkosten reduziert. Aufgrund des vollständigen Umschlingens des Zellstapels mittels des Bandes erfolgt eine großflächige Ausübung von Kraft auf diesen mittels des Bandes. Mit anderen Worten ist ein lokale Kraftaufbringung verhindert, die anderweitig zu einer übermäßigen einseitigen Belastung des Zellstapels oder einer ungewünschten Verformung des Zellstapels führen würde. Somit ist der Zellstapel nicht einseitig geschwächt, und eine Betriebssicherheit ist erhöht. Zudem ist es auf diese Weise möglich, die Anoden und Kathoden sowie Separatoren jeweils abwechselnd übereinander anzuordnen, und es nicht erforderlich, von dieser Anordnung abzuweichen. Mit anderen Worten sind insbesondere keine zusätzliche Stabilisierungsbauteile erforderlich. Somit ist eine Energiedichte der Batteriezelle erhöht, wobei der Zellstapel eine vergleichsweise große Anzahl an Anoden und Kathoden aufweisen kann.Due to the band, the cell stack, i.e. the anodes, cathodes and separators, is stabilized relative to one another, with the force-fitting system preventing any unwanted detachment of the band from the cell stack. On the other hand, in this way the anodes and cathodes as well as separators are suitably aligned with one another. Production is therefore simplified. While maintaining robustness, it is also possible to form a comparatively large cell stack in the stacking direction, which is why the energy density or at least capacity of the battery cell is increased. The alignment and fastening to one another using the band is also carried out in one work step, which is why production time and costs are reduced. Since only comparatively few components are required, material costs are reduced. Because the band completely wraps around the cell stack, force is exerted over a large area on the cell stack by means of the band. In other words, a local application of force is prevented, which would otherwise lead to excessive one-sided loading of the cell stack or an undesirable deformation of the cell stack. The cell stack is therefore not weakened on one side and operational reliability is increased. In addition, it is possible in this way to arrange the anodes and cathodes as well as separators alternately one above the other, and it is not necessary to deviate from this arrangement. In other words, no additional stabilization components are required. The energy density of the battery cell is therefore increased, and the cell stack can have a comparatively large number of anodes and cathodes.
Beispielsweise ist das Band unelastisch ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist das Band zumindest teilweise nach Art eines Kompressionsbands ausgestalteten und hierfür zum Beispiel zumindest geringfügig elastisch verformbar. Mittels der elastischen Verformung erfolgt insbesondere die kraftschlüssige Anlage an dem Zellstapel, sodass dieser vergleichsweise sicher stabilisiert wird, wobei keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Auch ist auf diese Weise ein Toleranzausgleich geben. Insbesondere weist die Batteriezelle oder der Zellstapel keine weiteren Bestandeile auf, mittels derer die Anoden, Kathoden sowie Separatoren zueinander stabilisiert sind. Infolgedessen sind Materialkosten reduziert. Vorzugsweise ist der Zellstapel frei von Klebestreifen.For example, the band is designed to be inelastic. Particularly preferably, however, the band is at least partially designed in the manner of a compression band and for this purpose, for example, is at least slightly elastically deformable. By means of the elastic deformation, in particular, the force-fitting contact with the cell stack takes place, so that it is stabilized comparatively safely, with no additional components being required. In this way, tolerance compensation can also be achieved. In particular, the battery cell or the cell stack has no further components by means of which the anodes, cathodes and separators are stabilized relative to one another. As a result, material costs are reduced. The cell stack is preferably free of adhesive strips.
Die Batteriezelle umfasst zweckmäßigerweise ein Gehäuse, innerhalb dessen der Zellstapel angeordnet ist. Zweckmäßigerweise liegt das Band mit dessen Außenseite an dem Gehäuse an, sodass der Zellstapel mittels über das Band mittels des Gehäuses weiter stabilisiert ist. Aufgrund der direkten Anlage ist hierbei eine Energiedichte in der Batteriezelle weiter erhöht.The battery cell expediently comprises a housing within which the cell stack is arranged. The band is conveniently located with its outside on the housing, so that the cell stack is further stabilized by means of the band by means of the housing. Due to the direct system, the energy density in the battery cell is further increased.
Insbesondere ist das Gehäuse elektrolytdicht ausgestaltet, sodass innerhalb dessen ein etwaiger Elektrolyt der Batteriezelle sicher gehalten ist. Vorzugsweise weist das Gehäuse einen oder zwei Durchbrüche auf, durch die jeweils ein Anschluss geführt ist, wobei der Bereich zwischen den Anschlüssen und den Rand des jeweiligen Durchbruchs zweckmäßigerweise ebenfalls fluiddicht ausgestaltet ist. Vorzugsweise ist einer der Anschlüsse mit zumindest einer der Anoden und der andere mit einer der Kathoden elektrisch kontaktiert, sodass über die Anschlüsse eine Einspeisung von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus dem Zellstapel von außerhalb des Gehäuses ermöglicht ist. Zum Beispiel ist das Gehäuse starr ausgestaltet und beispielsweise zylinder- oder quaderförmig. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle um eine prismatische (Batterie-)Zelle. Vorzugsweise ist hierbei das Gehäuse aus einem Aluminium gefertigt. Alternativ hierzu ist das Gehäuse zum Beispiel aus einer Folie gefertigt, und die Batteriezelle ist als sogenannte Pouchzelle ausgestaltet. Zweckmäßigerweise wird hierbei als Folie eine beschichtete Metallfolie herangezogen.In particular, the housing is designed to be electrolyte-tight, so that any electrolyte in the battery cell is securely held within it. The housing preferably has one or two openings through which a connection is guided, the area between the connections and the edge of the respective opening also expediently being designed to be fluid-tight. Preferably, one of the connections is electrically contacted with at least one of the anodes and the other with one of the cathodes, so that the connections allow electrical energy to be fed in and/or electrical energy to be withdrawn from the cell stack from outside the housing. For example, the housing is designed to be rigid and, for example, cylindrical or cuboid-shaped. In other words, the battery cell is a prismatic (battery) cell. The housing is preferably made of aluminum. Alternatively, the housing is made of a film, for example, and the battery cell is designed as a so-called pouch cell. A coated metal foil is expediently used as the foil.
