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Die
Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine Batterieeinzelzelle
in Lithium-Ionen-Technologie, nach der im Oberbegriff von Anspruch
1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung
eine Batterieeinzelzelle mit einer derartigen Elektrodenanordnung.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
einer solchen Batterieeinzelzelle. Zuletzt betrifft die Erfindung
außerdem die Verwendung einer solchen Batterieeinzelzelle
oder einer nach dem Verfahren erhaltenen Batterieeinzelzelle.
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Batterien
in Lithium-Ionen-Technologie sind aus dem allgemeinen Stand der
Technik bekannt. Diese Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte
auf. Daher sind sie prädestiniert für Anwendungen,
welche bei vergleichsweise geringem Bauraum und geringem tolerierbarem
Gewicht der Batterie eine möglichst hohe Menge an elektrischer
Leistung speichern sollen. Bevorzugte Anwendungen sind daher elektrische
oder teilelektrische (hybridisierte) Antriebsstränge in
Transportmitteln aller Art, insbesondere in Kraftfahrzeugen.
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Für
derartige Batterien sind dabei im Wesentlichen zwei verschiedene
Bautypen bekannt. Beide bestehen jeweils aus einer Vielzahl von
Batterieeinzelzellen. Einer der gebräuchlichen Bautypen weist
die Batterieeinzelzellen als runde Batterieeinzelzellen auf, welche
in einem becherförmigen Gehäuse angeordnet sind
und üblicherweise im Deckelbereich des Gehäuses über
die entsprechenden Anschlüsse verfügen. Beispielhaft
soll bezüglich einer Batterie, welche aus derartigen Batterieeinzelzellen aufgebaut
ist, auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung
mit dem Aktenzeichen
DE
10 2008 010 837.5 verwiesen werden. Die Anmeldung beschreibt
eine derartige Batterie und beschäftigt sich insbesondere
mit der Kühlung derselben. Da in Lithium-Ionen-Batterien große
Mengen an Abwärme auftreten, spielt die Kühlung
einer solchen Batterie im Allgemeinen eine nicht unerhebliche Rolle.
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In
einer alternativen Bauform sind die Batterieeinzelzellen prismatisch
ausgebildet und können zur Batterie aufgestapelt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieser Bauart
sieht sogenannte bipolare Rahmenflachzellen vor, welche so konstruiert
sind, dass auf der einen Seite eines elektrisch isolierenden Rahmens
ein erstes Hüllblech liegt, welches mit dem ersten Pol
der Batterie verbunden ist, und dass auf der anderen Seite des elektrisch isolierenden
Rahmens ein weiteres Hüllblech liegt, welches mit dem anderen
Pol der Batterie verbunden ist. Die Batterieeinzelzellen werden
aufeinander gestapelt und typischerweise miteinander verspannt, sodass
auf der einen Seite des Stapels der Batterieeinzelzellen der eine
Batteriepol zu liegen kommt, während auf der anderen Seite
des Stapels der Batterieeinzelzellen der andere Batteriepol liegt.
Derartige Batterieeinzelzellen werden beispielsweise in der älteren
deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 063 181.4 beschrieben.
Die Batterieeinzelzellen weisen zwei metallische Hüllbleche
auf, welche durch den elektrisch isolierenden Rahmen voneinander
getrennt sind. Neben der Funktion der Hüllbleche als Pole
der Batterieeinzelzelle werden die Hüllbleche auch als
Wärmeleitbleche verwendet, welche in der Batterie entstehende
Abwärme nach außerhalb der Batterieeinzelzelle
leiten. Dort stehen die metallischen Hüllbleche mit einer
Kühleinrichtung in Verbindung, beispielsweise einer auf
zumindest einer Seite der Batterie bzw. des Stapels von Batterieeinzelzellen
angeordneten Kühlplatte. Diese Kühleinrichtung
wird typischerweise von einer Kühlflüssigkeit oder
dem Klimakühlmittel einer Klimaanlage aktiv gekühlt.
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Im
Inneren der Batterieeinzelzelle, also zwischen den Hüllblechen
und umgeben von dem elektrisch isolierenden Rahmen bei der prismatischen Zelle,
in der oben dargelegten Bauform, oder im Inneren des becherförmigen
Gehäuses bei der Rundzelle, sind die elektrochemisch wirksamen
Materialien angeordnet. Diese bestehen aus einer Elektrodenanordnung.
Die Elektrodenanordnung weist dabei Anoden- und Kathodenfolien auf,
welche mit dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden aber
aufgrund ihrer Porosität für Ionen durchlässige
Separatoren voneinander getrennt abwechselnd übereinander
gestapelt sind. Bei Lithium-Ionen-Batterien bestehen die Anoden-
bzw. Kathodenfolien typischerweise aus Kupfer- bzw. Aluminiumfolien,
oder aus Folien von geeigneten Legierungen dieser Metalle. Die metallischen
Folien des einen Pols stehen typischerweise an einer Seite über
die Separatoren hinaus, während die metallischen Folien
des anderen Pols dies an einer anderen Seite tun. Die so gestapelten
Folien der Elektrodenanordnung können dann als Folienstapel in
einer prismatischen Zelle oder als Folienwickel, üblicherweise
um einen Kern aufgewickelt in einer becherförmigen bzw.
runden Batterieeinzelzelle eingesetzt werden. Unabhängig
von der Bauform der Batterieeinzelzelle kommt dann zu der Elektrodenanordnung
in dem Gehäuse noch ein Elektrolyt, um den chemisch aktive
Bereich der Batterieeinzelzelle fertig zu stellen und zu aktivieren.
