-
Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren
Rahmenflachzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen einer Batterie mit bipolaren Rahmenflachzellen. Ferner
betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Batterie oder
einer nach dem Verfahren zum Herstellen erhaltenen Batterie.
-
Batterien
mit einem Aufbau aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen sind
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere können
die Batterieeinzelzellen dabei als Rahmenflachzellen aufgebaut sein.
Jede der einzelnen Rahmenflachzellen ist aus einem isolierenden
Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder
Seite des elektrisch isolierenden Rahmens gebildet. Bei derartigen
Rahmenflachzellen ist die so genannte bipolare Bauweise häufig
anzutreffen. Dies bedeutet, dass die elektrochemisch aktiven Materialien
der Rahmenflachzellen mit jeweils einem Pol der Rahmenflachzelle
verbunden sind. Die Pole sind dabei auf die Außenfläche
des Gehäuses geführt, beispielsweise in Form der
Hüllbleche auf jeder der Flachseiten der Rahmenflachzelle.
Dieser Aufbau ist prinzipiell aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 063 181.4 bekannt.
Hierin sind Rahmenflachzellen beschrieben, welche mit zwei Hüllblechen
versehen sind, sodass jede der Rahmenflachzellen für sich eine
selbständige Einheit bildet, und dass eine Vielzahl derartiger
Rahmenflachzellen zu einer Batterie gestapelt werden können.
Die Batterie mit den bipolaren Rahmenflachzellen weist dann als
fertiger Zellenstapel der einzelnen Rahmenflachzellen am einen Ende
des Zellenstapels den einen Pol und am anderen Ende des Zellenstapels
den anderen Pol auf.
-
Beim
Aufbau der Batterie aus den Rahmenflachzellen als Lithium-Ionen-Batterie
ist üblicherweise außerdem eine Kühleinrichtung
vorgesehen, welche beispielsweise auf einer der Längsseiten
des Zellenstapels angeordnet ist. Die in den Rahmenflachzellen entstehende
Wärme kann dann über die Hüllbleche der
Rahmenflachzellen abgeführt werden, welche diese Wärme
in den Bereich der Kühleinrichtung, beispielsweise einer
gekühlten Platte, auf einer der Längsseiten der
Batterie leiten.
-
Der
typische Einsatzzweck für derartige Batterien liegt beispielsweise
in elektrischen, hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebssträngen
in Transportmitteln, wie z. B. Elektrofahrzeugen oder Hybrid- oder
Mildhybridfahrzeugen.
-
Jede
der einzelnen Rahmenflachzellen ist also aus einem isolierenden
Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder
Seite des elektrisch isolierenden Rahmens aufgebaut, wobei eines der
Hüllbleche gegebenenfalls von zwei der Rahmenflachzellen
genutzt sein kann. Im Inneren des elektrisch isolierenden Rahmens
sind die aktiven Materialien angeordnet, insbesondere in Form von
Anodenfolien und Kathodenfolien, welche jeweils von einem Separator
getrennt und elektrisch gegeneinander isoliert werden. Typischerweise
können diese Folien hinsichtlich ihrer Polarität
abwechselnd gestapelt werden, wobei jeweils ein Separator zwischen
den Folien angeordnet wird. Der Elektrodenstapel wird dann in den
Rahmen eingelegt. Die Rahmenflachzelle wird bei den Herstellungsverfahren
gemäß dem Stand der Technik anschließend
verschlossen und die Anoden- bzw. Kathodenfolien können
mit dem jeweiligen Hüllblech verschweißt werden,
wie es beispielsweise durch die nicht vorveröffentlichte
deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 063 181.4 beschrieben
ist.
-
Der
Rahmen von solchen Rahmenflachzellen ist dabei typischerweise als
Kunststoffrahmen ausgebildet. Üblicherweise ist der Rahmen
oder zumindest Teile desselben aus einem thermoplastischen Material
ausgeführt, sodass die Hüllbleche oder zumindest
eines der Hüllbleche durch ein Heißpressverfahren
mit dem Rahmen verbunden und die Rahmenflachzelle so verschlossen
werden kann. Nun liegt die Problematik darin, dass durch den Rahmen
aus dem Kunststoff einerseits Wassermoleküle in das Innere
der Rahmenflachzelle hinein diffundieren können, sodass
die Performance der Zelle mit der Zeit reduziert wird und der hohe
Wasseranteil Korrosionsprobleme hervorruft. Andererseits kann es auch,
insbesondere bei den typischerweise immer gegenüber der
Umgebungstemperatur erhöhten Betriebstemperaturen, zu einem
Verlust von Elektrolyt kommen, da auch Moleküle des Elektrolyts
durch den Kunststoff des Rahmens diffundieren. Auch dies wirkt sich
negativ auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer
der Rahmenflachzelle und damit der aus den Rahmenflachzellen aufgebauten
Batterie aus.