Beispielsweise sind mittels des Bandes die Enden des Zellstapels in der Stapelrichtung lediglich teilweise abgedeckt. Besonders bevorzugt jedoch ist das Band derart ausgestaltet, dass die beiden Enden des Zellstapels in der Stapelrichtung jeweils vollflächig mittels des Bandes abgedeckt sind. Insbesondere ist hierbei das Band bündig mit dem Zellstapel angeordnet. Folglich ist die Breite des Bands gleich der Breite der Anoden, Kathoden oder Separatoren. Somit wird mittels des Bandes auf eine vergleichsweise große Fläche des Zellstapels eine Kraft aufgrund der kraftschlüssigen Audioanlage ausgeübt, was zu einer weiteren Vergleichmäßigung führt. Auch ist somit ein Verschieben der Anoden/Kathoden/Separatoren untereinander vermieden. Ferner ist es somit mittels des Bandes möglich, die Anoden, Kathoden und Separatoren mit einer vergleichsweise großen Kraft aufeinander zu pressen, weswegen eine Energiedichte erhöht ist. Auch erfolgt auf diese Weise eine verbesserte elektrische Kontaktierung dieser untereinander.For example, the ends of the cell stack are only partially covered in the stacking direction by means of the band. However, the band is particularly preferably designed in such a way that the two ends of the cell stack are covered over their entire surface in the stacking direction by means of the band. In particular, the band is arranged flush with the cell stack. Consequently, the width of the band is equal to the width of the anodes, cathodes or separators. Thus, a force due to the non-positive audio system is exerted on a comparatively large area of the cell stack by means of the band, which leads to further equalization. This also prevents the anodes/cathodes/separators from moving among themselves. Furthermore, using the band it is possible to press the anodes, cathodes and separators together with a comparatively large force, which is why the energy density is increased. This also results in improved electrical contact between them.
Beispielsweise weist der Zellstapel genauso viele Anoden wie Kathoden auf. Besonders bevorzugt jedoch weist der Zellstapel eine Anode mehr als Kathoden auf, sodass jedes Ende des Zellstapels in der Stapelrichtung mittels jeweils einer der Anoden gebildet ist. Aufgrund der zusätzlichen Anode ist eine Energiedichte der Batteriezelle weiter erhöht. Auch ist hierbei kein zusätzliches Separator erforderlich, mittels dessen die Anoden abgedeckt ist, da dies durch das Bands erfolgt. Somit sind Material- und Herstellungskosten weiter reduziert.For example, the cell stack has as many anodes as cathodes. However, the cell stack particularly preferably has one more anode than cathodes, so that each end of the cell stack is formed in the stacking direction by means of one of the anodes. Due to the additional anode, the energy density of the battery cell is further increased. There is also no need for an additional separator to cover the anodes, as this is done by the bands. Material and manufacturing costs are therefore further reduced.
Beispielsweise sind die Anoden und Kathoden sowie Separatoren zueinander separat und werden zu dem Zellstapel aufeinandergestapelt. Mit anderen Worten werden einzelne Blätter zur Erstellung des Zellstapels verwendet. Alternativ hierzu sind beispielsweise sämtliche Separatoren mittels eines gemeinsamen Separatorbandes gebildet, das mehrmals Z-förmig gefaltet ist. In die einzelnen Falten sind hierbei beispielsweise die Anoden und Kathoden eingelegt, die blattförmig ausgestaltet sind. Alternativ ist das Separatorband mit den Anoden und/oder Kathoden beschichtet. Mittels des Bandes, das um das Z-förmig gefaltete Separatorband mit den Elektroden geschlungen ist, wird insbesondere ein Abrollen des auf diese Weise gebildeten Zellstapels verhindert. Alternativ hierzu weist der Zellstapel mehrere Teilstapel auf, wobei jedem der Teilstapel ein Separatorband zugeordnet ist, dass Z-förmigen gefaltet ist. Hierbei sind die einzelnen Teilstapel jeweils mittels eines jeweiligen Bandes stabilisiert oder mittels anderer Bauteile. Die Teilstapel sind übereinander zu dem Zellstapels gestapelt, wobei die Stabilisierung der Teilstapel zueinander mittels des Bandes erfolgt, mittels dessen somit die Teilstapel umschlungen sind.For example, the anodes and cathodes as well as separators are separate from one another and are stacked on top of each other to form the cell stack. In other words, individual sheets are used to create the cell stack. Alternatively, for example, all separators are formed by means of a common separator belt that is folded several times in a Z shape. For example, the anodes and cathodes, which are designed in a leaf shape, are inserted into the individual folds. Alternatively, the separator belt is coated with the anodes and/or cathodes. By means of the band, which is wrapped around the Z-shaped folded separator band with the electrodes, the cell stack formed in this way is prevented from rolling off. Alternatively, the cell stack has several sub-stacks, with each of the sub-stacks being assigned a separator belt that is folded in a Z-shape. The individual partial stacks are each stabilized by means of a respective band or by means of other components. The partial stacks are stacked one above the other to form the cell stack, with the partial stacks being stabilized relative to one another by means of the band, by means of which the partial stacks are wrapped around.
