Batteriezelle mit in Gehäuse durch Einkleben fixierter Deckplatte Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium- Ionen- Batteriezelle. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle.

Stand der Technik

Batteriezellen, teilweise auch als Akkumulatorzellen bezeichnet, dienen zur chemischen Speicherung von elektrisch zur Verfügung gestellter Energie. Bereits heute werden Batteriezellen zur Energieversorgung einer Vielzahl mobiler Geräte eingesetzt. Zukünftig sollen Batteriezellen unter anderem zur Energieversorgung von mobilen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zu Land wie auch zu Wasser, oder zur stationären Zwischenspeicherung von aus alternativen

Energiequellen stammender elektrischer Energie eingesetzt werden.

Hierzu wird meist eine Vielzahl von Batteriezellen zu Batteriepaketen

zusammengesetzt. Um hierbei ein zur Verfügung stehendes Paketvolumen möglichst effizient auszunutzen, werden für solche Zwecke vornehmlich

Batteriezellen mit einer prismatischen, beispielsweise einer Quader-artigen Form eingesetzt.

Wegen ihrer möglichen hohen Energiedichte, thermischen Stabilität und fehlendem Memory- Effekt wird für anspruchsvolle Anwendungen wie

beispielsweise Speicherlösungen für Kraftfahrzeuge meist eine Lithium-Ionen- Akku-Technologie eingesetzt, welche aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung einer zukünftigen Elektromobilität derzeit intensiv weiterentwickelt wird.

Es existieren bereits viele verschiedene Typen von Batteriezellen, insbesondere Lithium- Ionen- Batteriezellen, und ferner insbesondere Batteriezellen mit prismatischer Form. Allerdings weisen Batteriezellen meist einen komplexen Aufbau auf, bei dem zum Zusammenbau der gesamten Batteriezelle eine Vielzahl unterschiedlicher Einzelteile und eine Vielzahl von

materialbearbeitenden Verfahren eingesetzt werden.

Insbesondere werden beim Zusammenbau der Einzelteile z.B. Schweißverfahren eingesetzt, um beispielsweise einen oben offenen Behälter eines

Batteriezellengehäuses mit einer Deckplatte einer den Behälter verschließenden Deckelanordnung stoffschlüssig und somit hermetisch dicht zu verbinden.

Offenbarung der Erfindung

Mit Hilfe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann unter anderem auf bestimmte stoffschlüssige Verbindungsverfahren wie z.B. Schweißen beim Zusammenbau einer Batteriezelle verzichtet werden bzw. deren Einsatz zumindest an für die Batteriezelle ungünstigen Positionen vermieden werden. Aus solchen Verbindungsverfahren resultierende Nachteile können somit verhindert werden. Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle vorgeschlagen, die wenigstens ein Wickelelement, einen Elektrolyten, zwei Stromabnehmer und ein prismatisch geformtes Gehäuse aufweist. Das

Wickelelement weist einen gewickelten Stapel aus einer mit Anodenmaterial beschichteten ersten Folie, einer mit Kathodenmaterial beschichteten zweiten Folie und zwei als Diaphragmen dienenden Kunststofffolien auf. Jeder der

Stromabnehmer ist mit einer der ersten oder zweiten Folie elektrisch leitfähig verbunden. Das Gehäuse besteht aus einem Behälter und einer

Deckelanordnung. Der Behälter weist hierbei eine Öffnung auf, durch die das Wickelelement und die beiden Stromabnehmer während der Fertigung der Batteriezelle in das Gehäuse eingebracht werden können. Die Deckelanordnung ist dazu ausgebildet, die Öffnung des Behälters gasdicht und druckdicht abzuschließen und verfügt über eine in der Öffnung des Behälters angeordnete Deckplatte. Die Batteriezelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Deckplatte in der Öffnung des Behälters mittels eines Klebstoffes gehalten ist wobei eine Dichtanordnung derart vorgesehen ist, dass verhindert wird, dass in das

Gehäuse eingefüllter Elektrolyt in Kontakt mit dem Klebstoff gelangt.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegen unter anderem die folgenden Ideen und Erkenntnisse zugrunde:

Bei herkömmlichen Batteriezellen wird eine Deckplatte meist in die zu

verschließende Öffnung des Behälters eingeführt und dann an ihrem Rand mit einer Innenoberfläche des Behälters verschweißt. Hierzu kann beispielsweise ein Laserschweißprozess eingesetzt werden. Die sich beim Verschweißen bildende stoffschlüssige Verbindung kann eine hermetische Abdichtung der Deckplatte gegenüber dem Behälter bewirken. Eine solche hermetische Abdichtung wird benötigt, um zu verhindern, dass in dem Behälter aufgenommener Elektrolyt aus der Batteriezelle austreten kann beziehungsweise schädliche Feuchtigkeit von außen in das Innere des Gehäuses der Batteriezelle eindringen kann.