-
In
der nicht vorveröffentlichten älteren Anmeldung
DE 10 2008 059 946.8 der
Anmelderin wird daher eine Diffusionssperre vorgeschlagen, welche in
Form eines Diffusionssperrelements in den Rahmen eingebracht wird.
Das Diffusionssperrelement ist dabei beispielsweise als metallischer
Einsatz ausgebildet, welcher entsprechend mit dem Kunststoff des
Rahmens umspritzt wird.
-
Hinsichtlich
der Herstellung einer solchen Rahmenflachzelle hat es sich als notwendig
erwiesen, dass die Fixierung des Diffusionssperrelements beispielsweise
in einer Spritzgussform über entsprechende Abstandselemente,
wie eingesetzte Haltestifte oder dergleichen, realisiert werden
muss, um eine sicheres Umspritzen des Diffusionssperrelements und
damit eine sichere Verbindung zwischen dem Rahmen und dem entsprechenden
Hüllblech zu realisieren. Der Aufbau hat dabei den Nachteil,
dass er eine komplizierte Spritzgussform erfordert und dass durch
den zusätzlichen Einlegevorgang die Kosten für
die Herstellung einer derartigen Rahmenflachzelle erhöht
werden. Außerdem hinterlassen die Haltestifte Löcher
im Bereich des Rahmens, sodass dieser gegebenenfalls schneller zur
Undichtheit neigt, als ein Rahmen ohne derartige Löcher.
-
Es
ist nun die Aufgabe der Erfindung eine Batterie aus einer Vielzahl
von Rahmenflachzellen zu schaffen, bei denen die Rahmenflachzellen
schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden können,
und bei denen die Rahmenflachzellen einfach und effizient dicht,
und insbesondere auch diffusionsdicht, verschlossen werden können.
-
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer
Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
10 kann die Aufgabe ebenfalls lösen. In den abhängigen
Unteransprüchen zur Batterie und zu dem Verfahren sind
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Batterie bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
-
Die
erfindungsgemäße Batterie weist das Diffusionssperrelement
also im Rahmen auf, wobei das Diffusionssperrelement außerdem
mit einem der Hüllbleche verbunden ist. Damit entsteht
ein sehr stabiler Aufbau, bei dem Hüllblech und Diffusionssperrelement
eine Einheit bilden, welche in der Produktion auch als Einheit gehandhabt
werden kann. Außerdem entsteht eine vergleichsweise große
Oberfläche, auf welcher das Material des Rahmens an der Einheit
aus Hüllblech und Diffusionssperrelement haften kann, sodass
eine sichere Verbindung des Rahmens mit dem Hüllblech und
dem Diffusionssperrelement gewährleistet ist.
-
Eine
besonders günstige und vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Batterie sieht ferner vor, dass das Diffusionselement aus einem metallischen
Material, insbesondere aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen
Legierung ausgebildet ist. Dieses metallische Material stellt eine
sehr gute Diffusionssperre sicher, da weder Wasser noch Elektrolyt
durch dieses Metall hindurch diffundieren kann. Außerdem
ermöglicht das metallische Material der Diffusionssperre
eine einfache Verbindung der Sperre und des Hüllblechs.
Insbesondere können Diffusionssperrelement und Hüllblech
beide aus Aluminium hergestellt werden, so dass diese entweder einstückig
ausgebildet werden können oder durch stoffschlüssiges
Fügen, wie Schweißen oder dergleichen, leicht
miteinander verbunden werden können.
-
Durch
das Umspritzen des Diffusionssperrelements mit dem Rahmen aus Kunststoff
wird dabei die Isolierung zwischen dem Diffusionssperrelement und
dem gegenüberliegenden Hüllblech, welches die andere
Polarität als das mit dem Diffusionssperrelement verbundene
Hüllblech aufweist, erreicht. Das Diffusionssperrelement
wird dann zwar nicht den gesamten Querschnitt des Rahmens durchdringen, dies
ist jedoch für den gewünschten Effekt auch nicht zwingend
notwendig. Vielmehr reicht es aus, wenn ein großer Teil
der Querschnittsfläche des Rahmens über das Diffusionssperrelement
entsprechend gedichtet und für die Diffusion von Wasser
und Elektrolyt undurchlässig gemacht wird. Bereits dann
ist ein ausreichend guter Dichteffekt aufgrund des Diffusionssperrelements
zu erreichen.