Besonders bevorzugt jedoch weist der Zellstapel mehrere übereinandergestapelte Monozellen auf, wobei jede der Monozellen aus einer der Anoden, einer der Kathoden und zwei der Separatoren besteht. Jede der Monozellen bildet hierbei insbesondere ein galvanisches Element, und die Monozellen sind vorzugsweise zueinander baugleich. Vorzugsweise sind hierbei die Anode, die Kathode sowie die Separatoren jeder Monozelle aneinander befestigt, beispielsweise mittels Laminierens oder Klebens. Mit anderen Worten ist jede der Monozellen insbesondere stabil ausgestaltet. Aufgrund der Verwendung von Monozellen ist einerseits ein Herstellen des Zellstapels vereinfacht. Andererseits ist auf diese Weise der Zellstapel bereits teilweise stabilisiert, und mittels des Bandes werden die Monozellen zueinander ausgerichtet und zueinander stabilisiert. Folglich ist eine Herstellung weiter vereinfacht. Auch ist es auf diese Weise möglich, die Monozellen unabhängig von der Batteriezelle zu fertigen. Aus den Monozellen wird dann die für die jeweilige Batteriezelle gewünschte Anzahl an Monozellen ausgewählt. Somit ist eine Herstellung weiter vereinfacht. Beispielsweise ist der Zellstapel lediglich mittels der Monozellen gebildet, oder besonders bevorzugt weist der Zellstapel lediglich die Monozellen sowie eine zusätzliche Anode auf, sodass die Enden des Zellstapels in der Stapelrichtung mittels jeweils einer der Anoden gebildet sind.However, the cell stack particularly preferably has a plurality of monocells stacked one on top of the other, each of the monocells consisting of one of the anodes, one of the cathodes and two of the separators. Each of the monocells forms in particular a galvanic element, and the monocells are preferably identical to one another. Preferably, the anode, the cathode and the separators of each monocell are attached to one another, for example by lamination or gluing. In other words, each of the monocells is designed to be particularly stable. On the one hand, due to the use of monocells, producing the cell stack is simplified. On the other hand, the cell stack is already partially stabilized in this way, and the monocells are aligned with one another and stabilized with respect to one another by means of the band. Consequently, manufacturing is further simplified. In this way it is also possible to manufacture the mono cells independently of the battery cell. The number of monocells desired for the respective battery cell is then selected from the monocells. Production is therefore further simplified. For example, the cell stack is formed only by means of the monocells, or particularly preferably the cell stack only has the monocells and an additional anode, so that the ends of the cell stack in the stacking direction are each formed by one of the anodes.
Insbesondere ist das Band flächig ausgestaltet und weist zweckmäßigerweise eine Dicke zwischen 2 mm und 0,1 mm oder zwischen 1 mm und 0,5 mm auf. Somit ist ein Platzbedarf verringert, wobei dennoch eine Robustheit gegeben ist. Besonders bevorzugt ist das Band aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Auf diese Weise ist es möglich, den Zellstapel über das Band an weiteren Bestandteilen der Batteriezelle anzulegen, wobei mittels des Bandes ein elektrischer Kurzschluss unterbunden ist. Insbesondere ist liegt hierbei im Montagezustand das Band an einer Innenseite des etwaigen Gehäuses der Batteriezelle mechanisch direkt an, weswegen Herstellungskosten reduziert und eine Energiedichte erhöht ist. Zusammenfassend wirkt das Band zusätzlich als elektrischer Isolator, sodass eine Sicherheit erhöht ist.In particular, the band is designed to be flat and expediently has a thickness between 2 mm and 0.1 mm or between 1 mm and 0.5 mm. This means that the space requirement is reduced, while still maintaining robustness. The band is particularly preferably made of an electrically insulating material. In this way, it is possible to attach the cell stack to other components of the battery cell via the band, with the band preventing an electrical short circuit. In particular, in the assembled state, the band lies mechanically directly on an inside of any housing of the battery cell, which is why manufacturing costs are reduced and energy density is increased. In summary, the tape also acts as an electrical insulator, so that safety is increased.
Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu ist das Material elektrolytdurchlässig, also insbesondere durchlässig für den jeweils verwendeten Elektrolyten. Somit wird mittels des Bandes die Funktion der galvanischen Elemente nicht beeinträchtigt. Zusammenfassend wird eine Kapazität des Zellstapels oder ein innerer Widerstand mittels des Bandes nicht verändert, somit ist eine Konstruktion vereinfacht und ein Einsatzbereich vergrößert.Alternatively or particularly preferably in combination with this, the material is permeable to electrolytes, i.e. in particular permeable to the electrolyte used in each case. This means that the function of the galvanic elements is not affected by the band. In summary, a capacity of the cell stack or an internal resistance is not changed by means of the band, thus a construction is simplified and a range of use is increased.
