Verfahren zur Herstellung eines beschrifteten Batteriezellengehäuses

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines

beschrifteten Batteriezellengehäuses, ein nach dem Verfahren erhältliches

Batteriezellengehäuse und eine Batteriezelle, die ein solches Gehäuse aufweist.

Stand der Technik

In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen

elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den

Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt beziehungsweise als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei

sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.

Figur 1 zeigt, wie einzelne Batteriezellen 10 zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 zusammengefasst werden können. Dies erfolgt durch eine nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Pole. Dabei besteht per Definition ein Batteriemodul 12 beziehungsweise eine Batterie 14 aus mindestens zwei

Batteriezellen 10.

Figur 2 zeigt verschiedene Gehäuse- und Verpackungstypen für Lithium-Ionen-Zellen, hier exemplarisch eine zylindrische Hardcasezelle 40, eine sogenannte Pouch-Zelle 50 und eine prismatische Hardcasezelle 60. Die beiden Ausführungsformen mit

Hardcasegehäusen weisen dabei jeweils einen metallischen Grundkörper auf, der zu Zwecken der Isolation mit einer Folie, einem Lack oder dergleichen aus einem elektrisch nicht leitenden Material bedeckt ist. Rein metallische Batteriezellengehäuse für Lithium-Ionen-Zellen, bei denen ein Potenzial auf dem Gehäuse liegt, müssen also nach außen elektrisch isoliert werden, wenn sie zu Hochvoltbatterien konfektioniert werden. Zur elektrischen Isolierung der Zellen werden insbesondere spezielle

Isolationslacke eingesetzt.

Zur Überwachung und Nachverfolgbarkeit ist weiterhin eine eindeutige Kennzeichnung der Batteriezellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, erforderlich. Nach Stand der Technik werden hierfür maschinenlesbare Codes verwendet, die mithilfe von

Aufklebern, Printern (zum Beispiel durch Direktdruck, Siebdruck, Tampondruck) oder Beschriftungslasern am Zellgehäuse aufgebracht werden. Bei der

Bauteilkennzeichnung durch Aufkleber besteht die Gefahr des Ablösens, insbesondere bei Komponenten, die häufigen Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Aufgedruckte Codes können durch mechanische Einwirkungen (Kratzer) beschädigt und somit nicht mehr ausgelesen werden. Die herkömmliche Kennzeichnung durch Laserbeschriftung basiert auf einem Farbumschlag im Falle von metallischen Werkstücken (Anlassfarben) beziehungsweise im Abtrag von oberflächennahem Material, wodurch Intrusionen entstehen. Für eine Funktionsschicht, wie die genannte Isolationsschicht auf dem Batteriezellengehäuse, sind derartige Intrusionen nicht zulässig, da sie eine

Beschädigung am Isolationssystem und damit ein Gefährdungspotenzial darstellen.

JP 2009092720A beschreibt einen Aufkleber für Batteriezellengehäuse, der mittels Laserbeschriftung bearbeitbar ist. Der Aufkleber weist eine komplexe Abfolge von Funktionsschichten auf, die eine Klebeschicht und zwei Farbschichten sowie eine Schicht aus einem transparenten Material umfasst.

Offenbarung der Erfindung

Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden mithilfe des

erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines beschrifteten

Batteriezellengehäuses behoben oder zumindest gemindert. Das

Batteriezellengehäuse weist einen metallischen Grundkörper auf, ist also

beispielsweise eine zylindrische Hardcasezelle oder prismatische Hardcasezelle. Der metallische Grundkörper des Batteriezellengehäuses ist mit einem Isolationslack beschichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass (i) zumindest in den zu beschriftenden Bereichen des Batteriezellengehäuses ein Isolationslack auf den Grundkörper aufgetragen wird, der ein Laseradditiv enthält, das bei Laserbestrahlung eine Farbänderung im bestrahlten Bereich bewirkt; und (ii) die Beschriftung durch partielle Laserbestrahlung des Isolationslacks in den zu beschriftenden Bereichen des Batteriezellengehäuses erfolgt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf den Einsatz von Aufklebern etc. verzichtet werden kann, wenn die Markierung direkt in dem Isolationslack, der auf dem metallischen Grundkörper aufgetragen ist, eingetragen wird. Die Art der

