DE102023111870A1 - ELECTROCHEMICAL STORAGE CELL WITH A COMPRESSION DEVICE FOR COMPENSATING AN EXPANSION OF STACKED BATTERY CELLS IN THE STACKING DIRECTION - Google Patents
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Abstract
Eine elektrochemische Speicherzelle umfasst eine Kompressionsvorrichtung (60) zum Kompensieren einer Ausdehnung eines Elektrodenstapels (30) in Stapelrichtung. Die Speicherzelle umfasst den in einem Gehäuse (10) angeordneten Elektrodenstapel (30) und die Kompressionsvorrichtung (60). Die Kompressionsvorrichtung (60) ist eingerichtet, vermittelt durch eine Drehbewegung um die Stapelrichtung, einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel (30) auszuüben. Der Kompressionsdruck ist in Abhängigkeit einer Drehstellung einstellbar. Der Elektrodenstapel (30) ist im Wesentlichen von der Drehbewegung der Kompressionsvorrichtung (60) entkoppelt. An electrochemical storage cell comprises a compression device (60) for compensating an expansion of an electrode stack (30) in the stacking direction. The storage cell comprises the electrode stack (30) arranged in a housing (10) and the compression device (60). The compression device (60) is designed to exert a compression pressure on the electrode stack (30) by means of a rotational movement about the stacking direction. The compression pressure is adjustable depending on a rotational position. The electrode stack (30) is essentially decoupled from the rotational movement of the compression device (60).
Description
Die folgende Beschreibung betrifft eine elektrochemische Speicherzelle mit einer Kompressionsvorrichtung zur Kompensation einer Ausdehnung von gestapelten elektrochemischen Speicherzellen in Stapelrichtung. Ferner wird ein Speicherzellenmodul mit elektrochemischen Speicherzellen beschrieben.The following description relates to an electrochemical storage cell with a compression device for compensating an expansion of stacked electrochemical storage cells in the stacking direction. Furthermore, a storage cell module with electrochemical storage cells is described.
Stand der TechnikState of the art
Festkörperbatterien sind eine besondere Art von Akkumulatoren, bei denen die Elektroden und der Elektrolyt aus festem Material bestehen. Feststoffbatterien werden zunehmend als wichtiger Baustein für die Elektrifizierung der Mobilität gesehen. Sie gelten als sicherer und ermöglichen mehr Reichweite und kürzere Ladezeiten als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus.Solid-state batteries are a special type of accumulator in which the electrodes and electrolyte are made of solid material. Solid-state batteries are increasingly seen as an important building block for the electrification of mobility. They are considered safer and enable greater range and shorter charging times than conventional lithium-ion batteries.
Ein bekanntes Problem von Feststoffbatterien und anderen Bauformen betrifft variable Schichtdicken. Beispielsweise ist in anoden-freien Feststoffbatterien (anode-free all-solid state battery, ASSB) im entladenen Zustand auf der Anodenseite zunächst keine Anode ausgebildet, sondern lediglich ein Stromkollektor (beispielsweise eine Kupferfolie) vorhanden. Im geladenen Zustand ist eine Anode in Form von reinem Lithium ausgebildet, die von der Kathode (Lithium ist in der Kathode gespeichert) während des Ladevorgangs durch einen Separator wandert und sich auf der Kupferfolie ablagert beziehungsweise ausbildet. Um die Zelle in Betrieb zu nehmen, müssen die Elektrodenschichten zusammengepresst werden. Die notwendigen Kräfte liegen im kN-Bereich beziehungsweise die Drücke im zweistelligen Bar-Bereich).A known problem with solid-state batteries and other designs concerns variable layer thicknesses. For example, in anode-free all-solid-state batteries (ASSB), there is initially no anode on the anode side in the discharged state, but only a current collector (for example a copper foil). In the charged state, an anode in the form of pure lithium is formed, which migrates from the cathode (lithium is stored in the cathode) through a separator during the charging process and is deposited or formed on the copper foil. In order to put the cell into operation, the electrode layers must be pressed together. The necessary forces are in the kN range or the pressures in the double-digit bar range).
Der Stand der Technik bietet Lösungen für diese Probleme. Es bleibt jedoch eine technische Herausforderung, die einmal eingestellten Kompressionskräfte oder -drücke innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, insbesondere bei Elektrodenstapeln mit variabler Höhe. Wenn beispielsweise die Kräfte in der Zelle für einen geladenen Zustand ausgelegt sind, wären die entsprechenden Kräfte in den Zwischenzuständen zwischen geladenem und entladenem Zustand zu gering. Die Zelle könnte nicht richtig funktionieren. Wenn die Kräfte in der Zelle für den entladenen Zustand ausgelegt sind, wären die Kompressionskräfte oder -drücke in den Zwischenzuständen zwischen dem geladenen und dem entladenen Zustand zu hoch. Die Zelle könnte platzen.The state of the art offers solutions to these problems. However, it remains a technical challenge to keep the compression forces or pressures, once set, within certain limits, especially in electrode stacks with variable height. For example, if the forces in the cell are designed for a charged state, the corresponding forces in the intermediate states between the charged and discharged states would be too low. The cell could not function properly. If the forces in the cell are designed for the discharged state, the compression forces or pressures in the intermediate states between the charged and discharged states would be too high. The cell could burst.
Eine konstante Verpressung der Schichten eines Elektrodenstapels kann durch aktive oder passive pneumatische oder hydraulische Systeme erreicht werden. Dies hat jedoch beispielsweise zur Folge, dass entweder alle Zellen mit einer Druckeinheit oder entsprechende Module mit mehreren Zellen mit je einer Druckeinheit versorgt werden müssen. Dies ist aufwendig und benötigt viel Platz, um zum Beispiel die Ausdehnung einzelner Zellen oder mehrerer Zellen im Modul ausgleichen zu können. Ein Hydrauliksystem muss kontinuierlich mit Energie versorgt werden, um die Presskräfte auch bei längeren Standzeiten konstant zu halten. Hydrauliksysteme können zu Leckagen neigen und ein Rohrleitungssystem benötigt ebenfalls Platz.Constant pressing of the layers of an electrode stack can be achieved by active or passive pneumatic or hydraulic systems. However, this means, for example, that either all cells must be supplied with one pressure unit or corresponding modules with several cells must each be supplied with one pressure unit. This is complex and requires a lot of space, for example to be able to compensate for the expansion of individual cells or several cells in the module. A hydraulic system must be continuously supplied with energy in order to keep the pressing forces constant even during longer periods of downtime. Hydraulic systems can be prone to leaks and a piping system also requires space.
