WO2024046868A2 - Batterie mit urgeformtem gehäuse - Google Patents

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WO2024046868A2
WO2024046868A2 PCT/EP2023/073260 EP2023073260W WO2024046868A2 WO 2024046868 A2 WO2024046868 A2 WO 2024046868A2 EP 2023073260 W EP2023073260 W EP 2023073260W WO 2024046868 A2 WO2024046868 A2 WO 2024046868A2
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Tobias JANSEN
Lukas Kwoczek
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Volkswagen AG
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    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
    • B29C45/14467—Joining articles or parts of a single article
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    • H01M50/609—Arrangements or processes for filling with liquid, e.g. electrolytes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/34—Electrical apparatus, e.g. sparking plugs or parts thereof
    • B29L2031/3468—Batteries, accumulators or fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/712—Containers; Packaging elements or accessories, Packages
    • B29L2031/7146—Battery-cases

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a battery and a battery produced using such a method.
  • a battery is an electrochemical-based storage device for electrical energy. When discharged, stored chemical energy is converted into electrical energy by an electrochemical redox reaction.
  • batteries are understood to mean both so-called primary batteries, which are only intended for a single discharge and not for recharging, and so-called secondary batteries or accumulators, which are intended for multiple charging and are designed accordingly.
  • Charging a secondary battery represents the electrolytic reversal of the electrochemical redox reaction that occurs during discharge, which is realized by applying an electrical voltage.
  • a battery includes one or more battery elements arranged within an enclosure, usually in the form of a foil covering or housing, often referred to as a “pouch”.
  • the battery elements each comprise two electrodes, a separator arranged between the electrodes for electrically separating the electrodes and an electrolyte serving as an ion conductor.
  • the two electrodes of a battery element differ in terms of the active material they contain, whereby one of the electrodes is anodic and the other is cathodic (in each case related to discharging of the battery cell).
  • a battery usually comprises two battery poles which are integrated into the casing and which are electrically conductively connected to the electrodes on the inside of the casing via so-called current conductors. All anodically active electrodes are connected to one of the battery poles and the cathodically active electrodes are connected to the other battery pole.
  • a design of a battery with a housing can have the advantage of a higher structural load capacity of the battery compared to batteries with a film wrapping.
  • a battery housing is often made of a metal, in particular aluminum, in order to achieve a sufficiently high structural strength and thus resilience while at the same time being easy to produce and cost-effective in conjunction with a relatively low weight.
  • a composite that includes the battery element(s) is introduced into a partially prefabricated housing (so-called housing cup), which also has at least one housing opening, which is then closed by means of a lid.
  • the at least one cover is usually welded to the housing cup.
  • the DE 102018217253 A1 discloses a method for producing a battery module for a traction battery.
  • the method includes arranging a plurality of memory cells to form a cell stack, with a first printing plate and a second printing plate, which has a pocket-like depression, being arranged at the ends of the cell stack. At least one tension band spanning the cell stack is then arranged in such a way that the two band ends of this tension band are located on the pocket-like recess of the second pressure plate. Finally, the cell stack is pressed in a closing device, with the band ends of the tension band being pressed into the pocket-like recess and the pocket-like recess being sprayed out with plastic or adhesive to permanently fix the band ends.
  • DE 102012 103 149 A1 discloses a method for housing at least one traction battery for an electric vehicle in a housing that is open on one side, this housing being injection molded from plastic.
  • the invention is based on the object of simplifying the production of a battery with a housing.
  • a method for producing a battery in particular a lithium-ion battery and/or a battery intended as a traction battery of a motor vehicle.
  • the battery to be produced comprises at least one battery element assembly with one battery element or, preferably, several battery elements, and a housing (completely) surrounding the battery element assembly. It is envisaged that the housing is formed at least partially, preferably completely, by primary molding while simultaneously enclosing the battery element assembly.
  • Primary molding is understood to be a manufacturing process in which a solid body that has a geometrically defined shape is produced from a shapeless substance/material.
  • the original molding can preferably take place as part of a casting process, in particular an injection molding process.
  • production can also be provided in a material bath into which at least the battery element composite is inserted, with the material of the material bath subsequently being hardened.
  • the method according to the invention enables a battery to be produced simply and cost-effectively. This applies in particular if, as is particularly preferred, the housing is formed at least partially, if necessary completely, from at least one plastic, in particular a thermoplastic.
  • the housing is only partially formed by primary molding while simultaneously enclosing the battery element assembly, it can be provided that the housing is partially prefabricated and thus already has a corresponding, in particular final, shape when encapsulated, with this prefabrication of at least part of the housing also being preferred can be done by primary molding, in particular by (injection) casting.
  • primary molding in particular by (injection) casting.
  • two half-shells of the housing are prefabricated and then a seam between the half-shells is filled in a master molding process and the half-shells are connected in the process.
  • an additional, external housing layer can be created around the half-shells by primary molding.
  • the at least one battery element of a battery to be produced according to the invention comprises (each) two electrodes, a separator arranged between the electrodes for electrically separating the electrodes and an electrolyte serving as an ion conductor between the electrodes.
  • This electrolyte can be liquid or solid and, particularly in the case of a solid design, can also function as a separator.
  • a battery to be produced according to the invention can further comprise a first battery pole and a second battery pole, the battery poles being provided for electrically connecting the battery to an external circuit.
