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DE102023211201B3 - Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle - Google Patents

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DE102023211201B3
DE102023211201B3 DE102023211201.9A DE102023211201A DE102023211201B3 DE 102023211201 B3 DE102023211201 B3 DE 102023211201B3 DE 102023211201 A DE102023211201 A DE 102023211201A DE 102023211201 B3 DE102023211201 B3 DE 102023211201B3
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electrodes
cell
conductors
contact plate
electrode stack
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DE102023211201.9A
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English (en)
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Marvin Czech
Björn Löhr
Marius Ebbighausen
Natascha von Aspern
Lukas Kwoczek
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Powerco SE
Original Assignee
Powerco SE
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle (2), wobei ein Elektrodenstapel (16) mit übereinander gestapelten ersten Elektroden (6) und zweiten Elektroden (8) bereitgestellt wird, wobei Ableiter (10) der ersten Elektroden (6) einer Stirnseite (18) der Elektrodenanordnung (16) emporstehen, wobei Ableiter (10) der ersten Elektroden (6) kompaktiert werden, wobei die kompaktierten Ableiter (10) mit einem Kontaktblech (30) verschweißt werden, und wobei das Kontaktblech (30) mit einem Kontaktelement (26) eines Zelldeckels (50) verschweißt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche prismatische Batteriezelle (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle, bei dem Ableiter deren ersten Elektroden kompaktiert und mit einem Kontaktblech verschweißt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine gemäß dem Verfahren hergestellte prismatische Batteriezelle.
  • Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise eine Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf, welche einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
  • Eine solche Traktionsbatterie umfasst typischerweise mehrere Batteriezellen, insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen, die elektrisch miteinander in Serie und/oder parallel miteinander verschaltet sind.
  • Die Batteriezellen werden dabei je nach deren Ausgestaltung in unterschiedliche Arten bzw. Typen eingeteilt. So weist beispielsweise eine Pouchzelle (Coffee-Bag-Zelle) eine Folie, insbesondere eine Aluminiumverbundfolie, als Hülle auf, in welcher die Elektroden der Batteriezelle eingeschlossen sind. Eine zylindrische Batteriezelle umfasst dagegen ein vergleichsweise biegesteifes Gehäuse, insbesondere aus einem Blech, wobei das Gehäuse im Wesentlichen eine kreiszylindrische Form aufweist. Weiterhin sind sogenannte prismatische Batteriezellen bekannt, deren Gehäuse ebenfalls vergleichsweise biegesteif, insbesondere aus einem Blech, ausgebildet und im Wesentlichen quaderförmig sind.
  • Aus der US 2012/0171568 A1 ist eine Batteriezelle bekannt. Diese umfasst eine Vielzahl von Elektrodenfilmen, ein Terminal, das an die Vielzahl von Elektroden geschweißt ist, und einen Pufferfilm, der an die Vielzahl von Elektroden geschweißt ist, wobei die Vielzahl von Elektroden zwischen dem Terminal und dem Pufferfilm angeordnet sind.
  • In der US 11,158,914 B2 ist eine Batterie mit einem Elektrodenkörper und mit einem internen Terminal offenbart. Der Elektrodenkörper umfasst positive und negative Elektrodenblätter. Das interne Terminal ist umfasst einen Verbinder, der mit vorstehenden Abschnitten der Elektrodenblätter verbunden ist. Die vorstehenden Abschnitte sind um ein Basisende gebogen.
  • In der US 9,935,305 B2 ist eine Sekundärbatterie beschrieben, deren Batterievorrichtung von einem Außenmaterial verpackt ist. Die Batterievorrichtung umfasst eine positive und eine negative Elektrode, wobei ein positiver Tab elektrisch mit der positiven Elektrode verbunden und zur Außenseite des Außenmaterials herausgeführt ist. Ein negativer Tab ist elektrisch mit der negativen Elektrode verbunden und zur Außenseite des Außenmaterials herausgeführt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle anzugeben. Des Weiteren soll eine solche Batteriezelle und ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezelle angegeben werden.
  • In der FR 3 125 172 A1 ist eine prismatische Batteriezelle offenbart. Ein faltbares Verbindungselement aus Metallstreifen ist mit den Ableitern und mit einem Zellterminal durch Schweißen verbunden.
  • In der US 2023 / 0 187 792 A1 ist ein Herstellungsverfahren für eine prismatische Batteriezelle beschrieben. Hierbei wird auf einem Ableiter ein Zelldeckel aufgeschoben, so dass der Ableiter in einer Aufnahme des Kontaktelements aufgenommen wird.
  • Aus der US 2022 / 0 238 946 A1 ist eine prismatische Batteriezelle für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bekannt. Ein Ableiter des Zellstapels ist mit einem Zellterminal elektrisch verbunden. Die Ableiter sind dabei umgebogen.
  • In der DE 10 2022 107 471 B3 ist eine prismatische Batteriezelle mit Elektroden offenbart, deren Tabs an ein Anschlusselemente angeschweißt ist.
  • In der DE 20 2023 102 991 U1 ist ebenfalls ist eine prismatische Batteriezelle offenbart, bei der die Laschen an ein Zellterminal eines Zelldeckels angeschweißt werden.
  • Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Batteriezelle wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und hinsichtlich des Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für die Batteriezelle und umgekehrt.
  • Das Verfahren dient zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle. Diese ist zweckmäßig als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet. Vorzugsweise ist die Batteriezelle für eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen und eingerichtet.
