DE10100626B4

DE10100626B4 - Lithiumionen-Batterie

Info

Publication number: DE10100626B4
Application number: DE10100626A
Authority: DE
Inventors: Murray G. Henderson Sandberg; Morgan R. Indianapolis Benson
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: EnerDel Inc
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: DE10100626A1; US6413668B1

Abstract

Lithiumionen-Batterie (10) umfassend:
ein Metallgehäuse (32) mit einem vorderen (31) und einem hinteren (31A) Segment, wobei die Segmente die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten (33), die eine Länge aufweisen, die gleich der Länge des vorderen und hinteren Segmentes ist,
einen in das Gehäuse (32) eingesetzten Stapel (12) von Lithiumionen-Elektroden, der bipolare Elektroden (14) mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist,
ein Gehäuseunterteilelement (30) mit einer Nut (26), in der eine Kathodenklemme des Lithiumionen-Elektrodenstapels (12) sitzt,
eine Anodenklemmenabdeckung (54) mit einer Nut zur Aufnahme einer Anodenklemme (22) des Lithiumionen-Elektrodenstapels (12), und
eine isolierende Dichtung (50), die zwischen einem Anodenflachteil (52) der Anodenklemmenabdeckung (54) und dem Metallgehäuse (32) angeordnet ist und die Anode der Batterie elektrisch von dem Gehäuse (32) trennt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithiumionen-Batterie.

Lithium-Batterien werden von vielen als eine attraktive Energiespeichereinrichtung angesehen. Lithiumionen-Batterien sind für verschiedene Anwendungen vorgesehen worden, wie beispielsweise tragbare elektroni- sche Geräte, Mobiltelefone, Motorwerkzeuge, Elektrofahrzeuge und Lastausgleich/Spitzenformung. Die Batterien ersetzen gegenwärtig viele andere traditionelle Energiequellen, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien und Nickel-Metallhydrid-Batterien. Lithiumionen-Batterien sind seit vielen Jahren bekannt (siehe das Handbook of Batteries, David Linden, Hrsg., 2. Aufl. von McGraw-Hill, Copyright 1995, insbesondere Kapitel 36 und 39). Verschiedene Aspekte von Lithium-Batterien sind in einer Vielzahl von US-Patenten, wie beispielsweise das US-Patent 5 961 672, das eine stabilisierte Anode für Lithium-Polymer-Batterien betrifft, beschrieben worden. Das US-Patent 5 952 126 betrifft einen Polymer-Festelektrolyten und Lithium-Sekundärzellen. Das US-Patent 5 900 183 betrifft Polymer-Elektrolyte, ebenso wie das US-Patent 5 874 185. US-Patent 5 849 434 beschreibt Lithium-Sekundärbatterien mit nichtwässrigem Elektrolyten. Andere Abwandlungen von Lithium-Batterien sind in den US-Patenten 5 853 914 und 5 773 959 sowie in den Patent Abstracts of Japan 07263024 und 08088021 beschrieben.