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Um
nun eine sichere und zuverlässige Verbindung der einzelnen
Anodenfolien untereinander oder der einzelnen Kathodenfolien untereinander
zu gewährleisten und gleichzeitig eine Verbindung der jeweiligen
Folienpakete mit den entsprechenden Polen bzw. Stromableitern in
der Batterie zu realisieren, werden sehr häufig Schweißverfahren
eingesetzt, um diese Verbindungen herzustellen. Außerdem werden
sehr häufig beim Verschluss der Gehäuse der Batterieeinzelzellen
Verfahren mit Nutzung thermischer Energie, z. B. Heißpressverfahren,
eingesetzt, beispielsweise ein Laserschweißen, um einen in
das becherförmige Gehäuse einer Rundzelle eingepressten
Deckel entsprechend mit dem Gehäuse zu verbinden, oder
Heißpressverfahren, um beispielsweise die metallischen
Hüllbleche mit einem aus thermoplastischem Material gefertigten
elektrisch isolierenden Rahmen sicher und zuverlässig zu verbinden.
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Nachteilig
bei all diesen Fügeverfahren ist der mehr oder weniger
große Wärmeeintrag in den Bereich der Batterieeinzelzelle,
und hier insbesondere in den Bereich der Elektrodenanordnung. Extrem empfindlich
sind dabei die aus einem Kunststoffmaterial bestehenden Separatoren.
Die metallischen Anoden- und Kathodenfolien, welche üblicherweise
noch über eine anorganische Beschichtung verfügen,
sind zwar deutlich temperaturbeständiger, sie sind jedoch auch
sehr gut wärmeleitend und leiten so die Temperatur aus
dem Bereich des Gehäuses bzw. ihrer verschweißten
Randbereiche in die Elektrodenanordnung. Bereits oberhalb von 130°C
schmelzen die Materialien der konventionellen Separatoren aus organischem
Material bzw. Kunststoff auf und verlieren dabei irreversibel ihre
Porosität. Damit werden die gewünschten Strompfade
für die Ionen blockiert. Im Allgemeinen ist dieser sogenannte „Shut-Down-Effekt” als
Sicherheitsmechanismus gewünscht, um bei entsprechend hohen
Temperaturen ein unkontrolliertes Aufschmelzen des Separators unter
Bildung von Löchern zu verhindern. Dann käme es
nämlich zu großflächigen Kurzschlüssen
zwischen Anode und Kathode, welche einen Brand und gegebenenfalls
eine Explosion der Batterieeinzelzelle zur Folge haben könnten.
Da die Separaten bereits bei 130°C leicht aufschmelzen,
ihre Porosität verlieren und so den Stromfluss blockieren,
wird die Zelle früh irreversibel außer Betrieb
gesetzt, sodass ein weiteres Aufschmelzen des Separators unter Bildung
der besagten kritischen Löcher verhindert werden kann.
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Um
nun in der Produktion der Batterieeinzelzelle bzw. beim Verbinden
der jeweiligen Folien der Elektrodenanordnung dennoch Schweißverfahren einsetzen
zu können, sind entsprechend große Abstände
der Schweißstelle von dem Bereich der Elektrodenanordnung
mit den Separatoren notwendig, oder es sind aufwendige Einrichtungen
zur Kühlung vorzusehen. All dies erhöht den Fertigungsaufwand und
insbesondere den Bauraumbedarf der jeweiligen Batterieeinzelzelle,
sodass dies in einem nicht optimalen Leistungsvolumen der fertigen
Batterie resultiert.
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Es
ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die genannten
Nachteile zu vermeiden und eine Elektrodenanordnung vorzuschlagen,
welche die Herstellung einer sicheren und zuverlässigen Batterieeinzelzelle
mit einfachen und effizienten Fertigungsverfahren ermöglicht,
und welche darüber hinaus den Bauraumbedarf der jeweiligen
Batterieeinzelzelle bei gleich bleibender Leistung verringert.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine Elektrodenanordnung mit den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 gelöst. Ebenso löst eine Batterieeinzelzelle
mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 die Aufgabe. Die
Aufgabe kann letztlich auch ein Verfahren zur Herstellung einer
derartigen Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 8 lösen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich ferner aus den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen.
