Batteriezelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft Zellen eines elektrochemischen Speichers. Elektrochemische Speicher sind galvanische Elemente wie Akkumulatoren und Batterien, die im folgenden zusammengefasst als Batterien bezeichnet werden. Ein galvanisches Element, beispielsweise eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, besteht in der Regel aus einem Behälter mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen chemischen Substanzen. Ein Separator isoliert die negative von der positiven Elektrode, damit kein Kurzschluss entstehen kann.

Damit eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wird der Separator mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem Elektrolyten, getränkt. Als Elektrolyten werden meist Laugen, anorganische Säuren oder Salzlösungen eingesetzt. Zellen für Gerätebatterien werden in der Regel in Wickeltechnik hergestellt. Dabei werden die aktiven Massen auf dünnen metallischen Ableiterfolien (Cu für negative, Al für positive Elektrode) aufgebracht und zusammen mit einem etwas breiteren Separator-Band zu einem zylindrischen (Rundzelle) oder flachen (prismatische Zelle) Wickel aufgerollt. Dieser Wickel wird in ein entsprechendes Gehäuse geschoben. Die Elektrolytmenge benetzt gerade die aktiven Massen. Ein überschuss wird vermieden, damit die Zelle lageunabhängig betrieben werden kann. Die Zellen werden hermetisch abgedichtet.

Die meisten verbreiteten Rundzellen werden in Wickeltechnik hergestellt. Die positive und die negative Elektrode werden - getrennt durch den Separator - in Streifen übereinander gelegt und aufgewickelt. Dünne Elektroden ermöglichen eine besonders große Oberfläche. Die Zelle ist im Wesentlichen durch ihre Spannung und durch ihre Kapazität gekennzeichnet. Die Spannung wird durch die gewählten Elektrodenmaterialien fest vorgegeben, die Kapazität durch die Menge der aktiven Masse (der Elektroden) .

Die Erfindung betrifft insbesondere Batteriezellen einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, insbesondere einer Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, insbesondere einer Hochvolt- Batterie

Die geometrische Form von Batteriezellen bestimmt als ein wesentlicher Faktor den Bauraum bei Batteriesystemen. Für die Leistungsfähigkeit einer Batteriezelle ist die installierte aktive Masse mitbestimmend. Hauptsächliche bekannte Bauformen sind runde und prismatische Zellen. Rundzellen haben auf Grund der Geometrie bei Zellpackungen oder Zellverbünden einen Nachteil gegenüber prismatischen Zellen, nämlich eine geringere Raumausnutzung, aber den Vorteil einer gleichmäßigen Wicklung und somit der Vermeidung von Knickstellen in dem Elektrodenband. Weiterhin ist die Kühlung von Rundzellen auf Grund der Packungsdichte der Elektroden anspruchsvoller als bei flachen prismatischen Zellen.

Aus der Fertigung prismatischer Zellen ist das Umformen von gewickelten Elektroden bekannt. Dabei wird ein Elektrodenwickel erstellt, der dann unter Verformung in

eine flache prismatische Form gedrückt wird. Dabei entstehen an den Knickstellen durch die kleinen Krümmungsradien hohe Materialbeanspruchungen, die zum Zerstören bzw. frühzeitigen Altern der Zelle führen. Beim Aufbau von Systemen, Zellverbünden oder Batterien aus mehreren Zellen ergibt sich deshalb ein deutliches Auseinanderdriften der Zeil-Performance. Sie werden deshalb fast ausschließlich in Ein- oder Wenig-Zellen-Anwendungen eingesetzt .

Gewickelte Elektroden oder Verfahren zum Wickeln von Elektroden sind aus folgenden Dokumenten bekannt: DE 100 64 477 B4, DE 601 04 862 T2, DE 601 04 890 T2, DE 601 06 480 T2, DE 694 04 291 T2, EP 0 827 222 A2, EP 1 265 306 Al und WO 01/76002 Al.