Besonders bevorzugt wird als Material des Bandes das gleiche Material wendet, aus dem auch die Separatoren erstellt sind. Somit ist die Anzahl unterschiedlicher Materialien begrenzt, weswegen unerwünschte chemische Reaktionen vermieden werden. Auch sind Herstellungskosten reduziert. Besonders bevorzugt ist dabei das Band dicker als die Separatoren ausgestaltet. Auf diese Weise ist ein Montage des Bandes vereinfacht und eine Robustheit erhöht. Vorzugsweise wird als Material ein Polyethylen (PE) oder ein Polypropylen (PP) verwendet. Somit sind Materialkosten der Batteriezelle weiter verringert.Particularly preferably, the material used for the band is the same material from which the separators are made. This means that the number of different materials is limited, which is why undesirable chemical reactions are avoided. Manufacturing costs are also reduced. The band is particularly preferably designed to be thicker than the separators. In this way, assembly of the band is simplified and robustness is increased. The material used is preferably polyethylene (PE) or polypropylene (PP). This means that material costs for the battery cell are further reduced.
Besonders bevorzugt weist das Material, aus dem das Band gefertigt ist, ein Quellverhalten auf, sodass dessen Volumen sich insbesondere vergrößert, wenn das Band einem Elektrolyten oder einer sonstigen Flüssigkeit ausgesetzt ist. Aufgrund des Aufquellens wird ein Kraftschluss zu dem Zellstapel vergrößert. Beispielsweise erfolgt hierbei lediglich aufgrund des Aufquellens die kraftschlüssige Verbindung, weswegen eine Montage vereinfacht ist. Zumindest jedoch wird aufgrund des Aufquellens die Kraftschluss verbessert. Somit ist ein Ablösen der einzelnen Bestandteile des Zellstapels mittels des Bandes sicher verhindert.Particularly preferably, the material from which the band is made has a swelling behavior, so that its volume increases in particular when the band is exposed to an electrolyte or another liquid. Due to the swelling, a force connection to the cell stack is increased. For example, the frictional connection only occurs due to the swelling, which is why assembly is simplified. However, at least the adhesion is improved due to the swelling. This means that the individual components of the cell stack are reliably prevented from becoming detached by means of the band.
Beispielsweise ist das Band einstückig erstellt, und der Zellstapel wird in diesen eingeschoben. Besonders bevorzugt jedoch sind die beiden Enden des Bandes zunächst getrennt und werden erst bei Montage aneinandergefügt. Zum Beispiel liegen diese auf Stoß aneinander an und sind entsprechend aneinander befestigt, beispielsweise mittels Schweißens. Besonders bevorzugt jedoch überlappen die beiden Enden jedoch, weswegen die Verbindung eine höhere Robustheit aufweist. Zweckmäßigerweise ist hierbei die Fläche des Überlapps gleich der Größe der Seite, auf der sich der Überlapp befindet, sodass aufgrund des Überlapps keine Stufe vorhanden ist. For example, the band is made in one piece and the cell stack is inserted into it. However, it is particularly preferred that the two ends of the band are initially separated and are only joined together during assembly. For example, these abut one another and are appropriately fastened to one another, for example by welding. However, it is particularly preferred that the two ends overlap, which is why the connection is more robust. Conveniently, the area of the overlap is equal to the size of the side on which the overlap is located, so that there is no step due to the overlap.
Auf diese Weise ist mittels des Bandes ein gleichmäßiges Aufbringung der Kraft auf den Zellstapel ermöglicht und eine punktuelle Überbelastung ist vermieden. Besonders bevorzugt befindet sich hierbei der Überlapp an einem der Enden des Zellstapels in Stapelrichtung. Auf diese Weise erfolgt bei einem Befestigen der beiden Enden des Bandes aneinander ein Aufbringen von Kraft auf den Zellstapel in Stapelrichtung, und ein Verschieben der Anoden/Kathoden und Separatoren wird auf diese Weise vermieden. Auch wird auf diese Weise eine Kompaktheit des Zellstapels erhöht. Alternativ hierzu ist der Überlapp auf einer hierzu senkrechten Seitenflächen des Zellstapels angeordnet.In this way, the band enables the force to be applied evenly to the cell stack and localized overloading is avoided. The overlap is particularly preferably located at one of the ends of the cell stack in the stacking direction. In this way, when the two ends of the band are fastened to one another, force is applied to the cell stack in the stacking direction, and displacement of the anodes/cathodes and separators is avoided in this way. This also increases the compactness of the cell stack. Alternatively, the overlap is arranged on a perpendicular side surface of the cell stack.