-
Gemäß einer
besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Batterie ist es außerdem
vorgesehen, dass das Diffusionssperrelement mechanisch so ausgestaltet
ist, dass es mit dem Material des Rahmens eine formschlüssige
Verbindung ausbildet. Um das sichere Anhaften des mit dem Diffusionssperrelement
verbundenen Hüllblechs an dem Rahmen, welcher beispielsweise
angespritzt werden kann, sicherzustellen, ist das Diffusionssperrelement
mechanisch so ausgebildet, dass es diese Verbindung durch eine formschlüssige
Verbindung unterstützt. Hierfür könnten
beispielsweise entsprechende Bereiche des Diffusionssperrelements
mit einer definierten Rauheit, mit Hinterschnitten oder partiellen
Durchbrüchen, welche den Diffusionsquerschnitt nicht deutlich
erhöhen, versehen werden. Dadurch wird dann eine formschlüssige
Verklammerung des Kunststoffmaterials des Rahmens mit dem Diffusionssperrelement
und damit letztlich auch mit dem mit dem Diffusionssperrelement
verbundenen Hüllblech erreicht.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer
Batterie mit bipolaren Rahmenflachzellen sieht vor, dass für
jede der Rahmenflachzellen, welche später zu der Batterie
gestapelt werden, in einem ersten Schritt ein Diffusionssperrelement
mit einem ersten Hüllblech verbunden oder an diesem ausgebildet
wird. Das Diffusionssperrelement wird also fest mit dem Hüllblech
verbunden oder einstückig an diesem ausgebildet. Damit
entsteht eine Einheit aus dem ersten Hüllblech und dem
Diffusionssperrelement, welche als solche Einheit im weiteren Produktionsprozess
gemeinsam gehandhabt werden kann. Im nächsten Verfahrensschritt
wird dann ein Rahmen an das erste mit dem Diffusionssperrelement
versehene Hüllblech angeformt. Dieses Anformen kann insbesondere
durch Spritzgießen oder Spritzprägen erfolgen,
sodass wieder eine fest verbundene Einheit aus dem ersten Hüllblech,
dem Diffusionssperrelement und dem Rahmen entsteht. In diesen Aufbau
wird dann im darauffolgenden Verfahrensschritt ein Elektrodenstapel
aus Anodenfolien, Separatorfolien und Kathodenfolien positioniert.
In einem abschließenden Schritt wird dann mit dem zweiten
Hüllblech die Rahmenflachzelle verschlossen. Hierfür
kann das zweite Hüllblech beispielsweise aufgeklebt oder über
Heißpressen mit dem Kunststoffmaterial des Rahmens, welches
dann zumindest teilweise thermoplastisch ausgebildet sein muss,
verbunden werden.
-
Dieses
sehr effiziente Verfahren zur Herstellung von Rahmenflachzellen,
welche anschließend zu der Batterie gestapelt werden, ermöglicht
eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung einer erfindungsgemäßen
Batterie, so dass hohe Stückzahlen mit vertretbarem Kostenaufwand
produziert werden können.
-
Im
ersten Verfahrensschritt wird dabei, wie bereits erwähnt,
das Diffusionssperrelement mit dem ersten Hüllblech verbunden
oder an diesem ausgebildet. Neben der einstückigen Ausbildung,
welche beispielsweise durch Abkanten oder Tiefziehen erfolgen könnte,
ist es gemäß einer besonders günstigen und
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass dieses
Verbinden des Diffusionssperrelements mit dem ersten Hüllblech
durch ein stoffschlüssiges Fügen erfolgt. Insbesondere
können hier Verfahren wie Widerstandspressschweißen,
Buckelschweißen oder dergleichen verwendet werden. Dies ermöglicht
in einem einfachen und leicht beherrschbaren Produktionsablauf ein
sicheres, festes und dauerhaftes Verbinden des Diffusionssperrelements mit
dem ersten Hüllblech.