  • the battery poles can be integrated into the housing in such a way that a first section of them is arranged outside the housing and is therefore accessible for connection to the external circuit, while a second section located within the casing serves for an electrical connection to the battery elements.
  • a first electrode of the (each) battery element(s) is electrically connected to the first battery pole and a second electrode of the (each) battery element(s) is electrically connected to the second battery pole.
  • the battery element assembly of a battery to be produced according to the invention itself preferably does not include a (dimensionally stable) housing.
  • the battery element assembly can preferably also comprise at least one deformation element.
  • This is understood to mean a component that is intended (primarily or exclusively) to compensate for different expansions of the electrodes and/or separators on the one hand and of the housing on the other hand through deformation. This makes it possible to always position the electrodes and separators within the housing without play and at the same time to avoid excessive pressure on these components as a result of a greater expansion compared to the housing.
  • the battery element composite can further comprise at least one (not dimensionally stable) casing, in particular made of a film.
  • the covering can (at least) partially or completely surround the electrodes and separators.
  • Such a covering can serve in particular to keep a plurality of electrodes and separators fixed to one another. Furthermore, such a covering can also serve as protection for these relatively sensitive components.
  • the casing can also advantageously be designed in such a way that it serves as a moisture barrier, which can be particularly relevant in the preferred embodiment of the housing made partially or completely from one or more plastics, which may enable relevant moisture diffusion.
  • the casing can be partially or completely made of a metal, for example aluminum.
  • the housing is preferably designed to be dimensionally stable.
  • a housing is considered “dimensionally stable” if its three-dimensional shape does not collapse due to its own weight without external load.
  • such a housing can be designed to be dimensionally stable in such a way that it does not collapse when exposed to external forces that occur during normal use of the battery and, particularly preferably, is not deformed to any relevant extent.
  • the housing can be designed in such a way that it is finally sealed in a gas-tight manner, which can have a positive effect on the performance and operational safety of the battery.
  • the housing can preferably have a cuboid shape, which enables the battery to be used advantageously in terms of the space required.
  • a cuboid housing has a length, width and height, with the length being the largest according to the invention. the width is the middle and the height is the smallest of the (edge) dimensions (if there are corresponding differences).
  • the housing then comprises two large sides, which are spanned by the length and the width, two long sides, which are spanned by the length and the height, and two front sides, which are spanned by the width and the height.
  • Battery poles of the battery can preferably be integrated into one or both of the end faces.
  • a plastic used to form the housing or at least one of several plastics used for this purpose is reinforced with reinforcing elements, whereby a structurally highly resilient housing can advantageously be produced.
  • a reinforced (composite) plastic comprises a plastic matrix and the reinforcing elements arranged within the plastic matrix, which can preferably be in the form of fibers.
  • the reinforcing elements can be made of any material, with those made of carbon and/or glass being preferred.
  • the housing is manufactured in such a way that it comprises a first housing layer made of the reinforced plastic and a second housing layer made of another of the plastics, whereby a housing with particularly advantageous properties can be realized.
  • a material comprising the reinforcing elements is arranged on the outside of the battery element composite and this is then impregnated with the matrix plastic (to form the plastic matrix).
  • the matrix plastic After the matrix plastic has at least partially and preferably completely hardened, the first housing layer can then be surrounded (partially or completely) with the further plastic to form the second housing layer.
  • the housing is formed partially or completely from at least one metal, for example aluminum.
  • a partial configuration made of at least one metal can particularly preferably be realized finally by applying a metallic coating, for example by means of an electrolytic immersion bath or by chrome plating.
  • a metallic coating for example by means of an electrolytic immersion bath or by chrome plating.
  • the use of such a tool shape enables a defined positioning of the battery element assembly and also the battery poles during the at least partial formation of the housing by primary molding. If the tool mold is heated, this can also accelerate the hardening of the housing material or, in principle, have a positive influence.
  • the use of a tool mold enables the fundamentally preferred realization of a housing in a simple manner, which is provided with structuring on the inside and/or outside, ie with specifically provided and defined projections and depressions.
  • Such a structuring, in particular with relatively small projections and depressions (“rough structure”) can serve, for example, to achieve relatively good heat transfer between the housing and a cooling medium flowing around the housing.
  • the structuring can also have projections and depressions which are intended for a targeted interaction with adjacent components, for example corresponding batteries, in order to position these components in a defined manner relative to one another and/or to connect them to one another.
  • adjacent components for example corresponding batteries
  • a through opening is formed in the housing during or after the formation of the housing.
  • An electrolyte can preferably be introduced into the housing via this through opening after the housing has been formed in order to complete the at least one battery element of the battery element assembly.
  • the through opening can then be closed with an (otherwise functional) cover or a pressure relief valve, which opens at a defined excess pressure within the housing, in order to realize a preferably gas-tight housing.
  • Fig. 1 a battery produced by a method according to the invention
  • Fig. 2 a longitudinal section through the battery. 1 and 2 show an example of a battery 1 produced by a method according to the invention.
  • the battery 1 comprises a cuboid housing 2 and a battery element assembly 3 arranged within the housing 2.
  • the battery element assembly 3 comprises a plurality of battery elements. Electrodes 4 and separators 5 of the battery elements are stacked in the form of a so-called electrode-separator composite (ESV) 6.
  • ESV electrode-separator composite
  • This comprises, in an alternating arrangement, a plurality of first (4a) of the electrodes 4, which function as anodes when the battery 1 is discharged, and a plurality of second (4b) of the electrodes 4, which function as cathodes when the battery 1 is discharged.