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Dadurch,
dass der Separator zumindest teilweise aus einem anorganischen Material
besteht, kann bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
erreicht werden, dass diese eine weitaus höhere thermische
Stabilität aufweist. Damit kann einerseits erreicht werden,
dass beim Einsatz von entsprechenden Schweißverfahren oder
anderen mit thermischer Energie arbeitenden Fertigungsverfahren
eine Schädigung der Separatoren verhindert werden kann.
Dies ermöglicht den Einsatz einfacher und effizienter Verfahren,
auch in unmittelbarer Nähe zu der Elektrodenanordnung.
Andererseits kann mit Separatoren, welche aufgrund der zumindest
teilweisen Ausbildung aus anorganischen Materialien höheren Temperaturen
standhalten, die Gefahr einer thermischen Zersetzung des Separators,
welche zu großflächigen Kurzschlüssen,
bis hin zu einem Brand oder einer Explosion der Batterieeinzelzelle
führen könnte, vermieden werden können.
Die thermisch gegenüber den bisher eingesetzten Separatoren deutlich
stabileren Separatoren aus zumindest teilweise anorganischen Materialien
erlauben damit sehr kompakte Batterieeinzelzellen, welche unter Nutzung
einfacher und effizienter Fertigungsmethoden kostengünstig
hergestellt werden können.
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Gemäß einer
besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung ist der Separator aus einem Trägermaterial,
insbesondere einem Gewebe oder einem Vlies, ausgebildet, welches
mit keramischen Partikeln beschichtet ist.
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Das
Trägermaterial oder Vlies kann dabei beispielsweise auch
aus Kunststofffasern oder anderen organischen Materialien ausgebildet
sein. Durch die Beschichtung mit den anorganischen keramischen Partikeln
entsteht dennoch eine vergleichsweise gute Temperaturbeständigkeit
bei entsprechend hoher Widerstandsfähigkeit des Separators.
Dieser bevorzugte Aufbau des Separators in der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung erlaubt es somit, einen einfachen, kostengünstig
herzustellenden und dennoch leichten und temperaturbeständigen
Separator in der Elektrodenanordnung einzusetzen, welcher außerdem
eine ausreichend große Flexibilität aufweist,
um die Elektrodenanordnung in verschieden Bauformen verwenden zu
können, beispielsweise um die Elektrodenanordnung aufzuwickeln.
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Gemäß einer
besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung ist die Elektrodenanordnung so ausgebildet, dass die Anodenfolien und/oder
die Kathodenfolien untereinander zu einem Anschlussbereich verschweißt
sind.
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Damit
entsteht ein einfacher und kompakter Aufbau, welcher es erlaubt,
die Elektrodenanordnung als eine Art Halbzeug herzustellen und durch
das Verschweißen der Anodenfolien und/oder der Kathodenfolien
untereinander die Anordnung der Folien und der Separatoren entsprechend
zu sichern und damit einen einfachen und effizienten Einbau in eine Batterieeinzelzelle
während ihrer Fertigung zu gewährleisten. Aufgrund
der Temperaturbeständigkeit der erfindungsgemäßen
Separatoren ist dieses Verschweißen problemlos auch in
unmittelbarer Nähe zu den Separatoren möglich.
Damit lassen sich sehr kompakte Elektrodenanordnungen und damit
auch kompakte Batterieeinzelzellen mit einem hohen Leistungsvolumen
realisieren. Auch ein späteres erneutes Aufschmelzen beim
Einbau in eine Batterieeinzelzelle, beispielsweise indem die Anschlussbereiche an
Stromableiter oder die entsprechenden Pole angeschweißt
werden, ist beim erfindungsgemäßen Aufbau möglich,
ohne dass eine Schädigung der Separatoren zu befürchten
wäre.
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In
Anspruch 6 ist eine Batterieeinzelzelle mit einer solchen erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung angegeben. Die Elektrodenanordnung der Batterieeinzelzelle
ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, wobei ein Teil des
Gehäuses zumindest mit den Elektrodenfolien eines Pols
der Elektrodenanordnung direkt oder über eine Anschlusselement
verschweißt ist.
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Die
Batterieeinzelzelle weist dabei einen sehr einfachen und effizient
zu fertigenden Aufbau auf. Einer der Pole ist auf einen Teil des
Gehäuses gelegt oder wird über das Gehäuse
geleitet, sodass auf zusätzliche Stromleiter, welche Bauraum
und Gewicht benötigen würden, verzichtet werden
kann. Durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist
es möglich, diese mit dem entsprechenden Teil des Gehäuses
zu verschweißen, ohne dabei besondere Maßnahmen
beachten zu müssen oder eine entsprechende Kühlung
vorzusehen, da auch ein Schweißen in unmittelbarer Nähe
zu der Elektrodenanordnung den temperaturbeständigen Separatoren mit
dem anorganischen Material nichts anhaben kann. Die erfindungsgemäße
Batterieeinzelzelle lässt sich somit einfach und effizient
herstellen und benötigt gegenüber herkömmlichen
Zellen weniger Bauraum, sodass eine auf Basis dieser Batterieeinzelzellen
aufgebaute Batterie ein hohes Leistungsvolumen zu erreichen vermag.