Allerdings wurde beobachtet, dass bei einem Schweißprozess in der Regel so genannte Schweißwülste, auch als Schweißaufwürfe bezeichnet, entstehen können. Diese Schweißwülste können bereichsweise über das Gehäuse der Batteriezelle überstehen. Wenn mehrere Batteriezellen in einem Paket oder einem Modul angeordnet werden sollen, können solche Schweißwülste verhindern, dass benachbarte Batteriezellen mit ihrem Gehäuse glatt aneinander anliegen. Wenn die Außenflächen der Gehäuse benachbarter Batteriezellen nicht vollflächig aneinander anliegen können, kann ein korrektes Montieren der Batteriezellen zu einem Paket beziehungsweise Zellmodul erschwert werden.

Außerdem wurde beobachtet, dass sich das Gehäuse einer Batteriezelle durch die bei einem Schweißprozess frei werdende Hitzeeinwirkung verformen kann. Eine derartige Verformung kann wiederum zu Problemen bei der Montage von Batteriezellen zu einem Zellmodul führen. Angesichts der beschriebenen Probleme wird vorgeschlagen, die Deckplatte nicht mehr an ihrem Rand mit den Seitenwänden des Behälters zu verschweißen sondern die Deckplatte in der Öffnung des Behälters mittels eines Klebstoffes zu fixieren. Beim Zusammenbau der Batteriezelle kann hierfür die Deckplatte in die Öffnung des Behälters eingebracht werden und zwischen einem Seitenrand der Deckplatte und einer Innenoberfläche des Behälters ein Klebstoff

zwischengelagert werden. Nach seinem Aushärten sorgt dieser Klebstoff dafür, dass die Deckplatte in der Öffnung des Behälters mechanisch derart fest gehalten wird, dass auch bei einem erhöhten Innendruck innerhalb des

Batteriezellengehäuses von beispielsweise bis zu 6000 hPa keine Gefahr besteht, dass sich die Deckplatte aus der Öffnung des Behälters löst.

Ein zum Verkleben des Verschlussstopfens mit der Deckplatte verwendeter Klebstoff kann ein mikroverkapselter Klebstoff sein. Solche mikroverkapselten Klebstoffe beinhalten winzige mit einer Klebesubstanz gefüllte Kapseln. Der mikroverkapselte Klebstoff kann schon vor der Montage der Batteriezelle auf zu verklebende Oberflächen an der Deckplatte und / oder der der Innenoberfläche des Behälters im Bereich von dessen Öffnung aufgebracht werden. Beim passgenauen Einbringen der Deckplatte in die Öffnung des Behälters wird die Mikroverkapselung zerstört, so dass der Klebstoff freigesetzt wird und nach einem Aushärten die zu verklebenden Oberflächen mechanisch stabil verbindet. Mikroverkapselte Klebstoffe werden beispielsweise auch zum Sichern von Schraubverbindungen gegen selbstständiges Losdrehen eingesetzt. Ein Beispiel eines mikroverkapselten Klebstoffs wird unter der Marke Loctite® vertrieben.

Es wurde jedoch beobachtet, dass die meisten Klebstoffe von dem in das Gehäuse eingefüllten Elektrolyt chemisch angegriffen werden. Um einerseits eine langfristige Stabilität des Gehäuses trotz des darin aufgenommenen aggressiven Elektrolyten und andererseits eine langfristige Dichtheit gegenüber ungewolltem Eindringen beispielsweise von Wasser gewährleisten zu können, wird ergänzend zu der Verklebung der Deckplatte innerhalb der Behälteröffnung vorgesehen, dass zwischen der Deckplatte und der Innenwand des Behälters im Bereich der zu verschließenden Öffnung eine zusätzliche Dichtanordnung vorgesehen ist, die verhindert, dass der Klebstoff mit dem Elektrolyten in Kontakt kommt.

