Elektrische Energiespeichereinheit mit mindestens einer elektrisch isolierten Elektrodenmateriallage und entsprechendes Herstellungsverfahren

Die vorliegende Offenbarung geht aus von einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere des Antriebstrangs von Fahrzeugen, werden vermehrt Batterien beziehungsweise Batteriepacks als elektrischer Energiespeicher eingesetzt. Diese Speicher bestehen in der Regel aus einer großen Anzahl von Batteriezellen, die miteinander elektrisch verschaltet sind. Im Zuge der Alterung der Batteriezellen als elektrische Energiespeichereinheiten ändern sich unter anderem deren mechanische und elektrische Eigenschaften, beispielsweise der elektrische Innenwiderstand und die elektrische Ka- pazität als maximal beziehungsweise nominal speicherbare Ladungsmenge. Dies kann bei einem Austausch einer einzelnen oder mehreren elektrischen Energiespeichereinheiten zu eventuellen Problemen führen, welche auch durch interne Maßnahmen in dem elektrischen Energiespeicher nur unzureichend beziehungsweise mit großem Aufwand gemindert werden können.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Offenbart wird eine elektrische Energiespeichereinheit, umfassend mindestens einen ersten Polanschluss und einen zweiten Polanschluss und mindestens eine erste Lage eines ersten Elektrodenmaterials, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Dabei ist die mindestens eine erste Lage des ersten Elektrodenmaterials von dem mindestens einen ersten Polanschluss elektrisch isoliert sowie auch von dem mindestens einen zweiten Polanschluss elektrisch isoliert. Somit kann beispielsweise gezielt die elektrische Kapazität beziehungsweise der elektrische Innenwiderstand an einen Zielwert angepasst werden, was unter Verwendung der so hergestellten elektrischen Energiespeichereinheit den Austausch innerhalb eines elektrischen Energiespeichers, der mehrere elektrische Energiespeichereinheiten umfasst, vereinfacht. Weiterhin unterscheidet sich die so hergestellte elektrische Energiespeichereinheit in ihren mechanischen Eigenschaften nicht beziehungsweise nur unwesentlich von den bereits in dem elektrischen Energiespeichersystem eingebauten elektrischen Energiespeichereinheiten. Beispielsweise kann bei einem Einsatz des Stackingverfahrens zur Herstellung von Batteriezellen vorgesehen sein, die Kontaktierung einzelner Stacklagen nicht durchzuführen beziehungsweise für diese Stacklagen die entsprechenden Kontaktierflächen nicht auszuführen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise umfasst die elektrische Energiespeichereinheit eine Elektrodenbaugruppe, wobei die Elektrodenbaugruppe weiterhin mindestens eine zweite Lage des ersten Elektrodenmaterials und mindestens eine weitere erste Lage eines zweiten Elektrodenmaterials aufweist, wobei die mindestens eine zweite Lage des ersten Elektrodenmaterials mit dem ersten Polanschluss elektrisch leitfähige verbunden ist und die mindestens eine weitere erste Lage des zweiten Elektrodenmaterials mit dem zweiten Polanschluss elektrisch leitfähige verbunden ist. Somit ist eine einfache Nutzung der elektrischen Energiespeichereinheit ohne Einschränkung ihrer Funktionalität möglich.

Zweckmäßigerweise weist die elektrische Energiespeichereinheit weiterhin mindestens eine zweite Lage des zweiten Elektrodenmaterials aufweist, die von dem mindestens einen ersten Polanschluss elektrisch isoliert ist und von dem mindestens einen zweiten Polanschluss elektrisch isoliert ist. Somit ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die so hergestellte elektrische Energiespeichereinheit identische mechanische Eigenschaften wie eine vollständig kontaktierte elektrische Energiespeichereinheit aufweist, was die Kompatibilität des Einbaus in ein elektrisches Energiespeichersystem sicherstellt. Zweckmäßigerweise wird die mindestens eine erste Lage des ersten Elektrodenmaterials auf einer ersten elektrisch leitfähigen Trägerlage aufgebracht. Somit können zur Herstellung der elektrisch isolierten mindestens einen ersten Lage die gleichen Materialien, Verfahren und Maschinen eingesetzt werden, was somit keine aufwendigen Änderungen am bisherigen Herstellungsprozess für die elekt- rische Energiespeichereinheit nach sich zieht und eine einfache Integration in die gewohnte Produktion ermöglicht.