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In
Anspruch 8 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieeinzelzelle
mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
beschrieben.
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Bei
diesem Herstellungsverfahren wird zuerst die Elektrodenanordnung
in einem Gehäuse bzw. dem Teil eines Gehäuses
der Batterie positioniert, wobei zumindest einer der Pole der Elektrodenanordnung
direkt oder über ein Anschlusselement mit einem Teil des
Gehäuses und/oder einem Polelement der Batterieeinzelzelle
verschweißt ist.
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Dieses
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren greift
die oben bereits genannten Vorteile wieder auf. Durch ein Anordnen
der Elektrodenanordnung in dem Gehäuse der Batterieeinzelzelle
und dem anschließenden Verschweißen mit dem Gehäuse,
entweder direkt oder über ein Anschlusselement bzw. mit
einem durch das Gehäuse hindurchgeführten Pol,
wird eine sehr einfache und effiziente Fertigung möglich.
Dabei kann das Verschweißen ohne weitere Maßnahmen
wie eine Kühlung oder das Setzen kurzer Schweißnähte
mit vergleichsweise langen Pausen dazwischen realisiert werden.
Die Herstellung der Batterieeinzelzelle ist somit auch sehr schnell
und kostengünstig möglich.
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In
einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Verschweißen durch
ein Pressschweißverfahren erfolgt.
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Ein
solches Pressschweißverfahren, insbesondere ein Ultraschallschweißen
oder ein Punktschweißen, erfolgt dabei so, dass die zu
verschweißenden Bauteile zwischen zwei Elektroden bzw.
Sonotroden gelegt werden, durch welche dann ein Strom fließt
oder welche mit Ultraschall bewegt werden. Zwischen den Bauteilen
ergibt sich dadurch ein entsprechender Wärmefluss entweder
durch den dem elektrischen Strom entgegengesetzten Widerstand oder
die Reibung aufgrund der Ultraschallbewegung. Die Materialien schmelzen
auf und verbinden sich beim Abkühlen miteinander. Der Vorteil
derartiger Pressschweißverfahren liegt nun insbesondere
darin, dass verschiedene Materialien miteinander verschweißt
werden können, beispielsweise das Aluminium bzw. aluminiumhaltige
Material der Kathodenfolie mit einem beispielsweise eisenbasierten
Teil des Gehäuses der Batterieeinzelzelle. Ebenso können
die aus Kupfer oder einem kupferhaltigen Material bestehenden Anodenfolien
mit einem aluminiumhaltigen Teil des Batteriegehäuses zu
verschweißen. Der Einsatz derartiger Pressschweißverfahren
ist also besonders einfach und effizient, da er unabhängig
von den Materialien zum Anschluss beider Pole gleichermaßen
eingesetzt werden kann. Ferner ist man bei der Wahl der Materialien
für das Gehäuse, die Polelemente und/oder evtl.
Anschlusselemente relativ frei. Die Auswahl kann daher primär
aus Gründen der Bestmöglichen und kostengünstigsten
Herstellung der Einzelteile erfolgen. Damit wird die Herstellung
einer derartigen Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung weiter vereinfacht und hinsichtlich der Herstellungskosten optimiert.
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Die
Möglichkeit auf diese Art einfach und kostengünstig
Batterieeinzelzellen herzustellen und eine Vielzahl derartiger Batterieeinzelzellen
zu einer großen Batterie zusammenzufügen ermöglicht
es, mit geringem Aufwand und hohem Leistungsvolumen in einen verfügbaren
Bauraum eine vergleichsweise kleine Batterie mit entsprechend hoher
elektrischer Leistung einzusetzen. Diese Maßnahmen sowie
die vergleichsweise kostengünstige Herstellung, welche hohe
Stückzahlen ermöglicht, prädestiniert
die Batterie bzw. die nach dem oben genannten Verfahren hergestellte
Batterieeinzelzellen jeweils mit der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung zum Einsatz als Speicherbatterie zur Speicherung
von Traktionsenergie für ein zumindest teilweise elektrisch
angetriebenes Transportmittel auf dem Land, im Wasser oder in der
Luft.
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Die
so erhältlichen Hochleistungsbatterien können
als vergleichsweise kostengünstige und ein hohes Leistungsvolumen
aufweisende Batterien bevorzugt in Kraftfahrzeugen mit elektrischem
Antrieb oder Hybrid-Antrieb bzw. Mild-Hybrid-Antrieb vorteilhaft
eingesetzt werden, insbesondere auch deshalb, weil durch die erfindungsgemäße
Elektrodenanordnung ein sehr sicherer Aufbau entsteht, welcher auch im
Falle einer Beschädigung der Batterie, wie er beispielsweise
bei einem Crash des Fahrzeugs zu befürchten ist, die maximale
Sicherheit bietet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen abhängigen Ansprüchen sowie aus den
Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Figuren
näher erläutert sind.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
beispielhafte Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung;
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2 eine
Batterieeinzelzelle in einer möglichen Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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3 eine
Explosionsdarstellung einer Batterieeinzelzelle in einer weiteren
Ausführungsform;
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4 einen
Ausschnitt einer Elektrodenanordnung gemäß der
Erfindung;
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5 einen
beispielhaften Aufbau zum Verschweißen einer Elektrodenanordnung
mit einem Teil eines Gehäuses einer Batterieeinzelzelle;
und
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6 einen
beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung zum Verschließen
der Batterieeinzelzelle gemäß 3.