Beispielsweise erfolgt das Verbindende der beiden Enden des Bandes im Bereich des Überlapps mittels Schweißens. Besonders bevorzugt jedoch sind die beiden Enden des Bandes mittels Klebstoffs aneinander befestigt, insbesondere ist der Klebstoff hierbei entlang des vollständigen Überlapps aufgebracht. Aufgrund des Überlapps ist eine auf die Enden des Bandes aufgrund des Kraftschlusses mit dem Zellstapel wirkende Kraft vergleichmäßigt, sodass ein Ablösen der beiden Enden auch bei einem vergleichsweise schwachen Klebstoff vermieden ist. Mit anderen Worten ist es möglich, einen vergleichsweise schwach haftenden Klebstoff zu verwenden, wobei aufgrund des großen Überlapps und der großen Klebefläche dennoch eine sichere Verbindung der beiden Enden aneinander erfolgt. Aufgrund des vergleichsweise schwachhaftenden Klebstoffs sind jedoch Materialkosten reduziert. Auch ist beispielsweise eine Demontage oder Korrektur des Bandes auf diese Weise möglich. Zum Beispiel ist lediglich im Bereich des Überlapps der Klebstoff vorhanden, weswegen Materialkosten reduziert sind. Alternativ hierzu ist das Band innenseitig vollständig mittels Klebstoffs versehen, sodass das Band auch an dem Zellstapel festgeklebt ist. Auf diese Weise ist eine Robustheit weiter erhöht. Alternativ hierzu ist die Innenseite des Bandes lediglich punktuell oder streifenartig mit dem Klebstoff versehen. Somit ist ein Materialbedarf verringert, wobei dennoch eine Robustheit erhöht ist.For example, the two ends of the band are connected in the area of the overlap by welding. However, it is particularly preferred that the two ends of the band are attached to one another using adhesive, in particular the adhesive is applied along the complete overlap. Due to the overlap, a force acting on the ends of the band due to the frictional connection with the cell stack is evened out, so that the two ends are prevented from becoming detached, even with a comparatively weak adhesive. In other words, it is possible to use an adhesive with a comparatively weak adhesion, but the two ends are still securely connected to one another due to the large overlap and the large adhesive surface. However, due to the comparatively weak adhesive, material costs are reduced. It is also possible, for example, to dismantle or correct the band in this way. For example, the adhesive is only present in the area of the overlap, which is why material costs are reduced. Alternatively, the inside of the band is completely provided with adhesive, so that the band is also stuck to the cell stack. In this way, robustness is further increased. Alternatively, the inside of the tape is only provided with the adhesive in spots or strips. Material requirements are therefore reduced, while robustness is nevertheless increased.
Besonders bevorzugt stehen die Separatoren randseitig über die Anoden und Kathoden über. Auf diese Weise ist eine Kurzschluss zwischen den Anoden und Kathoden mittels der Separatoren und verbunden. Zweckmäßigerweise sind die Enden der Separatoren mittels des Bandes in Stapelrichtung umgebogen. Somit liegt das Band hauptsächlich an den Separatoren an, und über diese erfolgt der Kraftschluss, weswegen eine auf die Anoden oder Kathoden wirkende Belastung verringert ist. Insbesondere sind die Separatoren endseitig parallel zur Stapelrichtung umgebogen, sodass die Separatoren randseitig eine 90° Umbiegung aufweisen. Besonders bevorzugt sind dabei die gegenüberliegenden Ränder jedes Separators in die gleiche Richtung umgebogen, sodass jeder Separator im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist. Folglich ist eine somit ist eine Stabilität erhöht und eine Fertigung vereinfacht. Aufgrund des Umbiegen bilden die Separatoren teilweise die Seiten des Zellstapels und mittels dieser ist sind die Anoden und Kathoden von dem Band zumindest teilweise abgetrennt. Besonders bevorzugt sind die Separatoren derart umgebogen, dass jeweils benachbarte Separatoren aneinander anliegen. Somit werden zumindest die mittleren Anoden und Kathoden mittels der Separatoren auch randseitig umschlungen, weswegen einerseits ein Eindringen von Fremdpartikeln dort vermieden ist. Auch ist auf diese Weise ein Kurzschluss verhindert. Somit ist es beispielsweise möglich, das Band aus einem elektrisch leitfähigen Material zu fertigen, wobei aufgrund der umgebogenen Separatoren ein elektrischer Kurzschluss mit den Anoden und Kathoden vermieden ist.The separators particularly preferably protrude over the edges of the anodes and cathodes. In this way, a short circuit is created between the anodes and cathodes by means of the separators and connected. The ends of the separators are expediently bent in the stacking direction using the band. The band therefore rests mainly on the separators, and the force connection takes place via these, which is why the load acting on the anodes or cathodes is reduced. In particular, the ends of the separators are bent parallel to the stacking direction, so that the separators have a 90° bend on the edge. Particularly preferably, the opposite edges of each separator are bent in the same direction, so that each separator is essentially U-shaped. Consequently, stability is increased and production is simplified. Due to the bending, the separators partially form the sides of the cell stack and by means of this the anodes and cathodes are at least partially separated from the band. The separators are particularly preferably bent in such a way that adjacent separators rest against one another. This means that at least the middle anodes and cathodes are also wrapped around the edges by means of the separators, which is why, on the one hand, penetration of foreign particles is avoided there. This also prevents a short circuit. It is therefore possible, for example, to manufacture the band from an electrically conductive material, with an electrical short circuit to the anodes and cathodes being avoided due to the bent separators.