Eine Aufgabe besteht darin, eine elektrochemische Speicherzelle zu spezifizieren, die mit einem leichter einstellbaren und aufrechterhaltbaren Kompressionsdruck betrieben werden kann. Ferner soll ein Speicherzellenmodul aus solchen elektrochemischen Speicherzellen angegeben werden.One object is to specify an electrochemical storage cell that can be operated with a compression pressure that is easier to adjust and maintain. Furthermore, a storage cell module made of such electrochemical storage cells is to be specified.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein eine elektrochemische Speicherzelle und ein Speicherzellenmodul gemäß den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by an electrochemical storage cell and a storage cell module according to the independent and subordinate claims. Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims.
ZusammenfassungSummary
Im Folgenden wird zugrunde gelegt, dass jedes Merkmal, das in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschrieben ist, allein oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder in beliebiger Kombination einer beliebigen anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht explizit als Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne den Anwendungsbereich der beanspruchten Gegenstände zu verlassen.It is understood that any feature described with respect to any embodiment may be used alone or in combination with other features described herein, and may be used in combination with one or more features of any other embodiment, or in any combination of any other embodiment, unless explicitly described as an alternative. Furthermore, equivalents and modifications not described below may be used without departing from the scope of the claimed subject matter.
Eine elektrochemische Speicherzelle bezeichnet im Folgenden einen Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, insbesondere einen wiederaufladbaren Energiespeicher, der geeignet ist, elektrische Energie zu speichern und an einen Verbraucher, beispielsweise einen Verbraucher in einem Fahrzeug, abzugeben. Eine elektrochemische Feststoffzelle ist eine Feststoffbatterie, wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auch auf eine Lithium-Ionen-Feststoffbatterie bezieht. Unter einem Feststoff ist ein chemischer Stoff zu verstehen, der bei den üblicherweise in einer elektrochemischen Speicherzelle herrschenden Temperaturen starr ist oder zumindest eine sehr geringe Fließneigung aufweist, wie dies beispielsweise bei Polymeren der Fall sein kann.An electrochemical storage cell refers below to an energy storage device based on electrochemicals, in particular a rechargeable energy storage device that is suitable for storing electrical energy and delivering it to a consumer, for example a consumer in a vehicle. An electrochemical solid-state cell is a solid-state battery, such as a lithium-ion battery, so that the following description also refers to a lithium-ion solid-state battery. A solid is understood to be a chemical substance that is rigid at the temperatures usually prevailing in an electrochemical storage cell or at least has a very low tendency to flow, as can be the case with polymers, for example.
Im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und elektrochemischen Speicherzellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle, Lithiumionen-Batteriezelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind aufladbare Batterien, sogenannte Sekundärbatterien, inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Speicherzelle“ synonym zu den Begriffen „Lithiumionen-Batterie“ und „Lithiumionen-Zelle“ genutzt.In the following, the term "lithium ion battery" is used synonymously for all terms commonly used in the state of the art for galvanic elements and electrochemical storage cells containing lithium, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell, lithium ion battery cell and lithium ion accumulator. In particular, rechargeable batteries, so-called secondary batteries, are included. The terms "battery" and "electrochemical storage cell" are also used synonymously with the terms "lithium ion battery" and "lithium ion cell".
Der Begriff „Elektrodenstapel“ bezeichnet eine Abfolge von Schichten oder Folien. In einer elektrochemischen Speicherzelle folgen die Schichten aufeinander. Das bedeutet jedoch nicht, dass die hier angegebenen Schichten direkt aufeinander folgen müssen. Es können vielmehr auch Zwischenschichten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Separator, Isolator, Elektrodenbinder, Beschichtungen und elektrische Leitfähigkeitszusätze, welche auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektroden aufgebracht werden können.The term "electrode stack" refers to a sequence of layers or films. In an electrochemical storage cell, the layers follow one another. However, this does not mean that the layers specified here have to follow one another directly. Rather, intermediate layers can also be provided, such as a separator, insulator, electrode binder, coatings and electrical conductivity additives, which can be applied to an electrically conductive carrier of the respective electrodes.
Eine elektrochemische Speicherzelle hat typischerweise verschiedene Elektroden, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode), die über Stromabnehmer elektrisch kontaktiert werden können. Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welche auf einen elektrisch leitenden Träger (zum Beispiel eine Metallfolie) oder auf einen Stromabnehmer der jeweiligen Elektroden aufgebracht wird. Als elektrisch leitender Träger kommen typischerweise nicht poröse und feste Ableiterfolien aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz. Derartige Ableiterfolien sind typischerweise undurchlässig für flüssigen Elektrolyt und Gase. Die im Folgenden beschriebenen elektrochemischen Speicherzellen können mit einem flüssigen Elektrolyten verwendet werden oder mit einem Feststoffelektrolyten als elektrochemische Feststoffspeicherzellen, beispielsweise als keramische oder polymerbasierte Feststoffbatterie, ausgestaltet sein. Eine elektrochemische Feststoffzelle umfasst einen Feststoffelektrolyten.An electrochemical storage cell typically has various electrodes, a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode), which can be electrically contacted via current collectors. Each of these electrodes has at least one active material, optionally together with additives such as electrode binders and electrical conductivity additives, which is applied to an electrically conductive carrier (for example a metal foil) or to a current collector of the respective electrodes. Non-porous and solid conductor foils made of aluminum (for the positive electrode) or copper (for the negative electrode) are typically used as the electrically conductive carrier. Such conductor foils are typically impermeable to liquid electrolyte and gases. The electrochemical storage cells described below can be used with a liquid electrolyte or can be designed with a solid electrolyte as electrochemical solid storage cells, for example as a ceramic or polymer-based solid battery. An electrochemical solid cell comprises a solid electrolyte.
Im Weiteren wird eine elektrochemische Speicherzelle mit einer Kompressionsvorrichtung zum Kompensieren einer Ausdehnung eines Elektrodenstapels in Stapelrichtung vorgeschlagen.Furthermore, an electrochemical storage cell with a compression device for compensating an expansion of an electrode stack in the stacking direction is proposed.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrochemische Speicherzelle den in einem Gehäuse angeordneten Elektrodenstapel und die Kompressionsvorrichtung. Die Kompressionsvorrichtung ist eingerichtet, vermittelt durch eine Drehbewegung um die Stapelrichtung, einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel auszuüben. Der Kompressionsdruck ist in Abhängigkeit einer Drehstellung einstellbar. Der Elektrodenstapel ist im Wesentlichen von der Drehbewegung der Kompressionsvorrichtung entkoppelt. Dabei ist der Elektrodenstapel unabhängig von der Drehstellung der Kompressionsvorrichtung im Wesentlichen ortsfest.According to one embodiment of the invention, the electrochemical storage cell comprises the electrode stack arranged in a housing and the compression device. The compression device is designed to exert a compression pressure on the electrode stack by means of a rotational movement about the stack direction. The compression pressure is adjustable depending on a rotational position. The electrode stack is essentially decoupled from the rotational movement of the compression device. The electrode stack is essentially stationary regardless of the rotational position of the compression device.