Laserbeschriftung darf dabei jedoch nicht die Funktionalität der Isolationsschicht beeinträchtigen. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest in den Bereichen, in denen die Beschriftung erfolgen soll, dem Isolationslack ein Additiv beigemengt wird, das bei Laserbestrahlung eine Farbänderung im bestrahlten Bereich bewirkt. Diese Farbänderung kann unmittelbar aus der Änderung der Farbe des

Laseradditivs folgen. Somit steht eine robuste Möglichkeit zur Verfügung, elektrisch isolierte Produkte mit individuellen und eindeutigen Informationen (Code, Logos etc.) zu versehen. Zudem ist das Beschriftungsverfahren für die Massenproduktion tauglich und kostengünstig, da der Materialeinsatz im Vergleich zu der Verwendung von Aufklebern geringer ist. Es wird also eine in den Isolationslack integrierte

Kennzeichnung des Batteriezellengehäuses ermöglicht, ohne dass das

Isolationssystem in seiner Funktionalität geschwächt wird.

Lasermarkierung von Kunststoffen wurde in den letzten Jahren entwickelt, um

Markierungen aufzubringen, die insbesondere individuell für den markierten

Gegenstand sind und eine Seriennummer oder dergleichen beinhalten.

Markierungen in hoher Qualität werden in der Regel mit gepulsten Lasergeräten ausgeführt, wobei beispielsweise mittels schwenkbarer Spiegel der fokussierte Laserstrahl über die Kunststoffoberfläche fährt.

Je nach Kunststoff und Rezeptur können Markierungen auf verschiedene Weise aufgebracht werden: Gravur, Ablatieren, Aufschäumen und Farbumschlag. Bei einer Markierung durch Gravur oder Ablatieren erfolgt ein Materialabtrag und es entstehen Intrusionen, die die Funktion der Isolationsschicht gefährden könnten. Ebenso kann ein Aufschäumen des Isolationslackes zu

Funktionsbeeinträchtigungen fuhren. Zur Erzielung von kontrastreichen Markierungen wird daher erfindungsgemäß der Weg über einen Farbumschlag gewählt.

Um den Farbumschlag bei Kunststoffen zu unterstützen und zu fördern, wurden verschiedene Laseradditive entwickelt. Die Additive absorbieren das Laserlicht und wandeln dieses in Wärme, die eine Karbonisierung des Kunststoffs bewirkt.

Die Laserbestrahlung kann jedoch auch einen Farbwechsel des Laseradditivs selbst bewirken. Letztere Variante ist für die Zwecke der Erfindung bevorzugt, da die Karbonisierung des Kunststoffs auch eine unerwünschte partielle Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit mit sich bringen könnte. Mit anderen Worten, nach dieser Verfahrensvariante soll eine Karbonisierung des Isolationslacks in Folge der Laserbestrahlung vermieden werden und lediglich ein Farbumschlag des

Laseradditivs bewirkt werden.

Ferner ist bevorzugt, wenn als Laseradditiv ein elektrisch nicht leitendes Laseradditiv zugesetzt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Isolationseigenschaften des Isolationslacks auch im Bereich der Beschriftung nicht gemindert sind.

EP 0 198 771 beschreibt die Verwendung von Antimonmetall oder -oxid als

Laseradditiv. DE 195 22 397 zeigt die Verwendung von mit Metalloxiden

beschichtetem Glimmer (Schichtsilikat) als Laseradditiv. Laseradditive auf der

Basis von Zinn-Antimon-Mischoxiden werden in US 6 693 657 beschrieben. In

WO 2006/42714 wird die Dunkelfärbung von Kunststoffen durch die Verwendung von Additiven auf der Basis von verschiedenen phosphorhaltigen Mischoxiden von Eisen, Kupfer, Zinn und/oder Antimon erzeugt.