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In
der Darstellung der 1 ist eine Elektrodenanordnung 1 beispielhaft
dargestellt. Die Elektrodenanordnung 1 besteht aus Anodenfolien 2 und
Kathodenfolien 3, welche bei einer Lithium-Ionen-Batterie
typischerweise aus Kupfer bzw. Aluminium oder geeigneten Legierungen
mit Kupfer bzw. Aluminium bestehen. Außerdem können
die Elektrodenfolien 2, 3 mit einer typischerweise
anorganischen Beschichtung versehen werden. Die Anodenfolien 2 sind
abwechselnd mit den Kathodenfolien 3 gestapelt, wobei zwischen
den Folien unterschiedlicher Polarität jeweils ein Separator 4 angeordnet
ist. Der Separator 4 hat die Aufgabe, die Anodenfolien 2 von
den Kathodenfolien 3 elektrisch gegeneinander zu isolieren
und dabei für Ionen durchlässig zu sein. Später
wird in den Bereich der Anodenfolien 2 und der Kathodenfolien 3 dann
ein Elektrolyt eingebracht, sodass der elektrochemisch aktive Aufbau
der Elektrodenanordnung 1 funktionsfähig ist.
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Der
Separator 4 ist dabei in idealer Weise ebenfalls aus einem
flexiblen Material ausgebildet, sodass er zusammen mit den Anodenfolien 2 und den
Kathodenfolien 3 eine gewisse Flexibilität der Elektrodenanordnung 1 zulässt.
Entgegen herkömmlicher Separatoren aus Kunststofffolien
mit einer gewissen für das Funktionsprinzip erforderlichen
Porosität, ist der hier vorliegende Separator 4 aus
einem Trägermaterial in Form eines Vlieses oder eines Gewebes
aufgebaut. Dieses Trägermaterial besteht ebenfalls aus
organischen Kunststofffasern, welche entsprechend zu einem Gewebe
oder besonders einfach und kostengünstig zu einem Vlies
verbunden sind. Dieses Vlies als Trägermaterial des Separators 4 wird
dann mit anorganischen Materialien beschichtet, insbesondere mit
keramischen Partikeln. Der Separator 4 ist letztendlich
also ein mit keramischen Partikeln beschichtetes Kunststoff-Vlies,
welches eine direkte elektrische Trennung der Anodenfolien 2 und
der Kathodenfolien 3 realisieren kann. Dabei kann über
die Porosität des Separators 4 bzw. des Vlieses
und den sich darin sammelnden Elektrolyt die Leitung von Ionen von
der Anodenfolie 2 zur Kathodenfolie 3 in der gewünschten
Art und Weise erfolgen, sodass eine funktionsfähige Elektrodenanordnung 1 für
eine Lithium-Ionen-Batterie entsteht.
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Der
Aufbau mit dem erfindungsgemäßen Separator 4 aus
zumindest teilweise anorganischem Material ist dabei besonders temperaturbeständig, da
der Separator im Gegensatz zu einer reinen porösen Kunststofffolie
vergleichsweise hohe Temperaturen ertragen kann. Anders als eine
Kunststofffolie, welche ab ca. 130°C aufschmilzt und damit
ihre Porosität verliert, kann der erfindungsgemäße
Separator auch höheren Temperaturen standhalten, ohne die
Porosität seines als Trägermaterial genutzten Vlieses
zu verlieren. Da die Beschichtung mit keramischen Partikeln keine
geschlossene Oberfläche bildet, sondern lediglich aus punktuell
verteilten Partikeln besteht, kann nach wie vor die elektrische
Leitung gewährleistet werden. Der erfindungsgemäße Separator 4 ist
dabei besonders stabil und hält auch mechanischen Beeinträchtigungen
sehr gut stand, sodass auch nach Extrembelastungen der Elektrodenanordnung 1 keine
großflächigen Löcher oder dergleichen
in dem Separator 4 zu befürchten sind, welche
es erlauben würden, dass sich die Anodenfolien 2 und
die Kathodenfolien 3 im Bereich eines solchen Lochs berühren
und einen großflächigen Kurzschluss auslösen.
Ein solcher großflächiger Kurzschluss ist in jedem
Fall zu vermeiden, da er typischerweise einen Brand oder gar eine
Explosion einer mit der Elektrodenanordnung 1 ausgerüsteten Batterieeinzelzelle 5,
von welcher nachfolgend noch verschiedene Typen beschrieben werden,
nach sich ziehen würde.