Vorteilhafterweise werden auch die entsprechenden Lagen des zweiten Elektrodenmaterials auf einer elektrisch leitfähigen Trägerlage aufgebracht.

Zweckmäßigerweise weist die erste Trägerlage keine Kontaktfahne zum elektrischen Kontaktieren auf. Somit ist in vorteilhafter Weise eine ungewollte elektrische Kontaktierung der ersten Lage des ersten Elektrodenmaterials mit den Polanschlüssen beziehungsweise Stromableitern der elektrischen Energiespeichereinheit ausgeschlossen, was den Herstellungsprozess der elektrischen Energiespeichereinheit vereinfacht und dessen Zuverlässigkeit erhöht. Dies kann ebenso für eine Trägerlage des zweiten Elektrodenmaterials angewandt werden. Vorteilhafterweise kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Kontaktfahnen direkt als Polanschlüsse verwendet werden. Weist eine Trägerlage dann keine entsprechende Kontaktfahne auf, kann sie von dem entsprechenden Po- lanschluss elektrisch isoliert sein, wobei der Polanschluss eben durch die entsprechenden Kontaktfahnen gebildet wird.

Zweckmäßigerweise ist die größte der Flächen der ersten Trägerlage als kon- vexe Fläche ausgebildet. Dies umfasst beispielsweise auch rechteckförmige Flächen. Somit ist sichergestellt, dass der Herstellungsprozess der elektrischen Energiespeichereinheit zuverlässig durchgeführt werden kann. Dies kann ebenso für eine Trägerlage des zweiten Elektrodenmaterials gelten. Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine zweite Lage des ersten Elektrodenmaterials auf einer zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage aufgebracht, wobei bei einer Parallelprojektion der ersten Trägerlage auf die zweite Trägerlage die projizierte Fläche der ersten Trägerlage zumindest bereichsweise innerhalb der Fläche der zweiten Trägerlage als Projektionsebene liegt. Somit ist in vorteilhafter Weise die Wahrscheinlichkeit einer elektrischen Verbindung zwischen den Trägerlagen reduziert und gleichzeitig der Materialverbrauch verringert. Dies kann ebenso für entsprechende Trägerlagen des zweiten Elektrodenmaterials gelten.

Zweckmäßigerweise ist die Parallelprojektion eine Orthogonalprojektion. Somit sind die im Absatz zuvor genannten Vorteile beispielsweise für das in der Herstellung von elektrischen Energiespeichereinheiten verwendete Stackingverfah- ren erzielbar, wo mehrere Lagen übereinander gestapelt werden.

Zweckmäßigerweise umfasst das Material der ersten Trägerlage und/oder das Material der zweiten Trägerlage Aluminium und/oder Kupfer. Somit ist in vorteilhafter Weise die Kompatibilität der Trägerlagen mit einer Vielzahl an bereits bekannten Anoden- und Kathodenmaterialien beziehungsweise Elektrolytflüssigkeiten sichergestellt. Dies kann ebenso für entsprechende Träger lang des zweiten Elektrodenmaterials angewandt gelten.