  • Zunächst wird ein Elektrodenstapel bereitgestellt, der in einer hier und im Folgenden als Stapelrichtung oder als Stapelhochrichtung bezeichneten Richtung übereinander gestapelte erste Elektroden und zweite Elektroden aufweist. Also ist der Elektrodenstapel anhand einer Anzahl an ersten Elektroden und anhand einer Anzahl an zweiten Elektroden gebildet, wobei die Elektroden in Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Zweckmäßig sind die ersten und die zweiten Elektroden alternierend angeordnet, wobei jeweils zwischen einer ersten und der zu dieser benachbarten zweiten Elektrode ein Separator angeordnet ist.
  • Jede der ersten Elektroden ist beispielsweise als eine Kathode und jede der zweiten Elektroden als eine Anode ausgebildet.
  • Geeigneter Weise ist jede Elektrode blattartig ausgebildet. Die jeweilige Elektrode ist dabei anhand eines folienartigen Substrats, insbesondere aus einer Metallfolie, gebildet. Das jeweilige Substrat umfasst einen (ersten) Abschnitt, der mit einem Aktivmaterial beschichtet ist, und einen, insbesondere an diesen Abschnitt angeformten, Ableiter als zweiten Abschnitt. Der Ableiter wird auch als Fähnchen bezeichnet. Zweckmäßig weist der beschichtete Abschnitt des Substrats jeder der Elektroden eine rechteckförmige, insbesondere nicht quadratische, Grundfläche auf. Im Elektrodenstapel spannen die ersten Abschnitt der Elektroden jeweils eine Fläche senkrecht zur Stapelrichtung auf.
  • Der Ableiter steht bevorzugt der kürzeren Seite des rechteckförmigen ersten Abschnitts des jeweiligen Substrats empor. Zweckmäßig erstreckt sich der Ableiter nicht über die gesamte Seite.
  • Geeigneter Weise erstrecken sich im Elektrodenstapel die Ableiter der ersten Elektroden in einer als Längsrichtung bezeichneten Richtung, die senkrecht zur Stapelrichtung ist, vom ersten Abschnitt des jeweiligen Substrats weg, und die Ableiter der zweiten Elektroden erstrecken sich entgegen der Längsrichtung vom ersten Abschnitt des jeweiligen Substrats weg. Somit sind die Ableiter der ersten Elektroden in Stapelrichtung übereinander und die Ableiter der zweiten Elektroden in Stapelrichtung übereinander angeordnet. Die Ableiter der ersten Elektroden sind dabei an der als erste Stirnseite bezeichneten Seite des Elektrodenstapels und die Ableiter der zweiten Elektroden an der der ersten Stirnseite gegenüberliegenden, also zu dieser parallel orientierten und senkrecht zur Stapelrichtung orientierten, zweiten Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet.
  • Zusammenfassend sind die Ableiter der ersten Elektroden an der ersten Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet und die Ableiter der zweiten Elektroden and der zur ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite.
  • Verfahrensgemäß werden die Ableiter der ersten Elektroden kompaktiert. Die Ableiter werden also in Stapelrichtung zusammengedrückt und/oder verpresst. Hierzu wird beispielsweis ein Klemmwerkzeug verwendet. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird ein Ultraschallwerkzeug zum Kompaktieren verwendet. Beispielsweise erfolgt hierbei zusätzlich zum Kompaktieren ein Vorfixieren der Ableiter zueinander, indem die Ableiter lediglich abschnittsweise oder punktweise miteinander ultraschallverschweißt werden.
  • Zweckmäßig werden die kompaktierten Ableiter der ersten Elektroden anschließend getrimmt also zurechtgeschnitten, insbesondere abgeschnitten. Dabei wird ein Teil des kompaktierten Abschnitts entfernt, so dass die Freienden der Ableiter miteinander in Stapelrichtung fluchten.
  • Anschließend werden die kompaktierten (und ggf. zugeschnittenen) Ableiter der ersten Elektroden mit einem Kontaktblech verschweißt, welches elektrisch leitend ist. Insbesondere werden die Ableiter mit dem Kontaktblech ultraschallverschweißt. Hierzu wird der kompaktierte Bereich der Ableiter zwischen das Kontaktblech und ein Opferblech gebracht, so dass die Ultraschallschweißwerkzeuge lediglich das Kontaktblech bzw. das Opferblech berühren.
  • Das Kontaktblech und/oder das Opferblech sind beispielsweise aus Aluminium oder aus Kupfer gebildet.
  • Anschließend wird das Kontaktblech mit einem Kontaktelement eines Zelldeckels eines Zellgehäuses verschweißt, insbesondere laserverschweißt. Dabei ist das Kontaktblech bevorzugt unmittelbar am Kontaktblech angeordnet. Zweckmäßig ist das Kontaktelement an der den Ableitern und ggf. dem Opferblech abgewandten Seite des Kontaktblechs angeordnet. Das Kontaktelement bildet dabei besonders bevorzugt ein Terminal der Batteriezelle. Mit anderen Worten ist das Kontaktelement von batteriezellenaußen elektrisch und/oder mechanisch kontaktierbar. Mit noch anderen Worten durchragt das Kontaktelement den Zelldeckel. Das Verschweißen des Kontaktblechs erfolgt also an einer Zellinnenseite des Kontaktelements.
  • Zusammenfassend ist das Kontaktelement mittels des Kontaktblechs elektrisch leitend mit den Ableitern verbunden.
  • Insbesondere ist das Kontaktelement einteilig, also monolithisch, ausgebildet. Weiterhin ist der Zelldeckel zweckmäßig als ein Zusammenbau ausgebildet, also ist dieser vormontiert. Der Deckel muss also nicht nach dem Anschweißen montiert bzw. zusammengebaut werden.