Die elektrochemische Speicherzelle kann in einem runden Gehäuse (als Rundzelle) angeordnet werden. Das Gehäuse ist beispielsweise zylinderförmig und hat einen kreisförmigen Querschnitt. Die weiteren Komponenten, insbesondere der Elektrodenstapel, im Gehäuse können vorzugsweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Elektrodenstapel kann mit einem flüssigen Elektrolyten versetzt werden oder der Elektrodenstapel wird mit einem Feststoffelektrolyten versehen, der in die Schichtenfolge des Elektrodenstapel eingeprägt wird. Auf diese Weise kann eine elektrochemische Feststoff-Speicherzelle (kurz ASSB oder All-Solid-State-Batterie) geformt werden.The electrochemical storage cell can be arranged in a round housing (as a round cell). The housing is, for example, cylindrical and has a circular cross-section. The other components, in particular the electrode stack, in the housing can preferably also have a circular cross-section. The electrode stack can be mixed with a liquid electrolyte or the electrode stack can be provided with a solid electrolyte that is embossed into the layer sequence of the electrode stack. In this way, an electrochemical solid storage cell (abbreviated to ASSB or all-solid-state battery) can be formed.
Im Betrieb der elektrochemischen Speicherzelle kann ein Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel eingestellt werden. Dies erfolgt durch eine Drehbewegung an der Kompressionsvorrichtung. Durch die Entkopplung der Kompressionsvorrichtung vom Elektrodenstapel wirkt die Drehbewegung nicht unmittelbar auf den Elektrodenstapel. Der Kompressionsdruck kann in Stapelrichtung auf den Elektrodenstapel wirken. Die Drehbewegung wird durch die Kompressionsvorrichtung in eine Translationsbewegung konvertiert. Dies hat den Effekt, dass der Elektrodenstapel sich nicht mit Kompressionsvorrichtung mit dreht. Auf diese Weise wirken keine Scherkräfte, die den Elektrodenstapel beschädigen oder zerstören könnten. Die Kompressionsvorrichtung erlaubt es so, den Kompressionsdruck leicht einzustellen. Des Weiteren kann der Kompressionsdruck im Wesentlichen energielos und leicht aufrechterhalten werden.When the electrochemical storage cell is in operation, a compression pressure can be set on the electrode stack. This is done by a rotary movement on the compression device. By decoupling the compression device from the electrode stack, the rotary movement does not act directly on the electrode stack. The compression pressure can act on the electrode stack in the stacking direction. The rotary movement is converted into a translational movement by the compression device. This has the effect that the electrode stack does not rotate with the compression device. In this way, there are no shear forces that could damage or destroy the electrode stack. The compression device thus allows the compression pressure to be easily adjusted. Furthermore, the compression pressure can be maintained essentially without energy and easily.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen. Ein Aspekt zielt darauf, eine möglichst konstante Verpressung der Elektroden eines Elektrodenstapels in den unterschiedlichen Ladezuständen zu gewährleisten. Eine Lösung bezieht sich auf eine Kompressionsvorrichtung, die eine Ausdehnung vor gestapelten Elektroden der elektrochemischen Speicherzelle in Stapelrichtung kompensieren kann, beispielsweise indem eine Änderung der Schichthöhe stufenlos nachjustiert werden kann, ohne dass in einem bestimmten Ladezustand der Speicherzelle Energie gebraucht wird, um diesen Zustand aufrecht zu halten. Energie kann aufgewendet werden, wenn die Schichtdicke nachjustiert werden muss, um etwa Verpressungskräfte innerhalb bestimmter Schwellwerte zu halten. Im Grunde genommen kann die elektrochemische Speicherzelle wie eine Schraube aufgebaut werden. Wenn die Schraube zugedreht wird, wird Druck erzeugt, wenn die Schaube ausgedreht wird, dann wird der Druck entlastet. Die Schraube kann zudem nach Bedarf nachjustiert werden. Das kann in Vorfeld in einem Labor ermittelt werden.The invention is based in particular on the considerations set out below. One aspect aims to ensure that the electrodes of an electrode stack are pressed as consistently as possible in the different charge states. One solution relates to a compression device that can compensate for an expansion of stacked electrodes of the electrochemical storage cell in the stacking direction, for example by being able to continuously adjust a change in the layer height without energy being required in a certain charge state of the storage cell to maintain this state. Energy can be used if the layer thickness must be readjusted in order to keep compression forces within certain threshold values. Basically, the electrochemical storage cell can be constructed like a screw. When the screw is tightened, pressure is generated; when the screw is unscrewed, the pressure is released. The screw can also be readjusted as required. This can be determined in advance in a laboratory.
Die vorgeschlagene elektrochemische Speicherzelle kann mit einem „Lippenstift“ verglichen werden, wobei die Unterseite über einen Stellantrieb angetrieben werden kann, der eine Zelle oder eine Zellreihe oder sogar ein Modul antreibt. Je nach Bewegungsrichtung des Stellantriebs, werden die Elektroden „verpresst“ oder „entlastet“ („verpresst“: die Zelle entlädt sich, „entlastet“: die Zelle wird geladen, beispielsweise werden die Anodenschichten abhängig vom Ladezustand ausgebildet). Um die Elektroden nicht mitzudrehen und die Schichten des Elektrodenstapels möglicherweise zu zerstören, ist der Elektrodenstapel über die Kompressionsvorrichtung entkoppelt, so dass die Elektroden nur komprimiert werden können, aber durch die Drehbewegung der Kompressionsvorrichtung im Wesentlichen keine Torsion auf den Elektrodenstapel einwirkt.The proposed electrochemical storage cell can be compared to a "lipstick", where the bottom can be driven by an actuator that drives a cell or a row of cells or even a module. Depending on the direction of movement of the actuator, the electrodes are "pressed" or "relieved" ("pressed": the cell discharges, "relieved": the cell is charged, for example, the anode layers are formed depending on the state of charge). In order to prevent the electrodes from rotating and potentially destroying the layers of the electrode stack, the electrode stack is decoupled via the compression device, so that the electrodes can only be compressed, but essentially no torsion is exerted on the electrode stack by the rotational movement of the compression device.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Kompressionsvorrichtung einen mit dem Gehäuse mechanisch verbundenen Gewindeadapter. Ein Verschraubelement ist eingerichtet zum Einstellen der Drehstellung der Kompressionsvorrichtung, wobei das Verschraubelement mit dem Gewindeadapter verschraubbar ist. Die Kompressionsvorrichtung umfasst weiter ein zwischen dem Elektrodenstapel und dem Verschraubelement angeordnetes Axial-Nadelkranzlager, das eingerichtet ist, die Drehbewegung um die Stapelrichtung vom Elektrodenstapel zu entkoppeln.According to one embodiment, the compression device comprises a threaded adapter that is mechanically connected to the housing. A screw element is designed to adjust the rotational position of the compression device, wherein the screw element can be screwed to the threaded adapter. The compression device further comprises an axial needle roller bearing arranged between the electrode stack and the screw element, which is designed to decouple the rotational movement about the stack direction from the electrode stack.