Ein geeignetes Packen von Lithiumionen-Batterien ist in der Automobilumgebung aufgrund der Notwendigkeit für Korrosionsbeständigkeit, Stoß- und Unfallwert und Schwingungsfestigkeit besonders schwierig. Die Probleme derartiger Batterien können gekennzeichnet werden als eine Notwendigkeit für eine bessere Abdichtungsrobustheit, nämlich die Überwindung eines Leckpotentials aus dem Innendruck, eine bessere Packungsrobustheit, nämlich ein besserer Stoß-/Unfallwert, bessere Wärmeaustauscheigenschaften, nämlich die Fähigkeit, Wärme zu dissipieren und eine Kühlung effektiver aufzunehmen, die Einfachheit der Verarbeitung und der Überführung in die Massenproduktion, das heißt, Verfahren, die sich zur Automatisierung eignen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithiumionen-Batterie zu schaffen, die kompakt und dicht ist und gleichzeitig einen einfachen Aufbau aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe ist eine Lithiumionen-Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Lithiumionen-Batterie umfasst:
ein Metallgehäuse mit einem vorderen und einem hinteren Segment, wobei die Segmente die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten, die eine Länge aufweisen, die gleich der Länge des vorderen und hinteren Segmentes ist,
einen in das Gehäuse (32) eingesetzten Stapel von Lithiumionen-Elektroden, der bipolare Elektroden mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist,
ein Gehäuseunterteilelement mit einer Nut, in der eine Kathodenklemme des Lithiumionen-Elektrodenstapels sitzt,
ein Anodenklemmenabdeckung (54) mit einer Nut zur Aufnahme einer Anodenklemme des Lithiumionen-Elektrodenstapels, und
eine isolierende Dichtung, die zwischen einem Anodenflachteil des Gehäuseoberteilelements und dem Metallgehäuse angeordnet ist und die eine Anode der Batterie elektrisch von dem Gehäuse trennt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:
1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Herstellen_ und Zusammenbauen der bipolaren Zellen zu einer kompakten Lithiumionen-Batterie,
2 eine Ansicht der kompakten Lithiumionen-Batterie im zusammengebauten Zustand, und
3 eine schematische Darstellung des Durchlaßstücks, das für das Einleiten des Elektrolyten in den Batterie-Stapel und zur Freigabe von Gas aus dem Batterie-Stapel verwendet wird.
Die im wesentlichen abgedichtete, leichte Lithiumionen-Batterie 10 der vorliegenden Erfindung wird durch das in 1 gezeigte schematische Verfahren hergestellt. Der bipolare Stapel 12 besteht aus Elektrodensegmenten 14 mit einer für Lithiumionen permeablen Membran 16, die zwischen die Elektroden gesetzt ist. Die Anodengitter 18 der Zelle sind an der Oberseite 20 des Elektrodenstapels 12 befestigt. Die Anodenklemme 22 ist oben auf die Anodengitter 18 gesetzt. Obwohl es in 1 nicht gezeigt ist, sind die Kathodengitter an der Unterseite 24 des Batterie-Stapels befes tigt. Die Kathodengitter sind miteinander an der Unterseite des Elektrodenstapels verbunden und sitzen in einer in 1 gezeigten Nut 26. Die Nut 26 befindet sich an der Basis 30 des Metallgehäuses 32. Das Metallgehäuse 32 weist vordere 31 und hintere 31A Segmente und zwei Seiten 33 auf. Der Elektrodenstapel 12 weist einen vorderen Abschnitt 34 und hintere Abschnitte auf. Er weist ebenfalls seitliche Abschnitte 38 und 40 auf. Nachdem die Batterie, die die Elektrodenstapel umfaßt, zusammengebaut worden ist, wird sie dann in das Gehäuse 32 eingesetzt. Es ist ein Durchlaßstück für das Einleiten eines Elektrolyten in den Batterie-Stapel vorbereitet. Das Durchlaßstück besteht aus einem mit einem Gewinde versehenen Element 44, in das ein mit einem Gewinde versehenes Einwegventil 46 eingesetzt ist. Eine Bohrung 48 ist in einer Anodenklemmenabdeckung 54 angeordnet. Eine Dichtung 50 ist oben auf das Anodenflachteil 52 gesetzt. Die Dichtung 50 dichtet die Oberseite elektrolytisch ab und isoliert die Anodenklemme 22 vom Rest des Metallgehäuses 32, das kathodisch orientiert ist. Aufgrund der porösen Natur der Oberseite 20 des Batterie-Stapels gelangt der Elektrolyt leicht durch die Oberseite 20 in den Batterie-Stapel und zwischen die Elektroden.
Die Gesamtverarbeitung und der Gesamtzusammenbau der Lithiumionen-Batterie von 1 kann wie folgt beschrieben werden:
Stufe A: Zusammenbau des Elektrodenstapels,
Stufe B: Befestigung der Anodengitter und der Anodenklemme und der Kathodengitter und der Kathodenklemme,
Stufe C: Zusammenbau der Anodenklemmenabdeckung 54 mit der Dichtung 50 und Einsetzen des Durchlaßstücks und Anordnung der Batterie einschließlich des Elektrodenstapels in dem Metallgehäuse,
Stufe D: Befestigung des oberen Lippenteils 53 des Gehäuses 32 durch Einwalzen, Bördeln, Einrollen bzw Quetschen des Lippenteils an dem Anodenflachteil 52, und Ultraschallverschweißung der Anodenklemmenabdeckung 54 mit der Anodenklemme 22, wie es durch die Schweißnaht 56 gezeigt ist, unter Verwendung einer im Handel erhältlichen Ausrüstung, wie beispielsweise Condor ST 30 (Marke der Stapla Corporation).
Die Merkmale dieser Konstruktion umfassen das abschließende äußere Ultraschallverschweißen und Einwalzen an beiden Enden des Zellengehäuses von der Außenseite. Dieses Merkmal schafft eine Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen dem Elektrodenstapel und den Zellenklemmen, die für Leistungsbatterien angestrebt wird. Das Merkmal fügt dem Produkt auch Stoß- und Unfallwert hinzu. Es minimiert auch verschwendeten Raum, wenn das Einwalzen stattfindet, durch das das Gehäuse abgedichtet wird.
Die Dichtung 50 ist an der Endabdeckung der Anodenzelle angebracht, die nicht in die Walznaht eingerollt wird, wodurch mögliche Lecks verringert werden. Die Dichtung wirkt als Versiegelung und elektrischer Isolator zwischen den Gehäuseteilen und zwischen dem Elektrodenstapel und den Gehäuseteilen. Ferner schaffen das Einwalzen und die dehnbaren Metallbauteile ein Paket mit Stoß- und Unfallwert. Aufgrund der Konstruktion gibt es eine gute Stromverteilung über das aktive Material hinweg und heraus zur Zellenklemme. Das Gehäuse kann als eine fünfseitige Dose befrachtet werden, wobei die Gitter in die verlängerte Nut 26 der Basis 30 und in eine verlängerte Nut der Anodenklemmenabdeckung 54 gewalzt sind, was einen ausgezeichneten volumetrischen Wirkungsgrad ergibt. Das Gehäuse umfaßt vordere und hinteren Segmente, wobei die Segmente im wesentlichen die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten, die im wesentlichen die gleiche Länge wie die vorderen und hinteren Segmente aufweisen.
Die Gehäusedose besteht vorzugsweise aus Metall und ist besonders bevorzugt aus Aluminium oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Verwendung von Aluminium führt zu Gewichtseinsparungen gegenüber anderen Metallelementen. Da nur ein Ende des Gehäuses, nämlich das an der Anodenklemmenabdeckung 54, eingewalzt wird, erlaubt dies eine Verbesserung der Effizienz gegenüber einem Einwalzen beider Enden, wenn die Zellen Seite an Seite angeordnet sind.
Der Elektrodenstapel 12 besteht aus bipolaren Elektroden 14 mit einer für Lithiumionen permeablen Membran 16 zwischen den unterschiedlichen Zellen. Während eine breite Vielfalt von Materialien für die bipolaren Zellen und die für Ionen permeable Membran verwendet werden kann; könnte eine Kathodenart ein Lithium-Metalloxid, wie beispielsweise Lithium-Manganoxid oder Lithium-Kobaltoxid sein. Die Anode kann ein Kohlenstoff-Kunststoff-Film mit einem Kupferstromkollektor sein. Die bipolaren Elektroden verwenden ein stabiles Substrat, auf dem ein Lithiumionen-Material abgeschieden ist. Das Substrat für die Lithium-Kathode kann ein in der Umgebung von Lithiumionen-Zellen stabiles Material mit einer Dicke von weniger als 100 μm sein. Es kann eine breite Vielfalt von Dünnfilm-Kunststoffsubstraten verwendet werden, wie bei spielsweise Polyvinylidendifluorid (PVDF). Die Separatoren 16 können ebenso eine breite Vielfalt von Dünnfilm-Kunststoffmaterialien mit einer Dicke von weniger als 100 μm sein. Ein Material ist Mylar (Marke von DuPont für einen Polyesterfilm).
Der Elektrodenstapel 12 kann auch einen oberen Abschnitt 20 aufweisen, der aus einem für einen Elektrolyten permeablen Material besteht, wie beispielsweise im Handel erhältliches, poröses, kohlenstoffhaltiges Material oder Grafitmaterial.