  • Anschließend wird der Zelldeckel besonders bevorzugt an der ersten Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet. Also verdeckt der Zelldeckel im Montagezustand die Stirnseite bezüglich der Längsrichtung. Hierzu werden die Ableiter der ersten Elektroden, insbesondere in deren nicht kompaktierten Bereich, derart gebogen, dass der Zelldeckel nach dem Biegen die Stirnseite des Elektrodenstapels verdeckt ist. Also werden die Ableiter der ersten Elektroden derart gebogen, dass der Zelldeckel, insbesondere dessen Außenseite, parallel zur ersten Stirnseite orientiert ist. Das Biegen (Umschlagen) erfolgt zweckmäßig anhand zumindest eines Schwertes. Zusammenfassend wird die Innenseite des Kontaktelements, also diejenige Seite des Kontaktelements, an welcher das Kontaktblech angeschweißt ist, aufgrund des Biegens zur ersten Stirnseite hin verstellt.
  • Aufgrund der Steifigkeit des Kontaktblechs und/oder des Opferblechs und damit einhergehend aufgrund der Steifigkeit der Ableiter in deren mit diesen gefügten Abschnitt, ist es vorteilhaft ermöglicht, dass die Ableiter anhand nur eines (einzigen) Schwertes umgeschlagen werden. Zweckmäßig wird hierzu das sich in Querrichtung erstreckende Schwert in einer Richtung entgegen der Stapelrichtung gegen die Ableiter, also auf die Oberseite der Ableiter in deren nicht verschweißten Abschnitt, verfahren.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden zur Bildung des Elektrodenstapels (vor dessen Bereitstellung, somit vor dem Verschweißen der Ableiter der ersten Elektroden) zwei zueinander separate Einzelstapel aufeinandergestapelt. Jeder der Einzelstapel umfasst dabei übereinander gestapelte erste Elektroden und zweite Elektroden. Die ersten und zweiten Elektroden sind dabei zueinander, beispielsweise anhand eines Klebebands (Fixierbands) fixiert.
  • Beispielsweise umfasst jeder der Einzelstapel zwischen 50 und 200, insbesondere 100, erste und zwischen 50 und 200, insbesondere 100, zweite Elektroden.
  • Also werden die beiden Einzelstapel unter Bildung des Elektrodenstapels derart aufeinandergestapelt, dass die Ableiter der ersten Elektroden und die der zweiten Elektroden jeweils in Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Anschließend werden die Ableiter der ersten Elektroden kompaktiert, vorzugsweise zugeschnitten und miteinander verschweißt.
  • Vorteilhaft ist eine Abweichung der Positionierung der Elektroden zueinander bei der Bildung des Elektrodenstapels aus Einzelstapeln kleiner als bei der Bildung eines (einzigen) Elektrodenstapels mit einer entsprechend größeren Anzahl an Elektroden.
  • Alternativ zur Bildung es Elektrodenstapels durch aufeinanderstapeln der beiden Einzelstapel wird dieser durch das sogenannte Butterfly-Welding hergestellt. Hierbei werden die Einzelstapel zunächst derart nebeneinander angeordnet, dass deren Stirnseiten mit den Ableitern der ersten Elektroden einander gegenüberliegen, also einander zugewandt sind, wobei sind die Einzelstapel dabei aufeinander zu geneigt. Insbesondere sind dabei die Ableiter der beiden Einzelstapel derart aneinander angeordnet, dass der oberste Ableiter des ersten Einzelstapels, also derjenige Ableiter der dem zweiten Einzelstapel zugewandt ist, am obersten Ableiter des zweiten Einzelstapels, also an demjenigen Ableiter, der dem ersten Einzelstapel zugewandt ist, angeordnet ist. Die Ableiter der ersten Elektroden werden dann miteinander verschweißt, zweckmäßig ultraschallverschweißt. Anschließend wird einer der Einzelstapel auf den anderen Einzelstapel unter Bildung des Elektrodenstapels geklappt. Bei dieser Variante kann und zweckmäßig wird das Kompaktieren der Ableiter vor dem Verschweißen mit dem Kontaktblech weggelassen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der hinsichtlich einer Stapelhochrichtung obere und/oder der hinsichtlich der Stapelhochrichtung untere Ableiter mit einer, insbesondere elektrisch isolierenden, Schutzfolie versehen, insbesondere beklebt. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Beschädigung der Ableiter bei der Montage der Batteriezelle, insbesondere bei Biegen der Ableiter vermieden oder eine Gefahr dessen zumindest reduziert. Weiterhin ist ein Kontakt der umgebogenen Ableiter mit den Kanten der zweiten Elektroden an der ersten Stirnseite vermieden.
  • Bevorzugt überragt dabei die jeweilige Schutzfolie die Ableiter in einer zur Längsrichtung und zur Stapelrichtung quer orientierten Querrichtung. Mit anderen Worten stehen die Schutzfolien den Ableitern seitlich, also entlang der kurzen Kante der ersten Abschnitte der Substrate, über.
  • Für einen vergleichsweise sicheren Halt sind die Schutzfolien ebenfalls abschnittsweise, insbesondere endseitig hinsichtlich der Längsrichtung, auf der Oberseite des Elektrodenstapels bzw. auf der Unterseite des Elektrodenstapel befestigt, insbesondere angeklebt.
  • Unter der Oberseite ist dabei die hinsichtlich der Stapelrichtung obere Seite des Elektrodenstapels und unter der Unterseite ist die hinsichtlich der Stapelrichtung untere Seite des Elektrodenstapels zu verstehen. Die Oberseite und die Unterseite sind als senkrecht zur Stapelrichtung orientiert.