Das Verschraubelement kann in den Gewindeadapter hinein- oder aus diesem herausgedreht werden, wodurch der Kompressionsdruck erhöht oder erniedrigt wird. Durch den Schraubencharakter des Verschraubelements kann der Kompressionsdruck auf einem eingestellten Wert verbleiben, ohne dass zusätzliche Energie dazu aufgewendet werden müsste. Das Axial-Nadelkranzlager wird durch das Verschraubelement gedreht, überträgt die Drehbewegung jedoch nicht auf den Elektrodenstapel, von dem es entkoppelt ist. Auf diese Weise entsteht ein durch die Drehposition des Verschraubelements vermittelter Vortrieb, der als Translationsbewegung entlang der Stapelrichtung den Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel ausübt.The screw element can be screwed in or out of the threaded adapter, increasing or decreasing the compression pressure. The screw nature of the screw element allows the compression pressure to remain at a set value without additional energy being required. The axial needle roller bearing is rotated by the screw element, but does not transfer the rotational movement to the electrode stack, from which it is decoupled. In this way, a propulsion is created which is mediated by the rotational position of the screw element and which exerts the compression pressure on the electrode stack as a translational movement along the stack direction.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verschraubelement ein Außengewinde auf, das in ein Innengewinde des Gewindeadapters eingreifen kann, so dass das Verschraubelement im Gewindeadapter drehbar ist. Durch die Gewinde lässt sich das Verschraubelement in den Gewindeadapter hinein und hinausschrauben.According to one embodiment, the screw element has an external thread that can engage an internal thread of the thread adapter so that the screw element can be rotated in the thread adapter. The screw element can be screwed in and out of the thread adapter using the threads.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Speicherzelle eine Druckplatte. Die Druckplatte ist entlang der Stapelrichtung im Gehäuse beweglich und liegt beispielsweise auf dem Axial-Nadelkranzlager auf. Die Druckplatte steht in mechanischem Wirkkontakt mit einer Unterseite des Elektrodenstapels und ist eingerichtet, den Kompressionsdruck auf die Unterseite des Elektrodenstapel auszuüben. Die Druckplatte wird durch den mechanischen Wirkkontakt entlang der Stapelrichtung bewegt und liegt so beispielsweise flächig auf der Unterseite des Elektrodenstapels an. Die Druckplatte wirkt so als Stempel, der den Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel ausübt.According to one embodiment, the storage cell comprises a pressure plate. The pressure plate is movable along the stacking direction in the housing and rests, for example, on the axial needle roller bearing. The pressure plate is in mechanical operative contact with an underside of the electrode stack and is designed to exert the compression pressure on the underside of the electrode stack. The pressure plate is moved along the stacking direction by the mechanical operative contact and thus rests, for example, flatly on the underside of the electrode stack. The pressure plate thus acts as a stamp that exerts the compression pressure on the electrode stack.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Axial-Nadelkranzlager einen Rollnadelkäfig und in Rollbereichen des Rollnadelkäfigs frei rollbare Rollnadeln auf. Der Rollnadelkäfig ist formstabil unter dem Kompressionsdruck. Das Axial-Nadellager ergibt eine sehr steife Lagerung bei kleinem bis kleinstem axialem Platzbedarf. Besonders platzsparende Lagerungen ergeben sich, wenn wie hier die Druckplatte als Laufbahn für die Rollnadeln verwendet werden kann.According to one embodiment, the axial needle roller and cage bearing has a roller needle cage and roller needles that can roll freely in the rolling areas of the roller needle cage. The roller needle cage is dimensionally stable under compression pressure. The axial needle bearing provides a very rigid bearing with a small to very small axial space requirement. Particularly space-saving bearings are achieved when, as here, the pressure plate can be used as a raceway for the roller needles.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Speicherzelle eine weitere Druckplatte. Die weitere Druckplatte ist mechanisch fest im Gehäuse angeordnet, so dass die weitere Druckplatte in mechanischem Wirkkontakt mit einer Oberseite des Elektrodenstapel steht und eingerichtet ist, einen Gegendruck zum Kompressionsdruck auf die Oberseite des Elektrodenstapel auszuüben. Der Elektrodenstapel kann so zwischen den beiden Druckplatten entsprechend dem durch das Verschraubelement eingestellten Kompressionsdruck im Gehäuse verpresst werden.According to one embodiment, the storage cell comprises a further pressure plate. The further pressure plate is arranged mechanically fixed in the housing, so that the further pressure plate is in mechanical operative contact with an upper side of the electrode stack and is designed to exert a counterpressure to the compression pressure on the upper side of the electrode stack. The electrode stack can thus be pressed between the two pressure plates in accordance with the compression pressure set in the housing by the screw element.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Elektrodenstapel eine Stapelanordnung aus aufeinanderfolgenden Schichten. Die Stapelanordnung umfasst in einem geladenen Zustand wenigstens eine Kathodenschicht, wenigstens eine Anodenschicht und wenigstens eine zwischen Kathodenschicht und Anodenschicht angeordnete Separatorschicht. Die Anodenschicht kann in einem entladenen Zustand ganz oder teilweise abgebaut sein.According to one embodiment, the electrode stack comprises a stack arrangement of successive layers. In a charged state, the stack arrangement comprises at least one cathode layer, at least one anode layer and at least one separator layer arranged between the cathode layer and the anode layer. The anode layer can be completely or partially degraded in a discharged state.