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Der
Separator 4 ist dabei so flexibel, dass die Elektrodenanordnung 1 eine
hohe Flexibilität als Ganzes aufweist. So kann die Elektrodenanordnung 1 beispielsweise
um einen Kern 6 aufgewickelt werden, wie dies in der Darstellung
einer möglichen Batterieeinzelzelle 5 in der 2 zu
erkennen ist. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß 2 dabei
den typischen Aufbau für eine runde Batterieeinzelzelle 5 mit einem
im Wesentlichen becherförmigen Gehäuseteil 7 und
einem Deckel 8. Im Inneren des becherförmigen
Gehäuseteils 7 ist die Elektrodenanordnung 1 zu erkennen.
Sie besteht dabei aus einem Stapel der Elektroden analog der Darstellung
in 1, welcher um den Kern 6 entsprechend
aufgewickelt wurde. In Richtung des Deckelelements 8 stehen
dabei die Anodenfolien 2 entsprechend über und
sind über einen schlangenförmig gefalteten Stromableiter 9 mit
einem ersten Polelement 10 der Batterieeinzelzelle 5 verbunden.
Dieses Polelement 10 ist mittels elektrisch isolierender
Materialien 11 durch den Deckel 8 entsprechend
hindurchgeführt. Auf der anderen Seite der aufgewickelten
Elektrodenanordnung 1 stehen dementsprechend die Kathodenfolien 3 über
die Elektrodenanordnung 1 über und sind über
einen Stromableiter 12 mit dem Boden des becherförmigen Gehäuseteils 7 verbunden.
Das becherförmige Gehäuseteil 7 ist ebenfalls
aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Aluminium
hergestellt. Durch die Verbindung der Kathodenfolien 3 über
den Stromableiter 12 mit dem becherförmigen Gehäuseteil 7 bildet
dieses den zweiten Batteriepol der Batterieeinzelzelle 5.
Der Strom kann dann über das becherförmige Gehäuseteil 7 und
den Deckel 8 in das zweite Polelement 13 fließen,
welches fest mit dem Deckel 8 verbunden ist.
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Die
Elektrodenanordnung bzw. der Elektrodenwickel 1 in der
Batterieeinzelzelle 5 gemäß 2 ist
nun in der oben genannten Art mit den Separatoren 4 aus
zumindest teilweise anorganischem Material aufgebaut. Der Elektrodenwickel 1 ist
daher vergleichsweise resistent gegen den Eintrag von Wärme.
Daher können die beiden Stromableiter 9, 12 einfach
und kostengünstig mit dem Elektrodenwickel 1 und
dem becherförmigen Gehäuseteil 7 bzw.
dem Polelement 10 verschweißt werden. Der gesamte Aufbau
aus becherförmigem Gehäuseteil 9 und
Deckel 8 kann dann nach dem Einpressen des Deckels 8 ebenfalls
durch Schweißen, beispielsweise durch Laserschweißen,
im Bereich des Überlapps zwischen dem becherförmigen
Gehäuseteil 7 und dem Deckel 8 sicher
und zuverlässig verschlossen werden. Obwohl über
das becherförmige Gehäuseteil 7 dann
Wärme in den Bereich des Elektrodenwickels 1 eingeleitet
wird, muss während des Schweißens keine Kühlung
des Gehäuseteils 7 oder dergleichen vorgesehen
werden, da die Elektrodenanordnung 1, wie oben bereits
ausgeführt, durch den Einsatz der Separatoren aus zumindest
teilweise anorganischem Material vergleichsweise temperaturbeständig
ist.
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform eine Batterieeinzelzelle 5 in
einer Explosionsdarstellung zu erkennen. Die Batterieeinzelzelle 5 gemäß 3 ist
dabei sehr einfach und mit vergleichsweise wenigen Bauteilen aufgebaut.
Sie ist damit entsprechend kompakt und kann mit minimalem Aufwand und
damit zu vergleichsweise günstigen Kosten hergestellt werden.
Der Aufbau der Batterieeinzelzelle 5 gemäß 3 ist
eine sogenannte Rahmenflachzelle. Die Batterieeinzelzelle 5 besteht
aus einem elektrisch isolierenden Rahmen 14, welcher bevorzugt aus
einem thermoplastischen Material aufgebaut ist oder zumindest Teilbereiche
aus thermoplastischem Material aufweist. Dieser Rahmen 14 bildet
zusammen mit zwei Hüllblechen 15, 16 das
Gehäuse der Batterieeinzelzelle 5. Hierzu werden
die beiden Hüllbleche 15, 16 einfach
mit dem Rahmen 14 verbunden. Dazwischen kommt die Elektrodenanordnung 1 zu
liegen, welche in diesem Fall typischerweise als Stapel von Elektrodenfolien 2, 3 und
Separatoren 4 ausgebildet ist. Die Batterieeinzelzelle 5 ist
dabei als sogenannte bipolare Batterieeinzelzelle 5 aufgebaut, was
bedeutet, dass beide Pole auf gegeneinander isolierte Bereiche des
Gehäuses gelegt sind. In dem hier dargestellten Aufbau
ist es nun so, dass die Elektrodenanordnung 1 in ihren
Randbereichen jeweils Anschlussbereiche 17 aufweist. Diese
Anschlussbereiche 17 sind aus den zueinander geführten
und miteinander verbundenen Folien 2, 3 des jeweiligen
Pols gebildet.