Zweckmäßigerweise ist die elektrische Energiespeichereinheit eine Pouchzelle. Somit können die vorgenannten Vorteile auf eine weit verbreitete Form einer elektrischen Energiespeichereinheit übertragen werden.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein elektrisches Energiespeichersystem, welches mindestens eine der vorstehend beschriebenen elektrischen Energiespeichereinheiten sowie eine elektronische Steuereinheit umfasst, wobei die elektronische Steuereinheit eingerichtet ist, die mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit zu überwachen. Insbesondere ist die elektronische Steuereinheit als Batteriemanagementsystem ausgebildet, welches entsprechende Mittel zur Erfassung von physikalischen und/oder chemischen Größen, beispielsweise eines Stroms, umfassen kann. Somit können die vorgenannten Vorteile innerhalb des beschriebenen elektrischen Energiespeichersystems realisiert werden. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit den nachstehend beschriebenen Schritten. In einem ersten Schritt wird mindestens eine erste Lage eines ersten Elektrodenmaterials auf einer ersten elektrisch leitfähigen Trägerlage ohne Kontakt- fahne, mindestens eine zweite Lage des ersten Elektrodenmaterials auf einer zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage mit einer ersten Kontaktfahne und mindestens eine weitere erste Lage eines zweiten Elektrodenmaterials auf einer weiteren elektrisch leitfähigen Trägerlage mit einer weiteren Kontaktfahne bereitgestellt. Anschließend erfolgt ein elektrisch leitfähiges Verbinden der mindestens einen zweiten Lage des ersten Elektrodenmaterials mittels der ersten Kontaktfahne mit einem ersten Polanschluss der elektrischen Energiespeichereinheit sowie ein elektrisch leitfähiges Verbinden der mindestens einen weiteren ersten Lage des zweiten Elektrodenmaterials mittels der weiteren Kontaktfahne mit dem zweiten Polanschluss der elektrischen Energiespeichereinheit. Anschließend wird die mindestens eine erste Lage des ersten Elektrodenmaterials auf der ersten elektrisch leitfähigen Trägerlage ohne Kontaktfahne, die mindestens eine zweite Lage des ersten Elektrodenmaterials auf der zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage mit der ersten Kontaktfahne und die mindestens eine weitere erste Lage des zweiten Elektrodenmaterials auf der weiteren elektrisch leitfähigen Trä- gerlage mit der weiteren Kontaktfahne in ein Gehäuse der elektrischen Energiespeichereinheit eingebracht. Alternativ können der Schritt des Einbringens in das Gehäuse und der Schritt des elektrisch leitfähigen Verbindens auch in umgekehrter Reihenfolge stattfinden. Somit können die oben genannten Vorteile durch den vorstehend aufgezeigten Herstellungsprozess realisiert werden.

Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicher- programmierbare Steuerung fallen.

Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batte- riemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen- Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel- Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Längsschnittdarstellung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Trägerlage;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Orthogonalprojektion einer ersten Trägerlage auf eine zweite Trägerlage;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Teils einer Elektrodenbaugruppe für eine elektrische Energiespeichereinheit; und

Figur 5 ein Flussdiagramm des beanspruchten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte. Figur 1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung der offenbarten elektrischen Energiespeichereinheit 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei ist die elektrische Energiespeichereinheit 100 von einem Gehäuse 101 umgeben, aus dem der erste Polanschluss 102 und der zweite Polanschluss 103 hervorstehen. Weiterhin ist eine erste Lage 111 eines ersten Elektrodenmaterials dargestellt, die von den beiden Polanschlüssen 102, 103 elektrisch isoliert ist. Die erste Lage 111 des ersten Elektrodenmaterials befindet sich auf einer ersten Trägerlage 109, wobei beide Elemente zu einer Elektrodenbaugruppe 117 gehören. Die Elektrodenbaugruppe umfasst weiterhin eine zweite Lage 108 des ersten Elektrodenmaterials und eine weitere erste Lage 107 eines zweiten Elektrodenmaterials, wobei die zweite Lage 108 des ersten Elektrodenmaterials mittels einer zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage 115 elektrisch leitfähig über den Stromableiter 104 mit dem ersten Polanschluss 102 verbunden ist. Die zweite elektrisch leitfähige Trägerlage 115 weist dabei eine erste Kontaktfahne 114 auf. Die weitere erste Lage 107 des zweiten Elektrodenmaterials ist mittels einer weiteren elektrisch leitfähigen Trägerlage 116 über den Stromableiter 105 elektrisch leitfähig mit dem zweiten Polanschluss 103 verbunden nun. Dabei weist die weitere elektrisch leitfähige Trägerlage 116 eine weitere Kontaktfahne 113 auf. Weiterhin sind die zweite Lage 108 des ersten Elektrodenmaterials und die weitere erste Lage 107 des zweiten Elektrodenmaterials durch eine Separatorlage 106 voneinander elektrisch isoliert. Die Elektrodenbaugruppe 117 umfasst weiterhin eine weitere zweite Lage 112 des zweiten Elektrodenmaterials, welche auf einer weiteren zweiten Trägerlage 110 aufgebracht ist. Die weitere zweite Trägerlage 110 weist ebenso wie die erste Trägerlage 109 keine Kontaktfahne auf und ist somit ebenso von dem ersten Polanschluss 102 und dem zweiten Polanschluss 103 elektrisch isoliert. Wie aus Figur 1 weiterhin ersichtlich ist, können Trägerlagen beidseitig mit Elektrodenmaterial beschichtet sein. Die Elektrodenbaugruppe 117 kann, wie in Figur 1 dargestellt, mehrere Trägerlagen mit mehreren Elektroden- materiallagen umfassen.