  • a first electrode 4a is arranged between two second electrodes 4b and a second electrode 4b between two first electrodes 4a.
  • Adjacent electrodes 4 are each spatially separated by one of the separators 5 and are therefore electrically insulated from one another.
  • a first electrode 4a and a second electrode 4b as well as a separator 5 arranged between them each form a battery element.
  • each of the electrodes 4 is functionally part of two battery elements, with the exception of the two electrodes 4 located furthest outside in the stack or the ESV 3.
  • the battery elements further comprise an electrolyte.
  • the separators 5 are soaked with the liquid electrolyte.
  • the electrolyte allows ions to be conducted between adjacent electrodes 4 via the separator 5 located in between.
  • Each of the electrodes 4 comprises a flat, film-shaped substrate 7, which can be made, for example, of copper for the first electrodes 4a provided as anodes and of aluminum for the second electrodes 4b provided as cathodes.
  • the two large surfaces of each of the electrodes 4 located in the stacking direction of the ESV 6 are provided with a coating made of an active material 8 in order to enable the various electrodes 4a, 4b to act as anodes or cathodes during use of the battery 1.
  • these and the corresponding square-shaped separators 5 are stacked, which results in the cuboid shape of the ESV 6.
  • each electrode 4 On a transverse side of the rectangular section of each electrode 4, an area of the substrate 7 is provided in which it is not provided with the coating made of the respective active material 8. This area of the electrodes 4 serves as a current conductor 9, via which the individual electrodes 4 are electrically connected to an associated battery pole 10 of the battery 1 are conductively connected.
  • the current collectors 9a of all first electrodes 4a summarized as a current collector stack, are connected to a first (10a) of the battery poles 10 and the current collectors 8b of all second electrodes 4b, also summarized as a current collector stack, are connected to a second (10b) of the battery poles 10 .
  • the battery poles 10 are integrated into the housing 2 in such a way that a connection section thereof is accessible on the outside in order to be able to electrically contact the battery 1 externally.
  • the two battery poles 10 are arranged on the opposite end faces of the cuboid housing 2.
  • the battery element assembly 3 also includes two deformation elements 13, one of which is arranged adjacent to one of the large sides of the ESV 6.
  • the battery element assembly 3 includes a casing 11 which surrounds the ESV 6 and the deformation elements 13 on the large and long sides of the ESV 6, but not on the end faces.
  • the casing 11 can be provided as a prefabricated tube in which the ESV 6 is positioned.
  • a film material can be wrapped around the ESV 6 to form the covering 11.
  • the casing 11 consists of a material that contracts when heated to a defined extent, a close contact between the casing 11 and the ESV 6 can be achieved in a relatively simple manner by using the material of the casing 11 is heated accordingly after the casing 11 has been arranged surrounding the ESV 6.
  • the components of the ESV 6 and the deformation elements 13 can be positioned immovably relative to one another.
  • the covering 11 can serve as contact protection for the relatively sensitive components of the ESV 6, in particular also for the separators 5, which may be made of a relatively brittle material.
  • the housing 2 of the battery 1 comprises a first, internal housing layer 2a made of a fiber-reinforced plastic and a second, external housing layer 2b made of another plastic.
  • a flat material for example a fabric or braid or a non-woven fabric, made of reinforcing fibers, for example glass fibers, can be wound around at least the large sides and the long sides of the cuboid battery element composite 3.
  • These fiber mats can be impregnated with a matrix plastic, for example a mixture of a plastic resin and a hardener, when the battery element composite 3 is wrapped around it, or such impregnation only takes place afterwards.
  • the matrix plastic is then hardened, which can be supported by irradiation with, for example, UV or heat radiation.
  • the second housing layer 2b can be formed by overmolding the first housing layer 2a with the additional plastic as part of an injection molding process.
  • a tool mold (not shown) can preferably be used, in which the battery element assembly 3 and the battery poles 10 are positioned immovably in a defined manner for the (partial) encapsulation with the additional plastic.
  • the second housing layer 2b is produced in two (injection molding) steps by first producing a first half-shell and then a second half-shell of the second housing layer 2b.
  • the electrolyte 6 can be introduced into the housing 2, for which purpose it has a through opening 12 on one of the housing sides.
  • This through opening 12 can be formed in that a core or placeholder keeps the corresponding volume free during the production of the housing 2 and thus prevents this volume from being filled with the plastics from which the housing is formed.
  • the through opening 12 can also be subsequently introduced into the housing 2 by, for example, drilling or laser cutting.
  • the through opening 11 is closed by attaching a cover (not shown) or a pressure relief valve (not shown).
  • a coating made of a metal can be applied to the outside of the second housing layer 2b.
  • Electrode separator composite ESV

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1), die einen Batterieelementeverbund (3) mit einem oder mehreren Batterieelementen und ein den Batterieelementeverbund (3) umgebendes Gehäuse (2) umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise durch Urformen bei gleichzeitiger Umhausung des Batterieelementeverbunds (3) ausgebildet wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Batterie mit urgeformtem Gehäuse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie und eine mittels eines solchen Verfahrens hergestellte Batterie.
