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Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Vielzahl von bipolaren
Rahmenflachzellen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Herstellen einer Batterie mit bipolaren Rahmenflachzellen. Ferner
betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Batterie oder
einer nach dem Verfahren zum Herstellen erhaltenen Batterie.
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Batterien
mit einem Aufbau aus einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen sind
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere können
die Batterieeinzelzellen dabei als Rahmenflachzellen aufgebaut sein.
Jede der einzelnen Rahmenflachzellen ist aus einem isolierenden
Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder
Seite des elektrisch isolierenden Rahmens gebildet. Bei derartigen
Rahmenflachzellen ist die so genannte bipolare Bauweise häufig
anzutreffen. Dies bedeutet, dass die elektrochemisch aktiven Materialien
der Rahmenflachzellen mit jeweils einem Pol der Rahmenflachzelle
verbunden sind. Die Pole sind dabei auf die Außenfläche
des Gehäuses geführt, beispielsweise in Form der
Hüllbleche auf jeder der Flachseiten der Rahmenflachzelle.
Dieser Aufbau ist prinzipiell aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 063 181.4 bekannt.
Hierin sind Rahmenflachzellen beschrieben, welche mit zwei Hüllblechen
versehen sind, sodass jede der Rahmenflachzellen für sich eine
selbständige Einheit bildet, und dass eine Vielzahl derartiger
Rahmenflachzellen zu einer Batterie gestapelt werden können.
Ein ähnlicher Aufbau, welcher jedoch etwas kompakter ausgeführt
ist, ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit
dem Aktenzeichen
DE 10 2008
059 949.2 bekannt. Hierbei „teilen” sich
jeweils zwei benachbarte Rahmenflachzellen das zwischen ihnen liegende Hüllblech.
Der Zellenstapel der Rahmenflachzellen, die hier die Batterie bilden,
ist dann an einem seiner Enden mit einem abschließenden
Hüllblech versehen.
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Die
beiden Hüllbleche an den beiden Enden des Zellenstapels
der Batterie werden dementsprechend nicht für zwei Rahmenflachzellen,
sondern jeweils nur für eine der Rahmenflachzellen verwendet. Beide
Bauformen der Batterie mit den bipolaren Rahmenflachzellen weisen
dann als fertiger Zellenstapel der einzelnen Rahmenflachzellen am
einen Ende des Zellenstapels den einen Pol und am anderen Ende des
Zellenstapels den anderen Pol auf.
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Beim
Aufbau der Batterie aus den Rahmenflachzellen als Lithium-Ionen-Batterie
ist üblicherweise außerdem eine Kühleinrichtung
vorgesehen, welche beispielsweise auf einer der Längsseiten
des Zellenstapels angeordnet ist. Die in den Rahmenflachzellen entstehende
Wärme kann dann über die Hüllbleche der
Rahmenflachzellen abgeführt werden, welche diese Wärme
in den Bereich der Kühleinrichtung, beispielsweise einer
gekühlten Platte, auf einer der Längsseiten der
Batterie leiten.
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Der
typische Einsatzzweck für derartige Batterien liegt beispielsweise
in elektrischen, hybridisierten oder teilhybridisierten Antriebssträngen
in Transportmitteln, wie z. B. Elektrofahrzeugen oder Hybrid- oder
Mildhybridfahrzeugen.
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Jede
der einzelnen Rahmenflachzellen ist also aus einem isolierenden
Rahmen und zwei elektrisch leitenden Hüllblechen auf jeder
Seite des elektrisch isolierenden Rahmens aufgebaut, wobei eines der
Hüllbleche gegebenenfalls von zwei der Rahmenflachzellen
genutzt sein kann. Im Inneren des elektrisch isolierenden Rahmens
sind die aktiven Materialien angeordnet, insbesondere in Form von
Anodenfolien und Kathodenfolien, welche jeweils von einem Separator
getrennt und elektrisch gegeneinander isoliert werden. Typischerweise
können diese Folien hinsichtlich ihrer Polarität
abwechselnd gestapelt werden, wobei jeweils ein Separator zwischen
den Folien angeordnet wird. Der Elektrodenstapel wird dann in den
Rahmen eingelegt. Die Rahmenflachzelle wird bei den Herstellungsverfahren
gemäß dem Stand der Technik anschließend
verschlossen und die Anoden- bzw. Kathodenfolien können
mit dem jeweiligen Hüllblech verschweißt werden,
wie es beispielsweise durch die nicht vorveröffentlichte
deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 063 181 beschrieben
ist.
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Problematisch
bei einer derartigen Rahmenflachzelle bzw. einer aus derartigen
Rahmenflachzellen aufgebauten Batterie ist es nun, dass an zwei
verschiedenen Stellen eine Siegelnaht zwischen dem Rahmen und den
Hüllblechen vorliegt, da der Rahmen zuerst auf das eine
der Hüllbleche und dann auf das andere der Hüllbleche
aufgebracht, angeklebt oder angeschmolzen wird. Damit entstehen
zwei kritische Stellen, an denen es zu einer Undichtheit kommen
kann. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Transportmitteln, wie
beispielsweise Kraftfahrzeugen, problematisch, da hier durch Erschütterungen und
Vibrationen derartige Siegelnähte undicht werden können.
Je mehr derartige Siegelnähte vorhanden sind, desto höher
ist die Gefahr, dass eine Undichtheit einer der Rahmenflachzellen
auftritt. Eine solche Undichtheit würde dann das Austreten
von Elektrolyt aus der Rahmenflachzelle fördern, insbesondere
dann, wenn das Innere der Rahmenflachzelle bei einem Ladevorgang
unter einem gewissen Überdruck steht. Tritt Elektrolyt
aus der Rahmenflachzelle aus, so kann diese ihre elektrochemische Funktionalität
nicht mehr erfüllen.
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Es
ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Batterie
mit einer Vielzahl von bipolaren Rahmenflachzellen zu schaffen,
welche diese Nachteile vermeidet, und ein Verfahren zum Herstellen
einer derartigen Batterie anzugeben, welches sicher, einfach und
kostengünstig die Herstellung und das dichte Verschließen
von Rahmenflachzellen einer Batterie ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung einer
Batterie mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
13 kann die Aufgabe ebenfalls lösen. In den abhängigen
Unteransprüchen zur Batterie und zu dem Verfahren sind
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Batterie bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Beim
erfindungsgemäßen Aufbau der Batterie ist in jeder
der Rahmenflachzellen, welche zu der Batterie gestapelt sind, der
Elektrodenstapel zuerst von einem Abschirmelement umgeben. Die Hüllbleche überragen
dieses Abschirmelement seitlich zumindest teilweise. Zumindest in
den Bereichen, in denen die Hüllbleche das Abschirmelement überragen, ist
ein Kunststoff zwischen den Hüllblechen angeordnet und
fest mit diesen verbunden. Dieser Aufbau ist dabei sehr einfach
und effizient. Die einzelnen Rahmenflachzellen werden entsprechend
in Form gehalten und durch das Abschirmelement wird verhindert, dass
der Kunststoff in Kontakt mit dem Elektrodenstapel kommt. