DE102006054309A1

DE102006054309A1 - Batteriezelle mit Kontaktelementenanordnung

Info

Publication number: DE102006054309A1
Application number: DE102006054309A
Authority: DE
Inventors: Dieter Teckhaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-05-21
Also published as: WO2008058758A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Zelleneinrichtung mit Kontaktelementanordnung für eine Primär- oder Sekundärbatterie umfasst mindestens ein im Wesentlichen flaches erstes Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, mindestens ein im Wesentlichen flaches zweites Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen zweiten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, und mindestens ein im Wesentlichen flaches Trennelement, wobei zwei benachbarte Elektrodenelemente durch mindestens ein Trennelement räumlich getrennt übereinander angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Zelleneinrichtung mit Kontaktelementanordnung umfasst ferner eine Hülleinrichtung, mithilfe derer ein Hüllinnenraum von einem Hüllaußenraum abgegrenzt wird, wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Elektrodenelement sowie die mit diesen Elektrodenelementen verbundenen ersten und zweiten Primärkontaktelemente und das mindestens eine Trennelement innerhalb des Hüllinnenraums angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist das mindestens eine erste Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden, wobei dieses mindestens eine erste Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist, und das mindestens eine zweite Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, die aus mindestens einer Zelle mit einer Kontaktelementanordnung aufgebaut ist, eine Zelle mit einer Kontaktelementanordnung, deren Verwendung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl Batterien oder Primärbatterien, d.h. nicht wieder aufladbare elektrische Energiespeicher, als auch sogenannte Sekundärbatterien oder Akkumulatoren, die wieder aufladbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vereinfachend der Begriff "Batterie", soweit nicht anders vermerkt, für beide Typen (nicht aufladbar und aufladbar) verwendet. Batterien, die eine Zelle oder eine Kontaktelementanordnung der hier in Rede stehenden Art aufweisen, sind insbesondere im Hochleistungsbereich zu finden, wenn es um Verwendung eines Energiespeichers mit hoher Energiedichte geht oder wenn hohe Entladeströme gefordert werden. Lithium-basierte Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Sekundärbatterien sind Beispiele für solche Energiespeicher. Mögliche Anwendungen umfassen z.B. den Einsatz als Traktionsbatterien von Elektro-(Land-, Wasser-, Luft-, Raum-)Fahrzeugen, Hybridbatterien von Hybridfahrzeugen, Starterbatterien von Kraftfahrzeugen, sowie Energiespeicher für die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) und für Solaranlagen.
Beim Entladen und Laden von solchen Sekundärbatterien können große elektrische Ströme in den Ableitern der Zelle und den Leitern des Stromkreises fließen, die zur Erwärmung führen. Der elektrische Widerstand nimmt im Wesentlichen mit abnehmendem Leiterquerschnitt zu. Insbesondere an den Kontaktstellen von Elektroden, Elektrodenkontakten, Ableitern und Batteriekontakten kann der Leiterquerschnitt aufgrund einer kleinen Kontaktfläche gering sein. Zudem kann sich die Kontaktfläche durch Materialfehler, Korrosion, mechanisch oder thermisch bedingte Spannungen und andere Einflüsse weiter reduzieren, so dass die Stromdichte in solchen Kontaktbereichen unter verstärkter Freisetzung von Wärme zunehmen kann. Problematisch kann sich dann auswirken, dass ein Teil der an den Kontakten entstehenden Wärme an die Zelle und die Batterieelektroden abgegeben wird und somit deren Betrieb oder sogar deren Betriebssicherheit beeinträchtigt sein kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine verbesserte Zelle mit einer Kontaktelementanordnung, eine verbesserte Kontaktelementanordnung für eine Zelle, eine verbesserte Batterie und ein Verfahren zur Herstellung dieser Zelle bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1, den Gegenstand des Anspruchs 7, den Gegenstand des Anspruchs 23 und den Gegenstand des Anspruchs 24. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Zelle mit Kontaktelementanordnung für eine Primär- oder Sekundärbatterie umfasst mindestens ein im Wesentlichen flaches erstes Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, mindestens ein im Wesentlichen flaches zweites Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen zweiten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, und mindestens ein im Wesentlichen flaches Trennelement, wobei zwei benachbarte Elektrodenelemente durch mindestens ein Trennelement räumlich getrennt übereinander angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Zelle mit Kontaktelementanordnung umfasst ferner eine Hülleinrichtung, mithilfe derer ein Hüllinnenraum von einem Hüllaußenraum abgegrenzt wird, wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Elektrodenelement, sowie die mit diesen Elektrodenelementen verbundenen ersten und zweiten Primärkontaktelemente und das mindestens eine Trennelement innerhalb des Hüllinnenraums angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist das mindestens eine erste Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden, wobei dieses mindestens eine erste Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist, und das mindestens eine zweite Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen flachen zweiten Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden, wobei dieses mindestens eine zweite Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist. Ferner ist erfindungsgemäß mindestens ein Tertiärkontaktelement vorgesehen, das im Wesentlichen außerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist und das mindestens einem Sekundärkontaktelement aus mindestens einem Batteriezellenelement zugeordnet ist, und mindestens ein Verbindungselement vorgesehen, mittels welchem das mindestens eine Tertiärkontaktelement mit mindestens einem Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbindbar ist.
Als erstes Elektrodenelement wird vorzugsweise ein solcher Teil einer Batterieelektrode bezeichnet, der im Betrieb der Batterie eine erste elektrische Polarität aufweist. Als zweites Elektrodenelement wird vorzugsweise ein solcher Teil einer Batterieelektrode bezeichnet, der dann eine dem ersten Elektrodenelement entgegengesetzte (zweite) elektrische Polarität aufweist. Insbesondere kann beim Entladen einer Sekundärbatterie ein erstes Elektrodenelement Teil der Anode der Zelle sein und ein zweites Elektrodenelement Teil der Kathode der Zelle sein. In diesem Fall wird beim Aufladen der Sekundärbatterie, wenn durch Umpolen der Elektroden die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden vertauscht werden, dieses erste Elektrodenelement Teil der Kathode und dieses zweite Elektrodenelement Teil der Anode sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen werden vorzugsweise Kontaktelemente, die aufgrund ihrer Verschaltung diese erste elektrische Polarität aufweisen, als erste Kontaktelemente bezeichnet. Entsprechend werden vorzugsweise Kontaktelemente, die aufgrund ihrer Verschaltung diese zweite elektrische Polarität aufweisen, als zweite Kontaktelemente bezeichnet. Falls nicht zwischen erstem und zweitem Element unterschieden wird, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise beide Elemente gemeint sein.
Ein im Wesentlichen flaches Elektrodenelement wird vorzugsweise aus mehreren Bestandteilen gebildet. Vorzugsweise umfasst ein im Wesentlichen flaches Elektrodenelement mindestens eine Elektrodenreaktionsschicht, in der die strombewirkenden chemischen Reaktionen ablaufen, und vorzugsweise mindestens eine Stromkollektorschicht aus einem leitenden Material, z.B. eine Metallfolie oder ein Metallgitter, über die der erzeugte elektrische Strom abgeleitet wird. Im Betrieb der Zelle sind diese Schichten vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden. Es ist aber auch vorzugsweise vorge sehen, dass ein Elektrodenelement im Wesentlichen nur aus einer Komponente besteht.
Ein Elektrodenelement ist vorzugsweise mit wenigstens einem Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden, welches als elektrischer Kontakt zum Ableiten/Zuführen des in den Elektrodenelementen erzeugten elektrischen Stroms dient. Vorzugsweise ist an dem mindestens einen ersten Elektrodenelement mindestens ein im wesentlichen flaches erstes Primärkontaktelement vorgesehen und an dem mindestens einen zweiten Elektrodenelement mindestens ein im wesentlichen flaches zweites Primärkontaktelement vorgesehen, wobei ein Primärkontaktelement jeweils vorzugsweise in einem Randbereich mit vorzugsweise dem Randbereich eines Elektrodenelementes verbunden ist. Vorzugsweise weist die mechanische Verbindung zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und dem mindestens einen Sekundärkontaktelement eine große elektrische Kontaktfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass eine lokal hohe Stromdichte weitgehend vermieden werden kann.
In einer bevorzugten Gestaltung der Elektrodenanordnung ist an einem rechteckförmigen Elektrodenelement genau ein Primärkontaktelement vorgesehen, das im Wesentlichen länglich und rechteckförmig ausgebildet ist und der Länge nach mit einer Längsseite des Elektrodenelements verbunden ist. Ebenso möglich und bevorzugt vorgesehen ist es, dass das Primärkontaktelement im Wesentlichen aus zwei länglichen Abschnitten besteht, die im Wesentlichen senkrecht aufeinander stehend an ihren Enden L-förmig verbunden sind, wobei jeweils einer dieser Abschnitte mit einer seitlichen Längsseite des Elektrodenelements mechanisch und elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise wird so zwischen einem Elektrodenelement und einem Primärkontaktelement eine möglichst große Kontaktfläche geschaffen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Stromdichte durch den größeren Leiterquerschnitt der Kontaktfläche klein gehalten werden kann.
Ebenso möglich und bevorzugt vorgesehen ist es, dass mindestens ein Elektrodenelement und das Trennelement im Wesentlichen eine Form aufweisen, die einer Gruppe von Formen entnommen ist, die eine Kreisform, eine elliptische Form, eine dreieckige Form, eine viereckige Form, insbesondere eine Rauten- oder Trapezform, eine fünf- oder sechseckige Form oder polygonale Form, eine Form mit abschnittsweise gekrümmter oder gerader Außenlinie, und dergleichen, und Kombinationen aus diesen Formen umfasst. Ebenso möglich und vorzugsweise vorgesehen ist es, dass mindestens ein Elektrodenelement und das Trennelement eine Aussparung oder einen Durchbruch aufweisen, insbesondere im Wesentlichen ringförmig und insbesondere kreisringförmig sind. In diesem Fall ist zumindest in Teilbereichen der Aussparung oder des Durchbruchs mindestens ein Primärkontaktelement angeordnet und mit dem mindestens einen Elektrodenelement verbunden. Das mindestens eine Primärkontaktelement ist bei den genannten Formen der Elektrodenelemente in seiner äußeren Form dem Außenumriss des Elektrodenelements vorzugsweise zumindest teilweise angepasst. Beispielsweise weist ein kreisförmiges Elektrodenelement vorzugsweise mindestens ein Primärkontaktelement aus einem Kreisringabschnitt auf. Ein Vorteil einer solchen Formgestaltung kann sein, dass Transportvorgänge wie Wärmetransport, Ladungsträgertransport oder der Transport von Elektrolytbestandteilen optimiert werden können, indem z.B. möglichst kurze Transportwege und/oder Transportwege einheitlicher Länge geschaffen werden. Ein weiterer Vorteil dieser Formgestaltung kann sein, dass eine Zelle bzw. eine Batterie aufgebaut werden kann, deren äußere Form nach Vorgaben angepasst werden kann, um z.B. einen begrenzt verfügbaren Raum optimal auszunützen.
Vorzugsweise werden bei übereinander angeordneten, von Trennelementen getrennten Elektrodenelementen, die einen Elektrodenstapel bilden, die diesen Elektrodenelementen zugeordneten Primärkontaktelemente übereinander angeordnet nach außen abgeführt. Es ist jedoch in einer weiteren bevor zugten Gestaltung der Elektrodenanordnung auch vorgesehen, dass die Primärkontaktelemente zumindest teilweise nicht übereinander angeordnet nach außen abgeführt werden. Ein Vorteil einer solchen Anordnung mit teilweise nicht übereinander angeordneten Primärkontaktelementen kann sein, dass die bei Stromfluss erzeugte Wärme besser nach außen abgeführt bzw. verteilt werden kann.
Die den ersten Elektrodenelementen zugeordneten ersten Primärkontaktelemente werden vorzugsweise auf mindestens einer ersten Seite des Elektrodenstapels herausgeführt, und die den zweiten Elektrodenelementen zugeordneten zweiten Primärkontaktelemente werden vorzugsweise auf mindestens einer zweiten Seite des Elektrodenstapels herausgeführt, wobei keine der ersten Seiten mit irgendeiner der zweiten Seiten überlappt, so dass Kurzschlüsse ausgeschlossen sind.
Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass die ersten und zweiten Primärkontaktelemente an derselben Seite oder an benachbarten Seiten eines ELektrodenstapels über die Fläche der Trennelemente hervorstehend aus dem Elektrodenstapel herausgeführt sind, wobei jeweils die ersten Primärkontaktelemente übereinanderliegen und die zweiten Primärkontaktelemente übereinanderliegen und wobei erste und zweite Primärkontaktelemente voneinander beabstandet sind.
Vorzugsweise sind in einem Elektrodenstapel von im Wesentlichen rechteckförmigen Trennelementen und Elektrodenelementen, welche Primärkontaktelemente aufweisen, die ersten Primärkontaktelemente an der ersten längeren Längsseite über die Fläche der Trennelemente hervorstehend und übereinander liegend aus dem Elektrodenstapel herausgeführt und die zweiten Primärkontaktelemente an der zweiten längeren Längsseite über die Fläche der Trennelemente hervorstehend und übereinander liegend aus dem Elektrodenstapel herausgeführt.
Ein Primärkontaktelement weist in einer bevorzugten Gestaltung mindestens einen Durchbruch auf, der insbesondere dem Durchführen eines Verbindungselements oder Hilfsverbindungsmittels dient. Ebenso möglich und bevorzugt ist, dass ein Primärkontaktelement zu demselben Zweck mindestens eine Aussparung aufweist.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Kontaktelementanordnung ist vorgesehen, dass mindestens ein Primärkontaktelement mit einem Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise sind mehrere Primärkontaktelemente übereinander angeordnet und mit dem Sekundärkontaktelement elektrisch und mechanisch verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden. Im Fall der stoffschlüssigen Verbindung wird das mindestens eine Primärkontaktelement und das Sekundärkontaktelement vorzugsweise verschweißt, insbesondere mittels Ultraschall verschweißt. Ferner bietet die stoffschlüssige Verbindung vorzugsweise einen großen, insbesondere flächigen, elektrischen Kontaktbereich zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und dem mindestens einen Sekundärkontaktelement, so dass insbesondere punktuelle Bereiche wärmefreisetzender hoher Stromdichte weitgehend vermieden werden können.
Ein Sekundärkontaktelement ist in seiner äußeren Form vorzugsweise derart gestaltet, dass es zumindest abschnittsweise der äußeren Form des mindestens einen Primärkontaktelements angepasst ist, welches mit dem Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden wird. Im Fall von im Wesentlichen länglichen und rechteckförmigen Primärkontaktelementen ist deshalb auch das Sekundärkontaktelement vorzugsweise im Wesentlichen länglich und rechteckförmig ausgebildet und ferner vorzugsweise entlang der gesamten Länge mit dem mindestens einen Primärkontaktelement verbunden.
Ferner weist das mindestens eine Sekundärkontaktelement vorzugsweise keine scharfen Kanten auf, sondern ist vorzugsweise zumindest teilweise abgerundet, um im Kontakt mit der Hülleinrichtung eine Beschädigung der Hülleinrichtung insbesondere bei der Montage der Zelle und/oder bei einem langfristigem Betrieb der Zelle zu vermeiden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Primärkontaktelement mit zwei Sekundärkontaktelementen mechanisch und elektrisch verbunden ist. Vorzugsweise sind mehrere Primärkontaktelemente übereinander angeordnet und mit einem unteren und einem oberen Sekundärkontaktelement elektrisch und mechanisch verbunden, insbesondere kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden. Das untere Sekundärkontaktelement ist dabei unterhalb des mindestens einen Primärkontaktelements und das obere Sekundärkontaktelement ist oberhalb des mindestens einen Primärkontaktelements angeordnet und mit diesem mechanisch und elektrisch verbunden.
Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die elektrische Kontaktfläche zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und den beiden Sekundärkontaktelementen etwa doppelt so groß ist wie im Fall von nur einem Sekundärkontaktelement. Infolge dessen wird der elektrische Strom durch eine im Wesentlichen verdoppelte elektrische Kontaktfläche nach außen abgeführt, wodurch sich im Kontaktbereich zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und den beiden Sekundärkontaktelement die Stromdichte entsprechend verringert. Auf diese Weise wird die Wärmefreisetzung im Kontaktbereich reduziert, wodurch der Betrieb der Zelle zuverlässiger wird.
Vorzugsweise werden das untere und das obere Sekundärkontaktelement gegeneinandergepresst angeordnet, so dass das mindestens eine Primärkontaktelement zwischen diesen Sekundärkontaktelementen eingeklemmt wird. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch das Pressen bzw. Klem men zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und den beiden Sekundärkontaktelementen Unebenheiten geplättet werden und eine möglichst große Kontaktfläche sichergestellt wird, so dass im Betrieb der Zelle lokale Bereiche hoher Stromdichte weitgehend vermieden werden können. Auf diese Weise wird die Wärmefreisetzung im Kontaktbereich reduziert, wodurch der Betrieb der Zelle zuverlässiger wird.
In einer bevorzugten Gestaltung des mindestens einen Sekundärkontaktelement ist in diesem mindestens ein Durchbruch vorgesehen. Dieser ist vorzugsweise übereinanderliegend mit dem mindestens einen Durchbruch des mindestens einen Primärkontaktelements angeordnet. Durch diese Durchbrüche kann zumindest teilweise ein Hilfsverbindungsmittel und/oder zumindest teilweise ein Verbindungselement geführt werden, mithilfe derer das mindestens eine Primärkontaktelement und/oder das mindestens eine Sekundärkontaktelement und/oder das mindestens eine Tertiärkontaktelement miteinander verbunden werden können.
Vorzugsweise ist mindestens ein Hilfsverbindungsmittel vorgesehen, das mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei mittels dieses Hilfsverbindungsmittels mindestens ein Primärkontaktelement und/oder mindestens ein Sekundärkontaktelement und/oder mindestens ein Tertiärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden werden können.
Vorzugsweise ist dieses mindestens eine Hilfsverbindungsmittel mechanisch fest oder integral mit einem Sekundärkontaktelement verbunden, wobei dieses Hilfsverbindungsmittel insbesondere eine Erhebung des Sekundärkontaktelements sein kann. Dies hat den Vorteil, dass die Montage oder die Demontage der Kontaktanordnung vereinfacht ist. Bei einer anderen, ebenfalls zu bevorzugenden Gestaltung ist dieses Hilfsverbindungsmittel ein separates Teil. Ein Vorteil der Gestaltung dieses Hilfsverbindungsmittel als se parates Teil ist es, dass die Anzahl der Verbindungsstellen den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden kann. Ein anderer Vorteil der Gestaltung dieses Hilfsverbindungsmittel als separates Teil ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Kontaktelementanordnung zu sehen, bei der mehrere Sekundärkontaktelemente, gegebenenfalls aus mehreren Zellen, miteinander verbunden werden können, indem ein separat ausgeführtes Hilfsverbindungsmittel durch die übereinander angeordneten Durchbrüche der Hülleinrichtung, der Primärkontaktelemente, der Sekundärkontaktelemente und gegebenenfalls des mindestens einen Tertiärkontaktelementes geführt wird.
In einer bevorzugten Gestaltung des unteren Sekundärkontaktelements und des oberen Sekundärkontaktelements der zweiten Ausführungsform sind an der Außenseite des mindestens einen Hilfsverbindungsmittels, das entweder integral mit dem unteren Sekundärkontaktelement verbunden ist oder eine separates Teil ist, erste Steckverbindungsmittel vorgesehen. Ferner sind in mindestens einem der beiden Sekundärkontaktelemente Durchbrüche vorgesehen. Diese Durchbrüche weisen in dieser bevorzugten Gestaltung der beiden Sekundärkontaktelemente an ihrer Innenseite zweite Steckverbindungsmittel auf. Beim Anordnen eines solchen Hilfsverbindungsmittels in einem solchen Durchbruch wird zwischen dem Hilfsverbindungsmittel und dem Durchbruch mittels des ersten und des zweiten Steckverbindungsmittels vorzugsweise eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und zweiten Steckverbindungsmittel um Rastmittel, z.B. kleine Lamellen, so dass insbesondere eine Mikrolamellenverbindung vorliegt. Ebenso bevorzugt können diese Rastmittel in anderen Formen einer Nut- und Federverbindung ausgebildet sein. Ebenso bevorzugt bestehen die Steckverbindungsmittel jeweils aus Flächen einer gewissen Oberflächenrauheit, wobei der Außendurchmesser des Hilfsverbindungsmittels und der Innendurchmesser des Durchbruchs so ausgelegt sind, dass eine Passung beim Anordnen des Hilfsverbindungsmittels innerhalb des Durchbruchs erzielt wird, die zu einer kraftschlüssige Verbindung der beiden Teile führt. Durch diese kraftschlüssige Verbindung werden vorzugsweise das obere und das untere Sekundärkontaktelement aufeinandergepresst, so dass das mindestens eine Primärkontaktelement zwischen ihnen eingeklemmt wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch das Pressen bzw. Klemmen zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement und den beiden Sekundärkontaktelementen Unebenheiten geplättet werden und eine möglichst große Kontaktfläche sichergestellt wird.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Hilfsverbindungsmittel ein Buchsen- oder Bolzenelement. Dieses mindestens eine Buchsenelement ist vorzugsweise eine Mikrolamellenbuchse oder eine Gewindebuchse oder dergleichen. Vorzugsweise ist dieses Hilfsverbindungsmittel bezüglich des Sekundärkontaktelements als Erhebung gestaltet, welche aus der Oberfläche des Sekundärkontaktelements hervorsteht. Falls das Hilfsverbindungsmittel als Buchsenelement ausgeführt ist, ist es auch möglich und bevorzugt vorgesehen, dass das Buchsenelement zumindest teilweise als Vertiefung des Sekundärkontaktelements ausgebildet ist. Ferner ist es möglich und bevorzugt vorgesehen, dass das mindestens eine Sekundärkontaktelement mindestens einen Durchbruch aufweist, der zumindest einen Teil eines Hilfsverbindungsmittels darstellt, indem er insbesondere zumindest als Teil eines Buchsenelement ausgebildet ist.
Das Verbindungselement ist vorzugsweise so ausgeführt, dass es mit dem Hilfsverbindungsmittel eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung herstellen kann. Vorzugsweise ist das Verbindungselement ein zum Hilfsverbindungsmittel komplementäres Bolzen- oder Buchsenelement, insbesondere eine Gewindebuchse. Ein Vorteil dieser Gestaltung ist, dass zwischen dem mindestens einen Primärkontaktelement, dem mindestens einen Sekundärkontaktelement und dem mindestens einen Tertiärkontaktelement eine mechanisch feste und elektrisch zuverlässige, aber lösbare Verbindung herstellbar ist. Eine solche lösbare Verbindung erlaubt eine vereinfachte De montage der Kontaktelementanordnung und gegebenenfalls eine effektivere Wiederverwertbarkeit der Komponenten bei geringerem Aufwand.
Ebenso möglich und vorzugsweise vorgesehen ist es, dass zwischen dem Verbindungselement und dem Hilfsverbindungsmittel eine im Wesentlichen unlösbare Verbindung hergestellt wird. Vorzugsweise wird diese Verbindung durch eine zumindest teilweise formschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Nietverbindung verwirklicht. In diesem Fall weist vorzugsweise das Verbindungselement einen Nietkörper oder Dorn auf. Komplementär dazu weist das Hilfsverbindungsmittel in diesem Fall vorzugsweise einen Dorn oder einen Nietkörper auf. Ebenso möglich und bevorzugt ist es, dass eine weitgehend unlösbare Verbindung durch eine Mikrolamellenverbindung verwirklicht wird. Eine solche Verbindung weist an den zu verbindenden Teilen vorzugsweise kleine Lamellen oder Schuppen auf, die in komplementären Winkeln zur Oberfläche fest mit dem jeweiligen Teil verbunden sind, so dass sie ineinander verhakbar sind. Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass andere Techniken zum Herstellen einer unlösbaren Verbindung, insbesondere auch Techniken zum stoffschlüssigen Verbinden, wie z.B. Verschweißen oder Verkleben mit elektrisch leitfähigem Klebstoff, eingesetzt werden.
Vorzugsweise weist das Verbindungselement und/oder das separat ausgeführte Hilfsverbindungsmittel einen Kopfteil auf, der beim Verbinden des Verbindungselements und dem Hilfsverbindungsmittel vorzugsweise eine Kraft auf das mindestens eine Tertiärkontaktelement, das mindestens eine Sekundärkontaktelement und das mindestens eine Primärkontaktelement aufbringt und diese Teile zusammenpresst.
Die Hülleinrichtung besteht vorzugsweise aus mehreren Schichten eines vorzugsweise flexiblen Materials. Insbesondere können es sich bei diesen Schichten zumindest teilweise um metallische Folien, insbesondere Alumini umfolien, und um Kunststofffolien handeln, die miteinander verbunden sind. Vorzugsweise weist die Hülleinrichtung an ihrer Innenseite eine Hüllinnenschicht auf, die aus einem Kunststoff besteht. Dieser Kunststoff ist vorzugsweise ein Polypropylen. Ebenso vorzugsweise ist dieser Kunststoff ein anderer Kunststoff als Polypropylen, der insbesondere für den Zweck der Abdichtung geeignet ist. Vorzugsweise bildet die Hülleinrichtung einen Beutel, der an den Rändern vollständig abgedichtet werden kann. Vorzugsweise erfolgt diese Abdichtung durch Anlegen einer ersten Temperatur im Randbereich der Hülleinrichtung, in dem die Hüllinnenschicht einer Oberseite der Hülleinrichtung und die Hüllinnenschicht einer Unterseite der Hülleinrichtung übereinander angeordnet sind und in Kontakt stehen. Durch das Anlegen der ersten Temperatur wird vorzugsweise der Kunststoff der Hüllinnenschicht der Ober- und Unterseite miteinander verschmolzen und danach gekühlt. Durch eine solche Abdichtung wird der Hüllinnenraum, der insbesondere die Elektrodenelemente enthält und einen flüssigen Elektrolyten enthalten kann, vorzugsweise hermetisch gegenüber dem Außenraum abgedichtet, so dass ein unbeabsichtigtes Austreten oder Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten unmöglich ist. Vorzugsweise ist der verschlossene Hüllinnenraum mit einem Unterdruck bezüglich des Hüllaußenraums versehen.
In einer weiteren bevorzugten Gestaltung der Kontaktelementanordnung sind Abdichtmittel vorgesehen, mithilfe derer eine Abdichtung der Hülleinrichtung im Bereich der Sekundärkontaktelemente möglich ist. Durch eine solche Abdichtung wird der Hüllinnenraum, der insbesondere die Elektrodenelemente enthält und einen flüssigen Elektrolyten enthalten kann, vorzugsweise hermetisch gegenüber dem Außenraum abgedichtet, so dass ein unbeabsichtigtes Austreten oder Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten unmöglich ist.
Erste Abdichtmittel sind vorzugsweise an mindestens einem Sekundärkontaktelement innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet. Insbesondere ist ein solches Abdichtmittel eine Vorversiegelungsschicht, die auf einer Seite eines Sekundärkontaktelements aufgebracht ist, und die mit einer Hüllinnenschicht, die an der Innenseite der Hülleinrichtung angebracht ist, verbunden werden kann. Diese Vorversiegelungsschicht ist vorzugsweise eine dünne Schicht eines Kunststoffs, die vorzugsweise vor der Montage des Sekundärkontaktelements in der Hülleinrichtung zumindest auf einer Teilfläche des Sekundärkontaktelements aufgebracht wird. Diese Teilfläche des Sekundärkontaktelements ist eine solche Oberfläche, die nach dieser Montage mit der Innenseite der Hülleinrichtung in Kontakt steht. Das Aufbringen der Vorversiegelungsschicht auf das mindestens eine Sekundärkontaktelement erfolgt vorzugsweise unter Hitze und insbesondere durch Extrusionsbeschichtung mit einem Kunststoff. Dieser Kunststoff ist vorzugsweise ein Polypropylen. Ebenso vorzugsweise ist dieser Kunststoff ein anderer Kunststoff als Polypropylen, der insbesondere für den Zweck der Abdichtung geeignet ist. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass dieser Kunststoff durch Anlegen einer zweiten Temperatur mit dem Kunststoff der Hüllinnenschicht verschmolzen werden kann, wodurch das mindestens eine Sekundärkontaktelement im Bereich dieser Teilfläche dicht mit der Hülleinrichtung verbunden wird.
Diese erste Temperatur und diese zweite Temperatur sind vorzugsweise gleich. Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass diese Temperaturen in der Weise verschieden sind, dass bei der ersten Temperatur nur der Kunststoff der Hüllinnenschicht verschmilzt und erst bei einer zweiten Temperatur, die vorzugsweise höher ist als die erste Temperatur, der Kunststoff des ersten Abdichtmittels schmilzt. Ebenso ist es möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass bei der ersten Temperatur nur der Kunststoff des ersten Abdichtmittels schmilzt und erst bei einer zweiten Temperatur der Kunststoff des Hüllinnenschicht schmilzt. Auf diese Weise kann das Abdichten der Hülleinrichtung bei der Montage der Zelle in zwei Prozessschritte gegliedert werden.
Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass dieses erste Abdichtmittel zumindest teilweise durch Verkleben mit dem Sekundärkontaktelement verbunden wird. Ebenso ist es möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass dieses Abdichtmittel mit der Innenseite der Hülleinrichtung zumindest teilweise durch Verkleben mit der Hülleinrichtung verbunden wird. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass dieses Abdichtmittel ein Klebstoff ist.
Ferner sind vorzugsweise zweite Abdichtmittel vorgesehen, die zwischen dem mindestens einen Verbindungselement und der Hülleinrichtung angeordnet sind, und/oder die zwischen dem mindestens einen Hilfsverbindungsmittel und der Hülleinrichtung angeordnet sind. Diese zweiten Abdichtmittel können z.B. O-Ringe sein, durch die ein Verbindungselement oder ein Hilfsverbindungsmittel geführt wird. Die zweiten Abdichtmittel können aus einem elastischen Kunststoff bestehen, der durch Aufbringen einer Anpresskraft durch das Verbindungselement oder Hilfsverbindungsmittel auf die Hülleinrichtung gepresst wird und auf diese Weise eine Abdichtung erzielt. Durch eine solche Abdichtung wird der Hüllinnenraum, der insbesondere die Elektrodenelemente enthält und einen flüssigen Elektrolyten enthalten kann, vorzugsweise hermetisch gegenüber dem Außenraum abgedichtet, so dass ein unbeabsichtigtes Austreten oder Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten unmöglich ist. Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass die zweiten Abdichtmittel durch Verkleben mit dem Verbindungselement und/oder dem Hilfsverbindungsmittel und der Hülleinrichtung verbunden werden und so eine Abdichtung erreicht wird. Ebenso ist es möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass das zweite Abdichtmittel ein Klebstoff ist.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass neben oder anstelle dem ersten und/oder dem zweiten Abdichtmittel weitere Abdichtmittel vorgesehen sein können, welche die Hülleinrichtung abdichten.
Der Hüllinnenraum ist vorzugsweise weitgehend gasfrei und weist vorzugsweise einen wesentlich niedrigeren Druck als der Hüllaußenraum, insbesondere die Umgebung auf. Insbesondere um zu verhindern, dass sich bei einer fehlerbedingten Gasentwicklung an den Elektrodenelementen im Betrieb der Zeile im Hüllinnenraum ein Druck aufbaut, sind vorzugsweise Druckausgleichsmittel vorgesehen, die einen solchen fehlerbedingten Druck im Hüllinnenraum kontrolliert abbauen, indem das im Hüllinnenraum entstandene Gas mittels des Druckausgleichsmittels kontrolliert in den Hüllaußenraum abgegeben wird. Vorzugsweise sind mindestens einer Zelle, insbesondere einer Batterie, mindestens eine Gasauffangeinrichtung zugeordnet, die das austretende Gas aufnehmen, und so eine Kontaminierung der Umgebung zu verhindern. Ebenso ist es aber möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass keine Gasauffangeinrichtungen vorgesehen sind.
Ein solches Druckausgleichsmittel wird vorzugsweise durch Modifizieren eines Verbindungselementes und/oder eines Hilfsverbindungsmittels geschaffen. Dies hat unter anderem die Vorteile, dass die Anzahl der erforderlichen Druckausgleichsmittel an die Erfordernisse des jeweiligen Batterietyps angepasst werden können und dass die anderen Bestandteile der Zelle und der Kontaktelementanordnung vorzugsweise nicht abgeändert werden müssen, so dass ein einfacher modularer Aufbau besteht.
Vorzugsweise ist ein Druckausgleichsmittel ein Buchsenelement, das als Kanal ausgebildet ist, dessen eines Ende zu dem von der Hülleinrichtung des Batterieelements umhüllten Innenraum geöffnet ist, und dessen anderen Ende in den Außenraum weist und der durch einen Bereich geringer Materialdicke verschlossen ist. Bei einem fehlerbedingten Druck im Hüllinnenraum bricht der Bereich geringer Materialdicke auf, so dass der Druck kontrolliert entweichen kann. Ein solcher Bereich geringer Materialdicke kann eine Berstscheibe sein, die bei Erreichen eines bestimmten Drucks innerhalb des Hüllinnenraums durch kontrolliertes Bersten den Gasaustritt aus der verschlossenen Zelle an dieser definierten Stelle ermöglicht.
Ebenso möglich und vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Druckausgleichsmittel ein Ventil ist, dessen eines Ende zum Hüllinnneraum geöffnet ist, und dessen anderen Ende in den Hüllaußenraum weist. Bei einem fehlerbedingten Druck im Hüllinnenraum wird der Druck kontrolliert durch das Ventil in den Hüllaußenraum abgegeben.
Das mindestens eine Tertiärkontaktelement weist vorzugsweise eine äußere Form auf, die im Wesentlichen der äußeren Form des Primär- und des Sekundärkontaktelements angepasst ist. Vorzugsweise ist das Tertiärkontaktelement ein im Wesentlichen flaches und länglich geformtes Teil, das außen an der Hülleinrichtung angeordnet wird und vorzugsweise einen Vorsprung ausbildet, der über die Form der Hülleinrichtung hervorsteht. Vorzugsweise besteht die Möglichkeit, mittels dieses Vorsprungs mehrere Tertiärkontaktelemente, insbesondere die Tertiärkontaktelemente mehrerer Zellen, miteinander mechanisch und elektrisch zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kontaktelementanordnung sind die Tertiärkontaktelemente zumindest teilweise als Zellenverbindungsmittel ausgebildet, mittels derer Sekundärkontaktelemente und/oder mit diesen verbundene Hilfsverbindungsmittel und/oder mit diesen verbundene Verbindungselemente aus verschiedenen Batteriezellenelementen miteinander mechanisch und elektrisch verbindbar sind, so dass diese Batteriezellenelemente durch diese Zellenverbindungsmittel parallel oder seriell verschaltet werden können.
Solche Zellenverbindungsmittel sind vorzugsweise im Wesentlichen U-förmige Umgriffselemente. Dabei weist das Umgriffselement vorzugsweise an seiner Innenseite einen ersten Kontaktbereich auf, an dem es mit einem Hilfsverbindungsmittel und/oder einem Verbindungselement einer ersten Zelle mechanisch und elektrisch verbunden werden kann. Ferner weist das Umgriffselement vorzugsweise an seiner Außenseite mindestes einen zweiten Kontaktbereich auf, an dem es mit einem Hilfsverbindungsmittel und/oder einem Verbindungselement mindestens einer zweiten Zelle mechanisch und elektrisch verbunden werden kann. Diese Verbindung ist vorzugsweise eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Es ist auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass vor der Verbindung mit den Zellen mehrere Zellenverbindungsmittel als Verbindungsschiene miteinander verschweißt werden. Vorzugsweise umgreift das Umgriffselement den Rand einer Zelle.
Vorzugsweise können durch die Zellenverbindungsmittel mehrere Zellen seriell oder parallel verschaltet werden, wobei vorzugsweise zumindest ein erstes und ein zweites Tertiärkontaktelement eines solchen verschalteten Zellenverbundes nicht als Zellenverbindungsmittel ausgeführt sind, um einen äußeren elektrischen Kontaktabgriff zu bilden.
Das Material der stromdurchflossenen Sekundärkontaktelemente, Tertiärkontaktelemente, Verbindungselemente und Hilfsverbindungsmittel einer Zelle, die bei Entladung der Zelle zur Anode der Batterie gehören, ist vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung. Ebenso möglich und vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Material dieser anodischen Teile Nickel ist oder nickelhaltig ist. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass andere Materialien in den anodischen Teilen zum Einsatz kommen. Die Materialien dieser anodischen Teile sind vorzugsweise gleich. Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass die Materialien unterschiedlich sind.
Das Material der stromdurchflossenen Sekundärkontaktelemente, Tertiärkontaktelemente, Verbindungselemente und Hilfsverbindungsmittel einer Zelle, die bei Entladung der Zelle zur Kathode der Batterie gehören, ist vor zugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass andere Materialien in den kathodischen Teilen zum Einsatz kommen. Die Materialien dieser kathodischen Teile sind vorzugsweise gleich. Es ist aber auch möglich und vorzugsweise vorgesehen, dass die Materialien unterschiedlich sind.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Zelle umfasst vorzugsweise die Schritte

– Verbinden mindestens eines Primärkontaktelements mit mindestens einem Sekundärkontaktelement.
– Gegebenenfalls: Einklemmen des mindestens einen Primärkontaktelements zwischen mindestens zwei Sekundärkontaktelementen
– Anordnen der Hülleinrichtung mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement derart, dass das mindestens eine Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist.
– Abdichten der Hülleinrichtung im Bereich des Sekundärkontaktelements mittels mindestens eines Abdichtmittels.
– Anordnen mindestens eines Tertiärkontaktelements an mindestens einem Sekundärkontaktelement.
– Verbinden des mindestens einen Tertiärkontaktelements mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement durch mindestens ein Verbindungselement.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Figuren. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Folgenden im Wesentlichen gleiche Bauteile.
1a zeigt die Schemazeichnung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Zelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, ohne Tertiärkontaktelement.
1b zeigt die Aufsicht auf ein Tertiärkontaktelement für die in 1a dargestellte Zelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
1c zeigt die Schemazeichnung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Zelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Tertiärkontaktelemente mit der Zelle verbunden sind.
2a zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung einer erfindungsgemäßen Zelle in einem ersten Ausführungsbeispiel, das gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist.
2b zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung einer erfindungsgemäßen Zelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel, das gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist.
2c zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung einer erfindungsgemäßen Zelle in einem dritten Ausführungsbeispiel, das gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist.
2d zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung einer erfindungsgemäßen Zelle in einem vierten Ausführungsbeispiel.
3a zeigt die Schemazeichnung eines Querschnitts durch drei erfindungsgemäße Zellen im Bereich des Sekundärkontaktelements für eine parallele Verschaltung von erfindungsgemäßen Zellen.
3b zeigt die Schemazeichnung eines Querschnitts durch drei erfindungsgemäße Zellen im Bereich des Sekundärkontaktelements für eine serielle Verschaltung von erfindungsgemäßen Zellen.
3c zeigt die Schemazeichnung eines Querschnitts eines Tertiärkontaktelements der erfindungsgemäßen Zelle, wobei das Tertiärkontaktelement als Zellenverbindungsmittel ausgebildet ist.
3d zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch drei Zellen in Frontansicht im Bereich des Sekundärkontaktelements, für eine serielle Verschaltung von erfindungsgemäßen Zellen mittels des in 3c dargestellten Tertiärkontaktelements.
1a zeigt die Schemazeichnung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Zelle 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, ohne Tertiärkontaktelement. Die Zelle 1 umfasst eine Hülleinrichtung 2, innerhalb der nicht sichtbare rechteckige erste und zweite Elektrodenelemente, getrennt von rechteckigen Trennelementen, im Bereich der Fläche 4 gestapelt angeordnet sind. Diese ersten und zweiten Elektrodenelemente sind jeweils mit einem ersten und zweiten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden, die im Wesentlichen einen länglich geformten, rechteckigen Außenumriss aufweisen, der jeweils im Wesentlichen dem Außenumriss des ersten Sekundärkontaktelements 12a und des zweiten Sekundärkontaktelements 12b entspricht. Die ersten Primärkontaktelemente sind gestapelt übereinander aus einer der längeren Seiten des Stapels von Elektroden- und Trennelementen herausgeführt, wobei die ersten Primärkontaktelemente im Bereich des ersten Sekundärkontaktelement 12a und die zweiten Primärkontaktelemente im Bereich des zweiten Sekundärkontaktelement 12b jeweils mit diesen Sekundärkontaktelementen ultraschallverschweißt und somit fest verbunden sind. Die ersten und zweiten Primärkontaktelemente und die ersten und zweiten Sekundärkontaktelemente 12a und 12b sind vollständig innerhalb der Hülleinrichtung 2 angeordnet. Die ersten und zweiten Primärkontaktelemente und die Hülleinrichtung – an ihrer in 1a sichtbaren Oberseite – weisen ferner Durchbrüche auf, durch die Hilfsverbindungsmittel 3 geführt sind, die jeweils integral mit einem Sekundärkontaktelement verbunden sind. Die Hilfsverbindungsmittel 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel Buchsenelemente, die ein Innengewinde aufweisen, und stehen nach oben aus der Hülleinrichtung 2 heraus. Die Hülleinrichtung 2 ist im Bereich der Hilfsverbindungsmittel 3 hermetisch abgedichtet. Zudem ist die Hülleinrichtung 2 in ihrem Randbereich 9 durch Verschmelzen ihrer Hüllinnenschicht aus Kunststoff hermetisch abgedichtet, so dass ein Eindringen oder Austreten von Gasen und/oder Flüssigkeit in den/aus dem Hüllinnenraum ohne einen Bereich, der als Sollbruchstelle dient, zunächst im Wesentlichen unmöglich ist.
1b zeigt die Aufsicht auf ein Tertiärkontaktelement 13a, 13b für die in 1a dargestellte Zelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Tertiärkontaktelement 13a, 13b weist Durchbrüche 6 auf. Ferner ist ein Bereich 7 vorgesehen, mittels dem die Zelle dieses Ausführungsbeispiels mit weiteren Zellen zu einem Batteriezellenverbund für eine Batterie oder Sekundärbatterie verschaltet werden kann. Zu diesem Zweck ist es möglich, dass das Tertiärkontaktelement im Bereich 7 Modifikationen wie Aussparungen oder Durchbrüche oder Hilfseinrichtungen aufweist, die in dieser Figur nicht dargestellt sind und welche diese Verschaltung vereinfachen.
1c zeigt die Schemazeichnung einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Zelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Tertiärkontaktelemente 13a, 13b mit der Zelle 1 verbunden sind. Die Tertiärkontaktelemente 13a, 13b sind mittels Verbindungselementen 8 durch Verschrauben mit den Hilfsverbindungsmitteln 3 mechanisch fest und elektrisch zuverlässig verbunden. Die Verbindungsmittel 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel Bolzenelemente, die ein Außengewinde aufweisen und die ferner einen Kopf aufweisen, der nach dem festen Verschrauben mit dem Innengewinde der Hilfsverbindungsmittel 3 eine Anpresskraft auf das Tertiärkontaktelement ausübt, so dass dieses mit der in 1 dargestellten Zelle verbunden wird.
2a zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung 10 einer erfindungsgemäßen Zelle in einem ersten Ausführungsbeispiel, das gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist. Der Teilquerschnitt ist in der Darstellung im Wesentlichen entlang einer Linie A geführt, die in 1c durch die Verbindungsmittel 8 eines Tertiärkontaktelements 13a oder 13b verläuft.
Das Sekundärkontaktelement 12a weist Hilfsverbindungsmittel 3 auf, die Buchsenelemente mit einem nicht gezeigten Innengewinde sind. Mit dem Sekundärkontaktelement 12a ist ein Stapel von Primärkontaktelementen 11a der Länge nach verbunden, vorzugsweise ultraschallverschweißt. Die Primärkontaktelemente 11a weisen Durchbrüche 14 auf, die übereinander liegen, und durch welche die Hilfsverbindungsmittel 3 nach oben geführt sind. Auch die obere Seite 2a der Hülleinrichtung 2 weist Durchbrüche 15 auf, durch welche die Hilfsverbindungsmittel 3 nach oben aus der Hülleinrichtung 2 herausgeführt sind. Ferner sind die Hilfsverbindungsmittel 3 durch die Durchbrüche 16 des Tertiärkontaktelements 13a geführt. Durch Verschraubung der Verbindungselemente 8 mit den Hilfsverbindungsmitteln 3 wird das Tertiärkontaktelement 13a lösbar mit der Zelle verbunden. In 2a sind zur Vereinfachung der Darstellung keine Abdichtmittel, wie z.B. O-Ringe, dargestellt, die um die Hilfsverbindungsmittel 3 herum angeordnet vorgesehen sein können, um die Hülleinrichtung 2 im Bereich der Primär- 11a und Sekundärkontaktelemente 12a zusätzlich abzudichten.
2b zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung 10 einer erfindungsgemäßen Zelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel, das gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist. Bei der in 2a gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Stapel von Primärkontaktelementen 11a mit nur einem Sekundärkontaktelement 12a verbunden, welches im Ausführungsbeispiel der 2a unterhalb der Primärkontaktelemente 11a angeordnet ist. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung, deren Ausführungsbeispiel in 2b gezeigt ist, ist ein oberes Sekundärkontaktelement 22a vorgesehen, welches oberhalb der Primärkontaktelemente 11a angeordnet ist. Ferner weist das obere Sekundärkontaktelement 22a Durchbrüche 17 auf, durch welche die Hilfsverbindungsmittel 3 geführt sind. Das obere 22a und das untere Sekundärkontaktelement 12a sind mittels Steckverbindungsmitteln kraftschlüssig fest miteinander verbunden. Diese Steckverbindungsmittel sind in diesem Ausführungsbeispiel Mikrolamellen, die an den Innenflächen der Durchbrüche 17 des oberen Sekundärkontaktelements 22a und an den Außenseiten der Hilfsverbindungsmittel 3 angebracht sind. Auf diese Weise wird das obere 22a auf das untere Sekundärkontaktelement 12a gepresst und die dazwischenliegenden Primärkontaktelemente 11a zwischen den Sekundärkontaktelementen fest eingeklemmt, wobei eine flächige elektrische Verbindung zwischen den Primär- und Sekundärkontaktelementen hergestellt wird. Es ist auch möglich, dass die Primärkontaktelemente zusätzlich mit dem unteren Sekundärkontaktelement 12a und/oder dem oberen Sekundärkontaktelement 22a ultraschallver schweißt werden. Das obere Sekundärkontaktelement 22a ist mechanisch fest und elektrisch mit den Hilfsverbindungsmitteln 3 verbunden.
2c zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung 10 einer erfindungsgemäßen Zelle 1 in einem dritten Ausführungsbeispiel, das gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung ausgeführt ist. Im Gegensatz zur Darstellung in 2b sind in 2c Abdichtmittel 24a und 24b dargestellt, welche die Hülleinrichtung 2 im Bereich der Sekundärkontaktelemente abdichten. Das obere Abdichtmittel 24a ist auf der oberen Seite des oberen Sekundärkontaktelements 22a, und das untere Abdichtmittel 24b auf der unteren Seite des unteren Sekundärkontaktelements 12a angeordnet. Das obere Abdichtmittel 24a weist Durchbrüche 18 auf, durch welche die Hilfsverbindungsmittel 3 geführt sind. Das Abdichtmittel 24a und das Abdichtmittel 24b sind Vorversiegelungsschichten aus Kunststoff, die vor der Montage der Kontaktelementanordnung mit dem oberen Sekundärkontaktelement 22a und dem unteren Sekundärkontaktelement 12a fest verbunden wurden. Nicht dargestellt ist in 2c die Hüllinnenschicht der Hülleinrichtung 2 aus Kunststoff. Diese Kunststoffe werden durch Erhitzen miteinander verschmolzen, die Hülleinrichtung 2 im Bereich der Sekundärkontaktelemente auf diese Weise abgedichtet und die Hülleinrichtung 2 auf diese Weise fest mit den Sekundärkontaktelementen 12a und 22a verbunden.
2d zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch die erfindungsgemäße Kontaktelementanordnung einer erfindungsgemäßen Zelle in einem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Hilfsverbindungsmittel 30 separate Teile, die durch Durchbrüche 25 der Hülleinrichtung 2 an deren Unterseite 2b und durch Durchbrüche 26 des unteren Sekundärkontaktelements 32 geführt sind. Die Hilfsverbindungsmittel 30 sind Buchsenelemente mit einem Innengewinde, auf welche die Verbindungs elemente 80 aufgeschraubt werden, die den Verbindungselementen 8 im Wesentlichen entsprechen. Dabei sind das untere Sekundärkontaktelement 32 im Bereich der Durchbrüche 26 und das obere Sekundärkontaktelement 22a im Bereich der Durchbrüche 17 vorzugsweise kraftschlüssig mit dem Hilfsverbindungsmittel 30 verbunden, indem, ähnlich wie in 2b und 2c, Mikrolamellen als Steckverbindungsmittel vorgesehen sind. Das untere Sekundärkontaktelement 32 ist ebenso wie das obere Sekundärkontaktelement 22a mechanisch fest und elektrisch mit den Hilfsverbindungsmitteln 30 verbunden.
In einer anderen Gestaltung der separaten Hilfsverbindungsmittel 30 sind diese soweit verlängert, dass diese durch die Durchbrüche mehrerer gestapelter Zellen 1 geführt werden können, so dass diese mechanisch fest und lösbar verbunden werden und elektrisch verschaltet werden können.
3a zeigt die Schemazeichnung eines Querschnitts durch drei erfindungsgemäße Zellen im Bereich des Sekundärkontaktelements für eine parallele Verschaltung von erfindungsgemäßen Zellen. Die Zelle 100 weist im Wesentlichen einen Aufbau auf, der einem der in den 2a, 2b, 2c oder 2d dargestellten Querschnitt entsprechen kann, wobei aber kein Tertiärkontaktelement dargestellt ist. Die Hilfsverbindungsmittel 33 stehen aus den Zellen 100 hervor und bieten Kontaktbereiche, mittels derer die Zellen 100 verschaltet werden können. Diese Hilfsverbindungsmittel 33 können den Hilfsverbindungsmitteln 3 oder 30 entsprechen. Sie können aber auch anders ausgeführt sein, z.B. als Steckerbuchsen. Für eine parallele Verschaltung von Zellen 100 werden z.B. die als Anoden ausgebildeten Hilfsverbindungsmittel 33 übereinander angeordnet.
In 3b werden für eine serielle Verschaltung von Zellen 100 die als Anoden ausgebildeten Hilfsverbindungsmittel 33 im Wechsel mit den als Katho den ausgebildeten Hilfsverbindungsmitteln 34 übereinander angeordnet, indem die Zellen 100 um 180° in ihrer Hauptebene rotiert werden.
3c zeigt die Schemazeichnung eines Querschnitts eines Tertiärkontaktelements der erfindungsgemäßen Zelle, wobei das Tertiärkontaktelement als Zellenverbindungsmittel 40 ausgebildet ist. Das Zellenverbindungsmittel 40 ist ein im Wesentlichen U-förmiges Umgriffselement. Dieses Zellenverbindungsmittel weist eine Innenseite 41 und eine Außenseite 45 auf. Schematisch dargestellt sind Kontaktbereiche 42, 43 und 44, mit denen ein elektrischer Kontakt zwischen den Hilfsverbindungsmitteln benachbarter Zellen 100 hergestellt werden kann. Diese elektrischen Kontakte können z.B. durch Steckverbindungen verwirklicht sein, die gleichzeitig eine feste mechanische Verbindung der Zellen sicherstellen. Es ist aber auch möglich, dass das Zellenverbindungsmittel 40 zumindest teilweise durch Verbindungselemente, z.B. die Verbindungselemente 8 oder 80, mit den Hilfsverbindungsmitteln und somit mit den Zellen 100 verbunden wird.