Gemäß einer Ausführungsform sind die aufeinanderfolgenden Schichten des Elektrodenstapels in Stapelrichtung auf einem im Gehäuse angeordneten Innenrohr gestapelt. Die wenigstens eine Kathodenschicht und wenigstens eine Anodenschicht sind mit dem Gehäuse oder dem Innenrohr elektrisch kontaktiert.According to one embodiment, the successive layers of the electrode stack are stacked in the stacking direction on an inner tube arranged in the housing. The at least one cathode layer and at least one anode layer are electrically contacted with the housing or the inner tube.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrochemische Speicherzelle als Feststoff-Speicherzelle ausgeführt und umfasst insbesondere einen Feststoffelektrolyten. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die elektrochemische Speicherzelle einen flüssigen oder unter dem Kompressionsdruck flüssigen und unter Standardbedingungen gasförmigen Elektrolyten.According to one embodiment, the electrochemical storage cell is designed as a solid storage cell and in particular comprises a solid electrolyte. In a further embodiment, the electrochemical storage cell comprises a liquid electrolyte or an electrolyte that is liquid under compression pressure and gaseous under standard conditions.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verschraubelement ein seitliches Stellgewinde zum Eingreifen eines externen Stellantriebs auf. Durch das seitliche Stellgewinde kann der externe Stellantrieb, beispielsweise ein Motor oder Schrittmotor, den Kompressionsdruck einstellen und/oder verändern. Das seitliche Stellgewinde kann als Außengewinde des Verschraubelements oder mit diesem kombiniert implementiert sein.According to one embodiment, the screw element has a lateral adjusting thread for engaging an external actuator. The lateral adjusting thread enables the external actuator, for example a motor or stepper motor, to adjust and/or change the compression pressure. The lateral adjusting thread can be implemented as an external thread of the screw element or combined with it.
Des Weiteren wird ein Speicherzellenmodul vorgeschlagen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Speicherzellenmodul eine Mehrzahl elektrochemischer Speicherzellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Ferner umfasst das Modul wenigstens einen externen Stellantrieb, der eingerichtet ist, die Kompressionsvorrichtung anzutreiben, um einen Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel auszuüben und den Kompressionsdruck in Abhängigkeit einer Drehstellung einzustellen. Der oder die externen Stellantriebe können durch eine Kontrolleinheit betrieben werden, die eine Anpassung des Kompressionsdrucks auf die Elektrodenstapel anpasst. Beispielsweise kann die Kontrolleinheit einen Ladezustand von einer oder mehrerer der elektrochemischen Speicherzellen messen oder entsprechende Messsignale empfangen. Die Ansteuerung des oder der externen Stellantriebe, und damit die Steuerung des entsprechenden Kompressionsdrucks, kann somit in Abhängigkeit von Ladezuständen von elektrochemischen Speicherzellen des Speicherzellenmoduls erfolgen. Beispielsweise können einzelne Zellen, Zellreihen oder Module individuell angetrieben/angesteuert werden, indem beispielsweise die Antriebriemen am externen Stellantrieb oder einer Hauptantriebsquelle im Eingriff stehen oder nicht. Dazu kann ein Zahnriemen abwechselnd gespannt sein und die Kompressionsvorrichtung antreiben oder nicht gespannt sein und die Kompressionsvorrichtung nicht antreiben.Furthermore, a storage cell module is proposed. According to one embodiment, the storage cell module comprises a plurality of electrochemical storage cells according to one of the preceding claims. The module also comprises at least one external actuator that is designed to drive the compression device in order to exert a compression pressure on the electrode stack and to adjust the compression pressure depending on a rotational position. The external actuator(s) can be operated by a control unit that adjusts the compression pressure on the electrode stack. For example, the control unit can measure a charge state of one or more of the electrochemical storage cells or receive corresponding measurement signals. The control of the external actuator(s), and thus the control of the corresponding compression pressure, can thus take place depending on the charge states of electrochemical storage cells of the storage cell module. For example, individual cells, cell rows or modules can be driven/controlled individually, for example by the drive belts on the external actuator or a main drive source being engaged or not engaged. For this purpose, a toothed belt can be alternately tensioned and drive the compression device or not tensioned and not drive the compression device.
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Soweit Komponenten und Bestandteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird deren Beschreibung nicht notwendigerweise für jede der folgenden Figuren wiederholt.In the following, embodiments of the invention are described with reference to the accompanying drawings. This provides further details, preferred embodiments and further developments. Identical or identically acting components are provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size relationships of the components to one another are not to be regarded as being to scale. Insofar as components and parts in the various figures are identical in their function, their description is not necessarily repeated for each of the following figures.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
Im Einzelnen zeigen:
-
1A bis 1D ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle, -
2A ,2B ein Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle in geladenem und entladenem Zustand in Schnittdarstellung, -
3A ,3B das Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle in geladenem und entladenem Zustand in Außenansicht, -
4A ,4B ein Ausführungsbeispiel einer Kompressionsvorrichtung mit externem Stellantrieb, -
5A ,5B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle, und -
6A ,6B das Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Speicherzelle in geladenem und entladenem Zustand in Vergrößerung.
-
1A to 1D an embodiment of an electrochemical storage cell, -
2A ,2B an embodiment of an electrochemical storage cell in charged and discharged state in sectional view, -
3A ,3B the embodiment of an electrochemical storage cell in charged and discharged state in external view, -
4A ,4B an embodiment of a compression device with external actuator, -
5A ,5B another embodiment of an electrochemical storage cell, and -
6A ,6B the embodiment of an electrochemical storage cell in charged and discharged state in enlargement.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die
In
Eine erste Druckplatte 20 ist entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses ausgestaltet, in diesem Beispiel also im Wesentlichen kreisförmig. Die Druckplatte umfasst einen Druckplattenboden 21 und einen Druckplattenrand 22. Der Druckplattenboden ist eingerichtet, auf einer Oberseite S2 des Elektrodenstapels 30 formschlüssig aufzuliegen. Der Druckplattenrand umfasst eine Wand, die sich tellerförmig entlang des Umfangs der Druckplatte erstreckt und vom Druckplattenboden erhebt. Des Weiteren weist die Druckplatte eine zentrale Druckplattenöffnung 23 auf, die im Wesentlichen mit der Deckelöffnung 14 zusammenfällt und mit dieser koaxial ist. In diesem Beispiel ist die Druckplattenöffnung in eine Druckplattenerhebung 24 strukturiert, die formschlüssig in die Druckplattenöffnung eingreifen kann. Die Druckplattenöffnung ist so groß, dass sie ein Innenrohr 40 aufnehmen kann bzw. das Innenrohr durch die Druckplattenöffnung durchgeführt werden kann. Für eine Isolation zwischen Innenohr 40 und Gehäusemantel 12 ist ein Isolationsring 25 vorgesehen, der beispielsweise als Kunststoffteil an die Erhebung 24 mit der Druckplattenöffnung gecrimpt oder anderweitig geeignet mechanisch verbunden werden kann.A first pressure plate 20 is designed according to the cross-section of the housing, in this example essentially circular. The pressure plate comprises a pressure plate base 21 and a pressure plate edge 22. The pressure plate base is designed to rest in a form-fitting manner on an upper side S2 of the electrode stack 30. The pressure plate edge comprises a wall that extends in a plate shape along the circumference of the pressure plate and rises from the pressure plate base. Furthermore, the pressure plate has a central pressure plate opening 23 that essentially coincides with the cover opening 14 and is coaxial with it. In this example, the pressure plate opening is structured into a pressure plate elevation 24 that can engage in a form-fitting manner in the pressure plate opening. The pressure plate opening is large enough to accommodate an inner tube 40 or for the inner tube to be passed through the pressure plate opening. For insulation between the inner ear 40 and the housing shell 12, an insulation ring 25 is provided, which can be crimped as a plastic part to the elevation 24 with the pressure plate opening or can be mechanically connected in another suitable way.
Die erste Druckplatte 20 wird in das Gehäuse eingeführt und mit diesem am Gehäusemantel 12 permanent verbunden, zum Beispiel verschweißt, gecrimpt oder verschraubt. „Permanent verbunden“ bedeutet hier, dass die Verbindung stark genug ist, um mindestens dem Kompressionsdruck, mit dem der Elektrodenstapel 30 verpresst wird, standzuhalten. Alternativ, oder ergänzend, kann die sich Druckplatte sich über einen Rand bzw. Kragen am Deckel 13 stützen, um ein definiertes Maß zu haben. Durch die Tellerform der Druckplatte bzw. durch den Druckplattenrand 22 wird zwischen dem Deckel 13 und dem Druckplattenboden 21 an der ersten Seite S1 ein oberer innenliegender Hohlraum gebildet.The first pressure plate 20 is inserted into the housing and permanently connected to the housing shell 12, for example welded, crimped or screwed. "Permanently connected" here means that the connection is strong enough to withstand at least the compression pressure with which the electrode stack 30 is pressed. Alternatively, or in addition, the pressure plate can be supported by an edge or collar on the cover 13 in order to have a defined dimension. Due to the plate shape of the pressure plate or the pressure plate edge 22, an upper internal cavity is formed between the cover 13 and the pressure plate base 21 on the first side S1.
Der Elektrodenstapel 30 umfasst mehrere, aufeinander angeordnete Stapel, wobei der jeweilige Stapel aufeinander angeordnete Schichten aufweist, nämlich wenigstens eine Kathodenschicht 31, wenigstens eine Anodenschicht 32 und wenigstens eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Separatorschicht 33. Des Weiteren können die Stapel weitere Schichten wie Isolatoren und metallische Leiterfolien (beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer) aufweisen. Die Kathodenschichten und die Anodenschichten sind über entsprechende Laschen 34 mit dem Innenrohr 40 oder mit dem Gehäusemantel 12 elektrisch kontaktiert.The electrode stack 30 comprises a plurality of stacks arranged one on top of the other, wherein the respective stack has layers arranged one on top of the other, namely at least one cathode layer 31, at least one anode layer 32 and at least one separator layer 33 arranged between the cathode layer and the anode layer. Furthermore, the stacks can have further layers such as insulators and metallic conductor foils (for example made of aluminum or copper). The cathode layers and the anode layers are electrically contacted with the inner tube 40 or with the housing casing 12 via corresponding tabs 34.
Die Oberseite S2 des Elektrodenstapels 30 greift formschlüssig auf die erste Druckplatte 20 auf. Der Druckplattenboden 21 liegt beispielsweise im Wesentlichen vollflächig auf der Oberseite S2 des Elektrodenstapels. Da die erste Druckplatte 20 am Gehäuse 10 bzw. dem Gehäusemantel 12 mechanisch fest verbunden ist, ist die Druckplatte unter Druck nicht beweglich.The top side S2 of the electrode stack 30 engages the first pressure plate 20 in a form-fitting manner. The pressure plate base 21, for example, lies essentially over its entire surface on the top side S2 of the electrode stack. Since the first pressure plate 20 is mechanically firmly connected to the housing 10 or the housing casing 12, the pressure plate cannot move under pressure.
Eine zweite Druckplatte 50 ist entsprechend dem Querschnitt des Gehäuses 20 ausgestaltet, in diesem Beispiel also im Wesentlichen kreisförmig. Die Druckplatte umfasst einen Druckplattenboden 51 und einen Druckplattenrand 52. Der Druckplattenboden ist eingerichtet, auf einer Oberseite der Kompressionsvorrichtung 60 aufzuliegen. Der Druckplattenrand umfasst eine Dichtung, die sich entlang des Umfangs der Druckplatte erstreckt und die Druckplatte 50 vom Gehäusemantel 12 abdichtet, die Druckplatte jedoch in Stapelrichtung beweglich innerhalb des Gehäuses hält. Des Weiteren weist die Druckplatte eine zentrale Druckplattenöffnung 53 auf, die im Wesentlichen mit der Deckelöffnung 14 axial zusammenfällt, so dass das Innenrohr 40 bis in die zentrale Druckplattenöffnung 53 geführt werden kann und in diesem Bereich endet. A second pressure plate 50 is designed according to the cross-section of the housing 20, in this example essentially circular. The pressure plate comprises a pressure plate base 51 and a pressure plate edge 52. The pressure plate base is designed to rest on an upper side of the compression device 60. The pressure plate edge comprises a seal which extends along the circumference of the pressure plate and seals the pressure plate 50 from the housing shell 12, which However, the pressure plate is held within the housing so that it can move in the stacking direction. Furthermore, the pressure plate has a central pressure plate opening 53 which essentially coincides axially with the cover opening 14, so that the inner tube 40 can be guided into the central pressure plate opening 53 and ends in this area.
Die Druckplattenöffnung ist so groß, dass sie das Innenrohr 40 aufnehmen kann bzw. das Innenrohr durch die Druckplattenöffnung durchgeführt werden kann. Die zweite Druckplatte 50 wird in das Gehäuse eingeführt und ist am Gehäusemantel 12 und dem Innenrohr 40 entlang beweglich.The pressure plate opening is large enough to accommodate the inner tube 40 or the inner tube can be passed through the pressure plate opening. The second pressure plate 50 is introduced into the housing and is movable along the housing shell 12 and the inner tube 40.