10: Lithium-Ionen-Batterie
12: Stapel
14: Elektrodensegmente
16: Membran
18: Anodengitter
20: Oberseite
22: Anodenklemme
24: Unterseite
26: Nut
31: vorderes Segment
31A: hinteres Segment
32: Metallgehäuse
33: Seiten
34: vorderer Abschnitt
38: seitlicher Abschnitt
40: seitlicher Abschnitt
44: Element
46: Einwegventil
48: Bohrung
50: Dichtung
52: Anodenflachteil
54: Anodenklemmenabdeckung
56: Schweißnaht

Claims

Lithiumionen-Batterie (10) umfassend: ein Metallgehäuse (32) mit einem vorderen (31) und einem hinteren (31A) Segment, wobei die Segmente die gleiche Länge und Breite aufweisen, und zwei Seiten (33), die eine Länge aufweisen, die gleich der Länge des vorderen und hinteren Segmentes ist, einen in das Gehäuse (32) eingesetzten Stapel (12) von Lithiumionen-Elektroden, der bipolare Elektroden (14) mit einem Elektrolyten zwischen diesen aufweist, ein Gehäuseunterteilelement (30) mit einer Nut (26), in der eine Kathodenklemme des Lithiumionen-Elektrodenstapels (12) sitzt, eine Anodenklemmenabdeckung (54) mit einer Nut zur Aufnahme einer Anodenklemme (22) des Lithiumionen-Elektrodenstapels (12), und eine isolierende Dichtung (50), die zwischen einem Anodenflachteil (52) der Anodenklemmenabdeckung (54) und dem Metallgehäuse (32) angeordnet ist und die Anode der Batterie elektrisch von dem Gehäuse (32) trennt.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) ein Durchlaßstück (44, 46) zum Einleiten eines Elektrolyten in dieses aufweist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) eine Entlüftung (48) zur Gasfreigabe aus diesem umfaßt.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenklemmenabdeckung (54) mit der Anodenklemme (22) abdichtend verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenklemmenabdeckung (54) mittels Ultraschallschweißen mit der Anodenklemme (22) abdichtend verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseunterteilelement (30) mit der Kathodenklemme abdichtend verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseunterteilelement (3) mittels Ultraschallschweißen mit der Kathodenklemme abdichtend verbunden ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenklemmenabdeckung (54) durch Einwalzen oder Falzen mit dem Gehäuse abdichtend ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) aus Aluminium besteht.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenklemme (22) aus Kupfer besteht.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten (33) des Gehäuses (32) eine rechteckige Form aufweisen, wobei ihre Breite kleiner als die Breite des vorderen (31) und hinteren Segmentes (31A) des Gehäuses (32) ist.