WO2025242520A1 - Verbindungselement für eine abdeckanordnung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Verbindungselement für eine abdeckanordnung und verfahren zu dessen herstellung

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WO2025242520A1
WO2025242520A1 PCT/EP2025/063335 EP2025063335W WO2025242520A1 WO 2025242520 A1 WO2025242520 A1 WO 2025242520A1 EP 2025063335 W EP2025063335 W EP 2025063335W WO 2025242520 A1 WO2025242520 A1 WO 2025242520A1
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electrically conductive
component
section
electrically insulating
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Dardan Soskic
Julian Fastner
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ElringKlinger AG
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Definitions

  • the present invention relates to a connecting element for a cover assembly of an electrochemical cell, a cover assembly for an electrochemical cell, and an electrochemical cell. Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing a connecting element for a cover assembly of an electrochemical cell.
  • Electrochemical cells are known from, among others, DE 10201 209270 A1, DE 10 2017200 390 A1, EP 2 541 650 A1, US 2015/0214516 A1 and WO 2021/1140083 A1. Electrochemical cells can be components of electrochemical systems, which comprise several electrochemical cells and serve to absorb, store and/or provide electrical energy.
  • a defined resistance is established between a first cell component, which is connected to a first potential (usually referred to as a positive potential), and a second cell component, which is connected to a second potential (usually referred to as a negative potential).
  • the cell components can be parts of a cover assembly that covers and/or seals the cell casing of an electrochemical cell.
  • the first cell component can be, for example, a cell terminal and the second cell component the cell cover (protective element).
  • the resistance is adjusted via a connecting element located between the cell terminal with positive potential and the cell cover with negative potential, forming an electrically conductive connection between the aforementioned cell components (resistance positive terminal, RPT).
  • the connecting element can perform other functions, such as centering and/or positioning the terminal feedthrough and/or adapting a cavity for potting compounds, which are used, among other things, for...
  • the requirements for attaching cell components to the cell lid are met.
  • the connecting element typically consists of a conductive plastic, in particular a plastic that includes conductive fillers.
  • a significant disadvantage is that conductive plastics are relatively expensive, and their use increases the production costs of the electrochemical cell.
  • the present invention is therefore based on the objective of providing a connecting element and/or a covering arrangement for an electrochemical cell and/or electrochemical cells which realize the setting of a defined resistance between a cell component with a first potential and a further cell component with a second potential in a simple and cost-effective manner.
  • the connecting element can be a connecting element for positioning components of a cover assembly and/or for setting a resistance between a first component of a cover assembly with a first potential and a second component of a cover assembly with a second potential.
  • the connecting element can be used in particular for positioning components of a cover arrangement and/or for setting a resistance between a first component with a first potential and a second component with a second potential of a cover arrangement.
  • the first potential is a positive potential and/or the second potential is a negative potential.
  • a component with positive potential is understood to be a component across which a positive potential is present.
  • a component with negative potential is understood to be a component across which a negative potential is present. Of two potentials, the one with the higher potential is considered the positive potential.
  • the negative potential is the potential that corresponds to the lower standard potential. Conversely, the negative potential is the potential that corresponds to the lower standard potential.
  • the cover arrangement can be a cover arrangement for an electrochemical cell.
  • the electrochemical cell can be a lithium-ion cell.
  • the electrochemical cell can be part of an electrochemical system, which includes at least one electrochemical cell.
  • the electrochemical system can be a lithium-ion battery.
  • the connecting element may in particular include: at least one opening;
  • the opening is bounded by an inner surface of the connecting element; at least one electrically conductive section;
  • At least one electrically conductive section consists of an electrically conductive material composition or is at least partially formed therefrom; and at least one electrically insulating section (110);
  • At least one electrically insulating section consists of an electrically insulating material composition or is at least partially formed from it.
  • the connecting element according to the invention has the advantage that the at least one high-priced conductive material composition is only used to form the at least one electrically conductive section and not for the entire connecting element.
  • the connecting element is preferably a flat material.
  • a flat material is preferably a planar material which, in particular in one dimension, for example its length, or in two dimensions, for example its length and width, has a dimension many times greater than in another dimension, in particular its thickness.
  • Flat material A plane in which the flat material extends with its length and width defines a principal extension plane of the connecting element.
  • thickness preferably refers to the material strength, in particular the average material strength, of the corresponding element (excluding any recesses and/or openings).
  • the thickness of the at least one electrically conductive section and/or the at least one electrically insulating section can be between 0.1 and 3.0 mm, preferably between 0.25 and 1.0 mm.
  • Electrically insulating material compositions preferably have an electrical conductivity of less than 108 S/cm, preferably less than 10 ⁇ 1 S/cm.
  • Electrically conductive material compositions preferably have an electrical conductivity of more than 10′ 6 S/cm, preferably of 10′ 5 to 10′ 5 S/cm, and particularly preferably of 10′ 3 to 10′ 3 S/cm.
  • the connecting element can have a frame-like structure.
  • the inner surface of the frame-like structure corresponds to the inner surface of the connecting element that bounds the at least one opening of the connecting element.
  • the at least one opening is preferably located in the principal plane of extension of the connecting element.
  • a frame-like structure can particularly mean that one or two dimensions of the opening surrounded and/or defined by the frame-like structure, such as a length, a width, and/or a diameter, are larger than a length and/or width of at least one, preferably all, of the strips forming the frame-like structure.
  • the strips can, for example, be transverse or longitudinal profiles of the frame-like structure.
  • the opening of the connecting element can, in principle, take any shape. Preferably, the opening is circular, oval, square, or rectangular.
  • the inner surface of the connecting element is preferably formed by an inner surface of the at least one electrically conductive section and/or by an inner surface of the at least one electrically insulating section.
  • the at least one electrically conductive section at least partially, preferably completely, surrounds the at least one electrically insulating section.
  • An inner surface of the at least one electrically insulating section can form the inner surface of the connecting element, which defines the at least one opening.
  • the outer contour of the at least one electrically conductive section can form the outer contour of the connecting element.
  • the at least one electrically insulating section at least partially, preferably completely, surrounds the at least one electrically conductive section.
  • An inner surface of the at least electrically conductive section can form the inner surface of the connecting element, which defines the at least one opening.
  • the outer contour of the at least one electrically insulating section can form the outer contour of the connecting element.
  • the at least one electrically insulating section and the at least one electrically conductive section have different thicknesses (material thicknesses).
  • this design can result in a cross-sectional profile that is at least approximately L- or T-shaped in a frame-like structure. Such a profile has the advantage that positioning and/or centering of components of a cover assembly can be achieved particularly easily.
  • the section with the greater material thickness preferably the at least one electrically insulating section
  • the section with the lower material thickness, preferably the at least one electrically conductive section has a thickness of 0.1 to 1.0 mm, preferably 0.25 to 0.75 mm.
  • the connecting element can comprise at least one further electrically conductive section.
  • the connecting element comprises two to ten electrically conductive sections, more preferably two, four, or six electrically conductive sections.
  • a connecting element with several electrically conductive sections has the advantage that it can be used for different cover arrangements and/or redundancies can be created in the form of multiple electrically conductive connection points between components with the first, preferably positive, potential and components with the second, preferably negative, potential in a cover arrangement.
  • the electrically conductive sections in the connecting element are arranged spaced apart from each other.
  • the electrically conductive sections are enclosed by the at least one electrically insulating section, so that no conductive connection is formed between the individual electrically conductive sections in the connecting element.
  • the at least one electrically insulating section can form the outer contour of the connecting element and the inner surface that bounds the at least one opening.
  • the multiple electrically conductive sections may have different electrically conductive material compositions and/or different dimensions, particularly with regard to material thickness, shape and/or size of the respective electrically conductive section.
  • electrically conductive material compositions can differ in properties such as density, conductivity, hardness, glass transition temperature, and/or melting point.
  • the different electrically conductive material compositions can differ in their components and/or the proportions of these components. The provision of electrically conductive sections with different properties allows the connecting element to be adapted to the specific requirements with regard to the structure and/or function of the respective cover arrangement and/or the electrochemical cell.
  • the electrically conductive sections consist of the same electrically conductive material composition and/or have the same dimensions. Such a design simplifies the manufacture of the connecting element.
  • the connecting element can be formed in one piece. "In one piece" in the context of the present invention means that the individual electrically conductive and/or electrically insulating sections of the connecting element are so intimately connected that they do not appear as several parts joined together.
  • the at least one electrically insulating section is permanently connected to the at least one electrically conductive section.
  • Permanent connection means that the connected sections cannot be separated without destroying the connecting element(s).
  • the permanent connection is created by material bonding. Depending on the materials to be joined, this material bonding can be achieved by joining techniques such as welding, soldering, bonding, and/or vulcanizing.
  • the joining area represents the area where the connection between at least two electrically conductive and/or electrically insulating sections is formed. This area is preferably formed along the entire contact surface between the at least two sections.
  • the joining area can completely encircle the at least one electrically conductive section. The same applies in the reverse case.
  • the sections and their material-bonded connection can be formed using an injection molding process.
  • a material-bonded connection The sectioning is advantageous because the connections are characterized by high stability.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the electrically insulating material composition may include or consist of at least one polymer material.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the at least one electrically insulating material composition preferably comprise a thermosetting polymer material, a thermoplastic polymer material or an elastomeric polymer material or mixtures thereof or consist of these.
  • At least one of the polymer materials is a thermoplastic polymer material.
  • thermoplastic polymer material for example, hot melt materials are used.
  • the at least one polymer material is selected from the group consisting of polyolefins, polyamides, polyimides, copolyamides, polyamide elastomers, synthetic rubbers, polyethers, phenolic resins, aminoplasts, polyurethanes, polysilicones, polyesters, polycarbonates, polyvinyl(co)polymers, polyacrylates, polyphenylene sulfide, polyterephthalates and/or polystyrenes.
  • Copolymers made from the aforementioned polymer classes are also possible.
  • At least one polymer material selected from the group consisting of epoxy resins, polyethylene, polypropylene, polyamide, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, polyurethane acrylate, polymethyl methacrylate, silicone rubber, polyoxymethylene, polyetheretherketone, polytetrafluoroethylene polymethacrylate, polyphenylene sulfide, and/or polyacrylate.
  • the aforementioned (co-)polymers exhibit advantageous chemical and physical properties for use in the connecting element, such as chemical inertness, good mechanical properties, and good machinability.
  • the electrically conductive material composition consists of only one polymer material, then the polymer material must be an electrically self-conducting polymer material.
  • Preferred electrically self-conducting polymer materials are poly-3,4-ethylenedioxythiophene-based polymers (PEDOT), in particular polystyrenesulfonate-doped PEDOT (PEDOT:PSS), trans-polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, poly(phenylene), in particular poly(p-phenylene-vinylene), polythiophene or mixtures thereof.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the at least one electrically insulating material composition comprise one or more fillers.
  • the total proportion of fillers in the at least one electrically conductive material composition and/or in the at least one electrically insulating material composition may be 0.1 to 10.0 wt.%, preferably 1.0 to 5.0 wt.%.
  • the one or more fillers are selected in particular from one or more of the following: inorganic fillers, in particular silicon oxide, carbonate, carbide, in particular silicon carbide, nitride, in particular metal nitride, metal oxide.
  • the use of one or more fillers preferably optimizes the settling behavior of the material composition.
  • the at least one electrically conductive material composition and the at least one electrically insulating material composition comprise the same at least one polymer material and/or the same fillers. Due to their similar composition, these material compositions exhibit correspondingly similar physical and/or chemical properties, which can facilitate the manufacture of the connecting element.
  • the conductive material composition includes at least one conductive additive.
  • a conductive additive is an electrically conductive material.
  • electrically conductive is understood to mean, in particular, an electrical conductivity of 10 ⁇ 1 S/m or more, especially 106 S/m or more.
  • the at least one conductive additive can be selected from one or more of the following: carbon materials, in particular conductive carbon black, graphite, Graphene, carbon nanotubes, carbon fibers and/or carbon nanobulbs, particulate metallic materials, in particular metal powders, electrically conductive ceramic materials, in particular nitrides and/or carbides, electrically conductive polymers, in particular trans-polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polyphenylene, polythiophene and/or polystyrenesulfonate doped poly-(3,4-ethylenedioxythiophene).
  • carbon materials in particular conductive carbon black, graphite, Graphene, carbon nanotubes, carbon fibers and/or carbon nanobulbs
  • particulate metallic materials in particular metal powders
  • electrically conductive ceramic materials in particular nitrides and/or carbides
  • electrically conductive polymers in particular trans-polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polyphenylene, polythi
  • Preferred particulate metallic materials preferably include aluminium, copper, titanium, iron, silver and/or alloys of the aforementioned materials or are formed therefrom.
  • the particulate metallic materials include alloys of the aforementioned materials or are formed from them.
  • the electrical conductivity of the electrically conductive material composition can be adjusted for the at least one electrically conductive section in order to set a resistance between the first component with the first, preferably positive, potential and the second component with the second, preferably negative, potential.
  • the weight fraction of the at least one conductive additive can range from 0.1 to 15.0, preferably 2.0 to 8.0 wt.% of the electrically conductive material composition.
  • the proportion of the at least one conductive additive can be selected depending on the desired electrical conductivity of the electrically conductive material composition.
  • the connecting element can include at least one positioning projection. This at least one positioning projection can engage with a correspondingly complementary positioning recess of a component of the cover assembly when the connecting element is installed in a cover assembly.