3d zeigt die Schemazeichnung eines Teilquerschnitts durch drei Zellen in Frontansicht im Bereich des Sekundärkontaktelements, für eine serielle Verschaltung von erfindungsgemäßen Zellen gemäß 3b mittels des in 3c dargestellten Tertiärkontaktelements, das als Zellenverbindungselement 40 ausgeführt ist. Dabei werden die Zellenverbindungselemente 40 durch die mechanisch feste und elektrische Kontaktierung in den Kontaktbereichen 42 und 44 miteinander mechanisch und elektrisch verbunden, und auf diese Weise die Zellen 100 mechanisch fest miteinander verbunden und elektrisch verschaltet.

Claims

Zelle mit Kontaktelementanordnung für eine Primär- oder Sekundärbatterie, umfassend mindestens ein im Wesentlichen flaches erstes Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, mindestens ein im Wesentlichen flaches zweites Elektrodenelement, das mit mindestens einem im Wesentlichen flachen zweiten Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, und mindestens ein im Wesentlichen flaches Trennelement, wobei zwei benachbarte Elektrodenelemente durch mindestens ein Trennelement räumlich getrennt übereinander angeordnet sind, eine Hülleinrichtung, mithilfe derer ein Hüllinnenraum von einem Hüllaußenraum abgegrenzt wird, wobei das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Elektrodenelement, sowie die mit diesen Elektrodenelementen verbundenen ersten und zweiten Primärkontaktelemente und das mindestens eine Trennelement innerhalb des Hüllinnenraums angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen flachen ersten Sekundärkontaktelement me chanisch und elektrisch verbunden ist, wobei dieses mindestens eine erste Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist, das mindestens eine zweite Primärkontaktelement mit mindestens einem im Wesentlichen flachen zweiten Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei dieses mindestens eine zweite Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist, mindestens ein Tertiärkontaktelement vorgesehen ist, das im Wesentlichen außerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist und das mindestens einem Sekundärkontaktelement aus mindestens einem Batteriezellenelement zugeordnet ist, und mindestens ein Verbindungselement vorgesehen ist, mittels welchem das mindestens eine Tertiärkontaktelement mit mindestens einem Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbindbar ist.
Zelle mit Kontaktelementanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Elektrodenelemente, mit denen jeweils ein erstes Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, und mehrere zweite Elektrodenelemente, mit denen jeweils ein zweites Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, abwechselnd, räumlich getrennt durch ein Trennelement und übereinander liegend, zu einem Elektrodenstapel angeordnet sind.
Zelle mit Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Primärkontaktelemente aus einer ersten Seite des Elektrodenstapels herausgeführt sind und übereinander angeordnet sind, und dass die zweiten Primärkontaktelemente aus einer zweiten Seite des Elektrodenstapels herausgeführt sind und übereinander angeordnet sind.
Zelle mit Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülleinrichtung im Bereich mindestens eines Sekundärkontaktelements mindestens einen Durchbruch oder mindestens eine Aussparung aufweist.
Zelle mit Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülleinrichtung im Bereich des mindestens einen zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordneten Sekundärkontaktelements mittels mindestens eines Abdichtmittels dicht mit diesem mindestens einen Sekundärkontaktelement verbunden ist.
Zelle mit Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle in Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Sekundärbatterien verwendet wird.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Primärkontaktelement vorgesehen ist, das mit einem Elektrodenelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, mindestens ein Sekundärkontaktelement vorgesehen ist, das mit mindestens einem Primärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist, wobei das mindestens eine Primärkontaktelement im Wesentlichen innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist und das mindestens eine Sekundärkontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist, dass mindestens ein Tertiärkontaktelement vorgesehen ist, das im Wesentlichen außerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist und das mindestens einem Sekundärkontaktelement aus wenigstens einem Batteriezellenelement zugeordnet ist, und mindestens ein Verbindungsmittel vorgesehen ist, mittels welchem das mindestens eine Tertiärkontaktelement mit mindestens einem Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbindbar ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein länglich geformtes Primärkontaktelement mit mindestens einem länglich geformten Sekundärkontaktelement entlang im Wesentlichen der gesamten Länge stoffschlüssig und elektrisch verbunden ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sekundärkontaktelement und ein Tertiärkontaktelement mittels des mindestens einen Verbindungselements kraftschlüssig verbindbar sind.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sekundärkontaktelement und ein Tertiärkontaktelement mittels des mindestens einen Verbindungselements formschlüssig verbindbar sind.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sekundärkontaktelement und ein Tertiärkontaktelement mittels des mindestens einen Verbindungselements lösbar verbunden sind.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sekundärkontaktelement und ein Tertiärkontaktelement mittels des mindestens einen Verbindungselements unlösbar verbunden sind.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hilfsverbindungsmittel vorgesehen ist, das mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement mechanisch und elektrisch verbunden ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hilfsverbindungsmittel mechanisch fest oder integral mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement verbunden ist, wobei es zumindest teilweise aus der Hülleinrichtung hervortretend angeordnet ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hilfsverbindungsmittel ein Buchsen- oder Bolzenelement ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindes tens eine Buchsenelement eine Mikrolamellenbuchse oder eine Gewindebuchse ist.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Primärkontaktelement mindestens einen Durchbruch aufweist, ein unteres Sekundärkontaktelement mit mindestens einem Hilfsverbindungsmittel integral verbunden ist, welches als Erhebung ausgeführt ist, und ein oberes Sekundärkontaktelement vorgesehen ist, das mindestens einen Durchbruch aufweist, wobei dieses mindestens eine Hilfsverbindungsmittel durch den mindestens einen Durchbruch des mindestens einen Primärkontaktelements und durch den mindestens einen Durchbruch des oberen Sekundärkontaktelements hindurch tretend angeordnet ist, wobei das untere Sekundärkontaktelement mittels Steckverbindungsmitteln kraftschlüssig fest mit dem oberen Sekundärkontaktelement verbunden wird.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Buchsenelement eines Batteriezellenelements als Kanal ausgebildet ist, dessen eines Ende zu dem von der Hülleinrichtung des Batterieelements umhüllten Innenraum geöffnet ist, und dessen anderen Ende in den Außenraum weist und der durch einen Bereich geringer Materialdicke verschlossen ist, der als Sollbruchstelle dient.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Tertiärkontaktelemente zumindest teilweise als Zellenverbindungsmittel ausgebildet sind.
Kontaktelementanordnung für eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen oder Durchbrüche sowie die Verbindungselemente Gewinde oder Mikrolamellen aufweisen, wodurch diese Sekundärkontaktelemente und diese Batteriezellenelemente mit dem mindestens eine Tertiärkontaktelement kraftschlüssig verbindbar sind.
Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, welche eine Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 20 aufweist.
Verwendung einer Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Kontaktelementanordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 20 in der Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs oder der Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder der Hybridbatterie eines Hybridfahrzeugs.
Batterie oder Sekundärbatterie, die mindestens eine Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, insbesondere einer Zelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte – Verbinden mindestens eines Primärkontaktelements mit mindestens einem Sekundärkontaktelement. – Gegebenenfalls: Einklemmen des mindestens einen Primärkontaktelements zwischen mindestens zwei Sekundärkontaktelementen – Anordnen der Hülleinrichtung mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement derart, dass das mindestens eine Sekundär kontaktelement zumindest teilweise innerhalb der Hülleinrichtung angeordnet ist. – Abdichten der Hülleinrichtung im Bereich des Sekundärkontaktelements mittels mindestens eines Abdichtmittels. – Anordnen mindestens eines Tertiärkontaktelements an mindestens einem Sekundärkontaktelement. – Verbinden des mindestens einen Tertiärkontaktelements mit dem mindestens einen Sekundärkontaktelement durch mindestens ein Verbindungselement.