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Die Erfindung betrifft eine Deckelbaugruppe für eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines außenliegenden Batteriepols mit einem innenliegenden elektrisch leitenden Element in einer solchen Deckelbaugruppe.
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Eine gattungsgemäße Deckelbaugruppe eines Batteriezellengehäuses ist aus der
DE 10 2019 213 897 A1 bekannt. Die elektrische Isolierung eines Durchführungselements gegenüber dem eigentlichen Deckel erfolgt dabei über einen Luftspalt zwischen dem Deckel und dem Durchführungselement. Das Durchführungselement ist selbst mit zwei Platten verschraubt, welche einerseits innerhalb des Batteriegehäuses liegendes elektrisch leitendes Element und andererseits einen außenliegenden, also außerhalb des Batteriegehäuses liegenden Batteriepol ausbilden. Durch den Luftspalt als einzige Isolation kann es bei entsprechenden Toleranzen der Bauteile zu einem Kurzschluss kommen, wenn beispielsweise die Maße des Deckels innerhalb der Toleranzen relativ groß und gleichzeitig die des Durchführungselements relativ klein sind. Ferner wird durch das Verschrauben prinzipbedingt immer nur eine beschränkte elektrische Leitfähigkeit zwischen den Bauteilen erzielt, welche von Spalten und Abständen zwischen den Bauteilen geprägt sein kann und oft verbesserungswürdig ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Batteriegehäuse für eine Batterieeinzelzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Deckelbaugruppe mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines außenliegenden Batteriepols und eines innenliegenden elektrisch leitenden Elements mit einer derartigen Deckelbaugruppe die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch.
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Bei der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe ist es ähnlich wie im Stand der Technik vorgesehen, dass der Deckel selbst eine Öffnung hat, durch welche ein Durchführungselement hindurchgeführt ist. Dieses Durchführungselement ist einerseits mit einem innenliegenden elektrisch leitenden Element, also einem innerhalb das Batteriegehäuses der Batterieeinzelzelle liegenden elektrisch leitenden Element einerseits und einem außenliegenden Batteriepol, also einem außerhalb des Gehäuses der Batterieeinzelzelle liegenden elektrisch leitenden Element als Batteriepol andererseits verbunden. Das Durchführungselement ist gegenüber dem Deckel des Batteriegehäuses elektrisch isoliert ausgebildet, was beispielsweise über eine Kombination aus elektrischer Isolation und Dichtung, prinzipiell aber auch über einen Luftspalt vergleichbar wie im Stand der Technik, realisiert werden könnte. Der Deckel selbst ist dann mit dem Gehäuse, typischerweise einem becherförmigen Gehäuse, verbunden, welches gleichzeitig den anderen Batteriepol ausbildet. Häufig ist dieses Gehäuse aus Aluminium tiefgezogen und wird mit dem Deckel aus demselben Material verschweißt.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass das Durchführungselement aus zwei miteinander verschweißten Teilelementen besteht, welche einerseits aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen und andererseits aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Ein solches Durchführungselement, welches zwei Teilelemente aufweist, bietet die Möglichkeit, beim Verschweißen der Teilelemente den Deckel selbst zusammen mit einer Dichtung und/oder Isolierung formschlüssig zu fassen. Es ermöglichst ferner eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Durchführungselements. Darüber hinaus ist es so, dass dieser Aufbau aus zwei unterschiedlichen Materialien die Möglichkeit schafft, den außenliegenden Batteriepol und das innenliegende elektrisch leitende Element aus unterschiedlichen Materialien auszubilden, beispielsweise ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einerseits und Kupfer oder einer Kupferlegierung andererseits. Diese Materialien werden dann sortenrein mit dem jeweils aus denselben Material bestehenden Teilelement des Durchführungselements verbunden, was ein außerordentlich einfaches und effizientes Schweißen ermöglicht, da hier zwei gleichartige Materialien miteinander verbunden werden können, was bezüglich der Schweißnaht und ihrer Dauerbelastbarkeit ein entscheidender Vorteil ist.