  • Als Schutzfolie wird insbesondere ein Schweißband verwendet.
  • Weiterhin ist für die Batteriezelle ein Stopperrahmen vorgesehen, der die ersten Stirnseite abdeckt. Weiterhin wird das mit den Ableitern verschweißte Kontaktblech zeitlich vor dessen Verschweißen mit dem Kontaktblech durch eine, insbesondere lochartige, also in Längsrichtung durchgehende, Durchführung des Stopperrahmen geführt wird. Vorzugsweise wird der Stopperrahmen and der ersten Stirnseite angeordnet, insbesondere auf die erste Stirnseite aufgesetzt, also auf die erste Stirnseite aufgeschoben. Das Kontaktblech und die Ableiter durchragen also nach dem Anordnen des Stopperrahmens an der ersten Stirnseite die Durchführung.
  • Zweckmäßig wird der Stopperrahmen und der Elektrodenstapel anhand einer Fixierfolie fixiert. Hierzu wird der Elektrodenstapel und der Stopperrahmen beispielsweise von der Fixierfolie umwickelt. Anschließend wird die Fixierfolie zweckmäßig mit dem Stopperrahmen gefügt, insbesondere heißverstemmt oder verschweißt. Geeigneter Weise ist die Fixierfolie elektrisch isolierend.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Gehäusemantel eines Zellgehäuses über das Kontaktblech und über den Elektrodenstapel geschoben. Dieser Verfahrensschritt erfolgt zweckmäßig zeitlich vor dem Verschweißen des Kontaktblechs mit dem Kontaktelement. Auf diese Weise wird die Elektrodenanordnung im Zellbecher, der den Zellinnenraum begrenzt, aufgenommen. Der Gehäusemantel ist beispielsweise aus einem Blech, insbesondere aus Aluminium gebildet. Der Gehäusemantel bildet zusammenfassend die parallel zur Längsrichtung orientierten Seitenwände des Gehäuses der Batteriezelle. Zusammen mit dem Zelldeckel oder mit einem Zellboden bildet der Gehäusemantel einen sogenannten Zellbecher. Der Gehäusemantel ist also hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei der Zylinder ein Rechteck als Grundfläche aufweist.
  • Insbesondere ist aufgrund der Verwendung des Kontaktblechs ein elektrisches Verbinden der Ableiter mit dem Kontaktelement (mittels des Kontaktblechs) auch bei bereits aufgeschobenem Gehäusemantel und damit einhergehend bei vergleichsweise engem Montageplatz ermöglicht.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird der Zelldeckel auf der Freiendseite des Gehäusemantels angeordnet, liegt insbesondere an dieser an. Die Freiendseite des Gehäusemantels ist dabei diejenige Seite, die senkrecht zur Längsrichtung, also zur Erstreckungsrichtung des Gehäusemantels, orientiert ist. Der Zelldeckel verdeckt also den Gehäusemantel bezüglich der Längsrichtung, insbesondere fluchtet der Zelldeckel im Montagezustand mit dem Gehäusemantel bezüglich der Längsrichtung. Beispielsweise bildet der Stopperrahmen dabei einen Anschlag oder eine Anlage für den Zelldeckel. Insbesondere bildet der Stopperrahmen ein Abstandselement, anhand welchem der Deckel beabstandet zum Elektrodenstapel gehalten wird.
  • Zusammenfassend verschließt der Zelldeckel eine Öffnung des Gehäusemantels.
  • Erfolgt das Verschweißen des Kontaktblechs mit dem Kontaktelement anschließend an das Durchführen des Kontaktblechs und des Elektrodenstapels durch den Gehäusemantel, so ist ein vergleichsweise aufwändiges Durchführen des Zelldeckels, welcher größer als die Öffnung des Zellbechers ist, vermieden. Damit einhergehend ist auch die Gefahr einer Beschädigung einer der Komponenten der Batteriezelle reduziert.
  • Zum Anordnen des mit dem Kontaktblech verschweißten Zelldeckels, somit zum Verschließen des Gehäusemantels, werden die Ableiter wie oben beschreiben, beispielsweise anhand eines Schwertes gebogen.
  • Gemäß einer bevorzugen Ausgestaltung des Verfahrens wird, zweckmäßig bevor der Zelldeckel durch das Biegen der Ableiter an der ersten Stirnseite angeordnet wird, die aus dem Verschweißen des Kontaktblechs mit dem Kontaktelement resultierende Schweißnaht mit einer weiteren Schutzfolie abgedeckt. Hierzu wird die weitere Schutzfolie beispielsweise auf das Kontaktblech geklebt. Diese deckt dabei zumindest die Schweißnaht ab, vorzugsweise zusätzlich das Opferblech ab. Aufgrund der weiteren Schutzfolie ist eine Beschädigung der Ableiter beim Anordnen des Zelldeckels aufgrund von Schweißrückständen, einer scharfe Kante oder eines Grates der Schweißnaht vermieden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine prismatische Batteriezelle die gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten hergestellt wurde. Die Batteriezelle umfasst also einen Elektrodenstapel mit, zweckmäßig alternieren, übereinander gestapelten ersten zweiten Elektroden. Dabei sind die Ableiter der ersten Elektroden an einer (ersten) Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet. Die Ableiter sind kompaktiert, und mit einem Kontaktblech verschweißt, insbesondere ultraschallverschweißt, wobei das Kontaktblech wiederum mit einem Kontaktelement eines Zelldeckels verschweißt, insbesondere laserverschweißt ist.