Das Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit einem Zellstapel, der mehrere in einer Stapelrichtung abwechselnd übereinander gestapelte Anoden und Kathoden aufweist, zwischen denen jeweils ein Separator angeordnet ist, und der umfangsseitig vollständig kraftschlüssig mit einem Band umschlungen ist sieht vor, dass das Band zunächst flächig bereitgestellt wird. Mit anderen Worten ist das Band derart positioniert, dass mittels dessen eine Fläche überdeckt ist. Insbesondere ist das Band hierbei der im Wesentlichen lediglich in einer flachen Ebene und somit im Wesentlichen zweidimensional angeordnet. Vorzugsweise weist hierbei das Band keine Falten oder sonstige Unebenheiten auf.The method for producing a battery cell with a cell stack, which has a plurality of anodes and cathodes stacked alternately one on top of the other in a stacking direction, between each of which a separator is arranged, and which is completely non-positively wrapped around the circumference with a band, provides that the band is initially provided flat becomes. In other words, the band is positioned in such a way that it covers an area. In particular, the band is essentially arranged only in a flat plane and thus essentially two-dimensionally. The band preferably has no wrinkles or other unevenness.
In einem weiteren Arbeitsschritt wird auf dem Band der Zellstapel, der die in der Stapelrichtung abwechselnd übereinandergestapelte Anoden und Kathoden aufweist, zwischen denen jeweils einer der Separatoren angeordnet ist, gestapelt. Mit anderen Worten wird der Zellstapel auf dem Band angeordnet. Beispielsweise ist hierbei der Zellstapel bereits vorgefertigt und steht als Einheit bereit. Alternativ hierzu werden die einzelnen Bestandteile des Zellstapels auf das Band geschichtet, sodass der Zellstapel erstellt wird. Insbesondere ist die Stapelrichtung senkrecht zu der Ebene, in der das Band flächig bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird eines der Enden des Zellstapels in der Stapelrichtung auf dem Band aufgelegt und die weiteren Bestandteile des Zellstapels haben (zunächst) keinen Kontakt mit dem Band. Besonders bevorzugt erfolgt das Stapeln des Zellstapels hierbei derart, dass zunächst eine Anode auf dem Band angeordnet wird, insbesondere mechanisch direkt. Besonders bevorzugt wird das andere Ende des Zellstapels ebenfalls mittels einer Anode gebildet.In a further step, the cell stack, which has the anodes and cathodes stacked alternately one on top of the other in the stacking direction, between which one of the separators is arranged, is stacked on the belt. In other words, the cell stack is arranged on the belt. For example, the cell stack is already prefabricated and is available as a unit. Alternatively, the individual components of the cell stack are layered onto the belt to create the cell stack. In particular, the stacking direction is perpendicular to the plane in which the strip is provided flat. In other words, one of the ends of the cell stack is placed on the belt in the stacking direction and the other components of the cell stack (initially) have no contact with the belt. The cell stack is particularly preferably stacked in such a way that an anode is first arranged on the belt, in particular mechanically directly. Particularly preferably, the other end of the cell stack is also formed by means of an anode.
Zum Stapeln werden beispielsweise die einzelnen Bestandteile, sofern der Zellstapel noch nicht vorgefertigt ist, also beispielsweise die Anoden, Kathoden und Separatoren, einzelnen auf das Band gestapelt, oder diese liegen bereits teilweise zu Monozellen zusammengefasst vor, die somit auf dem Band angeordnet werden. Zum Beispiel wird, sofern Monozelle verwendet werden, zunächst eine einzelne Anode auf dem Band angeordnet, auf die anschließend die Monozelle gestapelt werden. In einer Alternative hierzu werden beispielsweise direkt die Monozelle auf das Band gestapelt, und abschließend eine einzelne Anode auf eine der Monozellen aufgelegt, welche somit das gegenüberliegende Ende des Zellstapels in Stapelrichtung bildet.For stacking, for example, if the cell stack is not yet prefabricated, the individual components, for example the anodes, cathodes and separators, are stacked individually on the belt, or these are already partially combined to form monocells, which are thus arranged on the belt. For example, if mono cells are used, a single anode is first arranged on the strip, onto which the mono cells are then stacked. In an alternative to this, for example, the monocells are stacked directly onto the strip, and finally a single anode is placed on one of the monocells, which thus forms the opposite end of the cell stack in the stacking direction.
Insbesondere erfolgt hierbei das Stapeln des Zellstapels oder zumindest einiger Bestandteile des Zellstapels auf dem Band derart, dass dieses an gegenüberliegenden Seiten bündig mit einer jeweils zugeordneten Kanten des Bandes ist. Mit anderen Worten weist der Zellstapel oder zumindest ein Teil des Zellstapels die gleiche Breite wie das Band auf. Somit erfolgt kein Verkippen des Zellstapels aufgrund einer Unebenheit, die aufgrund einer verkürzten Breite des Bandes bedingt würde. Besonders bevorzugt wird der Zellstapel im Wesentlichen mittig zwischen den Enden des flächig ausgestreckten Bandes angeordnet. Somit ist eine Positionierung und spätere Weiterverarbeitung erleichtert.In particular, the cell stack or at least some components of the cell stack are stacked on the belt in such a way that it is flush on opposite sides with a respective assigned edge of the belt. In other words, the cell stack or at least part of the cell stack has the same width as the band. This means that the cell stack does not tilt due to unevenness, which would be caused by a shortened width of the belt. Particularly preferably, the cell stack is arranged essentially centrally between the ends of the flatly stretched band. This makes positioning and later further processing easier.