Um die Deckplatte langfristig stabil in der Behälteröffnung verkleben zu können, kann die Deckplatte an ihrem Rand eine in das Gehäuse hineinragende

Auskragung aufweisen, so dass die Deckplatte entlang dieser Auskragung mit einer Innenoberfläche des Behälters vorzugsweise großflächig an einem ersten Teilbereich verklebt werden kann. Die Auskragung der Deckplatte kann sich im Wesentlichen parallel zu der Innenoberfläche des Behälters erstrecken und im zusammengebauten Zustand der Batteriezelle möglichst direkt an dieser Innenoberfläche flächig anliegen. Eine Verklebung zwischen dem Rand der

Deckplatte und der Innenoberfläche des Gehäuses kann somit die Deckplatte ringförmig umschließen und dadurch für einen zuverlässigen Halt der Deckplatte innerhalb der Behälteröffnung sorgen. Es ist jedoch auch möglich, die Deckplatte lediglich an einigen möglichst homogen verteilten Stellen entlang des Umfangs der Deckplatte mit der Innenoberfläche des Behälters zu verkleben, da die

Verklebung lediglich für einen mechanischen Halt, nicht jedoch für eine gasdichte Abdichtung des Gehäuses sorgen braucht.

Um für die gasdichte Abdichtung des Gehäuses zu sorgen und um den Klebstoff vor einem Angriff des Elektrolyten zu schützen, kann die Deckplatte in einem zweiten Teilbereich, der bezogen auf den ersten Teilbereich der Auskragung, der mit der Innenoberfläche des Behälters verklebt ist, näher zum Innern des Gehäuses angeordnet ist, eine Dichtanordnung in Form einer Dichtwulst aufweisen. Die Dichtwulst kann entlang der gesamten Auskragung vorgesehen sein. Somit kann die Dichtwulst die Deckplatte an deren Umfangsrand vollständig ringförmig umgeben und für eine zuverlässige Abdichtung zwischen der

Deckplatte und der Innenoberfläche des Behälters im Bereich der Öffnung sorgen. Die Dichtwulst kann als separater O-Ring ausgebildet sein. Ein solcher O-Ring kann als separate Baukomponente bereitgestellt werden und vor oder beim Zusammenbau der Batteriezelle auf die Auskragung der Deckplatte aufgezogen werden. Vorzugsweise ist hierfür in der Auskragung eine Nut vorgesehen, in die der O-Ring formschlüssig eingelegt werden kann.

Alternativ oder ergänzend kann die Dichtwulst mithilfe einer Dichtlippe ausgebildet sein, die an die Auskragung der Deckplatte angespritzt ist. Mit anderen Worten kann an die Deckplatte ein Kunststoff beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren angebracht werden, der aufgrund seiner Elastizität und Geometrie als Dichtlippe wirkt. Die Dichtanordnung, insbesondere die zuvor beschriebene Dichtwulst, kann mit einem gegen den Elektrolyten resistenten Elastomer ausgeführt sein. Ein solches Elastomer kann beispielsweise ein Fluorpolymer enthalten.

Beispielsweise wird von der Firma Du Pont ein gegen viele Elektrolyte widerstandsfähiges Elastomer unter dem Markennamen Viton®, teilweise mit dem Zusatz FKM, vertrieben.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Batteriezelle hierin mit Bezug auf unterschiedliche

Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann versteht, dass die einzelnen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren

Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.

Figur 2 zeigt ein Paket aus mehreren nebeneinander angeordneten

Batteriezellen.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse einer Batteriezelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Gehäuse einer Batteriezelle gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 5 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleich wirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine konventionelle Lithium-Ionen-Batteriezelle in einer

Explosionsansicht. Es ist zu erkennen, dass die Batteriezelle aus einer Vielzahl einzelner Komponenten besteht, die separat vorgehalten werden und während der Fertigung aufwendig zusammengebaut werden müssen. Es werden hierin lediglich die für das Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung notwendigen Bauteile und deren Merkmale beschrieben, auf eine Beschreibung der übrigen Bauteile der Batteriezelle wird verzichtet.

Die Batteriezelle 1 weist ein Wickelelement 3 mit einem gewickelten Stapel 5 aus einer Kupferfolie, welche mit Anodenmaterial beschichtet ist, und einer

Aluminiumfolie, welche mit Kathodenmaterial beschichtet ist, sowie dazwischen liegenden Kunststofffolien, die als Diaphragmen dienen, auf.