Eine Batterie ist ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis, bei deren Entladung gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Redoxreaktion in elektrische Energie gewandelt wird. Im Kontext der Erfindung werden als Batterien sowohl sogenannte Primärbatterien, die nur für eine einmalige Entladung und nicht für ein erneutes Laden vorgesehen sind, als auch sogenannte Sekundärbatterien beziehungsweise Akkumulatoren, die für ein mehrfaches Laden vorgesehen und entsprechend ausgelegt sind, verstanden. Ein Laden einer Sekundärbatterie stellt dabei die elektrolytische Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden elektrochemischen Redoxreaktion dar, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung realisiert wird.
Eine Batterie umfasst eine oder, üblicherweise, mehrere Batterieelemente, die innerhalb einer Umhüllung, üblicherweise in Form einer häufig als „Pouch“ bezeichneten Folienumhüllung oder eines Gehäuses, angeordnet sind. Die Batterieelemente umfassen jeweils zwei Elektroden, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator zur elektrischen Separierung der Elektroden und einen als lonenleiter dienenden Elektrolyten. Die zwei Elektroden eines Batterieelements unterschieden sich hinsichtlich eines umfassten Aktivmaterials, wodurch eine der Elektroden anodisch und die andere kathodisch wirksam ist (jeweils bezogen auf ein Entladen der Batteriezelle). Weiterhin umfasst eine Batterie üblicherweise zwei Batteriepole, die in die Umhüllung integriert sind und die innenseitig der Umhüllung über sogenannte Stromableiter mit den Elektroden elektrisch leitend verbunden sind. Dabei sind alle anodisch wirksamen Elektroden mit einem der Batteriepole und die kathodisch wirksamen Elektroden mit dem anderen der Batteriepole verbunden.
Eine Ausgestaltung einer Batterie mit einem Gehäuse kann den Vorteil einer im Vergleich zu Batterien mit einer Folienumhüllung höheren strukturellen Belastbarkeit der Batterie aufweisen. Häufig wird ein Gehäuse einer Batterie aus einem Metall, insbesondere Aluminium, ausgestaltet, um eine ausreichend hohe strukturelle Festigkeit und damit Belastbarkeit bei gleichzeitig guter und kostengünstiger Herstellbarkeit in Verbindung mit einem relativ geringen Gewicht zu realisieren. Üblicherweise wird im Rahmen der Herstellung einer Batterie mit Gehäuse ein Verbund, der das oder die Batterieelemente umfasst, in ein teilweise vorgefertigtes Gehäuse (sogenannter Gehäusebecher) eingebracht, das hierzu noch mindestens eine Gehäuseöffnung aufweist, die abschließend mittels eines Deckels verschlossen wird. Bei einem Gehäuse aus Metall wird der mindestens eine Deckel üblicherweise mit dem Gehäusebecher verschweißt. Diese Art der Herstellung einer Batterie ist mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Dies gilt insbesondere auch für das Einbringen des Batterieelementeverbunds in den Gehäusebecher, was mit großer Genauigkeit und Sorgfalt erfolgen muss, um eine Beschädigung der empfindlichen Komponenten des Batterieelementeverbunds sicher zu vermeiden.
Die DE 102018217253 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Batteriemoduls für eine Traktionsbatterie. Das Verfahren umfasst das Anordnen mehrerer Speicherzellen zu einem Zellstapel, wobei an den Enden des Zellstapels eine erste Druckplatte und eine zweite Druckplatte, die eine taschenartige Vertiefung aufweist, angeordnet werden. Anschließend erfolgt ein Anordnen wenigstens eines den Zellstapel umspannenden Spannbands derart, dass sich die beiden Bandenden dieses Spannbands an der taschenartigen Vertiefung der zweiten Druckplatte befinden. Abschließend erfolgt ein Verpressen des Zellstapels in einer Schließeinrichtung, wobei die Bandenden des Spannbands in die taschenartige Vertiefung gedrückt werden und die taschenartige Vertiefung zur dauerhaften Fixierung der Bandenden mit Kunst- oder Klebstoff ausgespritzt wird.
Die DE 102019218201 A1 beschreibt Batterien, deren Gehäuse als Kunststoffspritzgussbauteile ausgestaltet sein können.
Die DE 102012 103 149 A1 offenbart ein Verfahren zum Einhausen wenigstens einer Traktionsbatterie für ein Elektrofahrzeug in ein einseitig offenes Gehäuse, wobei dieses Gehäuse aus Kunststoff spritzgegossen wurde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Herstellung einer Batterie mit einem Gehäuse zu vereinfachen.
Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und bei einer Batterie, die mittels eines solchen Verfahrens hergestellt wurde, gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und damit auch bevorzugte Ausgestaltungsformen einer entsprechenden Batterie sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie, insbesondere einer Lithium- lonen-Batterie und/oder einer als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batterie vorgesehen. Die herzustellende Batterie umfasst zumindest einen Batterieelementeverbund mit einem Batterieelement oder, vorzugsweise, mehreren Batterieelementen, und ein den Batterieelementeverbund (vollständig) umgebendes Gehäuse. Vorgesehen ist, dass das Gehäuse zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig durch Urformen bei gleichzeitiger Umhausung des Batterieelementeverbunds ausgebildet wird. Als „Urformen“ wird dabei ein Fertigungsverfahren verstanden, bei dem aus einem formlosen Stoff/Material ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Das Urformen kann vorzugsweise im Rahmen eines Gießprozesses, insbesondere Spritzgießprozesses erfolgen. Alternativ kann auch eine Herstellung in einem Materialbad, in das zumindest der Batterieelementeverbund eingelegt wird, wobei das Material des Materialbads anschließend ausgehärtet wird, vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Batterie. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie dies besonders bevorzugt vorgesehen ist, das Gehäuse zumindest teilweise, gegebenenfalls vollständig aus mindestens einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, ausgebildet wird.