In einem anschließenden Arbeitsschritt wird das Band um den Zellstapel umfangsseitig kraftschlüssige geschlungen. Mittels des Bandes ist anschließend der Zellstapel vollständig umfangsseitig umgeben. Hierbei wird das Band beispielsweise gebogen oder an den Kanten des Zellstapels geknickt. Vorzugsweise erfolgt das Biegen/Knicken mittels einer entsprechenden Vorrichtung, mittels derer beispielsweise auch ein Drehen des Zellstapels und/oder ein Abtransport der Batteriezelle erfolgt. Besonders bevorzugt werden hierbei die Enden des Bandes aneinander befestigt, sodass mittels des Bandes der Zellstapel kraftschlüssig gehalten ist. Vorzugsweise erfolgt ein Verkleben des Bandes, und beim Kleben oder der sonstigen Befestigung der beiden Enden aneinander wird insbesondere über das Band auf den Zellstapel eine Kraft in Stapelrichtung ausgeübt. Somit wird der der Zellstapel in dem Arbeitsschritt, in dem das Band verklebt/ die Enden aneinander befestigt werden, zusätzlich kompaktiert. Somit ist eine Herstellungszeit verkürzt. Vorzugsweise wird das Band mit dem Zellstapel nachfolgend in einem Gehäuse angeordnet, das beispielsweise aus einem Aluminium gefertigt ist.In a subsequent step, the band is wrapped around the circumference of the cell stack in a force-fitting manner. The band then completely surrounds the cell stack on the circumference. Here, the band is, for example, bent or folded at the edges of the cell stack. The bending/folding is preferably carried out using a corresponding device, by means of which, for example, the cell stack is also rotated and/or the battery cell is transported away. Particularly preferably, the ends of the band are fastened to one another so that the cell stack is held in a force-fitting manner by means of the band. Preferably, the band is glued, and when the two ends are glued or otherwise fastened to one another, the band is particularly attached to the cell stack Force exerted in stacking direction. This means that the cell stack is additionally compacted in the step in which the band is glued/the ends are attached to one another. Manufacturing time is therefore shortened. Preferably, the band with the cell stack is subsequently arranged in a housing which is made, for example, from aluminum.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbund derartiger Batteriezellen, wobei der Verbund vorzugsweise ein Batteriemodul oder eine Hochvoltbatterie ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen (PKW), mit einer derartigen Batteriezelle, insbesondere einem derartigen Verbund. Die Batteriezelle wird vorzugsweise zur Bestromung eines Hauptantriebs des Kraftfahrzeugs verwendet.The invention further relates to a composite of such battery cells, the composite preferably being a battery module or a high-voltage battery. The invention further relates to a motor vehicle, such as a passenger car, with such a battery cell, in particular such a composite. The battery cell is preferably used to power a main drive of the motor vehicle.
Die im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren / den Verbund / das Kraftfahrzeug sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.The advantages and developments described in connection with the battery cell can also be applied analogously to the process/the network/the motor vehicle and to each other and vice versa.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das mehrere baugleiche Batteriezellen aufweist, -
2 schematisch in einer Schnittdarstellung eine der Batteriezellen, -
3 ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle, -
4 -7 die Batteriezelle in unterschiedlichen Stadien der Herstellung, und -
8-10 jeweils gemäß2 weitere Varianten der Batteriezelle.
-
1 schematically simplified a motor vehicle that has several identical battery cells, -
2 schematically in a sectional view of one of the battery cells, -
3 a process for producing the battery cell, -
4 -7 the battery cell in different stages of production, and -
8-10 each according to2 further variants of the battery cell.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.
In
Innerhalb des Energiespeichergehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere nicht näher dargestellte zueinander baugleiche Batteriemodule angeordnet, die jeweils mehrerer Batteriezellen 14 umfassen. Die Batteriezellen 14 jedes Batteriemoduls sind dabei zueinander teilweise elektrisch in Reihe sowie teilweise zueinander elektrisch parallel geschaltet. Ein Teil der Batteriemodule wiederum ist zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule und somit auch der Batteriezellen 14 erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit jedem der Batteriemodule und auch mit jedem der Batteriezellen 14 bereitgestellten elektrischen Spannung.Within the
In
Die Anoden 16 und die Kathoden 18 sind jeweils baugleich und weisen jeweils eine Metallfolie 24 auf, mittels derer Ableiter, der auch als Träger bezeichnet wird, gebildet ist. Bei dem Kathoden 18 wird hierbei als Metallfolie 24 eine Aluminiumfolie und bei den Anoden 16 eine Kupferfolien verwendet. Der Ableiter ist beidseitig mit einer jeweiligen Schicht beschichtet, die ein Aktivmaterial umfasst. Die Anoden 16 sind dabei in Stapelrichtung 23 übereinander bündig zueinander angeordnet, und auch die Kathoden 18 sind in Stapelrichtung 23 übereinander bündig zueinander angeordnet. Hierbei stehen die rechteckförmigen Anoden 16 randseitig über die rechteckförmigen Kathoden 18 senkrecht zur Stapelrichtung 23 über. Mit anderen Worten weisen die Anoden 16 eine größere Fläche als die Kathoden 18 auf.The