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In
der Darstellung der 4 ist dies an einer Ausschnittsvergrößerung
für einen der Pole dargestellt. Auch hier sind wieder die
entsprechenden Separatoren 4 zu erkennen, von welchen hier
nur einige beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen sind. Zwischen
den Separatoren liegen abwechselnd gestapelt die Anodenfolien 2 und
die Kathodenfolien 3. In dem in 4 dargestellten
Beispiel sind nun die Kathodenfolien 3 auf der einen Seite
der Elektrodenanordnung 1 aus dem Stapel herausgeführt.
Analog dazu werden auf der anderen Seite der Elektrodenanordnung 1 die
Anodenfolien 2 entsprechend herausgeführt. Die
herausgeführten Kathodenfolien 3 sind dann im
Bereich außerhalb der Separatoren 4 zu dem Anschlussbereich 17 der
Elektrodenanordnung 1 miteinander verbunden, insbesondere
verpresst und gegebenenfalls verschweißt. Der Aufbau der Elektrodenanordnung 1,
wie er in 3 dargestellt ist, bildet durch
die zumindest verpressten Elektrodenfolien 2, 3 in
den Anschlussbereichen 17 einen in sich abgeschlossenen
Aufbau, welcher vergleichsweise einfach gehandhabt werden kann.
Dieser Aufbau der Elektrodenanordnung 1 wird nun in den
Rahmen 14 und zwischen die beiden Hüllbleche 15, 16 entsprechend
eingelegt. Jeweils einer der Anschlussbereiche 17 wird
mit jeweils einem der Hüllbleche 15, 16 verschweißt.
Sofern die Elektrodenfolien 2, 3 bisher nur miteinander
verpresst sind, werden diese bei diesem Herstellungsschritt ebenfalls
mit verschweißt und entsprechend sicher miteinander verbunden,
sodass im Sinne der Vereinfachung der Fertigung auf ein Schweißen
außerhalb der Batterieeinzelzelle 5 verzichtet
werden kann.
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In
der Darstellung der 3 sind außerdem abgekantete
Bereiche 18, 19 an den jeweiligen Hüllblechen 15, 16 zu
erkennen. Diese Abkantungen 18, 19 kommen dabei
bei der komplettierten Zelle unterhalb des Rahmens 14 zu
liegen. Da die beiden Hüllbleche 15, 16 unterschiedliche
Polarität aufweisen, ist dafür zu sorgen, dass
die Abkantungen 18, 19 sich unterhalb des Rahmens 14 nicht
berühren, da dies einem Kurzschluss der Zelle gleichkommt.
Die Funktionalität der Abkantungen 18, 19 ist
nun die, dass durch die Hüllbleche 15, 16 in
der Batterieeinzelzelle 5 entstehende Wärme abgeleitet
wird. Um mit minimalem Aufwand an Bauraum eine effiziente Kühlung der
Batterieeinzelzelle 1 zu erreichen, werden mehrere Batterieeinzelzellen 5 zu
der Gesamtbatterie gestapelt. Auf der Seite mit den Abkantungen 18, 19 kann
dann eine Kühlplatte oder dergleichen über eine wärmeleitende
jedoch elektrisch isolierende Folie oder Vergussmasse angebracht
werden. Durch die Abkantungen 18, 19 entsteht
eine vergleichsweise große Fläche, um die Wärme
aus dem Bereich der Hüllbleche 15, 16 in
eine solche Kühleinrichtung zu übertragen.
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Die
Befestigung der Anschlussbereiche 17 der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung 1 erfolgt also, wie oben bereits ausgeführt,
durch Verschweißen. Da zumindest zwischen einem der Hüllbleche 15, 16 und
einem der Anschlussbereiche 17 ein Unterschied in den Materialien
vorliegt, beispielsweise Kupfer bei den Anodenfolien 2 und
Aluminium oder Eisen bei dem entsprechenden Hüllblech 15, 16,
werden als Schweißverfahren bevorzugt Pressschweißverfahren,
wie beispielsweise ein Punktschweißen, eingesetzt. Die
besonders bevorzugte Ausführungsform sieht ein Ultraschallschweißen
als geeignetes Pressschweißverfahren vor. In einer entsprechenden
Ausschnittsvergrößerung ist in 5 das
Verschweißen des einen Anschlussbereichs 17 mit
einem der Hüllbleche 15,16, hier beispielsweise dem
Hüllblech 15, nochmals dargestellt. Das erste Hüllblech 15 ist
hier hinter dem Rahmen 14 angeordnet. Im Inneren des Rahmens 14 und
auf dem Hüllblech 15 befindet sich die Elektrodenanordnung 1, und
zwar so, dass der Anschlussbereich 17 auf der in Richtung
des Hüllblechs 15 unteren Kante der Elektrodenanordnung 1 zu
liegen kommt. Dieser Anschlussbereich 17 wird zusammen
mit dem Hüllblech 15 zwischen einem Amboss 20 und
einer Sonotrode 21 einer an sich bekannten Ultraschallschweißvorrichtung
eingespannt. Durch die Ultraschallbewegung der Sonotrode 21 wird
das Material zwischen Sonotrode 21 und dem Gegenelement
des Ambosses 20 aufgeheizt, sodass das Hüllblech 15 mit
dem Anschlussbereich 17 der Elektrodenanordnung 1 entsprechend
verschweißt. Falls die einzelnen Elektrodenfolien, beispielsweise
die Anodenfolien 2, untereinander noch nicht verschweißt
sind, werden diese im Bereich zwischen der Sonotrode 21 und
dem Amboss 20 ebenfalls miteinander verschweißt.