Sofern das Gehäuse nur teilweise durch Urformen bei gleichzeitiger Umhausung des Batterieelementeverbunds ausgebildet wird, kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse teilweise vorgefertigt wird und somit bei einer Einhausung schon eine entsprechende, insbesondere abschließende Formgebung aufweist, wobei auch dieses Vorfertigen von zumindest einem Teil des Gehäuses vorzugsweise durch ein Urformen, insbesondere durch (Spritz-)Gießen, erfolgen kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass zwei Halbschalen des Gehäuses vorgefertigt und anschließend eine Nahtstelle zwischen den Halbschalen in einem Urformprozess ausgefüllt wird und die Halbschalen dabei verbunden werden. Alternativ kann eine zusätzliche, außen liegende Gehäuselage um die Halbschalen durch Urformen erzeugt werden.
Das mindestens eine Batterieelement einer erfindungsgemäß herzustellenden Batterie umfasst (jeweils) zwei Elektroden, einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator zur elektrischen Separierung der Elektroden und einen als lonenleiter zwischen den Elektroden dienenden Elektrolyten. Dieser Elektrolyt kann flüssig oder fest ausgestaltet sein und, insbesondere bei einer festen Ausgestaltung, auch als Separator fungieren. Eine erfindungsgemäß herzustellende Batterie kann weiterhin einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol umfassen, wobei die Batteriepole zur elektrischen Anbindung der Batterie an einen externen Stromkreis vorgesehen sind. Dazu können die Batteriepole derart in das Gehäuse integriert sein, dass ein erster Abschnitt davon außerhalb des Gehäuses angeordnet und dadurch für eine Anbindung an den externen Stromkreis zugänglich ist, während ein zweiter, innerhalb der Umhüllung liegender Abschnitt einer elektrischen Verbindung mit den Batterieelementen dient. Dabei ist eine erste Elektrode des (jedes) Batterieelement(s) mit dem ersten Batteriepol und eine zweite Elektrode des (jedes) Batterieelement(s) mit dem zweiten Batteriepol elektrisch verbunden. Der Batterieelementeverbund einer erfindungsgemäß herzustellenden Batterien umfasst selbst vorzugsweise kein (formstabiles) Gehäuse.
Der Batterieelementeverbund kann vorzugsweise noch mindestens ein Deformationselement umfassen. Hierunter wird eine Komponente verstanden, die (primär oder ausschließlich) dafür vorgesehen ist, unterschiedliche Ausdehnungen der Elektroden und/oder Separatoren einerseits und des Gehäuses andererseits durch eine Deformation auszugleichen. Dies ermöglicht, die Elektroden und Separatoren stets spielfrei innerhalb des Gehäuses zu positionieren und gleichzeitig einen zu hohen Druck auf diese Komponenten infolge einer größeren Ausdehnung im Vergleich zu dem Gehäuse zu vermeiden.
Der Batterieelementeverbund kann weiterhin mindestens eine (nicht formstabile) Umhüllung, insbesondere aus einer Folie, umfassen. Die Umhüllung kann dabei (zumindest) die Elektroden und Separatoren teilweise oder vollständig umgeben. Eine solche Umhüllung kann insbesondere dazu dienen, eine Mehrzahl der Elektroden und Separatoren zueinander fixiert zu halten. Weiterhin kann eine solche Umhüllung auch als Schutz für diese relativ empfindlichen Komponenten dienen. Die Umhüllung kann weiterhin vorteilhaft derart ausgestaltet sein, dass diese als Feuchtigkeitsbarriere dient, was insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung des Gehäuses teilweise oder vollständig aus einem oder mehreren Kunststoffen, die gegebenenfalls eine relevante Feuchtigkeitsdiffusion ermöglichen, relevant sein kann. Insbesondere hierfür kann die Umhüllung teilweise oder vollständig aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, ausgestaltet sein.
Das Gehäuse wird vorzugsweise formstabil ausgestaltet. Als „formstabil“ gilt dabei ein Gehäuse, wenn dessen dreidimensionale Form ohne externe Belastung nicht infolge der eigenen Gewichtskraft kollabiert. Vorzugsweise kann ein solches Gehäuse derart formstabil ausgestaltet sein, dass dieses bei einer Belastung durch externe Kräfte, die bei einer normalen Nutzung der Batterie auftreten, nicht kollabiert und, besonders bevorzugt, auch nicht in einem relevanten Maße deformiert wird. Das Gehäuse kann derart ausgestaltet sein, dass dieses abschließend gasdicht verschlossen ist, was sich positiv hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und der Betriebssicherheit der Batterie auswirken kann.
