Titel

Batteriezelle und Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Zelleneinheit, die eine elektrochemische Zellenstruktur und zwei Stromableiter bildende

Kontaktierfahnen aufweist, die über Kontaktbereiche des jeweiligen

Stromableiters mit der elektrochemischen Zellenstruktur verbunden sind, und mit einem die Zelleneinheit einhausenden Zellgehäuse, welches zwei elektrisch leitende, jedoch gegeneinander elektrisch isolierte Gehäusehälften,

insbesondere in Form von Halbschalen, aufweist, wobei an jeder der

Gehäusehälften die zumindest eine Kontaktierfahne eines der Stromableiter elektrisch kontaktierend befestigt ist.

Stand der Technik

Herkömmliche Batteriezellen, zum Beispiel prismatische Zellen oder Pouchzellen werden durch vergleichsweise aufwendige Kontaktierprozesse wie Verschrauben oder Verschweißen der Zellkontakte in den Batteriepacks miteinander zur Gesamtbatterie verbunden. Um diesen Aufwand zu minimieren und ein leichtes Austauschen einzelner Zellen im Reparatur- beziehungsweise Wartungsfall zu ermöglichen, wurde das sogenannte Nutshell-Zellformat entwickelt, bei dem das Zellgehäuse aus zwei gegeneinander elektrisch isolierten Halbschalen - ähnlich einer Knopfzelle - besteht, an die die Stromableiter des Stacks, des Zellwickels oder einer anderen Form von Zelleneinheit kontaktiert sind. Die Verschaltung im Batteriepack kann dann wie bei Knopfzellen mit geringem Aufwand durch gegenseitiges Kontaktieren der Gehäuse geschehen, zum Beispiel durch ein Aneinanderreihen beziehungsweise Stapeln zur seriellen Verschaltung.

Bekannte Konzepte zur Kontaktierung der Zellwickel/Zellstacks mit den

Gehäusehälften der Nutshell sehen vor, dass die elektrisch leitenden Folien des Stacks als Kontaktierfahnen in einer solchen Länge aus dem Stack

herausgeführt werden, dass sich der Stack beim Kontaktieren außerhalb des Gehäuses befinden kann. Die relativ langen Kontaktierfahnen werden anschließend ins Gehäuse hinein gefaltet. Häufig werden beide Kontaktierfahnen auch auf der gleichen Stackseite herausgeführt und nutzen dann nur einen kleinen Teil der Stackbreite.

Die Druckschrift DE 10 2015 201 662 AI beschreibt eine geringfügig anders aufgebaute Batteriezelle mit einer Zelleneinheit, die einen eine elektrochemische Zellenstruktur bildenden Aktivmaterialkörper und zwei Abieiter aufweist, die über jeweilige Ableiteranschlüsse mit dem Aktivmaterialkörper verbunden sind, und mit einem die Zelleneinheit einhausenden Zellgehäuse, das zwei elektrisch leitende, jedoch gegeneinander elektrisch isolierte Gehäusehälften aufweist, wobei an jeder der Gehäusehälften je einer der Abieiter elektrisch kontaktierend befestigt ist. Bei diesem Aufbau ergibt sich keine Faltung der Abieiter, da die Abieiter die Gehäusehälften an Stellen kontaktieren, die deutlich entfernt von den Ableiteranschlüssen angeordnet sind. Die Abieiter sind dabei jedoch recht lang.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Batteriezelle, insbesondere Lithiumionen-Batteriezelle, mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass sie verlustarm und kompakt ist.

Bei der Batteriezelle mit einer Zelleneinheit, die eine elektrochemische

Zellenstruktur und zwei Stromableiter bildende Kontaktierfahnen aufweist, die über Kontaktbereiche des jeweiligen Stromableiters mit der elektrochemischen Zellenstruktur verbunden sind, und mit einem die Zelleneinheit einhausenden Zellgehäuse, welches zwei elektrisch leitende, jedoch gegeneinander elektrisch isolierte Gehäusehälften aufweist, wobei an jeder der Gehäusehälften die zumindest eine Kontaktierfahne eines der Stromableiter elektrisch kontaktierend befestigt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jede der Kontaktierfahnen an einer dem jeweiligen Kontaktbereich benachbarten Position auf der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte elektrisch kontaktierend befestigt ist und dass jede der Kontaktierfahnen dabei derart kurz ist, dass die über die Kontaktierfahnen an den Gehäusehälften befestigte Zelleneinheit nur durch ein Verschwenken gegenüber der jeweiligen Gehäusehälfte aus dieser Gehäusehälfte

herausgenommen werden kann, ohne Zug auf die jeweilige Kontaktierfahne auszuüben. Die entsprechende Schwenkachse liegt dabei im Bereich der kontaktierenden Befestigung auf der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte, also in dem Bereich der dem jeweiligen Kontaktbereich benachbarten Position. Dies ermöglicht es, dass die Kontaktierfahnen sehr kurz gewählt werden können.