-
Alternativ
dazu wären andere Herstellungsverfahren möglich,
beispielsweise ein Durchsetzfügen, bei dem in das Hüllblech
eine entsprechende Form eingeprägt wird, welche dann eine
formschlüssige Verbindung mit dem Diffusionssperrelement während
des Prägeschritts eingeht. Alternativ dazu ist es selbstverständlich
auch denkbar, das Diffusionssperrelement durch Kleben oder dergleichen
zu fixieren.
-
Alles
in allem erlaubt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
den kostengünstigen Aufbau einer Batterie aus den entsprechenden
Rahmenflachzellen, welche einfach, kostengünstig und robust
hergestellt werden kann. Insbesondere für Nutzfahrzeuge
und Personenkraftwagen mit elektrischen Antrieben oder Hybridantrieben
kann die Batterie besonders günstig und effizient eingesetzt
werden. Aufgrund der oben schon genannten Vorteile ist sie für diese
Verwendung, insbesondere in einer Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie,
prädestiniert.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie und des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung der Batterie mit Rahmenflachzellen
und der Verfahrensschritte zu ihrer Herstellung, anhand der beigefügten
Figuren.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Explosionsdarstellung einer bipolaren Rahmenflachzelle;
-
2 eine
Explosionsdarstellung eines Diffusionssperrelements und eines ersten
Hüllblechs;
-
3 die
Darstellung gemäß 2 in verbundenem
Zustand von Diffusionssperrelement und erstem Hüllblech;
-
4 eine
Schnittdarstellung durch eine Rahmenflachzelle gemäß der
Erfindung;
-
5 eine
Ausschnittsvergrößerung eines Randbereichs der
Darstellung in 4;
-
6 die
Darstellung analog 5 in einer weiteren Ausführungsform;
-
7 eine
Draufsicht auf ein erstes Hüllblech in einer weiteren möglichen
Ausführungsform; und
-
8 eine
Schnittdarstellung eines vergrößerten Ausschnitts
aus 7 mit angespritztem Rahmen.
-
In 1 ist
eine bipolare Rahmenflachzelle 1 in einer Explosionsdarstellung
zu erkennen. Die spätere Rahmenflachzelle 1 besteht
dabei aus einem ersten Hüllblech 2, welches beispielsweise
das Hüllblech 2 der Anodenseite bildet. Dieses
erste Hüllblech 2 ist über einen Rahmen 3 von
einem zweiten Hüllblech 4 getrennt, welches in
diesem Beispiel dann das Hüllblech 4 der Kathodenseite
wäre. Beide Hüllbleche 2, 4 weisen
auf einer Seite entsprechende Abkantungen 2a, 4a auf.
Diese Abkantungen 2a, 4a sind so ausgeführt,
dass sie auf einer Seite der späteren Rahmenflachzelle 1 nebeneinander
liegen, jedoch so, dass sie nicht in elektrischem Kontakt zueinander
kommen. Der Sinn und die Aufgabe der Abkantungen 2a, 4a der
jeweiligen Hüllbleche 2, 4 besteht nun
darin, dass sie typischerweise auf der Seite angeordnet sind, auf
der die Rahmenflachzelle 1 später, wenn mehrere
der Rahmenflachzellen 1 zu einer Batterie gestapelt sind,
im Allgemeinen über eine elektrisch isolierende, thermisch
leitende Folie oder Vergussmasse, mit einer Kühleinrichtung,
beispielsweise einer Kühlplatte in Verbindung stehen. Die
Abkantungen 2a, 4a der Hüllbleche 2, 4 sorgen
nun dafür, dass der Kontakt der Hüllbleche 2, 4 zu
der Kühlplatte eine vergleichsweise große Fläche
aufweist, sodass von den Hüllblechen 2, 4 aus
dem Inneren der Rahmenflachzelle 1 abgeleitete Wärme
bestmöglich an die Kühlplatte abgegeben werden
kann. Da dieser Aufbau der Kühlung sowie die Anbindung der
Kühlplatte an die Rahmenflachzellen 1 an sich bekannt
und üblich ist, wird hierauf im Rahmen der hier vorliegenden
Erfindung jedoch nicht näher eingegangen.
-
Im
Inneren des von dem Rahmen
3 umgebenen Bereiches ist das
elektrochemisch aktive Material angebracht. Dieses besteht aus einem
Elektrodenstapel
5 mit Kathodenfolien
6, Separatoren
7 und
Anodenfolien
8. Die Anoden- und Kathodenfolien
8,
6 sind
dabei aus Aluminium und Kupfer oder entsprechenden Legierung mit
Aluminium und Kupfer gebildet. In der Schnittdarstellung der
4 bzw.
in der Vergrößerung der
5 und
6 ist
der Elektrodenstapel
5 nochmals im Detail dargestellt.