Das Gehäuse kann vorzugsweise eine Quaderform aufweisen, was eine hinsichtlich des benötigten Platzbedarfs vorteilhafte Nutzung der Batterie ermöglicht. Ein quaderförmiges Gehäuse weist eine Länge, Breite und Höhe auf, wobei erfindungsgemäß die Länge die größte, die Breite die mittlere und die Höhe die kleinste der (Kanten-)Abmessungen ist (sofern entsprechende Unterschiede vorliegen). Das Gehäuse umfasst dann zwei Großseiten, die durch die Länge und die Breite aufgespannt werden, zwei Längsseiten, die durch die Länge und die Höhe aufgespannt werden, sowie zwei Stirnseiten, die durch die die Breite und die Höhe aufgespannt werden. Batteriepole der Batterie können dabei vorzugsweise in eine oder in beide der Stirnseiten integriert sein.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein zur Ausbildung des Gehäuses genutzter Kunststoff oder mindestens einer von mehreren hierfür genutzter Kunststoffe mit Verstärkungselementen verstärkt ist, wodurch in vorteilhafter weise ein strukturell hoch belastbares Gehäuse hergestellt werden kann. Ein solcher verstärkter (Verbund-)Kunststoff umfasst eine Kunststoffmatrix sowie die innerhalb der Kunststoffmatrix angeordneten Verstärkungselemente, der vorzugsweise faserförmig vorliegen können. Die Verstärkungselemente können aus einem beliebigen Material ausgestaltet sein, wobei solche aus Kohlenstoff und/oder Glas bevorzugt genutzt werden.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse derart hergestellt wird, dass dieses eine erste Gehäuselage aus dem verstärkten Kunststoff und eine zweite Gehäuselage aus einem weiteren der Kunststoffe umfasst, wodurch ein Gehäuse mit besonders vorteilhaften Eigenschaften realisiert werden kann. Für die Herstellung einer Batterie mit einem solchen Gehäuse kann insbesondere vorgesehen sein, dass zur Ausbildung der ersten Gehäuselage ein die Verstärkungselemente umfassendes Material außenseitig des Batterieelementeverbunds angeordnet und dieses anschließend mit dem Matrixkunststoff (zur Ausbildung der Kunststoff matrix) getränkt wird. Nach einem zumindest teilweise und vorzugsweise vollständigen Aushärten des Matrixkunststoffs kann dann zur Ausbildung der zweiten Gehäuselage die erste Gehäuselage mit dem weiteren Kunststoff (teilweise oder vollständig) umgeben werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse teilweise oder vollständig aus mindestens einem Metall, beispielsweise Aluminium, ausgebildet wird. Eine teilweise Ausgestaltung aus mindestens einem Metall kann besonders bevorzugt abschließend durch das Aufbringen einer metallischen Beschichtung, beispielsweise mittels eines elektrolytischen Tauchbads oder durch Verchromen, realisiert werden. Dadurch kann bei der bevorzugten Ausgestaltung des Gehäuses, bei der dieses beziehungsweise ein Gehäusegrundkörper davon teilweise oder vollständig aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildet ist, eine Feuchtigkeitsdiffusion in das Gehäuseinnere verhindert werden. Das zumindest teilweise Ausbilden des Gehäuses durch Urformen kann vorzugsweise in einer Werkzeugform erfolgen, wodurch relativ einfach eine hohe Maßhaltigkeit für das Gehäuse realisiert werden kann. Zudem ermöglicht die Verwendung einer solchen Werkzeugform eine definierte Positionierung des Batterieelementeverbunds und auch der Batteriepole während der zumindest teilweisen Ausbildung des Gehäuses durch Urformen. Bei einer beheizten Ausgestaltung der Werkzeugform kann diese auch ein Aushärten des Gehäusematerials beschleunigen beziehungsweise grundsätzlich positiv beeinflussen. Weiterhin ermöglicht die Verwendung einer Werkzeugform auf einfache Art und Weise die grundsätzlich bevorzugt vorgesehene Realisierung eines Gehäuses, das innenseitig und/oder außenseitig mit einer Strukturierung, d.h. mit gezielt vorgesehenen und definiert ausgestalteten Vorsprüngen und Vertiefungen, versehen ist. Eine solche Strukturierung, insbesondere mit relativ kleinen Vorsprüngen und Vertiefungen („Rauhstruktur“), kann beispielsweise dazu dienen, einen relativ guten Wärmeübergang zwischen dem Gehäuse und einem das Gehäuse umströmenden Kühlmedium zu realisieren. Alternativ oder ergänzend kann die Strukturierung auch Vorsprünge und Vertiefungen aufweisen, die für eine gezielte Wechselwirkung mit angrenzenden Komponenten, beispielsweise entsprechenden Batterien, vorgesehen sind, um diese Komponenten definiert zueinander zu positionieren und/oder miteinander zu verbinden. Hierfür kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Vorsprung des Gehäuses einer ersten Batterie, gegebenenfalls klemmend beziehungsweise mit einer Presspassung, in eine Vertiefung des Gehäuses einer entsprechenden zweiten Batterie eingreift.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass bei oder nach der Ausbildung des Gehäuses eine Durchgangsöffnung in dem Gehäuse ausgebildet wird. Über diese Durchgangsöffnung kann vorzugsweise nach der Ausbildung des Gehäuses ein Elektrolyt in das Gehäuse eingebracht werden, um das mindestens eine Batterieelement des Batterieelementeverbunds zu vervollständigen. Die Durchgangsöffnung kann abschließend mit einem (ansonsten funktionslosen) Deckel oder einem Überdruckventil, das bei einem definierten Überdruck innerhalb des Gehäuses öffnet, verschlossen werden, um ein vorzugsweise gasdicht verschlossenes Gehäuse zu realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 : eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Batterie und
Fig. 2: einen Längsschnitt durch die Batterie. Die Fig. 1 und 2 zeigen beispielhaft eine durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Batterie 1.