Die Separatoren 22 stehen über die Anoden 16 über und sind an zwei gegenüberliegenden Ränder in Stapelrichtung 23 umgebogen, sodass die Seiten- oder Schnittansicht der Separatoren 22 U-förmig ist. Hierbei ist der Überstand der Separatoren 22 derart gewählt, dass der umgebogenen Abschnitt bis zu dem jeweils benachbarten Separator 22 reicht. Mit anderen Worten sind die Separatoren 22 derart umgebogen, dass jeweils benachbarte Separatoren 22 aneinander anliegen. Hierbei liegen die Freienden der Separatoren 22 im Bereich eines der Knicks des jeweils benachbarten Separators 22 an diesem an.The
Der Zellstapel 20 weist mehrere Monozellen 25 auf, die mittels jeweils einer der Anoden 16, einer der Kathoden 18 sowie zweien der Separatoren 22 gebildet ist, die jeweils aneinander befestigt sind. Die Monozellen 25 sind einzelne Baueinheiten oder Module, die für zur Herstellung der Batteriezelle 14 verwendet werden. Der Zellstapel 20 weist an einem der Enden in Stapelrichtung 23 eine zusätzliche Anode 16 auf, auf die eine der Monozelle 25 gestapelt ist. Ansonsten ist der Zellstapel 20 lediglich mittels der Monozellen 25 gebildet. Somit ist jedes Ende des Zellstapels 20 in der Stapelrichtung 23 mittels jeweils einer der Anoden 16 gebildet.The
Der Zellstapel 20 ist mittels eines Bandes 26 umschlungen, das aus einem Polyethylen oder Polypropylen erstellt ist. Somit ist das Band 26 aus einem elektrisch isolierenden und elektrolytdurchlässigen Material gefertigt. Zwischen dem Band 26 und dem Zellstapel 20 ist ein Kraftschluss erstellt, und das Band 26 ist banderolen- oder hohlzylinderförmig ausgestaltet. Die Breite des Bandes 26, also dessen Ausdehnung senkrecht zu der in
An einem der Enden des Zellstapels 20 in Stapelrichtung 23 weist das Band 26 einen Überlapp 28 auf. Mittels des Überlapps 28 ist dabei dieses Ende des Zellstapels in Stapelrichtung 23 vollständig abgedeckt. Mit anderen Worten ist dieses Ende mit zwei Lagen des Bandes 26 überdeckt, wobei zwischen den beiden Lagen sich eine Schicht aus Klebstoff 30 befindet, mittels derer der Überlapp 28 stabilisiert ist. Mit anderen Worten überlappen die Enden des Bandes 26 und sind mittels Klebstoffs 30 aneinander befestigt.At one of the ends of the
Mittels des Bandes 26 wird der Zellstapel 20 stabilisiert und die Monozellen 25 aneinander sowie an der zusätzlichen Anode 16 gehalten. Aufgrund des Kraftschlusses ist ein Auflösen des Zellstapels 20 vermieden, wobei keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind. Aufgrund der vergleichsweise breiten Ausgestaltung des Bandes 26 erfolgt hierbei auch keine lokale Deformation des Zellstapels 20, und eine Leistungsfähigkeit der Batteriezellen 14 ist somit erhöht.By means of the
Die Batteriezelle 14 weist ferner ein Gehäuse 32 auf, das aus einem Aluminium erstellt ist. Das Gehäuse 32 ist starr sowie fluiddicht ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle 14 um eine prismatische Zelle. Das Gehäuse 32 ist mit einem Elektrolyten befüllt, und in das Gehäuse 32 sind nicht näher dargestellte Anschlüsse eingebracht, die mit einigen der Anoden 16 und einigen der Kathoden 18 elektrisch kontaktiert sind. Über die Anschlüsse ist dabei ein eine Entnahme oder ein Einspeisen von elektrischer Energie in den Zellstapel 20 von außerhalb des Gehäuses 32 ermöglicht.The
In
In einem sich anschließenden zweiten Arbeitsschritt 38 wird der Zellstapel 20 auf das Band 26 gestapelt. Hierfür wird zunächst die einzelne Anode 16 im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Enden des Bandes 26 auf diesem positioniert, wobei die Anode 16 parallel zum Band 26 angeordnet ist, und wobei zwei der Kanten der rechteckförmigen Anode 16 mit zweien der Kanten des Bandes 26 bündig angeordnet sind. Auf diese Anode 16 werden die Monozellen 25, mittels derer der Rest des Zellstapels 20 gebildet wird, in der Stapelrichtung 23 übereinander gestapelt.In a subsequent
In einem sich anschließenden dritten Arbeitsschritt 40 wird das Band 26, wie in der
Im Anschluss hieran wird, wie in
In
Bei der in
Bei der in
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived from this by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the individual exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 22
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 44
- Radwheel
- 66
- Antriebdrive
- 88th
- EnergiespeicherEnergy storage
- 1010
- Schnittstelleinterface
- 1212
- EnergiespeichergehäuseEnergy storage enclosure
- 1414
- BatteriezelleBattery cell
- 1616
- Anodeanode
- 1818
- Kathodecathode
- 2020
- ZellstapelCell stack
- 2222
- Separatorseparator
- 2323
- StapelrichtungStacking direction
- 2424
- Metallfoliemetal foil
- 2525
- MonozelleMonocell
- 2626
- Bandtape
- 2828
- Überlappoverlap
- 3030
- Klebstoffadhesive
- 3232
- GehäuseHousing
- 3434
- VerfahrenProceedings
- 3636
- erster Arbeitsschrittfirst step of work
- 3838
- zweiter Arbeitsschrittsecond step
- 4040
- dritter Arbeitsschrittthird step
Claims (8)
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Chair of Production Engineering of E-Mobility Componentes, RWTH Aachen University ; Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA): Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle. 2015, https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaaoqixv [online]. |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN116995351A (en) | 2023-11-03 |
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