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe kann es dabei so sein, dass das Teilelement aus dem Kupfer oder Kupferlegierung das innenliegende Teilelement des Durchführungselements ausbildet und das Teilelement aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung das außenliegende Teilelement. Dies ermöglicht den typischen Aufbau für eine Batterieeinzelzelle, bei welcher beide Außenpole aus Aluminium ausgebildet werden können, sodass diese sehr einfach und effizient miteinander verschaltet werden können, beispielsweise indem Kontaktfahnen angeschweißt werden. Gleichzeitig ermöglicht es beispielsweise beim Aufbau in Lithium-Ionen-Technologie ein innenliegendes elektrisch leitendes Element, welches aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass das innenliegende elektrisch leitende Element als ein mit den Elektroden verbundener Kollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine sehr gute Anbindung der einzelnen Elektroden, beispielsweise einer spiralförmig gewickelten Kupferfolie. Bei einem Aufbau in Lithium-Ionen-Technologie wäre dann die andere Elektrode aus einer Aluminiumfolie ausgebildet. Mit dem Kollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung lassen sich dann die Kupferfolien der einen Elektrode ideal verbinden, während die Aluminiumfolien der anderen Elektrode beispielsweise mit einem becherförmigen Gehäuse aus tiefgezogenem Aluminium effizient kontaktiert werden können. Das erste Teilelement des Durchführungselements, welches ebenfalls aus Kupfer ausgebildet ist, lässt sich dann ideal mit dem Kollektor verbinden, während ein außenliegender beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildeter Batteriepol mit dem anderen Teilelement effizient verbunden werden kann und werden kann. Die Batterieeinzelzelle hat dann beide Pole in ihrem außenliegenden Bereich aus Aluminium, sodass über Aluminiumverbinder durch effizientes und zuverlässiges Verschweißen, beispielsweise Laserschweißen, eine Parallel- oder Reihenschaltung mehrerer Batterieeinzelzellen erfolgen kann.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe sieht es dabei vor, dass das Durchführungselement mit dem außenliegenden Batteriepol einerseits und dem innenliegenden elektrisch leitenden Element, insbesondere also dem Kollektor, andererseits verschweißt ausgebildet ist. Ein solches Verschweißen, welches gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung als Reibschweißen realisiert werden kann, ermöglicht eine außerordentlich sichere, zuverlässige und dauerhafte Verbindung, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei geringem elektrischem Widerstand gewährleistet.
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Dabei können das Durchführungselement einerseits und der Kollektor andererseits sowie das Durchführungselement einerseits und der außenliegende Batteriepol andererseits jeweils korrespondierende Konturen zur Zentrierung aufweisen. Damit lassen sich diese Bauteile sehr einfach aufeinander positionieren, um sie dann beispielsweise über Reibschweißen effizient und zuverlässig miteinander zu verbinden.
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Zwischen dem Kollektor und dem Deckel kann dabei ebenso eine Isolation angeordnet sein, wie zwischen dem Deckel und dem Durchführungselement, um so den Deckel mit dem Außengehäuse beispielsweise durch Laserschweißen, Reibschweißen oder dergleichen verbinden zu können, um ein in sich geschlossenes Außengehäuse, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es nun vor, dass zur elektrischen Kontaktierung des außenliegenden Batteriepols mit dem innenliegenden elektrisch leitenden Element in einer derartigen Deckelbaugruppe in einem ersten Schritt die Teilelemente des Durchführungselementes miteinander verschweißt werden. In einem darauffolgenden zweiten Schritt wird das Durchführungselement mit dem innenliegenden elektrisch leitenden Element verschweißt. In einem auf den zweiten Schritt folgenden dritten Schritt wird der außenliegende Batteriepol mit dem Durchführungselement verschweißt. Vorteilhaft werden dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt der Deckel und die Isolierung mit dem Durchführungselement verbunden.
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Das Verschweißen kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch Laserschweißen, besonders vorteilhaft jedoch durch Reibschweißen, welches sich besonders gut zur Ausbildung der benötigten Verbindungen sowohl zwischen den Teilelementen als auch zwischen dem außenliegenden Batteriepol und dem Durchführungselement einerseits und dem innenliegenden elektrisch leitenden Element und dem Durchführungselement andererseits eignet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Deckelbaugruppe sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einer Batterieeinzelzelle mit der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe im Querschnitt;
- 2 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe;
- 3 eine vergrößerte Darstellung eines Durchführungselements der erfindungsgemäßen Deckelbaugruppe; und
- 4 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Kollektors.