Es ergeben sich die folgenden Vorteile: Je kürzer die Kontaktierfahnen, desto kleiner der Innenwiderstand beziehungsweise elektrische Verlust der

Batteriezelle. Außerdem muss für eine derart kurze Kontaktfahne sehr wenig Platz im Zellgehäuse vorgehalten werden.

Es ist weiterhin mit Vorteil vorgesehen, dass die Kontaktierfahnen von elektrisch leitenden Folien der Zelleneinheit gebildet sind, die aus der elektrochemischen Zellenstruktur herausgeführt sind. Mit anderen Worten reichen die Folien, die die Kontaktierfahnen bilden, in die elektrochemische Zellenstruktur hinein und haben auch dort eine Funktion.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Kontaktbereiche der beiden Stromableiter auf einander gegenüberliegenden Seiten der

Zellenstruktur angeordnet. Somit sind auch die kontaktierenden Befestigungen auf den Innenseiten der jeweiligen Gehäusehälften im Bereich einander gegenüberliegenden Seiten der Zellenstruktur.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zellenstruktur einen Zellstack oder einen Zellwickel umfasst

beziehungsweise als Zellstack oder Zellwickel ausgebildet ist. Derartige

Zellstrukturen sind bewährte Strukturen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit den im Anspruch 5 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass auf einfache Weise eine kompakte und verlustarme Batteriezelle erstellt wird.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit (i) einer Zelleneinheit, die eine elektrochemische Zellenstruktur und zwei Stromableiter bildende Kontaktierfahnen aufweist, die über Kontaktbereiche des jeweiligen Stromableiters mit der elektrochemischen Zellenstruktur verbunden sind, und mit (ii) einem die Zelleneinheit einhausenden Zellgehäuse, welches zwei elektrisch leitende, jedoch gegeneinander elektrisch isolierte Gehäusehälften,

insbesondere in Form von Halbschalen, aufweist, wobei an jeder der

Gehäusehälften die zumindest eine Kontaktierfahne eines der Stromableiter elektrisch kontaktierend befestigt ist, sind erfindungsgemäß die folgenden Schritte vorgesehen: (a) elektrisch kontaktierendes Befestigen der

Kontaktierfahnen an je einer dem jeweiligen Kontaktbereich bei vollständig erstellter Batteriezelle benachbarten Position auf der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte und (b) Einbringen der über die Kontaktierfahnen an den

Gehäusehälften befestigten Zelleneinheit in das Zellgehäuse durch jeweiliges Verschwenken der Gehäusehälften gegenüber der Zelleneinheit.

Es ist weiterhin mit Vorteil vorgesehen, dass der Schritt des Einbringens der Zelleneinheit in das Zellgehäuse als beidseitiges Einklappen der Zelleneinheit in die Gehäusehälften durchgeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich an den Schritt des Einbringens der Zelleneinheit in das Zellgehäuse ein Fügeschritt an, bei dem die Gehäusehälften zum Zellgehäuse zusammengefügt werden. Das Fügen erfolgt insbesondere durch ein Verpressen der beiden Gehäusehälften zu dem geschlossenen Zellgehäuse.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass beim Fügen der Gehäusehälften ein

Isolationselement zwischen den Gehäusehälften angeordnet wird, über das die elektrische Isolation der beiden Gehäusehälften gegeneinander erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der Kontaktierfahnen über eine Schweißverbindung an der jeweiligen Gehäusehälfte elektrisch kontaktierend befestigt wird. Bevorzugt werden die Kontaktierfahnen, die gemeinsam einen Stromableiter bilden, durch eine gemeinsame Schweißverbindung an der jeweiligen Gehäusehälfte elektrisch kontaktierend befestigt.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Kontaktierfahnen von elektrisch leitenden Folien der elektrochemischen Zelleneinheit gebildet, die aus der elektrochemischen Zellenstruktur

herausgeführt sind. Mit anderen Worten reichen die Folien, die die

Kontaktierfahnen bilden, in die elektrochemische Zellenstruktur hinein und haben auch dort eine Funktion.