Es ist keine konstruktive Lösung einer Zelle mit hoher Packungsdichte und/oder der Möglichkeit einer Innenkühlung und/oder einer durch Umformung wenig beanspruchten Elektrode bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Batteriezellen und ein entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die eine hohe Packungsdichte der Zellen in einem Zellverbund oder Zellblock ermöglichen und/oder eine Innenkühlung gestatten und/oder durch das Umformen wenig beanspruchte Elektroden aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. eine Batteriezelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid- Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband, weist also die Besonderheit auf, dass der Elektrodenwickel durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht und anschließend der Elektrodenwickel mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierter Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt wird.

Eine erfindungsgemäße Batteriezelle in Wickelbauweise, insbesondere eine Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie oder Nickel-Metallhydrid-Batterie, mit einem um eine Längsachse der Zelle gewickelten Elektrodenwickel aus einem Elektrodenband, weist also die Besonderheit auf, dass sie einen Elektrodenwickel aufweist, der durch Wickeln des Elektrodenbandes um einen formstabilen, sich in Richtung der Längsachse erstreckenden Wickelkern auf den Wickelkern aufgebracht ist und anschließend mit einer von außen in radialer, quer zur Längsachse orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel pressenden Formpresse in eine andere Querschnittsform umgeformt worden ist.

Bei der Erfindung ergibt sich eine verbesserte Bauraumausnutzung durch Formpressung von gewickelten Elektroden mit einem formstabilen Wickelkern. Auf Grund der geometrischen Form können auf formstabilen Wickelkernen basierende Zellen stabiler ausgelegt werden, mit geringerer

Formänderung bei Innendruck-Erhöhung. Zusätzlich ist im Inneren der Zelle eine Kühlung über den Wickelkern möglich.

Erfindungsgemäß wird auf einen formstabilen Wickelkern (Kern, Wickeldorn, Wickelstab, Wickelrohr) , der einen geeigneten Querschnitt hat, ein Elektrodenwickel aufgebracht. Der Querschnitt des Wickelkerns kann beispielsweise durch eine Kreis-, lineare oder Freiform- Kurve beschrieben werden (z.B. Kreiszylinder, Quadrat, Sechseck, Ellipse, etc.). Der Wickelkern kann hohl sein und z.B. als Umhüllung für ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium dienen, oder massiv sein, um als Wärmeleiter zum Kühlen der Zelle zu dienen.

Ein reines Wickeln auf einen formgebenden Zellkern führt zu keiner wesentlichen Erhöhung der Packungsdichte, da die durch die Zunahme des Radius an den Ecken die Wickelform sich immer weiter einem Kreiszylinder annähert. Dabei geht im Inneren Bauraum durch den eckigen Wickel verloren.

Der fertig gestellte Zellwickel wird daher auf die gewünschte Form verpresst, was zum einen die Packungsdichte durch Ausnutzung von Setzungserscheinungen erhöht und zum anderen eine packungs-optimale Form (z.B. Quadrat- oder Dreieckform) ergibt, mit der sich die umgeformten Zellen in sehr hoher Packungsdichte unter optimaler Raumausnutzung in einem Zellverbund anordnen lassen. Die dabei entstehenden gerundeten Eckenbereiche können im Gehäuse von einer verstärkten Materialanhäufung zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit begleitet werden. So kann z.B. eine Quadratform oder auch eine Dreieckform Package-optimiert sein. Der Wickelkern gibt einen minimalen Wickelradius (zum Schutz des Elektroden-/Separatormaterials) vor und bietet

Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken Konstruktionen (zusammen mit dem Zellgehäuse).

Durch die Beibehaltung eines Wickelkerns wird neben der Vorgabe eines minimalen Wickelradius (zum Schutz des Elektrodenmaterials) auch ein hoher Schutz gegen Ausknicken der Zellen bei sehr schlanken Konstruktionen in Zusammenhang mit dem Zeltgehäuse gewährleitstet .

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

- Eine ungünstige Bauraumausnutzung durch zylindrische Zellform und die dabei entstehenden Zwischenräume werden vermieden und eine höhere Packungsdichte erreicht.

- Eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums bzw. eine kompakte Bauweise eines Zellverbunds bzw. einer Batterie wird ermöglicht.

- Die Zellen sind weiterhin als sehr formstabile Bauelemente ausgeführt, auch z. B. bei Innendruck-Erhöhung.

- Der Wickelkern kann als Kühlelement dienen.

- Kritische Biegeradien an den Zellelektroden werden durch den formstabilen Wickelkern vermieden.

- Eine höhere Packungsdichte des aktiven Materials in der Zelle (bessere Bauraumausnutzung) .

- Batteriesysteme können durch dicht beeinanderliegende Zellen kompakter gebaut werden.

- Die Möglichkeit zur Ausnutzung von Eckbereichen mit Materialanhäufung zur Wärmeabfuhr.

- Es ergeben sich sehr stabile Zellen, die in Crashkonzepte von Fahrzeugen (Abstützungsfunktion) eingebunden werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in

Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern und einem Elektrodenwickel mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius.

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 1.

Fig. 3 einen Längsschnitt zu Fig. 1.

Fig. 4 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit rechteckigem Wickelkern und einem Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius.

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 4.

Fig. 6 einen Längsschnitt zu Fig. 4.

Fig. 7 eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle mit dreieckigem Wickelkern und einem

Elektrodenwickel mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius.

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht zur Fig. 7.

Fig. 9 einen Längsschnitt zu Fig. 7.

Fig. 10 einen runden Elektrodenwickel vor dem Umformen.

Fig. 11 den Elektrodenwickel von Fig. 10 nach dem Umformen in eine quadratische Form.

Fig. 12 einen Zellverbund mit runden Zellen nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 10.

Fig. 13 einen Zellverbund mit umgeformten Zellen gemäß Fig. 11.

Die Fig. 1 bis 13 erläutern Ausführungsbeispiele und Fertigungsverfahren für erfindungsgemäße Zellen 1.

Die Fig. 1 zeigt eine Aufsicht bzw. einen Querschnitt einer Zelle 1 mit rechteckigem Wickelkern 2, auf den ein Elektrodenwickel 3 aus einem Elektrodenband aufgewickelt ist. Der Wickelkern 2 ist formstabil und erstreckt sich in Richtung der Längsachse der Zelle 1. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Wickelkern 2 im Wesentlichen einen quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Außenecken. Er kann massiv ausgebildet sein, um beispielsweise zum Ableiten von Wärme aus der Zelle 1 zu dienen, oder wie in Fig. 1 dargestellt hohl sein, beispielsweise um ein Kühlmittel durchzuleiten.

Der Elektrodenwickel 3 ist nach dem Wickeln auf den Wickelkern 2 mit einer von außen, in radialer, quer zur Längsachse der Zelle 1 orientierten Richtung auf den Elektrodenwickel 3 pressenden Formpresse in einer anderen Querschnittsform umgeformt worden und wurde danach in das Zellgehäuse 4 eingesetzt. In den Eckbereichen 5 weist das Zellgehäuse 4 eine Materialverstärkung zum Wärmeabführen von der Zelle 1, beispielsweise zu ihrem Boden und einer dort angeordneten Kühlplatte, auf, die in ihrer Funktion den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlstäben entsprechen.

Der Elektrodenwickel 3 wurde mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt, die im wesentlichen einem Quadrat entspricht und weist vorteilhafterweise abgerundete Außenecken auf, um Knickstellen in dem aufgewickelten Elektrodenband zu vermeiden. In anderen Ausführungsformen kann der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse auch in eine andere Querschnittsform umgeformt werden, beispielsweise in eine Kreis-, lineare oder Freiform-Kurve, insbesondere einem Kreis, einem Vieleck wie einem Dreieck, Quadrat oder Sechseck oder eine Ellipse. Nach dem Umformen des

Elektrodenwickels 3 kann der Wickelkern 2 in manchen Ausführungsformen auch aus der Zelle 1 entfernt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wickelkerns 2 von Fig. 1, der mit gleichem Wicklungsabstand und in den Ecken zunehmendem Wickelradius gewickelt ist. Die Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Zelle 1 von Fig. 1 einschließlich des Zellbodens 6 und der Anschlussterminals 7.

Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 1, wobei der Elektrodenwickel 3 mit veränderlichem Wicklungsabstand und in den Ecken gleichem Wickelradius gewickelt ist. Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Elektrodenwickels 3 von Fig. 4 und die Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Zelle 1 gemäß Fig. 4.

Die Fig. 7 zeigt eine Abwandlung zu Fig. 4, wobei der Elektrodenwickel 3 auf einen hohlen Wickelkern 2 mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt und abgerundeten Ecken aufgewickelt ist. Der Elektrodenwickel 3 wurde anschließend in eine dreieckige Form verpresst und das Zellgehäuse 4 hat ebenfalls einen dreieckigen Querschnitt.

Die Fig. 10 zeigt einen runden Elektrodenwickel 3 auf einem quadratischen, formstabilen, massiven Wickelkern 2, in der oberen Hälfte ohne Formpresse und in der unteren Hälfte mit noch geöffnetem Presswerkzeug 8 einer Formpresse, d.h. vor dem Umformen. In Fig. 11 ist der durch die Formpresse bzw. das Presswerkzeug 8 umgeformte Elektrodenwickel 3 dargestellt, in der oberen ohne und in der unteren Hälfte mit Presswerkzeug 8. Um eine möglichst geringer Belastung der Elektrodenbahnen des Elektrodenwickels 3 beim Umformen zu erzielen, ist vorteilhafterweise wie in den Figuren 10

und 11 dargestellt vorgesehen, dass der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die hinsichtlich ihrer Kontur der Querschnittsform des Wickelkerns 2 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben sowohl der Wickelkern 2 als auch der umgeformte Elektrodenwickel eine quadratische oder im Wesentlichen quadratische Form. Aus dem gleichen Grund ist es auch vorteilhaft, wenn der Elektrodenwickel 3 mit der Formpresse in eine Querschnittsform umgeformt wird, die entsprechend zu dem Querschnitt des Wickelkerns 2 ausgerichtet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 11 bedeutet dies, dass die Ecken des quadratischen Querschnitts des Wickelkerns 2 zu den Ecken des quadratischen Querschnitts des umgeformten Elektrodenwickels 3 ausgerichtet sind bzw. dass die Diagonalen des quadratischen Querschnitts des Wickelkerns 2 mit den Diagonalen des quadratischen Querschnitts des umgeformten Elektrodenwickels 3 zusammenfallen.

Die Figuren 12 und 13 veranschaulichen den Vorteil erfindungsgemäßer Zellen 1 gegenüber Zellen nach dem Stand der Technik. Sie zeigen jeweils einen gleich großen Bauraumausschnitt 9 einer Batterie, der mit einem Zellverbund ausgefüllt ist. In Fig. 12 ist der Bauraumausschnitt 9 mit nicht umgeformten Zellen 1 nach dem Stand der Technik und in Fig. 13 mit denselben, aber erfindungsgemäß umgeformten Zellen 1 gefüllt. Man erkennt, dass mit der Erfindung eine erheblich höhere Packungsdichte der Zellwickel 3 erzielt werden kann. Dies gilt entsprechend auch für andere als die dargestellten quadratischen Querschnitte der Zellwickel 3, beispielsweise für dreieckige oder andere regelmäßige Vielecke.

Daimler AG

Bezugszeichenliste

1 Zelle

2 Wickelkern

3 Elektrodenwickel

4 Zellgehäuse

5 Eckbereich

6 Zellboden

7 Anschlussterminal

8 Presswerkzeug

9 Bauraumausschnitt