Wenn ein Farbumschlag durch Karbonisierung in einem Kunststoff gewünscht wird, der sich nur mäßig oder gar nicht karbonisieren lässt, kann man ein

Laseradditiv mit einem leicht karbonisierenden Material kombinieren, wie zum

Beispiel in EP 0 991 523 vorgeschlagen.

Vorzugsweise basiert der Isolationslack auf einem Kunststoff, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Epoxid- und/oder Phenolharze, Polyacrylate und/oder modifizierter Polyacrylate, Polyurethane, Silikone, organische Lacke mit anorganischen Füllstoffen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines beschrifteten Batteriezellengehäuses, das nach dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellt wurde. Der Isolationslack des Batteriegehäuses weist also Bereiche auf, in die ein Laseradditiv eingebracht wurde. Durch Laserbestrahlung der Laseradditive hat sich im Bereich der Beschriftung eine Farbänderung eingestellt.

Weiterhin wird ein un beschriftetes Batteriezellengehäuse bereitgestellt, das einen metallischen Grundkörper aufweist, der mit einem Isolationslack beschichtet ist, der zumindest in den zu beschriftenden Bereichen des Batteriezellengehäuses ein Laseradditiv enthält, das bei entsprechender Bestrahlung eine Farbänderung im bestrahlten Bereich bewirkt. Mit anderen Worten, ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung des un beschrifteten Batteriezellengehäuses, wie es als Zwischenprodukt gemäß Schritt (i) des erfindungsgemäßen Verfahrens anfällt.

Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem erfindungsgemäßen beschrifteten

Batteriezellengehäuse.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen

angegeben und können der Beschreibung entnommen werden.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Batteriezelle, ein Modul und eine Batterie;

Figur 2 verschiedene Gehäuse und Verpackungstypen von Lithium-Ionen Zellen;

Figur 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Laserbeschriftungsverfahrens; und

Figur 4 eine schematische Schnittansicht durch die erfindungsgemäße

Isolationsschicht während der Bestrahlung. Ausführungsformen der Erfindung

Auf die Figuren 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.

Figur 3 illustriert schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines beschrifteten Batteriezellengehäuses 20. Über eine Laserquelle 30 wird ein Laserstrahl 32 mittels zweier beweglicher Spiegel 33 und 34 und einer Linse 36 auf einen zu beschriftenden Bereich 22 des Batteriezellengehäuses 20 gerichtet. Der zu

beschriftende Bereich 22 ist hier zur Verdeutlichung mit gestrichelten Linien markiert.

Durch die partielle Bestrahlung im Bereich 22 entsteht eine Beschriftung 24, hier als Strichcode ausgeprägt.

Das Batteriezellengehäuse 20 weist einen metallischen Grundkörper 26 auf, der mit einem Isolationslack 70 beschichtet ist.

Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch den Bereich des Grundkörpers 26 und den Isolationslack 70, und zwar in dem zu beschichtenden Bereich 22. Der metallische Grundkörper 26 kann beispielsweise aus Aluminium oder

korrosionsbeständigem Edelstahl bestehen. Als Isolationslack 70 können

beispielsweise Epoxid- und/oder Phenolharz, Polyacrylat und/oder modifiziertes Polyacrylat, Polyurethan, Silikon, organische Lacke mit anorganischen Füllstoffen verwendet werden. In den Isolationslack 70 sind Laseradditive 72 dispergiert. Jedes Laseradditiv 72 besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material und ändert seine Farbe, wenn der Laserstrahl 32 es trifft. Durch die Änderung der Farbe der Laseradditive 72 wird letztendlich die Beschriftung 24 hergestellt. Als Laseradditive eignen sich

beispielsweise Metalloxide wie Titandioxid.

Denkbar ist es auch, Schichtsysteme mit verschiedenen Laseradditiven aufzubauen und durch geschickte Wahl der Belichtung mehrfarbige Effekte zu erzielen. Ebenso können 3-D-Effekte erzielt werden.