  • the positioning projection can have a circular, oval, square or rectangular cross-section in the principal extension plane.
  • the connecting element can have at least one positioning recess which can engage with a correspondingly complementary projection of a component of the cover arrangement.
  • the connecting element can include at least one electrolyte filling opening.
  • the at least one positioning projection and/or the at least one electrolyte filling opening can be formed in the at least one electrically insulating section of the connecting element.
  • the cover arrangement can be a cover arrangement for an electrochemical cell.
  • the electrochemical cell can be a prismatic cell and/or a lithium-ion cell.
  • the electrochemical cell can be part of an electrochemical system that includes at least one such electrochemical cell.
  • the electrochemical system can be a lithium-ion battery.
  • the cover arrangement has the following features: at least one first component;
  • At least one first component has a first potential; at least one second component;
  • a second potential is applied to at least one second component; and a connecting element described herein for setting a resistance between at least one first component and at least one second component and/or for positioning the at least one first component and/or at least one second component.
  • the connecting element of the cover arrangement can be designed, in particular, to set a resistance between the first component and the second component.
  • the connecting element establishes an electrically conductive connection in the cover arrangement via the at least one electrically conductive section between the at least one first component, to which the first, preferably positive, potential is applied, and the at least one second component, to which the second, preferably negative, potential is applied.
  • the at least one first component is in contact with the connecting element at a first surface of the connecting element, wherein the first surface is at least partially formed by the at least one conductive section and extends parallel to the main extension plane of the connecting element.
  • the at least one second component is in contact with the connecting element on a second surface of the connecting element, wherein the second surface is facing away from the first surface of the connecting element and is formed at least partially by the at least one conductive section.
  • the connecting element is arranged between the at least one first component and the at least one second component.
  • the first component to which the first potential is applied can be a first cell terminal; a first contact element for connecting the first cell terminal to a first connecting conductor; or the first connecting conductor.
  • the second component to which the second potential is applied can be a second cell terminal; a second contact element for connecting the second cell terminal to a second connecting conductor; the second connecting conductor; or a cover element.
  • the first, preferably positive, potential can also be applied to the cover element.
  • the cover element preferably has at least one opening.
  • the cover element comprises or is made of a metallic material. This can facilitate processing.
  • the cover element is made of a sheet of metal, such as aluminum.
  • the first cell terminal for example, is an anode of an electrochemical cell.
  • the second cell terminal for example, is a cathode of the electrochemical cell.
  • the first cell terminal forms the cathode and/or that the second cell terminal forms the anode.
  • the first cell terminal and the second cell terminal of the cover assembly can be used to connect an electrochemical cell comprising the cover assembly to a cell contacting system.
  • the first connecting conductor preferably serves as an electrical connection between an electrochemical element of an electrochemical cell and the first contact element.
  • the second connecting conductor serves in particular to provide an electrical connection between the electrochemical element of the electrochemical cell and the second contact element.
  • the first contact element and the first connecting conductor and/or the second contact element and the second connecting conductor can be formed in one piece or as a single unit.
  • the connecting element can be configured, in particular, to define the position of at least one first component and/or at least one second component relative to the connecting element. This definition can be achieved by means of force-fit, positive locking, and/or material locking.
  • the connecting element can have positioning projections and/or positioning recesses, wherein the component to be defined has correspondingly complementary positioning projections and/or positioning recesses.
  • connecting element and the component to be defined can be designed to be complementary, at least in sections.
  • a fixation by the at least partially complementary design of the connecting element and the component to be fixed can be achieved in particular by the fact that the at least one electrically insulating section and the at least one electrically conductive section of the connecting element have at least partially different material thicknesses, so that the preferably frame-like connecting element has at least partially an L- or T-shaped cross-sectional profile.
  • the first and/or second surface of the connecting element in the joining area of the sections with different material thicknesses has a stepped structure, at least in sections, preferably along the entire joining area.
  • the at least one first and/or second component of the cover assembly can be attached to and/or within this stepped structure.
  • the at least one electrically insulating section has a greater material thickness. This has the advantage that the at least one electrically insulating section provides the function of positioning and/or fixing at least one component, thus eliminating the need for the expensive, at least one electrically conductive section.
  • the material composition can only be used to form at least one electrically conductive section.
  • the cover element is fixed to the first surface of the connecting element and the first contact element and/or the first connecting conductor is fixed to the second, opposite surface of the connecting element.
  • the cover arrangement can further comprise at least one insulating element, preferably a plate-shaped one.
  • the insulating element has, in particular, one or more positioning projections on a side facing the cover element.
  • the one or more positioning projections preferably engage in one or more complementary positioning recesses of the cover element.
  • the insulating element may be provided with one or more positioning recesses. These one or more positioning recesses of the insulating element engage, in particular, with one or more positioning projections of the cover element.
  • At least the cover element and the connecting element form a cavity for receiving and/or producing a potting element.
  • the cover element may be provided with at least one recessed area around the opening for receiving the potting element on a side facing away from the connecting element.
  • This recessed area could, for example, be a potting basin. It may be advantageous for the connecting element and the cover element to be aligned and/or fixed in such a way that the at least one opening of the cover element and the at least one opening of the connecting element are aligned one above the other.
  • the potting element may define the contact element on the connecting element; and/or the potting element define the cover element on the connecting element; and/or the potting element define the first cell terminal on the connecting element; and/or the potting element define the contact element on the cover element; and/or the potting element defines the first cell terminal on the cover element; and/or the potting element defines the contact element on the first cell terminal; and/or the potting element consists of a potting material composition which includes or consists of at least one potting polymer material.
  • the use of the potting compound represents a simple option for producing the cover arrangement.
  • the potting compound composition in its cured state, has a hardness of 40 to 100 Shore D, preferably 50 to 97 Shore D, and particularly preferably 60 to 95 Shore D.
  • the hardness is determined in particular according to DIN EN ISO 868.
  • the at least one potting material composition comprises or is formed from one or more of the following potting polymer materials:
  • Epoxy resin material phenolic resin material, aminoplast material, polyurethane material, silicone material, polyester resin material, ABS (acrylonitrile butadiene styrene) resin material.
  • An epoxy resin material for example an epoxy resin, has proven particularly advantageous for use as at least one potting polymer material. This material exhibits optimized corrosion resistance. This can be especially beneficial with regard to contact with an electrolyte used in an electrochemical cell.
  • epoxy resin materials exhibit optimized gas tightness, which is why sealing with epoxy resin materials is advantageous for optimized tightness.
  • single-component potting compound compositions are used.
  • At least one potting polymer material is a highly cross-linked material, for example, a highly cross-linked epoxy resin material.
  • the potting material composition has a viscosity of 102 to 106 mPa s, preferably 103 to 105 mPa s, when manufacturing the potting element.
  • the cavity is preferably filled with the potting compound at ambient pressure.
  • the potting material composition can include at least one filler.
  • the total proportion of fillers in the potting material composition can be 5.0 to 50.0 wt.%, preferably 15.0 to 35.0 wt.%.
  • the at least one filler is selected in particular from one or more of the following: inorganic fillers, in particular silicon oxide, carbonate, carbide, in particular silicon carbide, nitride, in particular metal nitride, metal oxide.
  • the connecting element when installed, can have a total electrical resistance of 100 to 10000 ohms, preferably 500 to 7500 ohms, especially preferably have a resistance of 2500 to 5000 ohms, measured between the first component and the second component.
  • the (total) resistance can be adjusted via the total cross-section available for electrical conduction of the at least one electrically conductive section and/or via the material thickness of the at least one electrically conductive section and/or the at least one electrically conductive material composition of the at least one electrically conductive section of the connecting element.
  • the electrochemical cell can be a prismatic cell and/or a lithium-ion cell.
  • An electrochemical cell can be a single electrochemical cell for an electrochemical system.
  • the electrochemical system can be a lithium-ion battery and may comprise multiple lithium-ion cells.
  • the electrochemical cell includes, in particular, a cover arrangement as described herein.
  • the electrochemical cell further comprises an electrochemical element for absorbing, storing, and/or providing electrical energy.
  • the electrochemical element is, in particular, a so-called cell coil.
  • the electrochemical element is preferably electrically connected to a first contact element of the cover arrangement via a first connecting conductor.
  • the electrochemical element is preferably electrically connected to a first contact element of the cover arrangement via a second connecting conductor.
  • the electrochemical cell further comprises a housing for receiving the electrochemical element, the housing enclosing an interior space of the electrochemical cell.
  • the housing may include the cover arrangement described herein.
  • the cover assembly is preferably positively connected and/or force-fit and/or materially bonded to the housing, which is particularly cup-shaped.
  • the cover assembly serves in particular to cover and/or seal the housing.
  • the invention further comprises a method for manufacturing a connecting element according to the relevant independent claim.
  • the connecting element can be a connecting element for positioning components of a cover arrangement for an electrochemical cell and/or for setting a resistance between a first component with a first, preferably positive, potential and a second component with a second, preferably negative, potential of a cover arrangement for an electrochemical cell.
  • the method comprises the following steps: i. providing at least one electrically conductive material composition and at least one electrically insulating material composition; ii. forming at least one electrically conductive section from the at least one electrically conductive material composition and at least one electrically insulating section from the at least one electrically insulating material composition, such that the at least one electrically conductive section and the at least one electrically insulating section (110) are connected to each other.
  • the at least one electrically conductive material composition used in the process can be any electrically conductive material composition described herein.
  • the process uses at least one electrically insulating element.
  • the material composition can be any electrically insulating material composition described herein.
  • the bond formed in step ii. is preferably insoluble and in particular metallurgical.
  • a hardening step for example vulcanization and/or cross-linking, can take place.
  • At least one post-processing step can be a process such as machining, deburring, grinding, coating, painting, drilling, milling, joining and/or coating the connecting element.
  • step ii is carried out in an injection molding process, preferably a two-component injection molding process.
  • the injection molding process may in particular include the following steps: plasticizing and metering the at least one electrically conductive material composition and/or the at least one electrically insulating material composition;
  • the injection of the material compositions can be simultaneous (co-injection) or consecutive.
  • separate syringe units are used for the at least one electrically conductive material composition and the at least one electrically insulating material composition.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the at least one electrically insulating material composition has a temperature of 150 to 350°C, preferably 200 to 300°C, at least temporarily during injection.
  • Fig. 1 a schematic sectional view of a cover arrangement
  • Fig. 2 a schematic top view of a first embodiment of a
  • Fig. 3 a detailed view of the connecting element from Fig. 2 as
  • Fig. 4 a schematic top view of a second embodiment of a
  • Fig. 5 a detailed view of the connecting element from Fig. 4 as
  • Fig. 6 a schematic top view of a third embodiment of a
  • FIG. 7 a detailed view of the connecting element from Fig. 6 as
  • Fig. 8 a detailed view of the connecting element from Fig. 6 as
  • Fig. 9 a schematic top view of a fourth embodiment of a
  • Fig. 10 a detailed view of the connecting element from Fig. 9 as
  • Fig. 11 a detailed view of the connecting element from Fig. 9 as
  • Fig. 12 a schematic top view of a fifth embodiment of a
  • Fig. 13 a detailed view of the connecting element from Fig. 12 as
  • Fig. 14 a detailed view of the connecting element from Fig. 12 as
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a cover arrangement 101 according to an embodiment of the invention.
  • the cover arrangement 101 is suitable for an electrochemical cell.
  • the electrochemical cell is, in particular, a lithium-ion cell.
  • the cover arrangement 101 comprises a cover element 120, preferably plate-shaped, which has at least one opening.
  • a second potential is present at the cover element 120.
  • the cover element 120 comprises a metallic material, for example aluminum, or is formed from the metallic material.
  • the cover element 120 is formed from a metal sheet, in particular from an aluminum sheet.
  • the cover element 120 can be materially bonded to a housing of an electrochemical cell (not shown).
  • the cover arrangement 101 comprises a first connecting conductor 123.
  • the first connecting conductor 123 serves in particular for an electrical connection of an electrochemical element (not shown), in particular a so-called cell winding, with a first cell terminal 121 of the cover arrangement 101, in particular via a first contact element 122 of the cover arrangement 101.
  • the first cell terminal 121 and the first contact element 122 are in electrically conductive contact through the opening of the cover element 120.
  • the first cell terminal 121 is in contact with the first contact element 122.
  • the cover arrangement 101 further comprises the first cell terminal 121.
  • the first cell terminal 121 preferably comprises a first metallic material, for example aluminum, or is formed therefrom.
  • a first, preferably positive, potential is applied to the first cell terminal 121.
  • the first cell terminal 121 is configured as an anode.
  • the first cell terminal 121 can be a cathode (not shown).
  • the cover arrangement 101 can include a second cell terminal, a second connecting conductor and a second contact element (all not shown), the structure and function of which are described below. and/or arrangement preferably analogous to the elements 121, 122 and 123 of the cover arrangement 101 described above.
  • a second, preferably negative, potential is present at these elements of the cover arrangement 101. If the second potential is also present at the cover element 120, the conductive contact between the second cell terminal and the second connecting conductor can be made via the second contact element and the cover element 120, wherein the cover element 120 is preferably arranged between the second contact element and the second cell terminal.
  • the cover arrangement 101 further comprises a connecting element 100.
  • the connecting element 100 includes at least one electrically insulating section 110, wherein the at least one electrically insulating section 110 consists of an electrically insulating material composition or is formed at least section by section thereof, and at least one electrically conductive section 111, wherein the at least one electrically conductive section 111 consists of an electrically conductive material composition or is formed at least section by section thereof.