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In der Darstellung der 1 ist eine Deckelbaugruppe 1 auf einer Batterieeinzelzelle 2, von welcher hier nur ein Ausschnitt dargestellt ist, zu erkennen. Die Darstellung der 1 zeigt dabei einen Querschnitt durch die beispielsweise als Rundzelle mit einem becherförmigen Gehäuse 3 ausgebildete Batterieeinzelzelle 2. Diese umfasst einen Stapel oder Wickel 4 aus einzelnen Elektroden jeder Polung mit dazwischen angeordneten Separatoren, welcher im betriebsfertigen Zustand der Batterieeinzelzelle 2 mit Elektrolyt getränkt ist. Der Aufbau soll hier rein beispielhaft als Batterieeinzelzelle 2 in Lithium-Ionen-Technologie realisiert sein. Die Elektroden der einen Polung, welche typischerweise aus Aluminium ausgeführt sind, berühren dabei im hier nicht dargestellten unteren Ende das Außengehäuse 3 und stehen elektrisch mit diesem in Kontakt. Das Außengehäuse 3 kann vorzugsweise als Becher aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet sein. Es kann beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt sein.
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Die Elektroden der anderen Polung ragen nach oben über den Wickel 4 hinaus und kontaktieren einen Kollektor 5 als innenliegendes elektrisch leitendes Element 5. Die Elektrodenfolien dieser Polung sind typischerweise aus Kupfer ausgebildet, sodass zur idealen Anbindung dieser Elektroden an den Kollektor 5 auch dieser aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist. Über eine elektrische Isolation 6 ist dieser Kollektor 5 als das innenliegende elektrisch leitende Element 5 gegenüber einem Deckel 7 der Deckelbaugruppe 1 elektrisch isoliert. Der Deckel 7 wird dann typischerweise mit dem becherförmigen Gehäuse 3 abdichtend verbunden, um das Elektrolyt sicher einzuschließen. Meistens ist der Deckel 7 dabei auch elektrisch leitend mit den Gehäuse 3 verbunden, z.B. durch verschweißen der abdichtenden Verbindung, sodass der Deckel 7 auf dem Potenzial der anderen Elektroden liegt und gemeinsam mit dem Gehäuse 3 der Batterieeinzelzelle 2 deren einen Pol, beispielsweise den negativen Batteriepol, ausbildet. Der Kollektor 5 ist über ein Durchführungselement 8 der Deckelbaugruppe 1 elektrisch mit einem aufgesetzten außenliegenden entgegensetzt gepolten Batteriepol 9 verbunden und elektrisch kontaktiert. Zwischen dem Deckel 7 und diesem Durchführungselement 8 ist eine mit 10 bezeichnete Dichtung und/oder Isolierung angeordnet, um das Innere der Batterieeinzelzelle 2 gegenüber der Umgebung abzudichten und das Durchführungselement 8 gegenüber dem Deckel 7 elektrisch zu isolieren.
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Der außenliegende Batteriepol 9 ist idealerweise ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet, da dies die Verschaltung der Batterieeinzelzellen 2, beispielsweise das Verschweißen der Batterieeinzelzellen 2 bzw. ihrer Batteriepole bei einer Reihen- oder Parallelschaltung erleichtert, da, wenn durchgehend die gleichen Materialien für alle Batteriepole und Verbinder eingesetzt werden können, diese besonders effizient und dauerfest, z.B. durch Laserschweißen, angebunden werden können.