Die Kompressionsvorrichtung 60 ist mehrteilig und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Axial-Nadelkranzlager 61, einen Gewindeadapter 62 und ein Verschraubelement 63. Das Axial-Nadelkranzlager 61 umfasst einen Rollnadelkäfig 64 und Rollnadeln 65. Nadelkranzlager sind Wälzlager mit besonders niedriger Bauform. Die Rollnadeln sind Wälzkörper, die konisch oder zylindrisch sein können. Durch eine getrommelte oder leicht angeschliffene Stirnfläche in Kombination mit einer länglichen Mantelfläche entsteht das nadelförmige Profil der Nadelrolle. Konischen Rollnadeln sind vorteilhaft, da im Vergleich mehr Nadeln verwendet werden können. Mehr Nadeln tragen zu einer besseren Lastverteilung bei. Der Rollnadelkäfig 64 und die Rollnadeln 65 umfassen jeweils eine zentrale Lageröffnung 71 und können aus Kunststoff, Metall oder eine Kombination aus beiden ausgeführt sein. Die Rollnadeln 65 liegen in Rollbereichen 66 des Rollnadelkäfigs 64 und können so frei auf der Unterseite des Druckplattenbodens 51 rollen. Der Rollnadelkäfig ist im Wesentlichen kreisförmig und kann in den Gewindeadapter 62 eingelegt werden und so auf dem Verschraubelement 63 aufliegen. Auf diese Weise dienen das Verschraubelement und die zweite Druckplatte als Oberflächen, auf denen die Rollnadeln rollen können.The compression device 60 is made up of several parts and in this embodiment comprises an axial needle roller bearing 61, a threaded adapter 62 and a screw element 63. The axial needle roller bearing 61 comprises a roller needle cage 64 and roller needles 65. Needle roller bearings are roller bearings with a particularly low design. The roller needles are rolling elements that can be conical or cylindrical. The needle roller's needle-shaped profile is created by a tumbled or slightly ground end face in combination with an elongated outer surface. Conical roller needles are advantageous because more needles can be used in comparison. More needles contribute to better load distribution. The roller needle cage 64 and the roller needles 65 each comprise a central bearing opening 71 and can be made of plastic, metal or a combination of both. The rolling needles 65 are located in rolling areas 66 of the rolling needle cage 64 and can thus roll freely on the underside of the pressure plate base 51. The rolling needle cage is essentially circular and can be inserted into the threaded adapter 62 and thus rest on the screw element 63. In this way, the screw element and the second pressure plate serve as surfaces on which the rolling needles can roll.
Im zusammengebauten Zustand der elektrochemischen Speicherzelle ist der kreisförmige Gewindeadapter 62 mit dem Gehäuse 10 mechanisch stabil verbunden, beispielsweise am Gehäusemantel 12 verschweißt oder gecrimpt. Auf diese Weise ist der Gewindeadapter fest mit dem Gehäuse verbunden. Der Gewindeadapter weist ein Innengewinde auf. Das kreisförmige Verschraubelement 63 weist ein Außengewinde 68 auf, das in das Innengewinde des Gewindeadapters 62 eingreifen kann. Das Außengewinde ist beispielsweise ein Schraubgewinde (zum Beispiel helikoidal). Durch das Gewinde ist das Verschraubelement im Gewindeadapter drehbar bzw. verschraubbar. Ferner weist das Verschraubelement eine Drehfläche 67 mit einer zentralen Drehflächenöffnung 70 auf. Im zusammengebauten Zustand liegt das das Axial-Nadelkranzlager 61 auf der Drehfläche auf, so dass die Rollnadeln 65 frei im Rollnadelkäfig 64 rotieren können.When the electrochemical storage cell is assembled, the circular threaded adapter 62 is mechanically stably connected to the housing 10, for example welded or crimped to the housing shell 12. In this way, the threaded adapter is firmly connected to the housing. The threaded adapter has an internal thread. The circular screw element 63 has an external thread 68 that can engage in the internal thread of the threaded adapter 62. The external thread is, for example, a screw thread (for example, helicoidal). The thread enables the screw element to be rotated or screwed in the threaded adapter. The screw element also has a rotating surface 67 with a central rotating surface opening 70. When assembled, the axial needle bearing 61 rests on the rotating surface so that the roller needles 65 can rotate freely in the roller needle cage 64.
Das Verschraubelement 63 weist ferner ein seitliches Stellgewinde 69 auf. Ein externer Stellantrieb 80 kann in das seitliche Stellgewinde eingreifen und so das Verschraubelement 63 drehen. Das Stellgewinde kann ein vom Außengewinde 68 getrenntes Gewinde sein und beispielsweise in einem seitlichen Bereich des Verschraubelements angeordnet sein, in dem sich nicht das Außengewinde befindet. Alternativ kann, wie in
Die
So zusammengebaut, kann - vermittelt durch die Kompressionsvorrichtung 60 - durch Anhebung und Senkung der Druckplatte 50 ein Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel 30 ausgeübt werden. Dazu wird das Verschraubelement 63 manuell oder durch den externen Stellantrieb 80 gedreht. Das Außengewinde 68 greift dann in das Innengewinde des Gewindeadapters 62 ein und kann in den Gewindeadapter hinein- oder herausgedreht werden. Die erste Druckplatte 20 ist fest mit dem Gehäusemantel 12 verbunden wirkt so als Anschlagsfläche (vgl. Druckplattenboden 21) gegen die der Elektrodenstapel gedrückt wird, wenn der Kompressionsdruck durch die Kompressionsvorrichtung mittels des Verschraubelements aufgebaut wird. Durch den entsprechenden Gegendruck wird der Elektrodenstapel verpresst.When assembled in this way, compression pressure can be exerted on the electrode stack 30 by raising and lowering the pressure plate 50 - mediated by the compression device 60. To do this, the screw element 63 is turned manually or by the external actuator 80. The external thread 68 then engages in the internal thread of the thread adapter 62 and can be screwed in or out of the thread adapter. The first pressure plate 20 is firmly connected to the housing shell 12 and thus acts as a stop surface (cf. pressure plate base 21) against which the electrode stack is pressed when the compression pressure is built up by the compression device by means of the screw element. The electrode stack is pressed by the corresponding counterpressure.