  • Vorzugsweise ist dabei der Elektrodenstapel wiederum durch zwei aufeinander gestapelte Einzelstapel gebildet.
  • Vorzugsweise ist der hinsichtlich der Stapelhochrichtung obere und/oder der hinsichtlich der Stapelhochrichtung untere Ableiter mit einer, insbesondere elektrisch isolierenden, Schutzfolie versehen.
  • Vorzugsweise sind die Ableiter durch eine Durchführung eines Stopperrahmens geführt, der an der (ersten) Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet ist.
  • Vorzugsweise ist der Elektrodenstapel und der Stopperrahmen anhand einer Fixierfolie zueinander fixiert.
  • Vorzugsweise ist ein Gehäusemantel eines Zellgehäuses über das Kontaktblech sowie, über den Elektrodenstapel (und sofern vorhanden über den Stopperrahmen) geschoben. Im Montagezustand sind das Kontaktblech und der Elektrodenstapel im Gehäuseinnenraum, somit im vom Gehäusemantel umfassten Raumbereich angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Zelldeckel an der (ersten) Stirnseite des Elektrodenstapels angeordnet. Zweckmäßig liegt dieser am Stopperrahmen an. Der Stopperrahmen ist also zwischen dem Zelldeckel und der Stirnseite der Elektrodenanordnung angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Zelldeckel auf der Freiendseite des Gehäusemantels angeordnet, überdeckt diesen also in einer Richtung parallel zu einer Mittelachse des Gehäusemantels.
  • Vorzugsweise ist die aus dem Verschweißen des Kontaktblechs mit dem Kontaktelement resultierende Schweißnaht mit einer weiteren Schutzfolie abgedeckt, insbesondere abgeklebt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, das eine prismatische Batteriezelle aufweist, die in einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet und/oder gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Variante hergestellt wurde.
  • Insbesondere umfasst das Kraftfahrzeug eine Traktionsbatterie (HV-Batterie), die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, elektrische Energie für einen Traktionsantrieb bereitzustellen. Dabei ist die prismatische Batteriezelle Teil der Traktionsbatterie.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 ein Flussdiagramm, das einen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Batteriezelle repräsentiert,
    • 2 schematisch in perspektivischer Ansicht zwei Einzelstapel, die unter Bildung eines Elektrodenstapels übereinander gestapelt werden,
    • 3 schematisch in perspektivischer Ansicht den Elektrodenstapel, wobei deren zweite Ableiter mit einem Zellboden kontaktiert sind,
    • 4 schematisch und ausschnittsweise in Seitenansicht kompaktierte erste Ableiter des Elektrodenstapels, wobei die ersten Ableiter mit einem Kontaktblech ultraschallverschweißt werden,
    • 5 schematisch in perspektivischer Ansicht den Elektrodenstapel, wobei ein Stopperrahmen über das Kontaktblech geschoben wird,
    • 6 schematisch in perspektivischer Ansicht den Elektrodenstapel, den Stopperrahmen und den Zellboden, wobei diese anhand einer Fixierfolie fixiert werden,
    • 7 schematisch in perspektivischer Ansicht einen Gehäusemantel, der über den Stopperrahmen und den Elektrodenstapel geschoben wird,
    • 8 schematisch in perspektivischer Ansicht das Kontaktblech, welches an ein Kontaktelement eines Zelldeckels lasergeschweißt wird,
    • 9 schematisch und in perspektivischer Ansicht das Kontaktblech mit einer weiteren Schutzfolie abgedeckt wird,
    • 10 schematisch und in perspektivischer Ansicht die Batteriezelle, wobei der Zelldeckel den Gehäusemantel verschließt, und
    • 11 eine Schnittansicht durch den Zelldeckel.
  • Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In der 1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer prismatischen, insbesondere als Lithium-ionen-Batteriezelle ausgebildete, Batteriezelle 2 anhand eines Flussdiagramms dargestellt.
  • Bei dem Verfahren werden in einem ersten Schritt I zwei zueinander separate Einzelstapel 4 (Einzel-Elektrodenstapel 4) übereinander gestapelt. Dies ist in der 2 durch einen Pfeil repräsentiert.
  • Jeder der Einzelstapel 4 umfasst eine Mehrzahl an ersten Elektroden 6 und an zweiten Elektroden 8, die in einer Stapelrichtung S alternierend übereinander gestapelt sind, wobei jeweils ein Separator (nicht weiter dargestellt) zwischen den ersten und den zweiten Elektroden angeordnet ist.
  • Die ersten und die zweiten Elektroden 6, 8 jedes Einzelstapels 4 sind blattartig ausgebildet. Diese umfassen jeweils ein folienartiges Substrat mit einem mit Aktivmaterial beschichteten rechteckigen Abschnitt sowie mit einem Ableiter 10. Im Folgenden werden zum Zwecke einer besseren Unterscheidbarkeit die Ableiter der ersten Elektroden 6 als erste Ableiter 10 und die Ableiter der zweiten Elektroden 8 als zweite Ableiter 12 bezeichnet. Die ersten und die zweiten Ableiter 10, 12 stehen der kürzeren Seite des rechteckförmigen beschichteten Abschnitts empor. Bei jedem der Einzelstapel 4 sind dabei die ersten Ableiter 10 übereinander und die zweiten Ableiter 12 übereinander angeordnet, wobei die ersten Ableiter 10 in einer Längsrichtung L zum ersten Abschnitt emporragen und die zweiten Ableiter 12 entgegen der Längsrichtung L zum Abschnitt des jeweiligen Substrats emporragen.