Wie dort zu erkennen ist, besteht dieser aus mehreren der Kathodenfolien
6,
welche über den elektrisch isolierenden Separator
7,
welcher bevorzugt ebenfalls als Folie ausgebildet ist, von den Anodenfolien
8 getrennt gestapelt
sind. Die jeweils von dem Separator
7 getrennten Anodenfolien
8 und
Kathodenfolien
6 sind dabei abwechselnd gestapelt. In der
Darstellung der
5 ist zu erkennen, dass die
Kathodenfolien
6 in einem ersten Anschlussbereich
5a des
Elektrodenstapels
5 entsprechend mit dem Hüllblech
4 der
Kathodenseite verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch Schweißen
erfolgen, wie es aus der älteren
DE 10 2007 063 181.4 der Anmelderin
bekannt ist. Der Aufbau auf der Anodenseite ist dabei vergleichbar.
Auch hier sind die Anodenfolien
8 zu einem Anschlussbereich
5b zusammengefasst,
welcher dann mit dem anodenseitigen Hüllblech
2 verbunden,
beispielsweise verschweißt ist.
-
Der
Rahmen 3 selbst, welcher beispielsweise aus einem thermoplastischen
Kunststoff ausgebildet und an das erste Hüllblech 2 angespritzt
sein kann, verschließt die spätere Rahmenflachzelle 1 dicht
gegenüber der Umgebung. Aufgrund des thermoplastischen
Kunststoffmaterials des Rahmens ist eine solche Abdichtung durch
den Rahmen 3 jedoch nicht diffusionsdicht möglich.
Durch das Material des Rahmens 3 können Moleküle
des Elektrolyts nach außen oder auch Wassermoleküle
von außen nach innen diffundieren. Dies gilt insbesondere
für die erhöhten Temperaturen, welchen eine derartige
Batterie im Betrieb, beispielsweise bei ihrer Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie,
ständig ausgesetzt ist. Diffundiert nun Wasser in das Innere
der Rahmenflachzelle 1, so kann es durch das eingedrungene
Wasser zu Korrosion in der Rahmenflachzelle 1 kommen. Dies verschlechtert
mit der Zeit die Performance der Zelle und kann zu einem frühzeitigen
Ausfall der Rahmenflachzelle 1 führen. Andererseits
können auch Moleküle des Elektrolyts durch den
Rahmen 3 hindurch nach außen diffundieren, sodass
ein Mangel an Elektrolyt in der entsprechenden Rahmenflachzelle 1 vorliegt.
Auch dies verschlechtert die Performance und führt zu einem
frühzeitigen Ausfall der Rahmenflachzelle 1.
-
Um
diese Diffusion weitgehend einzudämmen bzw. zu minimieren,
ist im Aufbau des Rahmens 3 daher ein Diffusionssperrelement 9 vorgesehen.
In der Darstellung der 2 ist dieses Diffusionssperrelement 9 explizit
gezeigt, während es in der Darstellung der 1 im
Inneren des Rahmens 3 liegt und daher nicht zu erkennen
ist. Das Diffusionssperrelement 9 ist nun so ausgebildet,
dass es den größten Teil der Querschnittsfläche
des Rahmens 3 durchdringt, und die Bereiche, in denen zwischen
dem Inneren der Rahmenflachzelle 1 und der Umgebung lediglich
der Kunststoff des Rahmens 3 liegt, auf ein Minimum reduziert.
Das Diffusionssperrelement 9 kann dabei aus verschiedenen
Materialien ausgebildet sein. Grundsätzlich wären
hier auch geeignete Kunststoffe, Verbundwerkstoffe oder dergleichen denkbar,
welche gegebenenfalls auch eine entsprechende Beschichtung aufweisen
können. Da das Diffusionssperrelement 9 später
von dem Material des Rahmens 3 vollständig ummantelt
wird, muss es keine Eigenschaften aufweisen, welche beim Verschließen
der Rahmenflachzelle 1 notwendig sind, die aber natürlich
der Rahmen 3 selbst aufweisen muss. Man ist daher bei der
Auswahl des Materials für das Diffusionssperrelement 9 relativ
frei. Besonders effizient und kostengünstig ist die Ausbildung
des Diffusionssperrelements 9 aus einem metallischen Material, insbesondere
aus Aluminium. Dieses Material ist einfach und vergleichsweise kostengünstig
verfügbar und weist ideale Eigenschaften hinsichtlich der
Diffusionsbeständigkeit auf. Außerdem werden die
Hüllbleche 2, 4 üblicherweise
auch aus Aluminium oder einem vergleichbaren Material gefertigt,
sodass hier die Möglichkeit besteht, das Diffusionssperrelement 9 sehr
einfach und effizient mit dem ersten Hüllblech 2 zu
verbinden.
-
In
der Darstellung der 3 ist ein Aufbau mit dem Diffusionssperrelement 9 und
dem ersten Hüllblech 2 zu erkennen. Die Einheit
aus Diffusionssperrelement 9 und Hüllblech 2 weist
das Diffusionssperrelement 9 fest verbunden mit dem ersten
Hüllblech 2 auf. Je nach Material des Diffusionssperrelements 9 kann
dieses Verbinden beispielsweise durch ein Kleben erfolgen. Beim
Einsatz eines metallischen Diffusionssperrelements 9, insbesondere
eines Diffusionssperrelements 9 aus Aluminium, ist es vorteilhaft,
dieses über ein stoffschlüssiges Fügen
an dem ersten Hüllblech 2 zu befestigen. Die Verbindung kann
dann vorzugsweise durch ein Widerstandsschweißen, ein Buckelschweißen,
aber auch durch ein Laserschweißen oder dergleichen realisiert
werden. Insbesondere das Widerstandsschweißen, wie beispielsweise
ein Widerstandspressschweißen, hat dabei den Vorteil, dass
es unterschiedliche Materialien verbinden kann, sodass beispielsweise
ein Hüllblech aus einem eisen- oder stahlhaltigen Material mit
dem Diffusionssperrelement 9 aus Aluminium verbunden werden
könnte.
-
Alternative,
in der Metallbearbeitung übliche Verfahren zum Verbinden
des Hüllblechs 2 mit dem Diffusionssperrelement 9 sind
ebenso denkbar, beispielsweise ein Durchsetzfügen oder
dergleichen. Grundsätzlich wäre natürlich
auch eine Fixierung über Schraubenmittel, Nieten oder dergleichen
vorstellbar. Im Allgemeinen wird dies jedoch aufgrund des damit
verbundenen Aufwands eher nicht in Betracht gezogen werden.
-
In
der Darstellung der 4, welche einen Querschnitt
durch eine Rahmenflachzelle 1 zeigt, ist der Aufbau der
gesamten Rahmenflachzelle 1 ist im Detail zu erkennen.
Das Diffusionssperrelement 9 ist von dem Kunststoffmaterial
des Rahmens 3 an all den Seiten ummantelt, an denen es
nicht mit dem ersten Hüllblech 2 verbunden ist.
Insbesondere zwischen dem Diffusionssperrelement 9 und
dem zweiten Hüllblech 4 ist dies unbedingt notwendig,
da bei einem metallischen Diffusionssperrelement 9 dieses das
Potential des ersten Hüllblechs 2 aufweist. Das Kunststoffmaterial
des Rahmens 3 dient damit zwischen dem Diffusionssperrelement 9 und
dem zweiten Hüllblech 4 einer elektrischen Isolierung
zwischen dem zweiten Hüllblech 4 und dem Potential des
ersten Hüllblechs 2. Außerdem kann das
Material des Rahmens 3 in diesem Bereich beim Verschließen
der Rahmenflachzelle 1 aufgeschmolzen werden, beispielsweise
wenn das zweite Hüllblech 4 durch Heißpressen
mit dem Kunststoffmaterial des Rahmens 3 verbunden wird.
In der vergrößerten Darstellung der 5 und 6 ist,
wie bereits erwähnt, der Elektrodenstapel 5 noch
im Detail mit seinen Kathodenfolien 6, seinen Anodenfolien 8 und
den Separatoren bzw. Separatorfolien 7 zu erkennen. Außerdem
ist in der Darstellung der 5 das Diffusionssperrelement 9 nochmals
in einer detaillierten Darstellung zu erkennen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist es über eine Schweißverbindung, welche hier
als Schweißnaht 10 angedeutet ist, mit dem ersten
Hüllblech 2 verbunden. Bei der Herstellung der Rahmenflachzelle 1 kann
nun durch das Verbinden des Diffusionssperrelements 9 mit
dem ersten Hüllblech 2 eine feste und leicht zu
handhabende Baueinheit aus diesen beiden Elementen hergestellt werden.