Die Batteriezelle findet beispielsweise Anwendung in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug. Alternativ findet die Batterie beispielsweise Anwendung in Schiffen, Zweirädern, Flugzeugen, stationären Energiespeichern, Elektrowerkzeugen, Unterhaltungselektroniken und/oder

Haushaltsgeräten.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen

Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der

nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das

Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur

beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:

Fig. 1 einen Montageschritt der Montage einer Batteriezelle gemäß einer

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 den letzten Montageschritt der Montage der Batteriezelle und

Fig. 3 die Kontaktierung von Kontaktierfahnen eines Stromableiters an der

entsprechenden Gehäusehälfte des Zellgehäuses im Detail.

Die Fig. 1 zeigt einen Montageschritt der Montage einer Batteriezelle 10 im

Nutshell-Zellformat. Die Batteriezelle 10 weist eine Zelleneinheit 12 und zwei Gehäusehälften 14, 16 eines die Zelleneinheit 12 im (in Fig. 2 gezeigten)

fertigmontierten Zustand einhausenden Zellgehäuses 18 auf. Die

Gehäusehälften 14, 16 der fertigen Batteriezelle 10 bilden die Elektroden (Anode Kathode) dieser Batteriezelle 10. Die Zelleneinheit 12 umfasst ihrerseits eine elektrochemische Zellenstruktur 20 und Stromableiter 22, 24 bildende

Kontaktfahnen 26 auf, die über jeweilige Kontaktbereiche 28, 30 mit der elektrochemischen Zellenstruktur 20 verbunden sind. An jeder der

Gehäusehälften 14, 16 sind die Kontaktierfahnen 26 eines jeweiligen

Stromableiters 22, 24 der Zelleneinheit 12 elektrisch kontaktierend befestigt. Jede der Kontaktierfahnen 26 ist an einer dem jeweiligen Kontaktbereich 28, 30 des durch sie gebildeten Stromableiters 22, 24 benachbarten Position 32, 34 auf der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte 14, 16 elektrisch kontaktierend befestigt. Die elektrisch kontaktierende Befestigung der Kontaktierfahnen 26 an der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte 14, 16 ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei ist jede der Kontaktierfahnen 26 relativ kurz ausgebildet, sodass die über die Kontaktierfahnen 26 an den Gehäusehälften 14, 16 befestigte Zelleneinheit 12 nur durch ein Verschwenken gegenüber der jeweiligen Gehäusehälfte 14, 16 aus dieser Gehäusehälfte 14, 16 herausgenommen beziehungsweise eingesetzt werden kann, ohne Zug auf die jeweilige Kontaktierfahne 26 auszuüben

(Doppelpfeile 36, 38).

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die elektrochemische

Zellenstruktur 20 als Zellstack 40 ausgebildet. Pro Stromableiter 22, 24 sind im gezeigten Beispiel je zwei Kontaktierfahnen 26 vorgesehen. Alternativ könnte die elektrochemische Zellenstruktur 20 beispielsweise auch als Zellwickel (nicht gezeigt) ausgebildet sein.

Es ergeben sich die folgenden Montageschritte:

Schritt 1: Bereitstellen der Zelleneinheit 12 und der Gehäusehälften 14, 16 zum Aufbau des Zellgehäuses 18,

Schritt 2: elektrisch kontaktierendes Befestigen der Kontaktierfahnen 26 an je einer dem jeweiligen Kontaktbereich 28, 30 bei vollständig erstellter Batteriezelle 10 benachbarten Position 32, 34 auf der Innenseite der jeweiligen Gehäusehälfte 14, 16,

Schritt 3: Einbringen der über die Kontaktierfahnen 26 an den Gehäusehälften 14, 16 befestigten Zelleneinheit 12 in das Zellgehäuse 18 durch jeweiliges Verschwenken der Gehäusehälften 14, 16 gegenüber der Zelleneinheit 12 (Pfeile 36, 38) und Schritt 4: Zusammenfügen der Gehäusehälften 14, 16 zum Zellgehäuse 18.