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Die Deckelbaugruppe 1 ist in der Darstellung der 2 nochmals vergrößert dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass das Durchführungselement 8 aus zwei hier getrennt dargestellten Teilelementen 8.1 und 8.2 ausgebildet ist und den Deckel 7 zusammen mit der Dichtung/Isolierung 10 formschlüssig zwischen den beiden Teilelementen 8.1 und 8.2 aufnimmt. Diese beiden Teilelemente 8.1 und 8.2 des Durchführungselements 8 werden nun, wie es durch die beiden Dreiecke angedeutet ist, miteinander verschweißt, insbesondere durch Reibschweißen. Die Besonderheit an dem Aufbau liegt nun darin, dass das hier oben dargestellte Teilelement 8.1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, während das unten dargestellte Teilelement 8.2 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Wie es aus der Darstellung der 1 zu erkennen ist es dann nämlich so, dass im weiteren Ablauf das untere Teilelement des nach dem Verschweißen einteiligen Durchführungselements 8 mit dem Kollektor 5 entsprechend verschweißt wird. Zur sicheren und zuverlässigen Positionierung sind dabei Vorsprünge 11 an dem Durchführungselement 8 vorgesehen, welche mit einer ringförmigen Nut bzw. Einprägung 12 des Kollektors 5, welche in der Draufsicht auf den mittleren Bereich des Kollektors 5 in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, korrespondieren. Dies stellt sicher, dass es nach dem Verschweißen einteilige und in der Darstellung der 3 nochmals vergrößert dargestellte Durchführungselement 8 zuverlässig gegenüber dem Kollektor 5 positioniert ist.
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Darüber hinaus ist es so, dass das andere Teilelement 8.1 bzw. nach dem Verschweißen der Teilelemente 8.1 und 8.2 das obere Ende des Durchführungselements 8 in der Darstellung der 1 bis 3 eine kreisförmige Öffnung aufweist, welche auch als Sackloch 13 bezeichnet werden könnte. Der äußere Batteriepol 9, welcher in der Darstellung der 1 zu erkennen ist, ist nun so ausgeformt, dass er im Wesentlichen aus einer kreisförmigen Scheibe besteht, welche einen mit dem Durchmesser des Sacklochs 13 korrespondierenden Fortsatz 14 aufweist. Hierdurch kann der außenliegende Batteriepol 9 sehr einfach und effizient zentrisch gegenüber dem Durchführungselement 8 positioniert und mit diesem verschweißt werden.
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Bevorzugt erfolgt das Verschweißen durch Reibschweißen. Vorzugsweise werden dabei zuerst die beiden Teilelemente 8.1 und 8.2 miteinander verschweißt oder gleichzeitig zum Verschweißen der Teilelemente 8.1 und 8.2 wird der Batteriepol 9 mit aufgeschweißt. Dieser Aufbau mit dem formschlüssig aufgenommenen Deckel 7 samt Dichtung/Isolierung 10 wird dann mit dem Kollektor 5 verschweißt und das Gehäuse 3 der Batterieeinzelzelle 2 wird durch das Aufbringen des Deckels 7 auf das Außengehäuse 3 verschlossen.
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Durch die spezielle Ausgestaltung des Durchführungselements, welches in seinem dem innenliegenden elektrisch leitenden Element 5, also dem Kollektor 5, zugewandten Ende aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und an seinem dem außenliegenden Batteriepol 9 zugewandten Ende aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erlaubt dabei ein einfaches und zuverlässiges Verschweißen sowohl mit dem Kollektor 5 einerseits als auch mit dem Batteriepol 9 andererseits, da hier jeweils dieselben Materialien miteinander verbunden werden. Durch die passgenau ineinandergreifenden Elemente, also dem Vorsprung 14 und dem Sackloch 13 bzw. dem Vorsprung 11 und der Ringnut 12, ist dabei eine einfache und zuverlässige Positionierung der Bauteile zueinander möglich, sodass die Herstellung der Batterieeinzelzelle 2 sehr einfach und effizient erfolgen kann. Gleichzeitig ist durch das Verschweißen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit bei guter Anbindung der Werkstoffe aneinander gewährleistet.
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Die eher kritische Verbindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen erfolgt auf einer relativ großen Fläche innerhalb des Durchführungselements, in dessen Inneren die beiden Teilelemente 8.1 und 8.2 miteinander verschweißt sind, sodass auch hier durch die große Querschnittfläche der Verschweißung eine gute Anbindung und Durchmischung der Materialien im Übergangsbereich gewährleistet ist. Hierdurch wird eine sehr gute Dauerfestigkeit erzielt, welche eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit im Gegensatz zu einer reinen Laserschweißnaht beispielsweise zwischen einem der Batteriepole und einem Zellverbinder aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019213897 A1 [0002]