  • Bei jedem der Einzelstapel 4 wird ein Fixierband 14 verwendet, anhand dessen die Elektroden 6, 8 des jeweiligen Einzelstapels 4 fixiert sind. Dabei ist das Fixierband 14 an einer hinsichtlich der Stapelrichtung S oberen (Ober-) Seite des jeweiligen Einzelstapels 4 und an der hinsichtlich der Stapelrichtung S unteren (Unter-) Seite des jeweiligen Einzelstapels 4 angeklebt und übergreift dabei eine parallel zur Stapelrichtung S orientierte Seite des jeweiligen Einzelstapels 4.
  • Im ersten Schritt I werden die beiden Einzelstapel 4 derart aufeinander angeordnet, dass die Ableiter 10 der ersten Elektroden 6 beider Einzelstapel 4 in Stapelrichtung S übereinander angeordnet sind. Entsprechend sind die Ableiter 12 der zweiten Elektroden 8 beider Einzelstapel 4 in Stapelrichtung S übereinander angeordnet.
  • Die ersten Ableiter 10 sind anhand des Übereinanderstapelns der beiden Einzelstapel 4 an einer Seite des gebildeten Elektrodenstapels 16 angeordnet, welche als erste Stirnseite 18 bezeichnet wird. Die zweiten Ableiter 12 sind an der der ersten Stirnseite 18 gegenüberliegenden, also zu dieser parallel orientierten und senkrecht zur Stapelrichtung S orientierten, zweiten Stirnseite 20 des Elektrodenstapels 16 angeordnet.
  • Zweckmäßiger Weise werden die beiden übereinander gestapelten Einzelstapel 4 anhand einer Fixierbandes 14 zueinander fixiert.
  • Zusammenfassend resultiert aus dem Übereinanderstapeln der beiden Einzelstapel 4 der Elektrodenstapel 16, der für die weitere Herstellung der Batteriezelle 2 bereitgestellt wird.
  • In einem darauffolgenden zweiten Schritt II werden die Ableiter 12 der zweiten Elektroden 8, mit einem Zellboden 22 eines Zellgehäuses 24 verbunden. Beispielsweise werden die Ableiter 12 der zweiten Elektroden 8 hierzu kompaktiert und anschließend zugeschnitten. Beispielsweise werden die Ableiter 12 im Zuge des Kompaktierens ultraschallverschweißt. Anschließend werden die Ableiter 12 der zweiten Elektroden 8 beispielsweise anhand von Laserschweißen an ein Kontaktelement (nicht weiter dargestellt) des Zellbodens 22 angeschweißt. Der Zellboden 22 wird zweckmäßig an der zweiten Stirnseite 20 des Elektrodenstapels 16 angeordnet, insbesondere anhand eines Biegens der Ableiter 12 der zweiten Elektroden 8. Der an der zweiten Stirnseite 20 angeordnete Zellboden 22 ist beispielsweise in der 3 dargestellt.
  • In einem darauffolgenden dritten III Schritt werden die ersten Ableiter 10 kompaktiert, vgl. auch 3. Hierzu wird insbesondere ein Ultraschallwerkzeug verwendet, wobei die ersten Ableiter 10 zusammengedrückt werden. Beispielsweise werden die ersten Ableiter 10 anhand der Ultraschallwerkzeuge 28 vorfixiert, insbesondere durch abschnittsweises oder punktweises miteinander Ultraschallverschweißen. Die Ultraschallwerkzeuge 28 ist dabei in der 3 lediglich schematisch anhand von Rechtecken angedeutet. Anschließend wird das Freiende des Ableiterpakets aus den kompaktieren ersten Ableitern 10 auf eine vorgegebene Länge abgeschnitten.
  • In einem darauffolgenden vierten Schritt IV werden die kompaktierten und zugeschnittenen ersten Ableiter 10 mit einem Kontaktblech 30 ultraschallverschweißt, was in der 4 dargestellt ist. Hierzu wird der kompaktierte Bereich der ersten Ableiter 10 zwischen das Kontaktblech 30 und ein Opferblech 32 eingebracht. Anschließend wird den Ultraschallwerkzeuge 28 wirken berühren beim ultraschallschweißen lediglich das Kontaktblech 30 und das Opferblech 32, so dass eine Beschädigung der ersten Ableiter 10 vermieden ist.
  • In einem darauffolgenden fünften Schritt V wird der hinsichtlich einer Stapelhochrichtung Z obere und/oder der hinsichtlich der Stapelhochrichtung Z untere erste Ableiter 10, mit einer elektrisch isolierenden Schutzfolie 34 versehen.
  • Die Schutzfolie 34 überragt dabei die ersten Ableiter 10 in einer zur Längsrichtung L und zur Stapelrichtung S quer orientierten Querrichtung Q. Die Schutzfolie stehen also den Ableitern 10 seitlich über. Für einen vergleichsweise sicheren Halt sind die Schutzfolien 34 ebenfalls abschnittsweise, insbesondere endseitig hinsichtlich der Längsrichtung, auf der Oberseite 36 des Elektrodenstapels bzw. auf der Unterseite 38 des Elektrodenstapel befestigt, insbesondere angeklebt. Mit anderen Worten erstreckt sich die Schutzfolie 34 an der Oberseite 36 bzw. an der Unterseite 38 des Elektrodenstapels 4 jeweils über den Bereich der Kante des Elektrodenstapels 16, an welcher der jeweilige Ableiter 10 angeordnet ist.