Das Resultat ist in Fig. 2 dargestellt. Beim Fügen der Gehäusehälften 14, 16 in Schritt 4 wird ein Isolationselement 42 zwischen den Gehäusehälften 14, 16 angeordnet, über das die elektrische Isolation der beiden Gehäusehälften 14, 16 gegeneinander erfolgt. Bei diesem Fügeschritt werden die beiden

Gehäusehälften 14, 16 miteinander verpresst, wobei auch das zwischen den Gehäusehälften 14, 16 angeordnete Isolationselement 42 verpresst wird. Die Fig. 3 zeigt die Kontaktierung von Kontaktierfahnen 26 eines Stromableiters

(gezeigt 22) an der entsprechenden Gehäusehälfte 16 des Zellgehäuses 18 im Detail. Die Kontaktierung wird durch Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Kontaktierfahnen 26 und entsprechender Gehäusehälfte 14, 16, konkret durch eine Verschweißung, gebildet. Dazu liegen die Zelleneinheit 12 sowie zumindest eine der Gehäusehälften 14, 16 auf einem Schweißtisch 44. Die

Gehäusehälfte 14, 16 wird mittels eines Werkzeugs, hier eines Fixierwinkels 46, bezüglich der Zellenstruktur 20 der Zelleneinheit 12 fixiert. Die entsprechenden Kontaktierfahnen 26 werden mittels einer Schweißelektrode 48 glattgezogen und anschließend an der Innenseite der entsprechenden Gehäusehälfte 14, 16 durch Schweißen elektrisch kontaktierend befestigt. Anschließend werden die freien

Enden der Kontaktierfahnen 26 hinter der so entstandenen Schweißverbindung 50 mittels eines Messers 52 gekappt.

Die Erfindung soll nun noch einmal mit anderen Worten am Beispiel einer Batteriezelle 10 mit einer als Zellstack 40 ausgebildeten Zellstruktur 20, wie beispielsweise in den Figuren 1 und 2 gezeigt, beschrieben werden. Prinzipiell gilt das gesagte auch für andere Arten von Zellstrukturen 20.

Die Folien des Zellstacks 40 werden als Kontaktierfahnen 26 mit minimaler Länge aus dem Stack 40 herausgeführt, sodass der Stack 40 nach der

Kontaktierung/Verschweißung mit einer Gehäusehälfte (16 in Fig. 3) gerade noch in das Zellgehäuse 18 geklappt werden kann, ohne dass Zug auf die die

Kontaktierfahnen 26 bildendend Folien ausgeübt wird (Fig. 3). Die zweite Gehäusehälfte 14 wird auf der gegenüberliegenden Seite des Stacks 40 kontaktiert. Anschließend werden die Gehäusehälften 14, 16 zusammengeklappt und umhüllen so den Stack 40 (Fig. 2). Durch diese Anordnung und den zugehörigen Fügeablauf wird die Kontaktierung mit minimaler Kontaktierfahnenlänge und minimalem Totvolumen für die Kontaktierung realisiert.

Das Herausführen der Folien aus dem Stack 40 und Kontaktierung am Gehäuse 18 kann und sollte bei der vorgeschlagenen zweiseitigen Kontaktierung auf der vollen Breite des Stacks 40 erfolgen, im Gegensatz zur einseitigen Kontaktierung bei der nur jeweils ein kleinerer Teil der Stackbreite für die Kontaktierfahnen 26 zur Verfügung steht.

Vorteile sind der geringere Kontaktierwiderstand, die gleichmäßigere

Strombeladung bzw. Stromentladung des Stacks 40 und die bessere thermische Ankopplung.

Die Höhe des Kontaktierraumes sollte der doppelten Höhe des Folienstapels entsprechen, da die Folien nach dem Einklappen des Stacks 40 in das Gehäuse 18 teilweise doppelt liegen. Hierdurch ergibt sich im Kontaktiervolumen ein Füllgrad von ca. 50%, was dazu führt, dass sich die Folien häufig berühren, wodurch die effektive Leitungslänge / der elektrische und thermische Widerstand der Kontaktierung deutlich reduziert wird.

Der Stack 40 wird beim Kontaktiervorgang so zur Gehäusehälfte 14, 16 platziert, dass die den Gehäusedeckel bildende Gehäusehälfte 14, also die, die sich nach dem Zusammenklappen auf den Stack 40 auflegt, etwas mehr als die Stackhöhe vom Stack 40 entfernt ist (zum Beispiel 5-10% der Stackhöhe), damit beim Zusammenklappen kein Zug auf die Folien ausgeübt wird.

Zur Verbindung/Versiegelung der Gehäusehälften 14, 16 wird das

Isolationselement 42 aus einem elektrisch isolierenden aber thermisch gut leitenden Material verwendet, um eine gute, gleichmäßige Entwärmung der Zelle sicher zu stellen.

Falls die Gehäusehälften 14, 16 so ausgeführt werden, dass sie nach dem Fügen in Schritt 4 überlappen, können sie im Überlappungsbereich gegebenenfalls etwas geweitet oder geschlitzt werden, um das Fügen zu erleichtern.