Figur 2 zeigt eine erste elektrisch leitfähige Trägerlage 200, auf die eine erste Lage 201 eines ersten Elektrodenmaterials aufgebracht ist. Dabei weist die erste Trägerlage 200 keine Kontaktfahne zum elektrischen Kontaktieren auf. Weiterhin ist ersichtlich, dass sowohl die Trägerlage 200 als auch die erste Lage 201 des ersten Elektrodenmaterials rechteckförmig, das heißt als konvexe Flächen, ausgestaltet sind.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Orthogonalprojektion einer ers- ten Trägerlage 302 auf eine zweite Trägerlage 301. Dabei gibt der Pfeil 306, welcher sich in einem rechten Winkel zu der ersten Trägerlage 302 befindet, die Projektionsrichtung vor, mit der die erste Trägerlage 302 auf die zweite Trägerlage 301 projiziert wird, wobei die erste Trägerlage 302 und die zweite Trägerlage 301 parallel zueinander liegen. Wie zu erkennen und durch die gestrichelten Linien 307 angedeutet ist, liegt die projizierte Fläche der ersten Trägerlage 302 innerhalb der Fläche der zweiten Trägerlage 301 als Projektionsebene. Da die Verbindungslinie zwischen einem Punkt der ersten Trägerlage 302 und seinem projizierten Bildpunkt in der zweiten Trägerlage 301 mit der zweiten Trägerlage 301 einen rechten Winkel bildet, handelt es sich hierbei um eine Orthogonalprojek- tion. Weiterhin ist eine erste Lage 305 eines ersten Elektrodenmaterials dargestellt, welche auf der ersten Trägerlage 302 aufgebracht ist. Darüber hinaus ist eine zweite Lage 304 des ersten Elektrodenmaterials dargestellt, welche auf der zweiten Trägerlage 301 aufgebracht ist. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Elektrodenbaugruppe 400 für eine elektrische Energiespeichereinheit, insbesondere eine Pouchzelle. Die Elektrodenbaugruppe 400 weist eine erste Lage 412 eines ersten Elektrodenmaterials auf. Darunter befindet sich eine erste Separatorlage 413 und darüber eine zweite Separatorlage 411. Dabei weist eine hier nicht explizit dargestellte erste Trägerlage der ersten Lage 412 des ersten Elektrodenmaterials keine Anschlussfahne zum elektrischen Kontaktieren auf. An die zweite Separatorlage 411 schließt sich eine weitere zweite Lage 410 eines zweiten Elektrodenmaterials an. Weiterhin weist eine hier nicht explizit dargestellte weitere zweite Trägerlage der weiteren zweiten Lage 410 des zweiten Elektrodenmateri- als keine Anschlussfahne zum elektrischen Kontaktieren auf. Somit sind diese

Lagen von den hier nicht dargestellten Polanschlüssen der elektrischen Energiespeichereinheit elektrisch isoliert. An die weitere erste Lage 410 des zweiten Elektrodenmaterials schließt sich eine dritte Separatorlage 409 an. An die dritte Separatorlage 409 schließt sich eine zweite Lage 408 des ersten Elektrodenma- terials an. Eine hier nicht explizit dargestellte zweite Trägerlage der zweiten Lage