  • Unter der Oberseite 36 ist dabei die hinsichtlich der Stapelrichtung S obere Seite des Elektrodenstapels 16 und unter der Unterseite 38 die hinsichtlich der Stapelrichtung S untere Seite des Elektrodenstapels 16 zu verstehen. Die Oberseite 36 und die Unterseite 38 sind als senkrecht zur Stapelrichtung S orientiert.
  • Als Schutzfolie 34 wird insbesondere ein Schweißband verwendet.
  • Die auf der Oberseite 36 angebrachte Schutzfolie 34 ist beispielsweise in der 5 erkennbar.
  • In einem darauffolgenden sechsten Schritt VI, vgl. auch 5, wird das mit den ersten Ableitern 10 verschweißte Kontaktblech 30 durch eine in Längsrichtung L durchgehende Durchführung 40 eines Stopperrahmens 42 geführt. Mit anderen Worten wird der Stopperrahmen 42 über das Kontaktblech 30 und die Ableiter 10 geschoben, so dass das Kontaktblech 30 und die Ableiter 10 die Durchführung 40 des Stopperrahmens 42 durchragen.
  • Der Stopperrahmen 42 wird an der ersten Stirnseite 18 angeordnet. Dabei wird der Stopperrahmen 42 auf den Elektrodenstapel 4 aufgeschoben. Der Stopperrahmen 42 wird an der ersten Stirnseite 18 angeordnet, so dass der Stopperrahmen 42 den Elektrodenstapel 16 hinsichtlich der Längsrichtung L abdeckt.
  • Der Stopperrahmen 42, der Zellboden 22 sowie der Elektrodenstapel 16 werden anschließend anhand einer, zweckmäßig elektrisch isolierenden, Fixierfolie 44 zueinander fixiert. Hierzu wird die Fixierfolie um den Elektrodenstapel und um die parallel zur Längsrichtung L orientierten Seitenflächen 46 des Zellbodens 22 und des Stopperrahmens 42 mit der Fixierfolie 44 umwickelt, vgl. auch 6. Beispielsweise wird die Fixierfolie 44 anhand eines Klebebandes 30 nach dem Wickelvorgang fixiert. Zudem wird die Fixierfolie 44 mit dem Zellboden 22 und mit dem Stopperrahmen 42 an deren parallel zur Längsrichtung L orientierten Seitenflächen 46 verschweißt oder durch heißverstemmen gefügt.
  • In einem darauffolgenden siebten Schritt VII wird ein Gehäusemantel 48 des Zellgehäuses 24 über das Kontaktblech 30, über den Stopperrahmen 42 und über den Elektrodenstapel 4 geschoben, vgl. auch 7. Der Gehäusemantel 48 umfasst dabei den Zellinnenraum, bildet also die parallel zur Längsrichtung L orientierten Seitenwände des Zellgehäuses 24. Der Gehäusemantel 48 ist also als Hohlprisma (Hohlzylinder mit rechteckiger Grundfläche) ausgebildet.
  • Der Elektrodenstapel 4 sowie der Stopperrahmen 42 wird im Gehäusemantel 48 angeordnet, also innerhalb des vom Gehäusemantel 48 umfassten Raumbereichs aufgenommen.
  • In einem darauffolgenden achten Schritt VIII wird das Kontaktblech 30 mit einem Kontaktelement 26 eines Zelldeckels 50 laserverschweißt, vgl. auch 8. Das Kontaktelement 26 bildet dabei ein Terminal der Batteriezelle 2, also ist das Kontaktelement 26 von außerhalb der Batteriezelle 2 elektrisch und/oder mechanisch kontaktierbar, vgl. 11. Das Verschweißen des Kontaktblechs 30 erfolgt also an einer Zellinnenseite des Kontaktelements 26.
  • Zusammenfassend ist das Kontaktelement 26 mittels des Kontaktblechs 30 elektrisch leitend mit den ersten Ableitern 10 verbunden.
  • Der Zelldeckel 50 ist dabei ein Zusammenbau ausgebildet, also ist dieser vormontiert. Der Zelldeckel muss also lediglich befestigt werden.
  • In einem darauffolgenden neunten Schritt IX die aus dem Verschweißen des Kontaktblechs 30 mit dem Kontaktelement 26 resultierende Schweißnaht 52 mit einer weiteren Schutzfolie 54 abgedeckt, vgl. auch 9 Insbesondere wird die das gesamte Kontaktblech 30 auf dessen Zellinnenseite sowie das Opferblech 32 mit der weiteren Schutzfolie 54 beklebt. Auf diese Weise ist eine Beschädigung der ersten Ableiter 10 insbesondere aufgrund von Schweißrückständen oder aufgrund der Schweißnaht 52 selbst vermieden.
  • In einem darauffolgenden zehnten Schritt X wird der Zelldeckel 50 auf der Freiendseite 56 des Gehäusemantels 48 angeordnet, vgl. auch 10. Folglich liegt der Zelldeckel 50 auf der Freiendseite 56 auf. Unter der Freiendseite 56 ist dabei die senkrecht zur Längsrichtung L, somit senkrecht zur Erstreckungsrichtung bzw. Mittelachse des Gehäusemantels 48, orientierte Seitenfläche des Gehäusemantels 48 zu verstehen.