  • the at least one electrically insulating section 110 and the at least one electrically conductive section 111 are connected to each other in a joining area 112.
  • a material-bonded connection between sections 110 and 111 is formed in the joining area 112.
  • the electrically insulating section 110 can surround the electrically conductive section 111.
  • the electrically insulating section 110 can be located on the outside and the electrically conductive section 111 on the inside.
  • the connecting element 100 further comprises an opening which is bounded by an inner surface 114 of the connecting element 100.
  • the connecting element 100 preferably has a frame-like structure.
  • the electrically insulating section 110 has a greater material thickness than the electrically conductive section 111. Therefore, the inner surface 114 is bordered by both an inner surface 114a of the electrically insulating section 110 and by a surface 114a of the electrically conductive section 110. Inner surface 114a is arranged as an inwardly offset inner surface 114b of the electrically conductive section 111.
  • the material thickness of the electrically insulating section 110 can be 0.25 to 3.0 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • the material thickness of the electrically conductive section 111 can be 0.1 to 1.0 mm, preferably 0.25 to 0.75 mm.
  • the connecting element 100 has the L-profile shown, at least in sections.
  • the resulting stepped structure preferably extends along the entire joining area 112.
  • the first contact element 122 of the first connecting conductor 123 is dimensioned, at least in sections, such that the position of the first contact element 122 relative to the connecting element 100 is determined by the connecting element 100, in particular by its stepped structure, on a first surface of the connecting element 110.
  • the stepped structure forms a recess in the connecting element 100 into which the first contact element 122 can be placed.
  • the first contact element 122 can be fixed to the connecting element 100 by force-fit, form-fit, and/or material-fit.
  • the connecting element 110 may preferably have positioning projections (not shown) and/or positioning recesses (not shown) for determining the position of the first contact element 122 and/or the cover element 120, which in this case is arranged on a second surface of the connecting element 100 facing away from the first surface.
  • An electrically conductive connection is established between the first contact element 122 and the cover element 120 via at least one electrically conductive section 111 of the connecting element 100, and thus a defined resistance is established between the first component 122 with the first potential and the second component 120 with the second potential.
  • the resistance set between the first contact element 122 and the cover element 120 can be from 100 to 10000 ohms, preferably 500 to 7500 ohms, particularly preferably 2500 to 5000 ohms.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the electrically insulating material composition may comprise or consist of at least one polymer material, wherein the at least one polymer material may be any polymer material described herein.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the electrically insulating material composition may further comprise at least one of the fillers described herein in the quantities described.
  • the at least one electrically conductive material composition may furthermore comprise at least one of the conductive additives described herein in the quantities described.
  • the opening in the cover element 120 and the opening in the connecting element 100 form a cavity 124 for receiving and/or manufacturing a potting element 125.
  • the potting element 125 preferably fixes the first contact terminal 121, the first contact element 122, the cover element 120, and the connecting element 100 in their positions relative to each other.
  • the potting element 125 can consist of any potting material composition described herein.
  • Fig. 2 shows a schematic top view of a first surface of a connecting element 100 according to a first embodiment of the invention in a principal extension plane of the connecting element 100.
  • the connecting element comprises an electrically conductive section 111, which is surrounded by an electrically insulating section 110.
  • connection element 100 An external shape or contour of the connecting element 100 is defined by the electrically insulating section 110.
  • the connecting element 100 can have the substantially rectangular shape shown.
  • the electrically conductive section 111 and the electrically insulating section 110 are connected to each other, preferably by a material bond, in a joining area 112 which completely surrounds the electrically conductive section.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the electrically insulating material composition can comprise or consist of at least one polymer material, wherein the at least one polymer material can be any polymer material described herein. This also applies to all other embodiments.
  • the at least one electrically conductive material composition and/or the electrically insulating material composition may further comprise at least one of the fillers described herein in the quantities described. This also applies to all other embodiments.
  • the at least one electrically conductive material composition may further comprise at least one of the conductive additives described herein in the quantities described. This also applies to all other embodiments.
  • the connecting element 100 includes an opening 113 (central exception) which is bounded by an inner surface 114 of the connecting element 110.
  • the connecting element 100 has a frame-like structure due to the opening 113.
  • both the length and width of the opening 113 are greater than the width of the strips that form the frame-like structure.
  • the inner surface 114 is in this case completely formed by an inner surface 114b of the electrically conductive section 111. This is particularly evident from Fig. 3, which shows a detailed view of the connecting element 100 from Fig. 2 as a sectional view along the axis AA.
  • the electrically conductive section 111 and the electrically insulating section 110 have essentially the same average material thickness.
  • the connecting element 100 is a flat material, in particular a planar material, whose length and width (principal plane of extension) are many times greater than its thickness.
  • the material thickness of the electrically insulating section 110 and the electrically conductive section 111 can be 0.25 to 3.0 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a first surface of the connecting element 100
  • Fig. 5 shows a detailed view of the connecting element 100 from Fig. 4 as a sectional view along the axis A-A.
  • the second embodiment of the connecting element 100 differs from the first embodiment described above essentially only in that an electrically insulating section 110 is surrounded by an electrically conductive section 111.
  • the electrically insulating section 110 thus represents an inner section of the connecting element 100, wherein an inner surface 114a of the electrically insulating section 110 forms an inner surface 114 of the connecting element 100, which limits an opening 113.
  • Fig. 6 shows a schematic top view of a first surface of a connecting element 100 according to a third embodiment of the invention in a principal extension plane of the connecting element 100.
  • the connecting element 100 comprises an electrically insulating section 110 and two electrically conductive sections 111a and 111b.
  • the two electrically conductive sections 111a and 111b are spaced apart from each other, preferably at opposite ends or peripheral areas of the connecting element 100.
  • the first electrically conductive section 111a is completely enclosed by the electrically insulating section 110.
  • the first electrically conductive section 111a and the electrically insulating section 110 are connected to each other, preferably by a material bond, in a first joining area 112a, which completely surrounds the first electrically conductive section 111a.
  • the first electrically conductive section 111a preferably has a substantially rectangular shape.
  • the second electrically conductive section 111b is also completely enclosed by the electrically insulating section 110.
  • the second electrically conductive section 111b and the electrically insulating section 110 are joined together, preferably by a material bond, in a second joining area 112b, which completely surrounds the second electrically conductive section 111b.
  • the second electrically conductive section 111b preferably has a substantially rectangular shape.
  • the connecting element further comprises an opening 113, which is bounded by an inner surface 114 of the connecting element 100.
  • the inner surface 114 is formed by an inner surface 114a of the electrically insulating section 110.
  • the electrically insulating section 110 essentially forms a frame-like structure of the connecting element 100.
  • Fig. 7 shows a detailed sectional view of the connecting element 100 from Fig. 6 along axis A-A. It is clearly visible that the central opening 113 is surrounded by the electrically insulating layer 110.
  • Figure 8 shows a detailed sectional view of the connecting element from Figure 6 along axis BB. Due to the enclosing of the first electrical
  • the conductive section 111a through the electrically insulating section 110 forms a kind of sandwich structure, as shown in the sectional view.
  • the material thickness of the electrically insulating section 110 and the first electrically conductive section 111a can be 0.25 to 3 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • the first and second electrically conductive sections 111a and 111b may consist of different electrically conductive material compositions or at least be formed from them section by section.
  • the same electrically conductive material composition is preferably used for the electrically conductive sections 111.
  • the spacing of the electrically conductive sections 111 shown can enable the formation of an electrically conductive connection between different first and/or second components.
  • Fig. 9 shows a schematic top view of a first surface of a connecting element 100 according to a fourth embodiment of the invention in a principal extension plane of the connecting element 100.
  • This embodiment represents a modification of the connecting element 100 shown in Figures 6 to 8.
  • the connecting element 100 comprises an electrically insulating section 110 and six electrically conductive sections 111a to 111f.
  • the electrically conductive sections 111 are arranged at intervals from one another.
  • the first to third electrically conductive sections 111a to 111c are preferably grouped at a first end or peripheral region of the connecting element 100.
  • the fourth to sixth electrically conductive sections 111d to 111f are preferably grouped at a first end or peripheral region of the connecting element 100.
  • the electrically conductive sections 111a to 111c and/or 111d to 111e can be regularly spaced apart along an axis. be arranged so that the electrically conductive sections 111 are arranged in a mirror-symmetrical manner.
  • the electrically conductive sections 111 can be circular in the main plane of extension of the connecting element 100. Alternatively, they can also be square or rectangular (not shown). Preferably, all electrically conductive sections 111 have the same configuration, which simplifies the manufacture of the connecting element 100.
  • the electrically insulating section 110 surrounds the electrically conductive sections 111.
  • the first electrically conductive section 111a can be connected to the electrically insulating section 110 in a first joining area 112a, preferably by a material bond.
  • the opening 113 is bounded by an inner surface 114 of the connecting element 100, which in this case is formed by an inner surface 114a of the electrically insulating section 110.
  • Fig. 10 shows a schematic detail view of the connecting element from Fig. 9 as a sectional view along the axis A-A.
  • the frame-like structure of the connecting element 100 is essentially formed by the electrically insulating section 110, which preferably consists of or comprises an inexpensive electrically insulating material composition. A positioning and/or centering function of the connecting element 100 can thus be performed solely by the electrically insulating section 110.
  • the electrically conductive sections 111 can be used exclusively to establish a resistance between at least one first component with a first potential (not shown) and at least one second component with a second potential (not shown) of a cover arrangement (not shown). This can reduce the required amount of at least one electrically conductive material composition and thus lower manufacturing costs.
  • the essentially cylindrical shape of the electrically conductive sections 111 becomes apparent.
  • Figure 11 is a detailed view of the connecting element 100 from Figure 9 as a sectional view along axis BB.
  • the majority of electrically conductive sections 111 in the connecting element 100 shown makes it possible to install the connecting element 100 in differently designed cover arrangements for electrochemical cells.
  • Fig. 12 shows a first surface of a connecting element 100 according to a fifth embodiment of the invention in a principal extension plane of the connecting element 100.
  • the connecting element 100 comprises an electrically conductive section 111, which is enclosed by an electrically insulating section 110.
  • the fifth embodiment can be regarded as a combination of the electrically conductive sections 111 of the first (see Fig. 2) and third embodiments described above (see Fig. 6).
  • the electrically conductive section 111 which is itself frame-like, has widened, essentially rectangular frame sections on two opposing sides. In the installed state of the connecting element 100, this can simplify the formation of a conductive connection between at least one first and at least one second component of a cover arrangement for an electrochemical cell due to the locally larger contact area in the region of the widened frame sections.
  • the outer shape (contour) of the connecting element 100 is defined by the electrically insulating section 110.
  • the connecting element 100 can have the substantially rectangular shape shown.
  • the connecting element 100 has an opening 113, which is bounded by an inner surface 114 of the connecting element 100.
  • Fig. 13 which shows a detailed view of the connecting element 100 from Fig. 12 as a sectional view along the axis AA, the electrically insulating section 110 has a higher material thickness than the electrically conductive section 111.
  • the material thickness of the electrically insulating section 110 can be 0.25 to 3 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm.
  • the material thickness of the electrically conductive section 111 can be 0.1 to 1.0 mm, preferably 0.25 to 0.75 mm.
  • the inner surface 114 is formed in this case by an inner surface 114a of the electrically insulating section 110 and by an inner surface 114b of the electrically conductive section 111.
  • the inner surface 114a is offset outwards from the inner surface 114b.
  • the connecting element 100 can have the L-profile shown.
  • the resulting stepped structure preferably extends along the entire joining area 112, in which the electrically conductive section 111 and the electrically insulating section 110 are joined, preferably by a material bond.
  • the stepped structure of the connecting element 100 can serve to define the position of a component 120, 121, 122 and 123 when the connecting element 100 is installed.
  • the cover arrangement 101 shown in Fig. 1 comprises the connecting element 100 shown in Fig. 12.
  • Fig. 14 shows a detailed view of the connecting element 100 from Fig. 12 as a sectional view along the axis B-B. It can be seen that the connecting element 100 has at least one positioning projection 115.
  • the positioning projection 115 can, in the installed state of the connecting element 100, determine the position of a component of the cover assembly relative to the connecting element 100. Preferably, in the installed state, the positioning projection 115 determines the position of the cover element of the cover assembly relative to the connecting element 100.
  • the at least one positioning projection 115 preferably has a rectangular or square cross-section in the principal plane of extension. The rectangular or square cross-section prevents the connecting element 100 and the respective fixed component from rotating relative to each other. Alternatively, the at least one positioning projection can have a round or oval cross-section.
  • the positioning projection 115 is formed in one piece, preferably in one part, with the connecting element.
  • the connecting element 100 has at least one positioning recess (not shown). In the installed state of the connecting element 100, the positioning recess can engage with a correspondingly complementary positioning projection of a component of the cover assembly.
  • the connecting element 100 further comprises at least one electrolyte filling opening 116.
  • the electrolyte filling opening 116 preferably also extends through the cover element and optionally an insulating element of the cover assembly and can serve for filling an electrolyte into an electrochemical cell.