408 des ersten Elektrodenmaterials weist eine erste Anschlussfahne 418 zum elektrischen Kontaktieren, insbesondere zur elektrisch leitfähigen Verbindung mit einem hier nicht explizit dargestellten Polanschluss, auf. Auf die zweite Lage 408 des ersten Elektrodenmaterials folgt eine vierte Separatorlage 407. Darauf folgt eine weitere erste Lage 406 des zweiten Elektrodenmaterials. Eine hier nicht ex- plizit dargestellte weitere erste Trägerlage der weiteren ersten Lage 406 des zweiten Elektrodenmaterials weist eine weitere Anschlussfahne 419 zum elektrischen Kontaktieren auf. Darauf folgt eine fünfte Separatorlage 405. Auf diese fünfte Separatorlage 405 folgt eine dritte Lage 403 des ersten Elektrodenmaterials. Eine hier nicht explizit dargestellte dritte Trägerlage der dritten Lage 403 des ersten Elektrodenmaterials weist eine zweite Anschlussfahne 404 zum elektrischen Kontaktieren auf. Darauf folgt eine sechste Separatorlage 402, auf welcher sich eine weitere dritte Lage 401 des zweiten Elektrodenmaterials befindet. Eine hier nicht explizit dargestellte weitere dritte Trägerlage der weiteren dritten Lage 401 des zweiten Elektrodenmaterials weist eine weitere zweite Anschlussfahne 414 zum elektrischen Kontaktieren auf.

Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm des beanspruchten Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei wird in einem ersten Schritt Sl mindestens eine erste Lage 111, 201, 305, 412 eines ersten Elektrodenmaterials auf einer ersten elektrisch leitfähigen Trägerlage 109, 200, 302 ohne Kontaktfahne bereitgestellt. Weiterhin werden mindestens eine zweite Lage 108, 304, 408 des ersten Elektrodenmaterials auf einer zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage 115, 301 mit einer ersten Kontaktfahne 106, 303, 418 und mindestens eine weitere erste Lage 107, 406 eines zweiten Elektrodenmaterials auf einer weiteren elektrisch leitfähigen Trägerlage 116 mit einer weiteren Kontaktfahne 113, 419 bereitgestellt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S2 die mindestens eine zweite Lage 108, 304, 408 des ersten Elektrodenmaterials mittels der ersten Kontaktfahne 106, 303, 418 mit einem ersten Polanschluss 102 der elektrischen Energiespeichereinheit 100 elektrisch leit- fähig verbunden. Weiterhin wird die mindestens eine weitere erste Lage 107, 406 des zweiten Elektrodenmaterials mittels der weiteren Kontaktfahne 113, 419 mit dem zweiten Polanschluss 103 der elektrischen Energiespeichereinheit 100 elektrisch leitfähig verbunden. Die mindestens eine erste Lage 111, 201, 305, 412 des ersten Elektrodenmaterials auf der ersten elektrisch leitfähigen Träger- läge 109, 200, 302 ohne Kontaktfahne ist somit von dem mindestens einen ersten Polanschluss 102 und dem mindestens einen zweiten Polanschluss 103 elektrisch isoliert. Anschließend wird in einem dritten Schritt die mindestens eine erste Lage 111, 201, 305, 412 des ersten Elektrodenmaterials auf der ersten elektrisch leitfähigen Trägerlage 109, 200, 302 ohne Kontaktfahne, die mindestens eine zweite Lage 108, 304, 408 des ersten Elektrodenmaterials auf der zweiten elektrisch leitfähigen Trägerlage 115, 301 mit der ersten Kontaktfahne

106, 303, 418 und die mindestens eine weitere erste Lage 107, 406 des zweiten Elektrodenmaterials auf der weiteren elektrisch leitfähigen Trägerlage 116 mit der weiteren Kontaktfahne 113, 419 in ein Gehäuse 101 der elektrischen Energiespeichereinheit 100 eingebracht.