Die
Die Zelle ist beispielsweise als Feststoffzelle, insbesondere als anoden-freie Feststoffbatterie (anode-free all-solid state battery, ASSB) ausgestaltet. Der im Schnitt gezeigte Elektrodenstapel 30 umfasst mehrere, aufeinander angeordnete Stapel. Ein Stapel weist aufeinander angeordnete Schichten auf, nämlich jeweils eine Kathodenschicht 31, eine Anodenschicht 32 und eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Separatorschicht 33. Des Weiteren können die Stapel weitere Schichten wie Isolatoren und metallische Leiterfolien (beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer) aufweisen, die hier nicht dargestellt sind. Die Kathodenschichten und die Anodenschichten sind über entsprechende Laschen 34 mit dem Innenrohr 40 oder mit dem Gehäusemantel 12 elektrisch kontaktiert.The cell is designed, for example, as a solid-state cell, in particular as an anode-free all-solid-state battery (ASSB). The electrode stack 30 shown in section comprises several stacks arranged on top of one another. A stack has layers arranged on top of one another, namely a cathode layer 31, an anode layer 32 and a separator layer 33 arranged between the cathode layer and the anode layer. Furthermore, the stacks can have further layers such as insulators and metallic conductor foils (for example made of aluminum or copper), which are not shown here. The cathode layers and the anode layers are electrically contacted with the inner tube 40 or with the housing shell 12 via corresponding tabs 34.
In diesem Beispiel wird eine Lithium-Batterie betrachtet. Hier haben die Kathodenschichten 31 im geladenen und entladenen Zustand im Wesentlichen dieselbe Schichtdicke. Im Gegensatz dazu ändert sich die Schichtdicke der Anodenschichten 32 in Abhängigkeit vom Ladezustand. Im geladenen Zustand haben sich Anodenschichten abgelagert. Diese werden durch den Ladeprozess ausgebildet, indem sich Lithium auf Leiterfolien (zum Beispiel Kupferfolien) sammelt. Der Elektrodenstapel wächst in der Höhe um die Dicke einer Anodenschicht x Anzahl der Schichten. Im entladenen Zustand ist keine Anodenschicht 32 ausgebildet. Lithium ist in den Kathodenschichten gespeichert. Das Lithium wandert aus den Anodenschichten durch die Separatorschichten 33 in die Kathodenschichten und wird dort gespeichert. Die unterschiedlichen Schichtdicken sind den Zeichnungen angedeutet (vgl.
In
Die
Die
Der externe Stellantrieb 80 ist in diesem Beispiel doppelseitig ausgeführt und umfasst beispielsweise zwei Gewindestangen oder Riemen. Der externe Stellantrieb greift in das Außengewinde 68 bzw. das seitliche Stellgewinde 69 des Verschraubelements 63 ein. Durch Bewegen der Gewindestangen oder Riemen wird eine Drehbewegung des Verschraubelements 63 bewirkt, das sich wie oben beschrieben die Druckplatte 50 entlang des Innenrohrs 40 auf und ab bewegen kann und schließlich den Kompressionsdruck auf den Elektrodenstapel 30 einstellt. Typischerweise sind mehrere elektrochemische Speicherzellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Grundsätzlich kann jede elektrochemische Speicherzelle einen eigenen Stellantrieb aufweisen. In einem Batteriemodul kann ein Stellantrieb mehrere elektrochemische Speicherzellen bedienen. Beispielsweise können mehrere elektrochemische Speicherzellen so in einer Reihe angeordnet werden, dass eine gemeinsame Gewindestange oder ein gemeinsamer Riemen in die entsprechenden Außengewinde 68 oder seitliche Stellgewinde 69 der Verschraubelemente 63 der elektrochemischen Speicherzellen eingreift.The external actuator 80 is double-sided in this example and comprises, for example, two threaded rods or belts. The external actuator engages in the external thread 68 or the lateral adjusting thread 69 of the screw element 63. By moving the threaded rods or belts, a rotary movement of the screw element is achieved. screw element 63 causes the pressure plate 50 to move up and down along the inner tube 40 as described above and ultimately adjusts the compression pressure on the electrode stack 30. Typically, several electrochemical storage cells are combined to form a battery module. In principle, each electrochemical storage cell can have its own actuator. In a battery module, an actuator can operate several electrochemical storage cells. For example, several electrochemical storage cells can be arranged in a row so that a common threaded rod or a common belt engages in the corresponding external threads 68 or lateral adjusting threads 69 of the screw elements 63 of the electrochemical storage cells.
Die
Die
Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail using embodiments, the invention is not limited by the embodiments. Rather, other variations of the invention can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 1010
- GehäuseHousing
- 1111
- Aufnahmeraumrecording room
- 1212
- Gehäusemantelhousing shell
- 1313
- DeckelLid
- 1414
- Deckelöffnunglid opening
- 1515
- Gehäuseöffnunghousing opening
- 2020
- Druckplatteprinting plate
- 2121
- Druckplattenbodenprinting plate base
- 2222
- Druckplattenrandprinting plate edge
- 2323
- Druckplattenöffnungprinting plate opening
- 2424
- Druckplattenerhebungprinting plate elevation
- 2525
- Isolationsringinsulation ring
- 3030
- Elektrodenstapelelectrode stack
- 3131
- Kathodenschichtcathode layer
- 3232
- Anodenschichtanode layer
- 3333
- Separatorschichtseparator layer
- 3434
- Laschentabs
- 3535
- Stapelöffnungstack opening
- 4040
- Innenrohrinner tube
- 4141
- Längenbereichlength range
- 4242
- stempelförmige Oberseitestamp-shaped top
- 4343
- Unterseitebottom
- 4444
- O-RingO-ring
- 5050
- Druckplatteprinting plate
- 5151
- Druckplattenbodenprinting plate base
- 5252
- Druckplattenrandprinting plate edge
- 5353
- Druckplattenöffnungprinting plate opening
- 6060
- Kompressionsvorrichtungcompression device
- 6161
- Axial-Nadelkranzlageraxial needle roller and cage bearings
- 6262
- Gewindeadapterthread adapter
- 6363
- Verschraubelementscrew element
- 6464
- Rollnadelkäfigroller needle cage
- 6565
- Rollnadelnrolling pins
- 6666
- Rollbereichrolling area
- 6767
- Drehflächeturning surface
- 6868
- Außengewindeexternal thread
- 6969
- seitliches Stellgewindelateral adjusting thread
- 7070
- Drehflächenöffnungrotating surface opening
- 7171
- Lageröffnungenstorage openings
- 8080
- externer Stellantriebexternal actuator
- S1S1
- SeitePage
- S2S2
- SeitePage
Claims (10)
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Citations (4)
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- 2024-04-09 WO PCT/DE2024/100294 patent/WO2024230876A1/en active Pending
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| CN121100424A (en) | 2025-12-09 |
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