  • Also wird der Zelldeckel 50 derart angeordnet, dass er den Stopperrahmen 42 sowie die erste Stirnseite 18 des Elektrodenstapels 16 verdeckt. Der Zelldeckel 50 verschließt also die Öffnung 58 des Gehäusemantels 48. Hierzu werden die ersten Ableiter 10, insbesondere in deren nicht kompaktierten Bereich entsprechend gebogen, insbesondere um- und/oder eingeschlagen. Die derart gebogenen ersten Ableiter sind insbesondere in der Schnittansicht gemäß der 11 durch den am Gehäusemantel 48 angeordneten Zelldeckel 50 erkennbar. Zusammenfassend wird die Innenseite des Kontaktelements, also Zellinnenseite des Kontaktelements 26, an welcher das Kontaktblech 30 angeschweißt ist, aufgrund des Biegens zur ersten Stirnseite 18 hin gekippt.
  • In analoger Weise wird der Zellboden 22 auf der anderen Freiendseite 56 des Gehäusemantels 48 angeordnet.
  • Zweckmäßig wird der Zellboden 22 und der Zelldeckel 50 mit dem Gehäusemantel 48 verschweißt, insbesondere fluiddicht laserverschweißt, so dass ein quaderförmiges Zellgehäuse gebildet wird.
  • Zweckmäßiger Weise wird die Batteriezelle 2 anschließend durch eine im Zelldeckel 50 angeordnete Befüllöffnung 60 mit einem Elektrolyt befüllt. Die Befüllöffnung 60 wird beispielsweise anschließend mit einem Stift, insbesondere aus einem Elastomer, verschlossen. Die Befüllöffnung 60 und der darin aufgenommene Stift wird anschließend beispielsweise von einer Abdeckung, insbesondere aus Metall, abgedeckt und an die Außenwand des Zelldeckels 50 angeschweißt. Somit wird die Befüllöffnung 60 dichtend verschlossen.
  • In nicht näher dargestellter Weise weist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere dessen Traktionsbatterie, die Batteriezelle 2 auf.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können hieraus im Rahmen der Ansprüche auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel und/oder in den Ansprüchen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Batteriezelle
    4
    Einzelstapel
    6
    erste Elektrode
    8
    zweite Elektrode
    10
    Ableiter einer ersten Elektrode
    12
    Ableiter einer zweiten Elektrode
    14
    Fixierband
    16
    Elektrodenstapel
    18
    erste Stirnseite
    20
    zweite Stirnseite
    22
    Zellboden
    24
    Zellgehäuse
    26
    Kontaktelement/Terminal
    28
    Ultraschallwerkzeug
    30
    Kontaktblech
    32
    Opferblech
    34
    Schutzfolie
    36
    Oberseite des Elektrodenstapels
    38
    Unterseite des Elektrodenstapels
    40
    Durchführung
    42
    Stopperrahmen
    44
    Fixierfolie
    46
    Seitenfläche
    48
    Gehäusemantel
    50
    Zelldeckel
    52
    Schweißnaht
    54
    weitere Schutzfolie
    56
    Freiendseite
    58
    Öffnung
    60
    Befüllöffnung
    L
    Längsrichtung
    Q
    Querrichtung
    S
    Stapelhochrichtung/Stapelrichtung
    I
    Bilden des Elektrodenstapels
    II
    Anbringen der Ableiter der zweiten Elektroden an den Zellboden
    III
    Kompaktieren und Zuschneiden der ersten Ableiter
    IV
    Verschweißen der Ableiter mit dem Kontaktblech
    V
    Anbringen von Schutzfolien
    VI
    Anbringen des Stopperrahmens an der ersten Stirnseite
    VII
    Aufschieben des Gehäusemantels
    VIII
    Verschweißen des Kontaktblechs mit dem Kontaktelement des Zelldeckels
    IX
    Abdecken der Schweißnaht
    X
    Verschließen des Gehäusemantels

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer prismatischen Batteriezelle (2), - wobei ein Elektrodenstapel (16) mit übereinander gestapelten ersten Elektroden (6) und zweiten Elektroden (8) bereitgestellt wird, wobei Ableiter (10) der ersten Elektroden (6) einer Stirnseite (18) der Elektrodenanordnung (16) emporstehen, - wobei die Ableiter (10) der ersten Elektroden (6) kompaktiert werden, - wobei die kompaktierten Ableiter (10) mit einem Kontaktblech (30) verschweißt werden, und - wobei das Kontaktblech (30) mit einem Kontaktelement (26) eines Zelldeckels (50) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Ableitern (10) verschweißte Kontaktblech (30) zeitlich vor dessen Verschweißen mit dem Kontaktelement (26) durch eine Durchführung (40) eines Stopperrahmens (42) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Elektrodenstapels (16) zwei zueinander separate Einzelstapel (4) aufeinandergestapelt werden, die jeweils übereinander gestapelte und zueinander fixierte erste Elektroden (6) und zweite Elektroden (8) aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hinsichtlich einer Stapelhochrichtung (S) obere und/oder der hinsichtlich der Stapelhochrichtung (S) untere Ableiter (10) mit einer, insbesondere elektrisch isolierenden, Schutzfolie (34) versehen werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopperrahmen (42) an der Stirnseite (18) angeordnet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenstapel (16) und der Stopperrahmen (42) anhand einer Fixierfolie (44) zueinander fixiert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusemantel (48) eines Zellgehäuses (24) über das Kontaktblech (30) und über den Elektrodenstapel (4) geschoben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zelldeckel (50) auf der Freiendseite (56) des Gehäusemantels (48) angeordnet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Verschweißen des Kontaktblechs (30) mit dem Kontaktelement (26) resultierende Schweißnaht (52) mit einer weiteren Schutzfolie (54) abgedeckt wird.
  9. Batteriezelle (2), hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Batteriezelle (2) nach Anspruch 9.
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