  • the at least one positioning projection 115 and/or the electrolyte filling opening 116 and/or at least one positioning recess are preferably formed in the electrically insulating section 110 of the connecting element 100.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zur Positionierung von Komponenten einer Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente mit einem ersten Potential und einer zweiten Komponente mit einem zweiten Potential einer Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verbindungselement zumindest eine Öffnung, die von einer Innenfläche des Verbindungselements (100) begrenzt wird, zumindest einen elektrisch leitfähigen, aus einer ersten elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung bestehenden oder zumindest abschnittsweise daraus gebildeten Abschnitt und zumindest einen elektrisch isolierenden, aus einer elektrisch isolierenden zweiten Materialzusammensetzung bestehenden oder zumindest abschnittsweise daraus gebildeten Abschnitt umfasst.

Description

Verbindungselement für eine Abdeckanordnung und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement für eine Abdeckanordnung einer elektrochemischen Zelle, eine Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle und eine elektrochemische Zelle. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines Verbindungselements für eine Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle.
Elektrochemische Zellen sind unter anderem aus der DE 10201 209270 A1, der DE 10 2017200 390 A1, der EP 2 541 650 A1, der US 2015/0214516 A1 und der WO 2021/1140083 A1 bekannt. Elektrochemische Zellen können Bestandteile elektrochemischer Systeme sein, welche mehrere elektrochemische Zellen umfassen und der Aufnahme, Speicherung und/oder Bereitstellung elektrischer Energie dienen.
In der Regel wird ein definierter Widerstand zwischen einer ersten Zellkomponente, an welcher ein erstes, zumeist als positives Potential bezeichnetes, Potential anliegt, und einer zweiten Zellkomponente, an welcher ein zweites, zumeist als negatives Potential bezeichnetes, Potential anliegt, eingestellt. Die Zellkomponenten können dabei Teile einer Abdeckanordnung sein, welche das Zellengehäuse einer elektrochemischen Zelle abdeckt und/oder verschließt.
Bei einer Lithium-Ionen-Zelle kann die erste Zellkomponente beispielsweise ein Zellterminal und die zweite Zellkomponente der Zelldeckel (Abdeckelement) der Zelle sein. Die Einstellung des Widerstands erfolgt über ein Verbindungselement, das zwischen dem Zellterminal mit positivem Potential und dem Zelldeckel mit negativem Potential angeordnet ist und eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den vorgenannten Zellkomponenten ausbildet (resistance positive terminal, RPT).
Neben der Einstellung des Widerstands kann das Verbindungselement weitere Funktionen, wie die Zentrierung und/oder Positionierung der Terminaldurchführung und/oder die Anpassung einer Kavität für Vergussmassen, welche unter anderem zum Festlegen von Zellkomponenten an den Zelldeckel verwendet werden, erfüllen. Das Verbindungselement besteht üblicherweise aus einem leitfähigen Kunststoff, insbesondere einem Kunststoff, der leitende Füllstoffe umfasst.
Ein wesentlicher Nachteil ist, dass leitfähige Kunststoffe verhältnismäßig hochpreisig sind und deren Verwendung die Produktionskosten der elektrochemischen Zelle erhöht.
Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement und/oder eine Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle und/oder elektrochemische Zellen bereitzustellen, welche die Einstellung eines definierten Widerstands zwischen einer Zellkomponente mit einem ersten Potential und einer weiteren Zellkomponente mit einem zweiten Potential auf einfache und kostengünstige Art realisieren.
Der Begriff „insbesondere“ wird im Rahmen dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche vorzugsweise zur Beschreibung fakultativer Merkmale verwendet.
Das Verbindungselement kann ein Verbindungselement zur Positionierung von Komponenten einer Abdeckanordnung und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente einer Abdeckanordnung mit einem ersten Potential und einer zweiten Komponente einer Abdeckanordnung mit einem zweiten Potential sein.
Das Verbindungselement kann insbesondere zur Positionierung von Komponenten einer Abdeckanordnung und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente mit einem ersten Potential und einer zweiten Komponente mit einem zweiten Potential einer Abdeckanordnung eingerichtet sein.
Vorzugsweise ist das erste Potential ein positives Potential und/oder das zweite Potential ein negatives Potential.
Unter einer Komponente mit positivem Potential wird eine Komponente verstanden, an welcher ein positives Potential anliegt. Unter einer Komponente mit negativem Potential wird eine Komponente verstanden, an welcher ein negatives Potential anliegt. Von zwei Potentialen wird dasjenige als das positive Potential bezeichnet, dass dem höheren Standardpotential entspricht. Im Umkehrschluss ist das negative Potential dasjenige Potential, welches dem niedrigeren Standardpotential entspricht.
Die Abdeckordnung kann eine Abdeckordnung für eine elektrochemische Zelle sein.
Die elektrochemische Zelle kann eine Lithium-Ionen-Zelle sein.
Die elektrochemische Zelle kann Teil eines elektrochemischen Systems sein, welches zumindest eine elektrochemische Zelle umfasst. Das elektrochemische System kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein.
Das Verbindungselement kann insbesondere Folgendes umfassen: zumindest eine Öffnung;
- wobei die Öffnung von einer Innenfläche des Verbindungselements begrenzt wird; zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt;
- wobei der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt aus einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist; und zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (110);
- wobei der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt aus einer elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement hat den Vorteil, dass das die zumindest eine hochpreisige leitfähige Materialzusammensetzung nur zur Ausbildung des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts und nicht für das gesamte Verbindungselement eingesetzt wird.
Das Verbindungselement ist vorzugsweise ein Flachmaterial. Ein Flachmaterial ist vorzugsweise ein ebenes Material, welches insbesondere in einer Dimension, beispielsweise einer Länge des Flachmaterials, oder in zwei Dimensionen, beispielsweise der Länge und einer Breite des Flachmaterials, eine um ein Vielfaches größere Ausdehnung aufweist als in einer anderen Dimension, insbesondere der Dicke des Flachmaterials. Eine Ebene, in welcher sich das Flachmaterial mit seiner Länge und Breite erstreckt, definiert eine Haupterstreckungsebene des Verbindungselements.
Bei einer "Dicke" handelt es sich im Sinne der vorliegenden Beschreibung vorzugsweise um eine Mate rial stärke, insbesondere um eine durchschnittliche Mate rial stärke, des entsprechenden Elements (etwaige Ausnehmungen und/oder Durchtrittsöffnungen ausgenommen).
Die Dicke des zumindest einen elektrischen leitfähigen Abschnitts und/oder des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts kann zwischen 0,1 und 3,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 und 1 ,0 mm, betragen.
Elektrisch isolierende Materialzusammensetzungen (nichtleitende Materialzusammensetzungen) weisen vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10'8 S/cm, bevorzugt weniger als 10'1° S/cm auf.
Elektrisch leitfähige Materialzusammensetzungen weisen vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10'6 S/cm, bevorzugt von 10'5 bis 105 S/cm, besonders bevorzugt von 10'3 bis 103 S/cm auf.
Das Verbindungselement kann eine rahmenartige Struktur aufweisen. Vorzugsweise entspricht die innere Oberfläche der rahmenartigen Struktur jener Innenfläche des Verbindungselements, welche die zumindest eine Öffnung des Verbindungselements begrenzt. Die zumindest eine Öffnung liegt vorzugsweise in der Haupterstreckungsebene des Verbindungselements.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann rahmenartige Struktur insbesondere bedeuten, dass eine Dimension oder zwei Dimensionen der von der rahmenartigen Struktur umgebenen und/oder definierten Öffnung, wie beispielsweise eine Länge, eine Breite und/oder ein Durchmesser, größer sind als eine Länge und/oder Breite von zumindest einer, vorzugsweise sämtlicher, Leisten, welche die rahmenartige Struktur bilden. Die Leisten können beispielsweise Quer- oder Längsprofile der rahmenartigen Struktur sein. Die zumindest eine Öffnung des Verbindungselements kann grundsätzlich jegliche Form annehmen. Bevorzugt ist die zumindest eine Öffnung kreisförmig, oval, quadratisch oder rechteckig ausgestaltet.
Die Innenfläche des Verbindungselements wird vorzugsweise durch eine Innenfläche des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts und/oder durch eine Innenfläche des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts ausgebildet.
In einer Ausführungsform umgibt der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt. Eine Innenfläche des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts kann dabei die Innenfläche des Verbindungselements ausbilden, welche die zumindest eine Öffnung begrenzt. Die Außenkontur des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts kann dabei die Außenkontur des Verbindungselements ausbilden.
In einer Ausführungsform umgibt der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den zumindest einen elektrisch leitenden Abschnitt. Eine Innenfläche des zumindest elektrisch leitenden Abschnitts kann dabei die Innenfläche des Verbindungselements ausbilden, welche die zumindest eine Öffnung begrenzt. Die Außenkontur des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts kann dabei die Außenkontur des Verbindungselements ausbilden.
Vorzugsweise weisen der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt und der zumindest eine elektrisch leitende Abschnitt eine unterschiedliche Dicke (Materialstärke) auf. Insbesondere kann diese Ausgestaltung bei einer rahmenartigen Struktur zu einem zumindest näherungsweise L- oder T-förmigen Profil im Querschnitt führen. Ein solches Profil hat den Vorteil, dass eine Positionierung und/oder Zentrierung von Komponenten einer Abdeckanordnung besonders einfach realisiert werden kann.
Der Abschnitt mit der höheren Materialdicke, bevorzugt der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt, weist eine Dicke von 0,25 bis 3 mm, bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 mm, auf. Auf diese Weise kann durch Verwendung einer kostengünstigen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung eine ausreichend hohe mechanische Stabilität des Verbindungselements erzielt werden. Der Abschnitt mit der niedrigeren Materialdicke, bevorzugt der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt, weist eine Dicke von 0,1 bis 1 ,0 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,75, auf.
Das Verbindungselement kann zumindest einen weiteren elektrisch leitfähigen Abschnitt umfassen. Vorzugsweise umfasst das Verbindungselement zwei bis zehn elektrisch leitfähige Abschnitte, besonders bevorzugt zwei, vier oder sechs elektrisch leitfähige Abschnitte. Ein Verbindungselement mit mehreren elektrisch leitfähigen Abschnitten hat den Vorteil, dass dieses für unterschiedliche Abdeckanordnungen verwendet werden kann und/oder Redundanzen in Form mehrerer elektrisch leitfähiger Verbindungsstellen zwischen Komponenten mit dem ersten, vorzugsweise positiven, Potential und Komponenten mit dem zweiten, vorzugsweise negativen, Potential in einer Abdeckanordnung geschafft werden.
Bevorzugt sind die elektrisch leitfähigen Abschnitte im Verbindungselement voneinander beabstandet angeordnet.
Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Abschnitte von dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt umfasst, sodass keine leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen elektrisch leitfähigen Abschnitten im Verbindungselement ausgebildet wird. Der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt kann dabei die äußere Kontur des Verbindungselements und die Innenfläche, welche die zumindest eine Öffnung begrenzt, ausbilden.
Die mehreren elektrisch leitfähigen Abschnitte können voneinander verschiedene elektrisch leitfähige Materialzusammensetzungen und/oder voneinander verschiedene Dimensionen, insbesondere in Hinblick auf Materialstärke, Form und/oder Größe des jeweiligen elektrisch leitfähigen Abschnitts, aufweisen.
Insbesondere können sich die elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzungen in Eigenschaften wie Dichte, Leitfähigkeit, Härte, Glasübergangstemperatur und/oder Schmelztemperatur unterscheiden. Ferner können sich die unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzungen in ihren Bestandteilen und/oder deren Mengenverhältnissen in der Zusammensetzung unterscheiden. Die Bereitstellung elektrisch leitfähiger Abschnitte mit unterschiedlichen Eigenschaften erlaubt eine Anpassung des Verbindungselements an die spezifischen Anforderungen in Hinblick auf Aufbau und/oder Funktion der jeweiligen Abdeckanordnung und/oder der elektrochemischen Zelle.
Bevorzugt bestehen die elektrisch leitfähigen Abschnitte aus der gleichen elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung und/oder weisen die gleichen Dimensionen auf. Eine solche Ausgestaltung vereinfacht die Herstellung des Verbindungselements.
Das Verbindungselement kann einstückig ausgebildet sein. Einstückig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die einzelnen elektrisch leitfähigen und/oder elektrisch isolierenden Abschnitte des Verbindungselements so innig miteinander verbunden sind, dass diese nicht als mehrere aneinander gefügte Teile erscheinen.
Bevorzugt ist der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt mit dem zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt nicht lösbar verbunden. Nicht lösbar bedeutet, dass keine Trennung der verbundenen Abschnitte ohne Zerstörung des oder der Verbindungsmittel möglich ist. Vorzugsweise wird die nicht lösbare Verbindung durch Stoffschluss hergestellt. Der Stoffschluss kann in Abhängigkeit der zu fügenden Materialien durch Fügetechniken wie Schweißen, Löten, Kleben und/oder Vulkanisieren bewirkt werden.
Der Fügebereich stellt dabei jenen Bereich dar, an welchem die Verbindung zwischen zumindest zwei elektrisch leitfähigen und/oder elektrisch isolierenden Abschnitten ausgebildet wird. Dieser ist vorzugsweise entlang der gesamten Kontaktfläche zwischen den zumindest zwei Abschnitten ausgebildet.
Ist beispielsweise der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt vollständig von dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt umgeben, so kann der Fügebereich den zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt zur Gänze umlaufen. Selbiges gilt im umgekehrten Fall.