Der in 5 dargestellte Aufbau wird dann typischerweise drei
bis fünf Schweißstellen entlang der Höhe
des Anschlusselements 17 setzen. Alternativ dazu wären jedoch
auch andere Verfahren, wie beispielsweise ein Rollschweißen
oder ein Laserschweißen im Überlapp des Anschlussbereichs 17 mit
dem Hüllblech 15 denkbar.
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Augrund
der Temperaturbeständigkeit der Separatoren 4 und
der ohnehin vorhandenen Temperaturbeständigkeit der Elektrodenfolien 2, 3 kann
die Schweißstelle dabei sehr dicht bei den Separatoren 4 angeordnet
werden, ohne diese zu schädigen. Damit wird erreicht, dass
der Anschlussbereich 17 in Richtung der flächigen
Ausdehnung der Batterieeinzelzelle 5 vergleichsweise klein
ausgeführt werden kann, da es nicht nötig ist,
die Schweißstellen entsprechend weit von den Separatoren 4 zu
beabstanden. Damit wird kein Bauraum im Aktiven Bereich der Elektrodenanordnung 1 verschenkt,
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
lässt sich somit eine sehr kompakte Batterieeinzelzelle 5 mit
hohem Leistungsvolumen realisieren.
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In
der Darstellung der 6 ist abschließend eine
beispielhafte Möglichkeit zum Verschließen einer
derartigen Batterieeinzelzelle 5 gezeigt. Die Elektrodenanordnung 1 kann
mit ihren jeweiligen Anschlussbereichen 17 mit den jeweiligen
Hüllblechen 15, 16 verschweißt
sein, wobei der Rahmen 14 sich ebenfalls zwischen den Hüllblechen 15 und 16 befindet,
spätestens bevor der zweite Anschlussbereich 17 mit
dem entsprechenden Hüllblech verschweißt wird.
Aufgrund der Flexibilität der Elektrodenfolien 2, 3 am Übergang
vom Anschlussbereich 17 in den Stapel der Elektrodenanordnung 1 können
die beiden Hüllbleche noch gegeneinander bewegt werden,
insbesondere zusammen mit der Elektrodenanordnung 1 in
der Art eines Z aufgeklappt werden. In dieser Phase kann dann durch
die entstehende Öffnung beispielsweise der Elektrolyt eingefüllt
werden. Außerdem lässt die Flexibilität
eine exakte Positionierung der Hüllbleche 15, 16 gegenüber
dem Rahmen 14 zu. Danach werden die beiden Hüllbleche 15, 16 über beheizte
Stempel 22 gegeneinander und damit gegen den Rahmen 14 gepresst.
Bei diesem Heißpressverfahren mittels der beheizten Stempel 22, welches
in 6 beispielhaft angedeutet ist, kann der Verschluss
der Batterieeinzelzelle 5 erfolgen. Dabei wird das thermoplastische
Material des Rahmens 14 zumindest partiell aufgeschmolzen
und verbindet sich sicher, fest und dicht mit den beiden Hüllblechen 15, 16.
Auch hierbei eingetragene Wärme, welche ja unmittelbar
in die mit der Elektrodenanordnung 1 wärmeleitend
verbundnen Hüllbleche 15,16 eingetragen
wird, kann die Elektrodenanordnung 1 aufgrund der hierfür
geeigneten Separatoren 4 nicht schädigen. Alternativ
zum Einfüllen des Elektrolyten vor dem Heißverpressen
der Hüllbleche 15, 16 und des Rahmens 14 wäre
es auch denkbar, den Elektrolyt nach der Fertigstellung der Zelle über
eine Öffnung in dem Rahmen 14 entsprechend einzubringen
und diese Öffnung beispielsweise durch einen Stopfen oder dergleichen
wieder zu verschließen.
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Alles
in allem entsteht so ein Aufbau, welcher die Herstellung einer solchen
Batterieeinzelzelle in Lithium-Ionen-Technologie sehr einfach und
kostengünstig ermöglicht und eine Batterieeinzelzelle 5 mit hohem
Leistungsvolumen erlaubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008010837 [0003]
- - DE 102007063181 [0004]