Die Batterie 1 umfasst ein quaderförmigen Gehäuse 2 und einen innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Batterieelementeverbund 3. Der Batterieelementeverbund 3 umfasst mehrere Batterieelemente. Elektroden 4 und Separatoren 5 der Batterieelemente liegen gestapelt in Form eines sogenannten Elektroden-Separatoren-Verbunds (ESV) 6 vor. Dieser umfasst in wechselweiser Anordnung eine Mehrzahl von ersten (4a) der Elektroden 4, die bei einer Entladung der Batterie 1 als Anoden fungieren, und eine Mehrzahl von zweiten (4b) der Elektroden 4, die bei einer Entladung der Batterie 1 als Kathoden fungieren. Infolge der wechselweisen Anordnung der Elektroden 4 ist jeweils eine erste Elektrode 4a zwischen zwei zweiten Elektroden 4b und eine zweite Elektrode 4b zwischen zwei ersten Elektroden 4a angeordnet. Dabei sind benachbarte Elektroden 4 jeweils durch einen der Separatoren 5 räumlich getrennt und dadurch auch voneinander elektrisch isoliert. Jeweils eine erste Elektrode 4a und eine zweite Elektrode 4b sowie ein zwischen diesen angeordneter Separator 5 bilden ein Batterieelement aus. Infolge der Stapelung ergibt sich dabei, dass jede der Elektroden 4 mit Ausnahme der beiden in dem Stapel beziehungsweise dem ESV 3 am weitesten außen gelegenen Elektroden 4 funktional Bestandteil von zwei Batterieelementen ist.
Die Batterieelemente umfassen weiterhin einen Elektrolyten. Die Separatoren 5 sind dabei mit dem flüssigen Elektrolyten getränkt. Durch den Elektrolyten ist eine Leitung von Ionen zwischen benachbarten Elektroden 4 über den jeweils dazwischen liegenden Separator 5 möglich.
Jede der Elektroden 4 umfasst ein flächiges, folienförmiges Substrat 7, das beispielsweise bei den als Anoden vorgesehenen ersten Elektroden 4a aus Kupfer und bei den als Kathoden vorgesehenen zweiten Elektroden 4b aus Aluminium ausgestaltet sein kann. In einem quadratischen Abschnitt davon sind die beiden in Stapelrichtung des ESV 6 gelegenen Großflächen jeder der Elektroden 4 mit einer Beschichtung aus einem Aktivmaterial 8 versehen, um eine Wirkung der verschiedenen Elektroden 4a, 4b als Anoden oder Kathoden während einer Nutzung der Batterie 1 zu ermöglichen. Im Bereich dieser quadratischen Abschnitte der Substrate 7 und damit der Elektroden 4 sind diese und die entsprechend quadratisch geformten Separatoren 5 gestapelt, woraus sich die Quaderform des ESV 6 ergibt.
An einer Querseite des rechteckigen Abschnitts jeder Elektrode 4 ist ein Bereich des Substrats 7 vorgesehen, in dem dieses nicht mit der Beschichtung aus dem jeweiligen Aktivmaterial 8 versehen ist. Dieser Bereich der Elektroden 4 dient jeweils als Stromableiter 9, über den die einzelnen Elektroden 4 mit einem jeweils zugeordneten Batteriepol 10 der Batterie 1 elektrisch leitend verbunden sind. Die Stromableiter 9a von allen ersten Elektroden 4a, zusammengefasst als Stromableiterstapel, sind dabei mit einem ersten (10a) der Batteriepole 10 und die Stromableiter 8b von allen zweiten Elektroden 4b, ebenfalls zusammengefasst als Stromableiterstapel, sind mit einem zweiten (10b) der Batteriepole 10 verbunden.
Die Batteriepole 10 sind derart in das Gehäuse 2 integriert, dass ein Anschlussabschnitt davon außenseitig zugänglich ist, um die Batterie 1 extern elektrisch kontaktieren zu können. Dabei sind die beiden Batteriepole 10 an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten des quaderförmigen Gehäuses 2 angeordnet.
Der Batterieelementeverbund 3 umfasst auch zwei Deformationselemente 13, von denen jeweils eines an einer der Großseiten des ESV 6 anliegend angeordnet ist.
Weiterhin umfasst der Batterieelementeverbund 3 eine Umhüllung 11 , die den ESV 6 und die Deformationselemente 13 an den Groß- und Längsseiten des ESV 6, nicht jedoch an den Stirnseiten umgibt. Die Umhüllung 11 kann als vorgefertigter Schlauch vorgesehen sein, in dem der ESV 6 positioniert wird. Alternativ kann für die Ausbildung der Umhüllung 11 ein Folienmaterial um den ESV 6 gewickelt werden. Sofern, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, die Umhüllung 11 aus einem Material besteht, das sich bei einer definierten Erhitzung zusammenzieht, kann auf relativ einfache Art und Weise ein eng anliegender Kontakt der Umhüllung 11 und des ESV 6 realisiert werden, indem das Material der Umhüllung 11 entsprechend erhitzt wird, nachdem die Umhüllung 11 den ESV 6 umgebend angeordnet wurde. Mittels der Umhüllung 11 können die Komponenten des ESV 6 und die Deformationselemente 13 unbeweglich zueinander positioniert werden. Zudem kann die Umhüllung 11 als Kontaktschutz für die relativ empfindlichen Komponenten des ESV 6, insbesondere auch für die gegebenenfalls aus einem relativ spröden Material ausgebildeten Separatoren 5 dienen.