Wenn die elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Materialzusammensetzungen Kunststoffe umfassen, können die Abschnitte und deren stoffschlüssige Verbindung im Rahmen eines Spritzgussverfahrens ausgebildet werden. Eine stoffschlüssige Verbindung der Abschnitte ist vorteilhaft, weil die Verbindungen sich durch eine hohe Stabilität auszeichnen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung kann zumindest ein Polymermaterial umfassen oder aus dem zumindest einen Polymermaterial bestehen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die zumindest eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung umfassen vorzugsweise ein duroplastisches Polymermaterial, ein thermoplastisches Polymermaterial oder ein elastomeres Polymermaterial oder Mischungen daraus oder bestehen aus diesen.
Bevorzugt ist das zumindest eine Polymermaterial ein thermoplastisches Polymermaterial. Beispielsweise werden Hotmelt-Materialien verwendet.
Vorzugsweise ist das zumindest eine Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyamiden, Polyimiden, Copolyamiden, Polyamid- Elastomeren, Synthesekautschuken, Polyethern, Phenolharzen, Aminoplasten, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyester, Polycarbonaten, Polyvinyl(co)polymeren, Polyacrylaten, Polyphenylensulfid, Polyterephthalate und/oder Polystyrolen.
Ebenfalls möglich sind Co-Polymere aus den vorgenannten Polymerklassen.
Besonders bevorzugt wird das zumindest eine Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen, Polyethylen, Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyvinylchlorid, Acrylnitril-butadien-styrol (ABS), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Polyurethan- Acrylat, Polymethylmethacrylat, Silikonkautschuk, Polyoxymethylen, Polyetheretherketon, Polytetrafluorethylen Polymethacrylat, Polyphenylensulfid und/oder Polyacrylat. Die vorgenannten (Co-)Polymere weisen vorteilhafte chemische und physikalische Eigenschaften für eine Verwendung im Verbindungselement wie eine chemische I nertheit, gute mechanische Eigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit auf.
Wenn die elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung aus nur einem Polymermaterial besteht, so muss das Polymermaterial ein elektrisch selbstleitendes Polymermaterial sein. Bevorzugte elektrisch selbstleitende Polymermaterialien sind Poly-3,4- ethylendioxythiophen-basierte Polymere (PEDOT), insbesondere Polystyrolsulfonat dotiertes PEDOT (PEDOT:PSS), trans-Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin, Poly(phenylene), insbesondere Poly(p-phenylen-vinylen), Polythiophen oder Mischungen davon.
Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die zumindest eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung einen oder mehrere Füllstoffe umfassen. Der Gesamtanteil an Füllstoffen in der zumindest einen elektrisch leifähigen Materialzusammensetzung und/oder in der zumindest einen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung kann 0,1 bis 10,0 Gew.-%, bevorzugt 1 ,0 bis 5,0 Gew.-% betragen.
Der eine oder die mehreren Füllstoffe sind insbesondere ausgewählt aus einem oder mehreren der folgenden: anorganische Füllstoffe, insbesondere Siliziumoxid, Carbonat, Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, Nitrid, insbesondere Metallnitrid, Metalloxid.
Durch die Verwendung eines oder mehrerer Füllstoffe ist vorzugsweise ein Setzungsverhalten der Materialzusammensetzung optimiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und die zumindest eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung das gleiche zumindest eine Polymermaterial und/oder dieselben Füllstoffe. Aufgrund der ähnlichen Zusammensetzung weisen diese Materialzusammensetzungen entsprechend ähnliche physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf, was die Herstellung des Verbindungselements erleichtern kann.
Es kann günstig sein, wenn die zumindest eine leitfähige Materialzusammensetzung zumindest ein Leitadditiv umfasst. Bei einem Leitadditiv handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Material. In Bezug auf die Leitadditive wird unter "elektrisch leitfähig" insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit von 10'1 S/m oder mehr, insbesondere 106 S/m oder mehr, verstanden.
Das zumindest eine Leitadditiv kann insbesondere aus einem oder mehreren der folgenden ausgewählt werden: Kohlenstoffmaterialen, insbesondere Leitruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanozwiebeln, partikuläre metallische Materialien, insbesondere Metall-Pulver, elektrisch leitfähige keramische Materialien, insbesondere Nitride und/oder Carbide, elektrisch leitfähige Polymere, insbesondere trans-Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin, Polyphenylen, Polythiophen und/oder Polystyrolsulfonat dotiertes Poly-(3,4-ethylendioxythiophen).
Bevorzugte partikuläre metallische Materialien umfassen vorzugsweise Aluminium, Kupfer, Titan, Eisen, Silber und/oder Legierungen aus den genannten Materialien oder sind daraus gebildet.
Insbesondere umfassen die partikulären metallischen Materialien Legierungen der genannten Materialien oder sind daraus gebildet.
Durch Zugabe eines oder der mehreren Leitadditive kann die elektrische Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung für den zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt angepasst werden, um einen Widerstand zwischen der ersten Komponente mit dem ersten, vorzugsweise positiven, Potential und der zweiten Komponente mit dem zweiten, vorzugsweise negativen, Potential einzustellen.
Der Gewichtsanteil des zumindest einen Leitadditivs kann insgesamt zwischen 0,1 und 15,0, bevorzugt 2,0 und 8,0 Gew.-% an der elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung betragen. Der Anteil des zumindest einen Leitadditivs kann in Abhängigkeit von der gewünschten zu erzielenden elektrischen Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung gewählt werden.
Das Verbindungselement kann zumindest einen Positioniervorsprung umfassen. Dieser zumindest eine Positioniervorsprung kann beim Einbau des Verbindungselements in eine Abdeckanordnung mit einem entsprechend komplementär ausgestalteten Positionierrücksprung einer Komponente der Abdeckanordnung in Eingriff gebracht werden.
Der Positioniervorsprung kann einen kreisförmigen, ovalen, quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt in der Haupterstreckungsebene aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das Verbindungselement zumindest einen Positionierrücksprung aufweisen, welcher mit einem entsprechend komplementär ausgestalteten Vorsprung einer Komponente der Abdeckanordnung in Eingriff gebracht werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann das Verbindungselement zumindest eine Elektrolyteinfüllöffnung umfassen.
Vorzugsweise können der zumindest eine Positioniervorsprung und/oder die zumindest eine Elektrolyteinfüllöffnung in dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt des Verbindungselements ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird auch durch eine Abdeckanordnung gemäß dem diesbezüglichen unabhängigen Anspruch gelöst.
Die Abdeckanordnung kann eine Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle sein.
Die elektrochemische Zelle kann eine prismatische Zelle und/oder eine Lithium-Ionen- Zelle sein.
Die elektrochemische Zelle kann Teil eines elektrochemischen Systems sein, welches zumindest eine solche elektrochemische Zelle umfasst. Das elektrochemische System kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein.
Die Abdeckanordnung weist Folgendes auf: zumindest eine erste Komponente;
- wobei an der zumindest einen ersten Komponente ein erstes Potential anliegt; zumindest eine zweite Komponente;
- wobei an der zumindest einen zweiten Komponente ein zweites Potential anliegt; und ein hierin beschriebenes Verbindungselement zur Einstellung eines Widerstands zwischen der zumindest einen ersten Komponente und der zumindest einen zweiten Komponente und/oder zur Positionierung der zumindest einen ersten Komponente und/oder der zumindest einen zweiten Komponente.
Das Verbindungselement der Abdeckordnung kann insbesondere zur Einstellung eines Widerstands zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente eingerichtet sein.
Das Verbindungselement stellt über im verbauten Zustand in der Abdeckanordnung über den zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der zumindest einen ersten Komponente, an welcher das erste, vorzugsweise positive, Potential anliegt, und der zumindest einen zweiten Komponente, an welcher das zweite, vorzugsweise negative, Potential anliegt, her.
Vorzugsweise steht die zumindest eine erste Komponente an einer ersten Oberfläche des Verbindungselements mit dem Verbindungselement in Kontakt, wobei die erste Oberfläche zumindest teilweise von dem zumindest einen leitenden Abschnitt ausgebildet wird und sich parallel zur Haupterstreckungsebene des Verbindungselements erstreckt.
Vorzugsweise steht die zumindest eine zweite Komponente an einer zweiten Oberfläche des Verbindungselements mit dem Verbindungselement in Kontakt, wobei die zweite Oberfläche von der ersten Oberfläche des Verbindungselements abgewandt ist und zumindest teilweise von dem zumindest einen leitenden Abschnitt ausgebildet wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Verbindungselement zwischen der zumindest einen ersten und der zumindest einen zweiten Komponente angeordnet.
Die erste Komponente, an welcher das erste Potential anliegt, kann ein erstes Zellterminal; ein erstes Kontaktelement zur Verbindung des ersten Zellterminals mit einem ersten Verbindungsleiter; oder der erste Verbindungsleiter sein.
Ergänzend oder alternativ kann die zweite Komponente, an welcher das zweite Potential anliegt, ein zweites Zellterminal; ein zweites Kontaktelement zur Verbindung des zweiten Zellterminals mit einem zweiten Verbindungsleiter; der zweite Verbindungsleiter; oder ein Abdeckelement sein.
Alternativ kann auch am Abdeckelement das erste, vorzugsweise positive, Potential anliegen.
Das Abdeckelement weist vorzugsweise zumindest eine Öffnung auf.
Günstig kann es sein, wenn das Abdeckelement ein metallisches Material umfasst oder aus einem metallischen Material gebildet ist. Dies kann eine Verarbeitung erleichtern. Beispielsweise ist das Abdeckelement aus einem Blech, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt.
Das erste Zellterminal ist beispielsweise eine Anode einer elektrochemischen Zelle.
Das zweite Zellterminal ist beispielsweise eine Kathode der elektrochemischen Zelle.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das erste Zellterminal die Kathode und/oder dass das zweite Zellterminal die Anode bildet.
Das erste Zellterminal und das zweite Zellterminal der Abdeckanordnung können zum Verbinden einer elektrochemischen Zelle, welche die Abdeckanordnung umfasst, mit einem Zellkontaktierungssystem dienen.
Der erste Verbindungsleiter dient vorzugsweise einer elektrischen Verbindung eines elektrochemischen Elements einer elektrochemischen Zelle mit dem ersten Kontaktelement.
Der zweite Verbindungsleiter dient insbesondere einer elektrischen Verbindung des elektrochemischen Elements der elektrochemischen Zelle mit dem zweiten Kontaktelement. Das erste Kontaktelement und der erste Verbindungsleiter und/oder das zweite Kontaktelement und der zweite Verbindungsleiter können einstückig oder einteilig ausgebildet sein.
Das Verbindungselement kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Position der zumindest einen ersten Komponente und/oder der zumindest einen zweiten Komponente relativ zum Verbindungselement festzulegen. Die Festlegung kann mittels Kraft- und/oder Formschluss und/oder Stoffschluss erfolgen.
Zur Festlegung der Position einer Komponente kann das Verbindungselement Positionierungsvorsprünge und/oder Positionierungsrücksprünge aufweisen, wobei die festzulegende Komponente entsprechend komplementäre Positionierungsvorsprünge und/oder Positionierungsrücksprünge aufweist.
Ergänzend oder alternativ können das Verbindungselement und die festzulegende Komponente zumindest abschnittsweise komplementär ausgebildet sein.
Eine Festlegung durch die zumindest abschnittsweise komplementäre Ausbildung des Verbindungselements und der festzulegenden Komponente kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt und der zumindest eine elektrisch leitende Abschnitt des Verbindungselements zumindest abschnittsweise unterschiedliche Materialstärken aufweisen, sodass das vorzugsweise rahmenartige Verbindungselement zumindest abschnittsweise ein L- oder T-förmiges Querschnittsprofil aufweist.
In anderen Worten weist die erste und/oder zweite Oberfläche des Verbindungselements im Fügebereich der Abschnitte mit unterschiedlicher Materialstärke zumindest abschnittsweise, vorzugsweise entlang des gesamten Fügebereichs, eine Stufenstruktur auf. An und/oder in diese Stufenstruktur kann die zumindest eine erste und/oder zweite Komponente der Abdeckanordnung festgelegt werden.
Vorzugsweise weist der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt eine höhere Materialstärke auf. Dies hat den Vorteil, dass der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt für die Funktion der Positionierung und/oder Fixierung von zumindest einer Komponente sorgt und die teure, zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung nur zur Ausbildung des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts eingesetzt werden kann.
Es kann vorteilhaft sein, die Positionen von zwei oder mehr Komponenten relativ zum Verbindungselement festzulegen. Dann ist auch die relative Position der zumindest zwei festgelegten Komponenten fixiert. Dies erlaubt eine präzise Anordnung einzelner Komponenten zueinander und vereinfacht darüber hinaus die Produktion der Abdeckanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden das Abdeckelement an der ersten Oberfläche des Verbindungselements und das erste Kontaktelement und/oder der erste Verbindungsleiter an der zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche des Verbindungselements festgelegt.
Die Abdeckanordnung kann ferner zumindest ein, vorzugsweise plattenförmiges, Isolierelement umfassen. Das Isolierelement weist insbesondere auf einer dem Abdeckelement zugewandten Seite einen oder mehrere Positioniervorsprünge auf.
Der eine oder die mehreren Positioniervorsprünge greifen vorzugsweise in einen oder mehrere komplementär dazu ausgebildete Positionierrücksprünge des Abdeckelements ein.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Isolierelement einen oder mehrere Positionierrücksprünge aufweist. Die einen oder die mehreren Positionierrücksprünge des Isolierelements greifen insbesondere in einen oder mehrere Positioniervorsprünge des Abdeckelements ein.
Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest das Abdeckelement und das Verbindungselement eine Kavität zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Vergusselements ausbilden.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Abdeckelement an einer dem Verbindungselement abgewandten Seite zumindest einen vertieften Bereich um die Öffnung zur Aufnahme des Vergusselements aufweist. Der zumindest eine vertiefte Bereich ist beispielsweise ein Vergussbecken. Es kann vorteilhaft sein, dass das Verbindungselement und das Abdeckelement dergestalt zueinander ausgerichtet und/oder festgelegt sind, dass die zumindest eine Öffnung des Abdeckelements und die zumindest eine Öffnung des Verbindungselements übereinander liegen.
Optional kann vorgesehen sein, dass das Vergusselement das Kontaktelement am Verbindungselement festlegt; und/oder dass das Vergusselement das Abdeckelement am Verbindungselement festlegt; und/oder dass das Vergusselement das erste Zellterminal am Verbindungselement festlegt; und/oder dass das Vergusselement das Kontaktelement am Abdeckelement festlegt; und/oder dass das Vergusselement das erste Zellterminal am Abdeckelement festlegt; und/oder dass das Vergusselement das Kontaktelement am ersten Zellterminal festlegt; und/oder dass das Vergusselement aus einer Vergussmaterialzusammensetzung besteht, welche zumindest ein Vergusspolymermaterial umfasst oder aus dem zumindest einem Vergusspolymermaterial besteht.
Die Verwendung des Vergusselements stellt eine einfache Variante dar, die Abdeckanordnung herzustellen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vergussmaterialzusammensetzung im ausgehärteten Zustand eine Härte von 40 bis 100 Shore D, bevorzugt von 50 bis 97 Shore D, besonders bevorzugt von 60 Shore D bis 95 Shore D, aufweist. Die Härte ist insbesondere gemäß DIN EN ISO 868 bestimmt.
Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Vergussmaterialzusammensetzung eines oder mehrere der folgenden Vergusspolymermaterialien oder ist daraus gebildet:
Epoxidharzmaterial, Phenolharzmaterial, Aminoplastmaterial, Polyurethanmaterial, Silikonmaterial, Polyesterharzmaterial, ABS(Acrylnitril-Butadien-Styrol)-Harzmaterial. Ein Epoxidharzmaterial, beispielsweise ein Epoxidharz, hat sich als besonders vorteilhaft für die Verwendung des zumindest einen Vergusspolymermaterials erwiesen. Dieses weist eine optimierte Beständigkeit gegenüber Korrosion auf. Dies kann insbesondere im Hinblick auf einen Kontakt mit einem in einer elektrochemischen Zelle verwendeten Elektrolyten von Vorteil sein.
Insbesondere weisen Epoxidharzmaterialien eine optimierte Gasdichtigkeit auf, weshalb eine Abdichtung mit Epoxidharzmaterialien für eine optimierte Dichtigkeit vorteilhaft ist.
Vorzugsweise werden ein-komponentige Vergussmaterialzusammensetzungen verwendet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zumindest eine Vergusspolymermaterial hochvernetzte Materialien, beispielsweise hochvernetzte Epoxidharzmaterialien, sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vergussmaterialzusammensetzung bei der Herstellung des Vergusselements eine Viskosität von 102 bis 106 mPa s, bevorzugt 103 bis 105 mPa s aufweist.
Eine Befüllung der Kavität mit der Vergussmaterialzusammensetzung findet vorzugsweise bei Umgebungsdruck statt.
Insbesondere um eine Diffusion von Sauerstoff und/oder Wasser und/oder eines Elektrolyten durch das Vergusselement zu vermeiden, kann es günstig sein, wenn die Vergussmaterialzusammensetzung zumindest einen Füllstoff umfasst. Der Gesamtanteil an Füllstoffen in der Vergussmaterialzusammensetzung kann 5,0 bis 50,0 Gew.-%, bevorzugt 15,0 bis 35,0 Gew.-%, betragen.
Der zumindest eine Füllstoff ist insbesondere ausgewählt aus einem oder mehreren der folgenden: anorganische Füllstoffe, insbesondere Siliziumoxid, Carbonat, Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, Nitrid, insbesondere Metallnitrid, Metalloxid.
Das Verbindungselement kann im verbauten Zustand einen elektrischen Gesamtwiderstand von 100 bis 10000 Ohm, bevorzugt 500 bis 7500 Ohm, besonders bevorzugt 2500 bis 5000 Ohm, gemessen zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente, aufweisen.
Der (Gesamt-)Widerstand kann über den für die elektrische Leitung zur Verfügung stehenden Gesamtquerschnitt des zumindest einen elektrisch leitenden Abschnitts und/oder über die Materialstärke des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts und/oder die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts des Verbindungselements eingestellt werden.
Die Aufgabe wird auch durch eine elektrochemische Zelle gemäß dem diesbezüglichen unabhängigen Anspruch gelöst.
Die elektrochemische Zelle kann eine prismatische Zelle und/oder eine Lithium-Ionen- Zelle sein.
Die elektrochemische Zelle kann eine elektrochemische Zelle für ein elektrochemisches System sein. Das elektrochemische System kann ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein und mehrere Lithium-Ionen-Zellen umfassen.
Die elektrochemische Zelle umfasst insbesondere eine hierin beschriebene Abdeckanordnung.
Die elektrochemische Zelle umfasst ferner ein elektrochemisches Element zur Aufnahme, Speicherung und/oder Bereitstellung elektrischer Energie. Das elektrochemische Element ist insbesondere ein sogenannter Zellwickel.
Das elektrochemische Element ist vorzugsweise über einen ersten Verbindungsleiter mit einem ersten Kontaktelement der Abdeckanordnung elektrisch leitend verbunden.
Das elektrochemische Element ist vorzugsweise über einen zweiten Verbindungsleiter mit einem ersten Kontaktelement der Abdeckanordnung elektrisch leitend verbunden. Die elektrochemische Zelle umfasst ferner ein Gehäuse zur Aufnahme des elektrochemischen Elements, wobei das Gehäuse einen Innenraum der elektrochemischen Zelle umgibt. Das Gehäuse kann die hierin beschriebene Abdeckanordnung umfassen.
Die Abdeckanordnung ist vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem, insbesondere becherförmigen, Gehäuse verbunden. Die Abdeckanordnung dient insbesondere dazu, das Gehäuse abzudecken und/oder abzuschließen.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements gemäß dem diesbezüglichen unabhängigen Anspruch.
Das Verbindungselement kann ein Verbindungselement zur Positionierung von Komponenten einer Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente mit einem ersten, vorzugsweise positiven, Potential und einer zweiten Komponente mit einem zweiten, vorzugsweise negativen, Potential einer Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle sein.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: i. Bereitstellung zumindest einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung und zumindest einer elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung; ii. Ausbilden zumindest eines elektrisch leitfähigen Abschnitts aus der zumindest einen elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung und zumindest eines elektrisch isolierenden Abschnitts aus der zumindest einen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung, sodass der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt und der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt (110) miteinander verbunden sind.
Die im Verfahren verwendete zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung kann jede hierin beschriebene elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung sein. Die im Verfahren verwendete zumindest eine elektrisch isolierende
Materialzusammensetzung kann jede hierin beschriebene elektrisch isolierende Materialzusammensetzung sein.
Die in Schritt ii. ausgebildete Verbindung ist vorzugsweise nicht lösbar und insbesondere stoffschlüssig.
In oder nach Schritt ii. kann ein Härtungsschritt, beispielsweise eine Vulkanisierung und/oder eine Vernetzung, erfolgen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn nach Schritt ii zumindest ein Kühl- und/oder zumindest ein Nachbearbeitungsschritt stattfindet.
Der zumindest eine Nachbearbeitungsschritt kann ein Vorgang wie Zerspanen, Entgraten, Schleifen, Beschichten, Lackieren, Bohren, Fräsen, Fügen und/oder Beschichten des Verbindungselements sein.
Insbesondere erfolgt Schritt ii in einem Spritzgussverfahren, vorzugsweise einem Zwei- Komponenten-Spritzgussverfahren.
Das Spritzgussverfahren kann insbesondere die folgenden Schritte umfassen: Plastifizieren und Dosieren der zumindest einen elektrisch leifähigen Materialzusammensetzung und/oder der zumindest einen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung;
Einspritzen der zumindest einen elektrisch leifähigen Materialzusammensetzung und/oder der zumindest einen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung mit zumindest einer Spritzeneinheit in ein Spritzgießwerkzeug (Form);
- Abkühlen und Nachdrücken zur Kompensation einer Schwindung; und/oder Entfernen des gebildeten Verbindungselements aus dem Spritzgießwerkzeug (Entformen).
Das Einspritzen der Materialzusammensetzungen kann simultan (Koinjektion) oder konsekutiv erfolgen. Vorzugsweise werden separate Spritzeneinheiten für die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und die zumindest eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung verwendet.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Materialzusammensetzung weist die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die zumindest eine elektrisch isolierende Materialzusammensetzung während des Einspritzens zumindest zeitweise eine Temperatur von 150 bis 350°C, bevorzugt von 200 bis 300°C, auf.
Selbstverständlich können im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Gegenstand beschriebene Merkmale auch Merkmale eines anderen hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstands bilden.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Schnittdarstellung einer Abdeckanordnung;
Fig 2: eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines
Verbindungselements;
Fig. 3: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 2 als
Schnittdarstellung entlang der Achse A-A;
Fig. 4: eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines
Verbindungselements;
Fig. 5: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 4 als
Schnittdarstellung entlang der Achse A-A;
Fig. 6: eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines
Verbindungselements; Fig. 7: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 6 als
Schnittdarstellung entlang der Achse A-A;
Fig. 8: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 6 als
Schnittdarstellung entlang der Achse B-B;
Fig. 9: eine schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines
Verbindungselements;
Fig. 10: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 9 als
Schnittdarstellung entlang der Achse A-A;
Fig. 11 : eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 9 als
Schnittdarstellung entlang der Achse B-B;
Fig. 12: eine schematische Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines
Verbindungselements;
Fig. 13: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 12 als
Schnittdarstellung entlang der Achse A-A;
Fig. 14: eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 12 als
Schnittdarstellung entlang der Achse B-B.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt eine Abdeckanordnung 101 im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Abdeckanordnung 101 eignet sich für eine elektrochemische Zelle.
Die elektrochemische Zelle ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Abdeckanordnung 101 umfasst ein, vorzugsweise plattenförmiges, Abdeckelement 120, das zumindest eine Öffnung aufweist. Bevorzugt liegt am Abdeckelement 120 ein zweites Potential an.
Insbesondere umfasst das Abdeckelement 120 ein metallisches Material, beispielsweise Aluminium, oder ist aus dem metallischen Material gebildet. Beispielsweise ist das Abdeckelement 120 aus einem Metallblech, insbesondere aus einem Aluminiumblech, gebildet.
Das Abdeckelement 120 kann stoffschlüssig mit einem Gehäuse einer elektrochemischen Zelle (nicht gezeigt) verbunden sein.
Die Abdeckanordnung 101 umfasst einen ersten Verbindungsleiter 123. Der erste Verbindungsleiter 123 dient insbesondere einer elektrischen Verbindung eines elektrochemischen Elements (nicht gezeigt), insbesondere eines sogenannten Zellwickels, mit einem ersten Zellterminal 121 der Abdeckanordnung 101, insbesondere über ein erstes Kontaktelement 122 der Abdeckanordnung 101.
Vorzugweise stehen das erste Zellterminal 121 und das erste Kontaktelement 122 durch die Öffnung des Abdeckelements 120 im elektrisch leitenden Kontakt. Insbesondere liegt das erste Zellterminal 121 am ersten Kontaktelement 122 an.
Die Abdeckanordnung 101 umfasst ferner das erste Zellterminal 121. Das erste Zellterminal 121 umfasst vorzugsweise ein erstes metallisches Material, beispielsweise Aluminium, oder ist daraus gebildet.
Bevorzugt liegt am ersten Zellterminal 121 ein erstes, vorzugsweise positives, Potential an. Beispielsweise ist das erste Zellterminal 121 als Anode ausgebildet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das erste Zellterminal 121 eine Kathode ist (nicht gezeigt).
Die Abdeckanordnung 101 kann ein zweites Zellterminal, einen zweiten Verbindungsleiter und ein zweites Kontaktelement (alle nicht gezeigt) umfassen, deren Aufbau, Funktion und/oder Anordnung bevorzugt analog zu den jeweils zuvor beschriebenen Elementen 121, 122 und 123 der Abdeckanordnung 101 ist.
Vorzugsweise liegt an diesen Elementen der Abdeckanordnung 101 ein zweites, bevorzugt negatives, Potential an. Sofern am Abdeckelement 120 ebenfalls das zweite Potential anliegt, kann der leitende Kontakt zwischen dem zweiten Zellterminal und dem zweiten Verbindungsleiter über das zweite Kontaktelement und das Abdeckelement 120 erfolgen, wobei das Abdeckelement 120 bevorzugt zwischen dem zweiten Kontaktelement und dem zweiten Zellterminal angeordnet ist.
Die Abdeckanordnung 101 weist ferner ein Verbindungselement 100 auf. Das Verbindungselement 100 umfasst zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt 110, wobei der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt 110 aus einer elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist, und zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 , wobei der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt 111 aus einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist.
Der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt 110 und der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt 111 sind in einem Fügebereich 112 miteinander verbunden.