Eine solche Baueinheit kann dann beispielsweise in eine Spritzguss-
oder Spritzprägemaschine eingelegt werden, wonach der Rahmen 3 aus
dem Kunststoffmaterial entsprechend angeformt wird. Dies ist in
einem Schritt möglich, ohne dass Haltestifte, ein zweistufiger
Prozess oder dergleichen nötig wären. Dieses Anformen
des Rahmens 3 ermöglicht dann eine feste Verbindung
zwischen der Einheit aus Diffusionssperrelement 9 und dem
ersten Hüllblech 2 mit dem Rahmen 3.
-
In
der Darstellung der 6 ist in einer alternativen
Ausführungsform zu erkennen, dass das Diffusionssperrelement 9 einen
Durchbruch 11 aufweist, um eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Diffusionssperrelement 9 und dem
Material des Rahmens 3 zu ermöglichen. Neben solchen
Durchbrüchen 11 wären auch andere mechanische
Mittel geeignet, welche eine formschlüssige Verbindung
erleichtern, beispielsweise Hinterschnitte, aufgeraute Bereiche
oder dergleichen. Aufgrund des fest mit dem ersten Hüllblech 2 verbundenen
Diffusionssperrelements 9 und dem fest mit dem Rahmen 3verbundenen
Aufbau aus Hüllblech 2 und Diffusionssperrelement 9 kann
somit eine Einheit entstehen, welche im weiteren Herstellungsprozess
einfach gehandhabt werden kann.
-
Im
nächsten Schritt der Herstellung wird dann der Elektrodenstapel
5 in
dem Rahmen
3 positioniert. Wie aus der eingangs erwähnten älteren
Anmeldung
DE 10 2007 063
181.4 der Anmelderin bekannt, können die einzelnen
Folien
6,
8 des Elektrodenstapels jeweils im Bereich
der Anschlussbereiche
5a,
5b miteinander verschweißt
werden. Nach dem Einlegen des Elektrodenstapels
5 in den
Aufbau aus erstem Hüllblech
2 und Rahmen
3 wird
dann der entsprechende Anschlussbereich
5b mit dem ersten Hüllblech
elektrisch leitend verbunden, was ebenfalls durch Schweißen
erfolgen kann. Danach wird die Rahmenflachzelle
1 durch
das zweite Hüllblech
4 verschlossen, wobei auch
hier vor dem Verschließen ein elektrisch leitendes Verbinden
des anderen Anschlussbereichs
5a des Elektrodenstapels
5 mit
dem weiteren Hüllblech
4 erfolgen kann. Aufgrund
der Flexibilität der Anschlussbereiche
5a,
5b gegenüber dem
Elektrodenstapel
5 kann der Aufbau dann in Form eines Z
aufgeklappt verbleiben, sodass das Anschweißen des Anschlussbereichs
5a an
das zweite Hüllblech
4 möglich wird.
Danach wird das Hüllblech
4 auf dem Rahmen
3 positioniert
und mit diesem verbunden. Dieses Verbinden kann ebenfalls durch
Kleben oder dergleichen erfolgen. Aufgrund des typischerweise aus
thermoplastischem Material oder zumindest teilweise aus thermoplastischem
Material hergestellten Rahmens
3 kann besonders bevorzugt auch
ein Heißpressvorgang eingesetzt werden, bei dem das zweite
Hüllblech
4 im Bereich, in dem es auf dem Rahmen
3 aufliegt,
entsprechend erwärmt und mit dem Rahmen verpresst wird.
Das Kunststoffmaterial des Rahmens
3 wird dann zumindest
teilweise aufschmelzen und sich mit dem Hüllblech
2 verbinden.
-
Wie
in den Schnittdarstellungen der 5 und 6 zu
erkennen ist, nimmt das Diffusionssperrelement 9 den größten
Teil des Querschnitts des Rahmens 3 zwischen dem Inneren
der Rahmenflachzelle 1 und dem Äußeren
ein. Dadurch wird die Diffusion zwar nicht gänzlich unterbunden,
da geringe Querschnittsbereiche verbleiben, in denen lediglich Kunststoff
vorhanden ist, sie wird jedoch weitgehend eingeschränkt
und auf ein tolerierbares Minimum reduziert.