Das Gehäuse 2 der Batterie 1 umfasst eine erste, innen gelegene Gehäuselage 2a aus einem faserverstärkten Kunststoff sowie eine zweite, außen gelegene Gehäuselage 2b aus einem weiteren Kunststoff.
Zur Herstellung der ersten Gehäuselage 2a kann ein flächiges Material, z.B. ein Gewebe oder Geflecht oder ein Vliesstoff, aus Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern, um zumindest die Großseiten und die Längsseiten des quaderförmigen Batterieelementeverbunds 3 gewickelt werden. Diese Fasermatten können bereits beim Umwickeln des Batterieelementeverbunds 3 mit einem Matrixkunststoff, beispielsweise einer Mischung aus einem Kunststoffharz und einem Härter, getränkt sein oder ein solches Tränken erfolgt erst anschließend. Der Matrixkunststoff wird dann ausgehärtet, was durch ein Bestrahlen mit beispielsweise UV- oder Wärmestrahlung unterstützt werden kann.
Nach einem Aushärten des Matrixkunststoffs und damit einem Fertigstellen der ersten Gehäuselage 2a kann die zweite Gehäuselage 2b durch Umspritzen der ersten Gehäuselage 2a mit dem weiteren Kunststoff im Rahmen eines Spritzgießprozesses ausgebildet werden. Hierbei kann vorzugsweise eine Werkzeugform (nicht dargestellt) genutzt werden, in der der Batterieelementeverbund 3 und die Batteriepole 10 definiert für das (teilweise) Umspritzen mit dem weiteren Kunststoff unbeweglich positioniert werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Gehäuselage 2b in zwei (Spritzgieß-)Schritten hergestellt wird, indem zunächst eine erste Halbschale und daran anschließend eine zweite Halbschale der zweiten Gehäuselage 2b erzeugt werden.
Nach der Ausbildung des Gehäuses 2 kann der Elektrolyt 6 in das Gehäuse 2 eingebracht werden, wozu dieser an einer der Gehäuseseiten eine Durchgangsöffnung 12 aufweist. Diese Durchgangsöffnung 12 kann dadurch ausgebildet worden sein, dass ein Kern beziehungsweise Platzhalter während der Herstellung des Gehäuses 2 das entsprechende Volumen freihält und damit eine Füllung dieses Volumens mit den Kunststoffen, aus dem das Gehäuse ausgebildet wird, verhindert. Alternativ kann die Durchgangsöffnung 12 auch nachträglich durch beispielsweise Bohren oder Laserschneiden in das Gehäuse 2 eingebracht werden. Nach dem Einbringen des Elektrolyten 6 in das Gehäuse 2 wird die Durchgangsöffnung 11 durch das Anbringen eines Deckels (nicht dargestellt) oder eines Überdruckventils (nicht dargestellt) verschlossen.
Zur Vermeidung einer relevanten Feuchtigkeitsdiffusion von außen in das Innenvolumen des Gehäuses 2 bei einer Nutzung der Batterie 1 kann noch eine Beschichtung (nicht dargestellt) aus einem Metall außenseitig auf die zweite Gehäuselage 2b aufgebracht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
Batterie
Gehäuse a erste Gehäuselage b zweite Gehäuselage
Batterieelementeverbund
Elektrode a erste Elektrode b zweite Elektrode
Separator
Elektroden-Separatoren-Verbund (ESV)
Substrat
Aktivmaterial
Stromableiter a erster Stromableiter b zweiter Stromableiter 0 Batteriepol 0a erster Batteriepol 0b zweiter Batteriepol 1 Umhüllung 2 Durchgangsöffnung 3 Deformationselement

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1), die einen Batterieelementeverbund (3) mit mindestens einem Batterieelement und ein den Batterieelementeverbund (3) umgebendes Gehäuse (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise durch Urformen bei gleichzeitiger Umhausung des Batterieelementeverbunds (3) ausgebildet wird. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterieelementeverbund (3) mindestens ein Deformationselement (13) und/oder mindestens eine Umhüllung (11) umfasst. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zumindest teilweise aus mindestens einem Kunststoff ausgebildet wird. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff oder mindestens einer der Kunststoffe mit Verstärkungselementen verstärkt ist. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine erste Gehäuselage (2a) aus dem verstärkten Kunststoff und eine zweite Gehäuselage (2b) aus einem weiteren der Kunststoffe umfasst. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) teilweise aus mindestens einem Metall ausgebildet wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise Ausbilden des Gehäuses (2) durch Urformen in einer Werkzeugform durchgeführt wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei oder nach der Ausbildung des Gehäuses (2) eine Durchgangsöffnung (12) in dem Gehäuse (2) ausgebildet wird und nach der Ausbildung des Gehäuses (2) ein Elektrolyt über die Durchgangsöffnung (12) in das Gehäuse (2) eingebracht wird und/oder die Durchgangsöffnung (12) mit einem Deckel oder einem Überdruckventil verschlossen wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) teilweise vorgefertigt wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) innenseitig und/oder außenseitig mit einer Strukturierung versehen wird.
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