Vorzugsweise ist im Fügebereich 112 eine stoffschlüssige Verbindung der Abschnitte 110 und 111 ausgebildet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann der elektrisch isolierende Abschnitt 110 den elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 umgeben. In anderen Worten kann der elektrisch isolierende Abschnitt 110 außen und der elektrisch leitfähige Abschnitt 111 innen angeordnet sein.
Das Verbindungselement 100 weist ferner eine Öffnung auf, welche durch eine Innenfläche 114 des Verbindungselements 100 begrenzt wird. Das Verbindungselement 100 hat vorzugsweise eine rahmenartige Struktur.
Der elektrisch isolierende Abschnitt 110 hat vorliegend eine größere Materialstärke (Dicke) als der elektrisch leitende Abschnitt 111. Deshalb wird die Innenfläche 114 sowohl von einer Innenfläche 114a des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 und von einer zur Innenfläche 114a nach innen versetzt angeordnete Innenfläche 114b des elektrisch leitenden Abschnitts 111 ausgebildet.
Die Materialstärke des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 kann 0,25 bis 3,0 mm, bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm betragen. Die Mate rial stärke des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 kann 0,1 bis 1 ,0 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,75 mm betragen.
Aufgrund der oben beschriebenen unterschiedlichen Materialstärken hat das Verbindungselement 100 zumindest abschnittweise das gezeigte L-Profil. Die resultierende Stufenstruktur erstreckt sich vorzugsweise entlang des gesamten Fügebereichs 112.
Das erste Kontaktelement 122 des ersten Verbindungsleiters 123 ist zumindest abschnittsweise so dimensioniert, dass eine Position des ersten Kontaktelements 122 relativ zum Verbindungselement 100 durch das Verbindungselement 100, insbesondere durch dessen Stufenstruktur, an einer ersten Oberfläche des Verbindungselements 110 festgelegt ist. In anderen Worten bildet die Stufenstruktur eine Vertiefung im Verbindungselement 100 aus, in welche das erste Kontaktelement 122 platziert werden kann. Das erste Kontaktelement 122 kann dabei kraft-, form- und/oder stoffschlüssig am Verbindungselement 100 festgelegt werden.
Das Verbindungselement 110 kann vorzugsweise Positioniervorsprünge (nicht gezeigt) und/oder Positionierrücksprünge (nicht gezeigt) zur Festlegung der Position des ersten Kontaktelements 122 und/oder des Abdeckelements 120, welches vorliegend an einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des Verbindungselements 100 angeordnet ist, aufweisen.
Über den zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 des Verbindungselements 100 wird eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Kontaktelement 122 und dem Abdeckelement 120 und damit ein definierter Widerstand zwischen der ersten Komponente 122 mit dem ersten Potential und der zweiten Komponente 120 mit dem zweiten Potential hergestellt. Der zwischen dem ersten Kontaktelement 122 und dem Abdeckelement 120 eingestellte Widerstand kann von 100 bis 10000 Ohm, bevorzugt 500 bis 7500 Ohm, besonders bevorzugt 2500 bis 5000 Ohm, betragen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung kann zumindest ein Polymermaterial umfassen oder aus dem zumindest einen Polymermaterial bestehen, wobei das zumindest eine Polymermaterial jedes hierin beschriebene Polymermaterial sein kann.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung kann ferner zumindest einen der hierin beschriebenen Füllstoffe in den beschriebenen Mengen umfassen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung kann ferner zumindest eines der hierin beschriebenen Leidadditive in den beschriebenen Mengen umfassen.
Durch die Öffnung im Abdeckelement 120 und die Öffnung im Verbindungselement 100 wird vorliegend eine Kavität 124 zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Vergusselements 125 ausgebildet. Durch das Vergusselement 125 werden vorzugsweise das erste Kontaktterminal 121 , das erste Kontaktelement 122, das Abdeckelement 120 und das Verbindungselement 100 in ihren Positionen relativ zueinander festgelegt.
Das Vergusselement 125 kann aus jeder hierin beschriebenen Vergussmaterialzusammensetzung bestehen.
In Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht auf eine erste Oberfläche eines Verbindungselements 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 100 gezeigt.
Das Verbindungselement umfasst einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 , welcher von einem elektrisch isolierenden Abschnitt 110 umgeben ist.
Eine äußere Gestalt oder Kontur des Verbindungselements 100 wird durch den elektrisch isolierenden Abschnitt 110 definiert. Vorzugsweise kann das Verbindungselement 100 die gezeigte im Wesentlichen rechteckförmige Gestalt aufweisen.
Der elektrisch leitfähige Abschnitt 111 und der elektrisch isolierende Abschnitt 110 sind in einem Fügebereich 112, weicher den elektrisch leitfähigen Abschnitt vollständig umläuft, miteinander, vorzugsweise stoffschlüssig, verbunden.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung kann zumindest ein Polymermaterial umfassen oder aus dem zumindest einen Polymermaterial bestehen, wobei das zumindest eine Polymermaterial jedes hierin beschriebene Polymermaterial sein kann. Dies gilt auch für alle weiteren Ausführungsformen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung kann ferner zumindest einen der hierin beschriebenen Füllstoffe in den beschriebenen Mengen umfassen. Dies gilt auch für alle weiteren Ausführungsformen.
Die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung kann ferner zumindest eines der hierin beschriebenen Leitadditive in den beschriebenen Mengen umfassen. Dies gilt auch für alle weiteren Ausführungsformen.
Das Verbindungselement 100 umfasst eine Öffnung 113 (zentrale Ausnahme), welche von einer Innenfläche 114 des Verbindungselements 110 begrenzt wird.
Das Verbindungselement 100 weist aufgrund der Öffnung 113 eine rahmenartige Struktur auf.
Deutlich ersichtlich ist, dass sowohl eine Länge der Öffnung 113 als auch deren Breite größer ist als eine Breite von Leisten, welche die rahmenartige Struktur bilden.
Die Innenfläche 114 wird vorliegend vollständig durch eine Innenfläche 114b des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 ausgebildet. Dies ist insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, welche eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 2 als Schnittdarstellung entlang der Achse A-A zeigt.
Der elektrisch leitfähige Abschnitt 111 und der elektrisch isolierende Abschnitt 110 weisen eine im Wesentlichen gleiche mittlere Materialstärke auf. In Zusammenschau mit Fig. 2 wird deutlich, dass das Verbindungselement 100 ein Flachmaterial, insbesondere ein ebenes Material, dessen Länge und Breite (Haupterstreckungsebene) eine vielfach größere Ausdehnung aufweisen als dessen Dicke.
Die Materialstärke des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 und des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 können 0,25 bis 3,0 mm, bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 mm, betragen.
Ein Verbindungselement 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf eine erste Oberfläche des Verbindungselements 100 und Fig. 5 eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 4 als Schnittdarstellung entlang der Achse A-A.
Die zweite Ausführungsform des Verbindungselements 100 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform im Wesentlichen nur dadurch, dass ein elektrisch isolierender Abschnitt 110 von einem elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 umgeben ist.
Der elektrisch isolierende Abschnitt 110 stellt damit einen inneren Abschnitt des Verbindungselements 100 dar, wobei eine Innenfläche 114a des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 eine Innenfläche 114 des Verbindungselements 100 ausbildet, die eine Öffnung 113 begrenzt.
In Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine erste Oberfläche eines Verbindungselements 100 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einer Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 100 gezeigt.
Das Verbindungselement 100 umfasst einen elektrisch isolierenden Abschnitt 110 und zwei elektrisch leitfähige Abschnitte 111a und 111b. Die zwei elektrisch leitfähigen Abschnitte 111a und 111b sind voneinander beabstandet, vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden oder peripheren Bereichen des Verbindungselements 100, angeordnet.
Der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 111a ist vollständig von dem elektrisch isolierenden Abschnitt 110 eingefasst. Der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 111a und der elektrisch isolierende Abschnitt 110 sind in einem ersten Fügebereich 112a, welcher den ersten elektrisch leitfähigen Abschnitt 111a vollständig umläuft, miteinander, vorzugsweise stoffschlüssig, verbunden.
Der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 111a weist vorzugsweise eine im Wesentlichen Rechteckform auf.
Der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 111b ist ebenfalls vollständig von dem elektrisch isolierenden Abschnitt 110 eingefasst. Der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 111b und der elektrisch isolierende Abschnitt 110 sind in einem zweiten Fügebereich 112b, welcher den zweiten elektrisch leitfähigen Abschnitt 111b vollständig umläuft, miteinander, vorzugsweise stoffschlüssig, verbunden.
Der zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 111b weist vorzugsweise eine im Wesentlichen Rechteckform auf.
Das Verbindungselement umfasst ferner eine Öffnung 113, welche durch eine Innenfläche 114 des Verbindungselements 100 begrenzt wird. Vorliegend wird die Innenfläche 114 durch eine Innenfläche 114a des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 ausgebildet.
Folglich bildet der elektrisch isolierende Abschnitt 110 im Wesentlichen eine rahmenartige Struktur des Verbindungselements 100 aus.
In Fig. 7 ist eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 6 als Schnittdarstellung entlang der Achse A-A gezeigt. Deutlich erkennbar ist, dass die zentrale Öffnung 113 von der elektrisch isolierenden Schicht 110 umgeben wird.
In Fig. 8 ist eine Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 6 als Schnittdarstellung entlang der Achse B-B dargestellt. Infolge der Einfassung des ersten elektrisch leitfähigen Abschnitts 111a durch den elektrisch isolierenden Abschnitt 110 ist in der gezeigten Schnittdarstellung eine Art Sandwich-Struktur ersichtlich.
Die Mate rial stärke des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 und des ersten elektrisch leitfähigen Abschnitts 111a kann 0,25 bis 3 mm, bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 mm, betragen.
Selbiges gilt vorzugsweise für den zweiten elektrisch leitfähigen Bereich 111b.
Der erste und zweite elektrisch leitfähige Abschnitt 111a und 111b können aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzungen bestehen oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet sein.
Zur Vereinfachung der Herstellung des Verbindungselements 100 wird vorzugsweise die gleiche elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung für die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 verwendet.
Die gezeigte Beabstandung der elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 kann die Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen unterschiedlichen ersten und/oder zweiten Komponenten ermöglichen.
In Fig. 9 ist eine schematische Draufsicht auf eine erste Oberfläche eines Verbindungselements 100 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einer Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 100 gezeigt.
Diese Ausführungsform stellt eine Abwandlung des in Fig. 6 bis 8 gezeigten Verbindungselements 100 dar. Das Verbindungselement 100 umfasst einen elektrisch isolierenden Abschnitt 110 und sechs elektrisch leitfähige Abschnitte 111a bis 111f.
Die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 sind jeweils voneinander beabstandet angeordnet. Der erste bis dritte elektrisch leitfähige Abschnitt 111a bis 111c sind vorzugsweise an einem ersten Ende oder peripheren Bereich des Verbindungselements 100 gruppiert. Der vierte bis sechste elektrisch leitfähige Abschnitt 111 d bis 111 f sind vorzugsweise an einem ersten Ende oder peripheren Bereich des Verbindungselements 100 gruppiert. Wie vorliegend dargestellt, können die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111a bis 111c und/oder 111 d bis 111 e regelmäßig beabstandet entlang einer Achse angeordnet sein, sodass die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
Die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 können in der Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 100 kreisförmig ausgestaltet sein. Alternativ können diese auch quadratisch oder rechteckförmig sein (nicht gezeigt). Vorzugsweise haben alle elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 dieselbe Ausgestaltung, wodurch die Herstellung des Verbindungselements 100 vereinfacht wird.
Der elektrisch isolierende Abschnitt 110 umgibt die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111. Dabei kann der erste elektrisch leitfähige Abschnitt 111a in einem ersten Fügebereich 112a mit dem elektrisch isolierenden Abschnitt 110, vorzugsweise stoffschlüssig, verbunden sein. Dasselbe gilt für den zweiten bis sechsten elektrisch leitfähigen Abschnitt 111b bis 111f analog.
Die Öffnung 113 wird durch eine Innenfläche 114 des Verbindungselements 100 begrenzt, welche vorliegend durch eine Innenfläche 114a des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 ausgebildet wird. Dies wird insbesondere aus Fig. 10, welche eine schematische Detailansicht des Verbindungselements aus Fig. 9 als Schnittdarstellung entlang der Achse A-A zeigt.
Die rahmenartige Struktur des Verbindungselements 100 wird im Wesentlichen durch den elektrisch isolierenden Abschnitt 110, welcher bevorzugt aus einer preiswerten elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung besteht oder diese umfasst, gebildet. Eine Positionierungs- und/oder Zentrierungsfunktion des Verbindungselements 100 kann somit allein durch den elektrisch isolierenden Abschnitt 110 ausgeübt werden.
Die elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 können dagegen ausschließlich zur Einstellung eines Widerstands zwischen zumindest einer ersten Komponente mit einem ersten Potential (nicht gezeigt) und zumindest einer zweiten Komponente mit einem zweiten Potential (nicht gezeigt) einer Abdeckanordnung (nicht gezeigt) herangezogen werden. Dies kann eine Reduktion der notwendigen Menge an zumindest einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung bewirken und damit die Herstellungskosten senken. In Zusammenschau der Fig. 9 und 11 wird die im Wesentlichen zylindrische Form der elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 offenkundig. Fig. 11 ist dabei eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 9 als Schnittdarstellung entlang der Achse B-B.