-
Der
Elektrodenstapel 5 selbst kann dabei schon vor dem Einlegen
in den Bereich im Inneren des Rahmens 3 mit dem notwendigen
Elektrolyt getränkt sein. Es ist alternativ oder ergänzend
hierzu auch denkbar, den Elektrolyt nach dem Fertigstellen der Rahmenflachzelle 1 über
eine Öffnung in dem Rahmen 3 und dem Diffusionssperrelement 9 in
das Innere der Rahmenflachzelle 1 einzufüllen
und die Öffnung dann zu verschließen. Eine solche Öffnung kann
beispielsweise durch Bohren oder dergleichen nach der Herstellung
der Rahmenflachzelle 1 in diese eingebracht werden. Es
ist auch denkbar, dass das Diffusionssperrelement 9 eine
entsprechende Öffnung aufweist, und dass die Spritzgussform,
in welcher der Rahmen 3 angespritzt wird, einen entsprechenden
Dorn oder dergleichen aufweist, welcher sicherstellt, dass im Bereich
der Öffnung in dem Diffusionssperrelement 9 auch
in Rahmen 3 eine Öffnung verbleibt. Nach dem Einfüllen
des Elektrolyts kann diese Öffnung beispielsweise durch
einen mittels Reibschweißen oder Ultraschallschweißen
angeschweißten Kunststoffpfropfen oder dergleichen verschlossen
werden.
-
Neben
der getrennten Herstellung des Diffusionssperrelements 9 und
dem Verbinden des Diffusionssperrelements 9 mit dem ersten
Hüllblech 2 ist es grundsätzlich auch
denkbar, das Diffusionssperrelement 9 einstückig
mit dem ersten Hüllblech 2 auszuführen.
In der Darstellung der 7 ist eine solche Möglichkeit
gezeigt, bei der das Hüllblech 2 einstückig
mit dem Diffusionssperrelement 9 ausgebildet ist. In diesem
Fall ist das Diffusionssperrelement über ein Abkanten von
Teilen des Hüllblechs 2 hergestellt und damit
aus dem Material des Hüllblechs 2 ausgebildet.
Aufgrund der technischen Gegebenheiten des Abkantens kann das Hüllblech 2 dabei
nicht rechteckig ausgebildet sein, sondern weist in den jeweiligen Ecken
kein Material auf. Da dies jedoch für die Funktionalität
der Rahmenflachzelle 1 nicht notwendig ist, kann dieser
Bereich mit dem Kunststoff des Rahmens 3 entsprechend ausgefüllt
werden, sodass dennoch eine rechteckige Rahmenflachzelle 1 entsteht.
Außerdem kann durch das Abkanten im Bereich der in den
Ecken aufeinandertreffenden Diffusionssperrelemente 9 jeweils
ein geringer Spalt verbleiben. Da jedoch zwischen dem Diffusionssperrelement 9 und
dem zweiten Hüllblech 4 ohnehin ein geringfügiger
Spalt verbleibt, welcher nur mit dem Kunststoff des Rahmens 3 allein
verschlossen ist, kann auch ein Spalt in den Ecken, welcher nur
mit dem Kunststoffmaterial des Rahmens 3 aufgefüllt
ist, toleriert werden. Alternativ dazu wäre es selbstverständlich
auch möglich, beispielsweise bei einem Hüllblech 2 aus
Aluminium, das Diffusionssperrelement 9 durch Tiefziehen
des Hüllblechs 2 in dieses einzubringen. In der
Darstellung der 8 ist das so über Abkanten
oder Tiefziehen erzeugte Diffusionssperrelement 9 in einer
Schnittdarstellung mit angeformtem Rahmen 3 zu erkennen.
-
Die
beschriebene Batterie und das beschriebene Herstellungsverfahren
sind dabei einfach und effizient, und kommen mit vergleichsweise
wenigen Montageschritten aus. Das Verfahren ist dementsprechend
geeignet, um die Batterie und/oder die Rahmenflachzellen 1 hierfür
kostengünstig zu produzieren. Sie können dann
in großer Stückzahl, beispielsweise für
hybridisierte oder elektrische Fahrzeuge eingesetzt werden, welche
die Batterien zur Speicherung bzw. Zwischenspeicherung von elektrischer
Energie nutzen können. Aufgrund der hohen zu erzielenden
Energiedichte können die Batterie bzw. die Rahmenflachzellen 1 dabei
bevorzugt in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007063181 [0002, 0005, 0031, 0038]
- - DE 102008059946 [0007]