Zur elektrischen Kontaktierung werden an die Kupferfolie und die Aluminiumfolie Stromabnehmer 7, 9 angeschweißt, so dass die Stromabnehmer mit der Anode und der Kathode des Wickelelements elektrisch verbunden sind.

Das Wickelelement 3 wird zusammen mit den beiden Stromabnehmern 7, 9 in ein dichtes Gehäuse 11 eingebracht, in das auch der Elektrolyt eingefüllt wird. Das quaderförmige Gehäuse 11 besteht aus einem nach oben offenen Behälter 13 und einer die obere Öffnung 14 des Behälters 13 dicht verschließenden Deckelanordnung 15. Die Deckelanordnung 15 enthält als Hauptbestandteil eine Deckplatte 23, die so ausgebildet ist, dass sie in die Öffnung 14 des Behälters 13 passt und an ihrem Rand mit einer Innenoberfläche dieses Behälters 13 verschweißt werden kann.

Weitere in der Figur gezeigte Bestandteile der Deckelanordnung 15 dienen zu anderen Zwecken wie einer Durchführung einer nach außen reichenden

Kontaktanordnung sowie Sicherungseinrichtungen zur Vermeidung von Überdrücken beziehungsweise überhöhter Temperatur in der Batteriezelle, und sollen hier nicht näher erläutert werden.

Dadurch, dass bei herkömmlichen Batteriezellen die Deckplatte 23 meist durch Laserschweißen mit dem Behälter 13 verbunden wird, können Probleme beim nachfolgenden Zusammenbau solcher Batteriezellen 1 zu einem Zellpaket 21, wie es in Figur 2 dargestellt ist, auftreten. Da es beim Verschweißen der Deckplatte 23 mit dem Behälter 13 zur Bildung einer Schweißnaht 25 und damit verbunden zu so genannten Schweißaufwürfen 26 kommt, welche seitlich über eine Mantelfläche des Behälters 13 überragen können, können beim Stapeln der Batteriezellen 1 Schwierigkeiten dahingehend auftreten, dass benachbarte Batteriezellen 1 nicht mehr vollflächig miteinander in Anlage kommen. Dies kann einerseits zu ungenutztem Volumen innerhalb des Batteriepakets 21 führen und andererseits in einer instabilen Fixierung der Batteriezellen 1 innerhalb des gesamten Batteriepakets 21 resultieren.

Um die Bildung einer Schweißnaht 25 sowie von Schweißaufwürfen 26 vermeiden zu können, wird vorgeschlagen, die Deckplatte 23 nicht durch Schweißen sondern durch eine Klebeverbindung in dem Behälter 13 zu fixieren.

Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist hierzu ein Außenrand 27 der Deckplatte 23 nach unten, das heißt zum Innern des Behälters 13 bzw. hin zu dessen Boden, umgebogen, so dass sich an einem Außenumfang der Deckplatte 23 eine nach unten abragende Auskragung 29 bildet. Die Auskragung 29 steht dabei quer, vorzugsweise rechtwinklig von der ansonsten im Wesentlichen ebenen Deckplatte 23 ab. Die Auskragung 29 bildet eine ringförmige Fläche, deren Abmessungen so gewählt sind, dass die Auskragung 29 an ihrer

Außenseite, nachdem die Deckplatte 23 in die Öffnung 14 des Behälters 13 eingebracht wurde, in direkter mechanischer Anlage oder zumindest in direkter Nähe zu einer Innenoberfläche 37 einer Seitenwand 35 des Behälters 13 steht.

Zwischen der Außenseite der Auskragung 29 der Deckplatte 23 und der

Innenoberfläche 37 des Behälters 13 ist eine Schicht aus Klebstoff 31 angeordnet. Der Klebstoff 31 kann dabei vorab auf die Außenseite der

Auskragung 29 und / oder die Innenoberfläche 37 aufgebracht werden.