Die Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Abschnitten 111 im gezeigten Verbindungselement 100 kann ermöglichen, dass das Verbindungselement 100 in unterschiedlich ausgebildeten Abdeckanordnungen für elektrochemische Zellen zu verbauen.
In Fig. 12 ist auf eine erste Oberfläche eines Verbindungselements 100 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung in einer Haupterstreckungsebene des Verbindungselements 100 gezeigt.
Das Verbindungselement 100 umfasst einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 111 , welcher von einem elektrisch isolierenden Abschnitt 110 umfasst ist.
In Bezug auf die Ausgestaltung des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 kann die fünfte Ausführungsform als eine Kombination der elektrisch leitfähigen Abschnitte 111 der oben beschriebenen ersten (vgl. Fig. 2) und dritten Ausführungsform (vgl. Fig. 6) angesehen werden.
Der selbst rahmenartig ausgebildete elektrisch leitfähige Abschnitt 111 weist an zwei einander gegenüberliegenden Bereichen verbreitete, im Wesentlichen rechteckig ausgebildete Rahmenabschnitte auf. Dies kann im verbauten Zustand des Verbindungselements 100 die Ausbildung einer leitfähigen Verbindung zwischen zumindest einer ersten und zumindest einer zweiten Komponente einer Abdeckanordnung für eine elektrochemische Zelle aufgrund der lokal größeren Kontaktfläche im Bereich der verbreiterten Rahmenabschnitte vereinfachen.
Eine äußere Gestalt (Kontur) des Verbindungselements 100 wird durch den elektrisch isolierenden Abschnitt 110 definiert. Vorzugsweise kann das Verbindungselement 100 die gezeigte im Wesentlichen rechteckförmige Gestalt aufweisen.
Das Verbindungselement 100 weist eine Öffnung 113, welche von einen Innenfläche 114 des Verbindungselements 100 begrenzt ist. Wie insbesondere aus Fig. 13, welche eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 12 als Schnittdarstellung entlang der Achse A-A zeigt, ersichtlich ist, weist der elektrisch isolierende Abschnitt 110 eine höhere Materialstärke (Dicke) als der elektrisch leitfähige Abschnitt 111 auf.
Die Materialstärke des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 kann 0,25 bis 3 mm, bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 mm, betragen. Die Materialstärke des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 kann 0,1 bis 1 ,0 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,75 mm, betragen.
Die Innenfläche 114 wird vorliegend durch eine Innenfläche 114a des elektrisch isolierenden Abschnitts 110 und durch eine Innenfläche 114b des elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 ausgebildet. Die Innenfläche 114a ist zur Innenfläche 114b nach außen versetzt.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialstärken der Abschnitte 110 und 111 kann das Verbindungselement 100 das gezeigte L-Profil aufweisen. Die resultierende Stufenstruktur erstreckt sich vorzugsweise entlang des gesamten Fügebereichs 112, in welchem der elektrisch leitfähige Abschnitt 111 und der elektrisch isolierende Abschnitt 110, vorzugsweise stoffschlüssig, miteinander verbunden sind.
Wie in Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten Abdeckanordnung 101 beschrieben, kann die Stufenstruktur des Verbindungselements 100 im verbauten Zustand des Verbindungselements 100 zur Festlegung einer Position einer Komponente 120, 121, 122 und 123 dienen. Vorzugsweise umfasst die in Fig. 1 dargestellte Abdeckanordnung 101 das in Fig. 12 dargestellte Verbindungselement 100.
Fig. 14 zeigt eine Detailansicht des Verbindungselements 100 aus Fig. 12 als Schnittdarstellung entlang der Achse B-B. Erkennbar ist, dass das Verbindungselement 100 zumindest einen Positioniervorsprung 115 aufweist.
Der Positioniervorsprung 115 kann im verbauten Zustand des Verbindungselements 100 zur Festlegung einer Position einer Komponente der Abdeckanordnung relativ zum Verbindungelement 100 bewirken. Vorzugsweise bewirkt der Positioniervorsprung 115 im verbauten Zustand die Festlegung des Abdeckelements der Abdeckanordnung relativ zum Verbindungelement 100. Der zumindest eine Positioniervorsprung 115 hat vorzugsweise einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt in der Haupterstreckungsebene. Der rechteckige oder quadratische Querschnitt verhindert ein Verdrehen des Verbindungselements 100 und der jeweiligen festgelegten Komponente zueinander. Alternativ kann der zumindest eine Positioniervorsprung einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Vorzugsweise ist der Positioniervorsprung 115 einstückig, vorzugsweise einteilig, mit dem Verbindungselement ausgebildet.
Ergänzend oder alternativ weist das Verbindungselement 100 zumindest einen Positionierrücksprung auf (nicht gezeigt). Der Positionierrücksprung kann im verbauten Zustand des Verbindungselements 100 mit einem entsprechend komplementär ausgebildeten Positioniervorsprung einer Komponente der Abdeckanordnung in Eingriff gebracht werden.
Das Verbindungselement 100 weist ferner zumindest eine Elektrolyteinfüllöffnung 116 auf. Im eingebauten Zustand des Verbindungselements 100 erstreckt sich die Elektrolyteinfüllöffnung 116 vorzugsweise auch durch das Abdeckelement und optional ein Isolierelement der Abdeckanordnung und kann zum Einfüllen eines Elektrolyten in eine elektrochemische Zelle dienen.
Der zumindest eine Positioniervorsprung 115 und/oder die Elektrolyteinfüllöffnung 116 und/oder zumindest eine Positionierrücksprung sind bevorzugt im elektrisch isolierenden Abschnitt 110 des Verbindungselements 100 ausgebildet.
Die in den Figuren gezeigten Möglichkeiten betreffend insbesondere die spezifische Anordnung und/oder Gestalt des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts 111 und des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts 110 verdeutlichen, dass das erfindungsgemäße Verbindungselement 100 an beliebig ausgestaltete Abdeckanordnungen und/oder Zellgeometrien angepasst werden kann. Bezugszeichenliste
Verbindungselement
Abdeckanordnung elektrisch isolierender Abschnitt , 111a-f elektrisch leitfähiger Abschnitt , 112a-f Fügebereich
Öffnung
Innenfläche a Innenfläche eines elektrisch isolierenden Abschnittsb Innenfläche eines elektrisch leitfähigen Abschnitts
Positioniervorsprung
Elektrolyteinfüllöffnung
Abdeckelement
Zellterminal
Kontaktelement
Verbindungsleiter
Kavität
Vergusselement

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungselement (100) zur Positionierung von Komponenten (120, 121, 122, 123) einer Abdeckanordnung (101) für eine elektrochemische Zelle und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente (121, 122, 123) mit einem ersten Potential und einer zweiten Komponente (120) mit einem zweiten Potential einer Abdeckanordnung (101) für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verbindungselement (100) zumindest eine Öffnung (113) umfasst, wobei die Öffnung (113) von einer Innenfläche (114) des Verbindungselements (100) begrenzt wird, wobei das Verbindungselement (100) zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt (111) umfasst, wobei der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt (111) aus einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (110) umfasst, wobei der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt (110) aus einer elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung besteht oder zumindest abschnittsweise daraus gebildet ist.
2. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (114) des Verbindungselements (100) durch eine Innenfläche (114b) des zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitts (111) und/oder durch eine Innenfläche (114a) des zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitts (110) ausgebildet ist.
3. Verbindungselement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) zumindest einen weiteren elektrisch leitfähigen Abschnitt (111) umfasst, wobei die elektrisch leitfähigen Abschnitte (111) voneinander beabstandet angeordnet sind.
4. Verbindungselement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere elektrisch leitfähige Abschnitte (111) vorgesehen sind, die voneinander verschiedene elektrisch leitfähige Materialzusammensetzungen aufweisen.
5. Verbindungselement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) einstückig ausgebildet ist, wobei der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt (110) bevorzugt mit dem zumindest einen elektrisch leitfähigen Abschnitt (111) nicht lösbar, insbesondere stoffschlüssig, verbunden ist.
6. Verbindungselement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung und/oder die elektrisch isolierende Materialzusammensetzung zumindest ein erstes Polymermaterial umfasst oder aus dem zumindest einem Polymermaterial besteht, wobei das zumindest eine Polymermaterial bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyamiden, Polyimiden, Copolyamiden, Polyamid-Elastomeren, Synthesekautschuken, Polyethern, Phenolharzen, Aminoplasten, Polyurethanen, Polysilikonen, Polyestern, Polycarbonaten, Vinyl(co-)polymeren, Polyacrylaten, Polyphenylensulfid, Polyterephthalate und/oder Polystyrolen.
7. Verbindungselement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrisch leitfähige Materialzusammensetzung zumindest ein Leidadditiv umfasst, wobei das zumindest eine Leitadditiv insbesondere ausgewählt ist aus einem oder mehreren der folgenden: Kohlenstoffmaterialen, insbesondere Leitruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanozwiebeln, partikuläre metallische Materialien, insbesondere Metall- Pulver, elektrisch leitfähige keramische Materialien, insbesondere Nitride und/oder Carbide, elektrisch leitfähige Polymere, insbesondere trans-Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin, Polyphenylen, Polythiophen und/oder Polystyrol dotiertes Poly-(3,4-ethylendioxythiophen).
8. Verbindungselement (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) zumindest einen Positioniervorsprung (115) und/oder zumindest eine Elektrolyteinfüllöffnung (116) umfasst, wobei der zumindest eine Positioniervorsprung (115) und/oder die zumindest eine Elektrolyteinfüllöffnung (116) vorzugsweise in dem zumindest einen elektrisch isolierenden Abschnitt (110) des Verbindungselements (100) ausgebildet ist.
9. Abdeckanordnung (101) für eine elektrochemische Zelle, umfassend zumindest eine erste Komponente (121 , 122, 123), wobei an der zumindest einen ersten Komponente (121 , 122, 123) ein erstes Potential anliegt; zumindest eine zweite Komponente (120), wobei an der zumindest einen zweiten Komponente (120) ein zweites Potential anliegt; und ein Verbindungselement (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Einstellung eines Widerstands zwischen der zumindest einen ersten Komponente (121 , 122, 123) und der zumindest einen zweiten Komponente (120) und/oder zur Positionierung der zumindest einen ersten und/oder der zumindest einen zweiten Komponente (120, 121, 122, 123).
10. Abdeckanordnung (101) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente ein erstes Zellterminal (121), ein erstes Kontaktelement (122) zur Verbindung des ersten Zellterminals (121) mit einem ersten Verbindungsleiter (123) oder der erste Verbindungsleiter (123) und/oder die zweite Komponente ein zweites Zellterminal, ein zweites Kontaktelement zur Verbindung des zweiten Zellterminals mit einem zweiten Verbindungsleiter, der zweite Verbindungsleiter oder ein Abdeckelement (120) ist.
11. Abdeckanordnung (101) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) dazu eingerichtet ist, eine Position zumindest einer ersten Komponente (121 , 122, 123) und/oder der zumindest einen zweiten Komponente (120) relativ zum Verbindungselement (100) festzulegen.
12. Abdeckanordnung (101) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Abdeckelement (120) und das Verbindungselement (100) eine Kavität (124) zur Aufnahme und/oder Herstellung eines Vergusselements (125) ausbilden, wobei optional vorgesehen sein kann, a) dass das Vergusselement (125) das Kontaktelement (122) am Verbindungselement (100) festlegt; und/oder b) dass das Vergusselement (125) das Abdeckelement (120) am Verbindungselement (100) festlegt; und/oder c) dass das Vergusselement (125) das erste Zellterminal (121) am Verbindungselement (100) festlegt; und/oder d) dass das Vergusselement (125) das Kontaktelement (122) am Abdeckelement (120) festlegt; und/oder e) dass das Vergusselement (125) das erste Zellterminal (121) am Abdeckelement (120) festlegt; und/oder f) dass das Vergusselement (125) das Kontaktelement (122) am ersten Zellterminal (121) festlegt; und/oder g) dass das Vergusselement (125) aus einer Vergussmaterialzusammensetzung besteht, welche zumindest ein Vergusspolymermaterial umfasst oder aus dem zumindest einen Vergusspolymermaterial besteht.
13. Abdeckanordnung (101) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (100) im verbauten Zustand einen elektrischen Gesamtwiderstand von 100 bis 10000 Ohm, bevorzugt 500 bis 7500 Ohm, besonders bevorzugt 2500 bis 5000 Ohm, gemessen zwischen der ersten Komponente (121, 122, 123) und der zweiten Komponente (120) aufweist.
14. Elektrochemische Zelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle, umfassend
- eine Abdeckanordnung (101) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13.
15. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (100) zur Positionierung von Komponenten einer Abdeckanordnung (101) für eine elektrochemische Zelle und/oder zur Einstellung eines Widerstands zwischen einer ersten Komponente (121 , 122, 123) mit einem ersten Potential und einer zweiten Komponente (120) mit einem zweiten Potential einer Abdeckanordnung (101) für eine elektrochemische Zelle, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: i. Bereitstellung zumindest einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung und zumindest einer elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung; ii. Ausbilden zumindest eines elektrisch leitfähigen Abschnitts aus der zumindest einen elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung und zumindest eines elektrisch isolierenden Abschnitts aus der zumindest einen elektrisch isolierenden Materialzusammensetzung, sodass der zumindest eine elektrisch leitfähige Abschnitt und der zumindest eine elektrisch isolierende Abschnitt (110) miteinander verbunden sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt ii in einem Spritzgussverfahren, insbesondere einem Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren, erfolgt.
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