Vorzugsweise ist der Klebstoff 31 in Form einer Schicht mit beispielsweise einer Breite von einigen Millimetern aufgebracht, um eine großflächige und somit stabile Verklebung zwischen der Deckplatte 23 und dem Behälter 13 erreichen zu können. Als Klebstoff 31 wird vorzugsweise ein verkapselter Klebstoff eingesetzt, der vorab zumindest auf eine der zu verklebenden Oberflächen aufgebracht werden kann und beim Einführen der Deckplatte 23 in die Öffnung

14 des Behälters 13 aktiviert wird, indem die Verkapselung des Klebstoffs aufgebrochen und das eigentlich haftende Klebemittel freigesetzt wird und dann aushärten kann. Unterhalb des Klebstoffs 31, das heißt, näher zum Innern des Gehäuses 11, ist an der Auskragung 29 eine Dichtanordnung 32 in Form einer Dichtwulst 33 angeordnet. Die Dichtwulst 33 ist hierbei mit einem separaten O-Ring 41 gebildet. Der O-Ring 41 ist in einer in der Auskragung 29 umlaufend

eingebrachten Nut 39 formschlüssig aufgenommen. Der O-Ring 41 besteht aus einem Kunststoff, beispielsweise einem Elastomer, der einerseits ausreichend elastisch ist, um für eine zuverlässige Abdichtung zwischen der Auskragung 29 der Deckplatte 23 und der Innenoberfläche 37 des Behälters 13 zu sorgen, und der andererseits ausreichend resistent gegenüber dem im Innern des Gehäuses 11 aufgenommenen Elektrolyten ist, um eine langfristige Dichtigkeit

gewährleisten zu können. Beispielsweise kann der O-Ring aus FKM Viton ^® oder

EPDM oder einem anderen gegen den Elektrolyten resistenten Elastomer gebildet sein.

In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der eine

Auskragung 29 der Deckplatte 23 mit einer Dichtanordnung 32 mit einer aufgespritzten Dichtlippe 43 versehen ist. Die Dichtlippe 43 ist derart an dem die Auskragung 29 bildenden nach unten umgebogenen Rand 27 der Deckplatte 23 angespritzt, dass sie seitlich nach außen über die Deckplatte 23 übersteht. Beim Einbringen der Deckplatte 23 in die Öffnung 14 des Behälters 13 wird die Dichtlippe 43 zwischen der Auskragung 29 und der Innenoberfläche 37 des

Behälters 13 eingeklemmt und sorgt für eine zuverlässige Abdichtung, so dass kein Elektrolyt an die darüber befindliche Klebeschicht 31 gelangen und diese chemisch angreifen kann. Wesentlich für Ausführungsformen der hierin vorgeschlagenen Batteriezelle, wie sie beispielhaft in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind , ist insbesondere, dass zwischen einer Klebeverbindung 31, die für eine mechanische Fixierung der Deckplatte 23 mit dem Behälter 13 sorgt, und einem im Innern des Gehäuses 11 aufgenommenen Elektrolyten eine Dichtanordnung 32 mit einer Dichtwulst 33 in Form beispielsweise eines O-Rings 41 oder einer Dichtlippe 43 vorgesehen ist. Auf diese Weise können nicht nur die Funktionen des Abdichtens des Gehäuses 11 einerseits und des mechanischen Verschließens beziehungsweise Fixierens der Deckplatte 23 in der Öffnung 14 des Behälters 13 andererseits voneinander getrennt werden, sondern es kann auch ein Klebstoff 31 verwendet werden, der selbst nicht beständig gegen den Elektrolyten ist, da dieser nicht mit dem Elektrolyten in Berührung kommt. Durch die Tatsache, dass kein

elektrolytbeständiger Klebstoff notwendig ist, kann eine größere Auswahl von möglichen Klebstoffen zur Verfügung stehen.

Bei der vorgeschlagenen Klebe- und Dichtungsanordnung entstehen an einer Außenfläche des Behälters 13 keine Wülste beziehungsweise Aufwürfe, so dass einer korrekten Montage zu einem Batteriepaket, bei dem die Außenflächen der Batteriezellen plan aneinander liegen, keine solchen nach außen überstehenden Bereiche entgegenstehen. Des Weiteren findet keine Verformung der Bauteile beispielsweise durch Hitzeeinwirkung statt. Es wurde beobachtet, dass die Verwendung einer Dichtanordnung, wie sie hierin beschrieben wurde, eine ebenso gute Abdichtung der Batteriezelle zulässt, wie dies herkömmlich mit Schweißnähten erreicht wurde.

Fig. 5 zeigt ein Kraftfahrzeug 100, mit einer Batterie 102, die aus mehreren der oben beschriebenen Batteriezellen 1 zusammengesetzt ist.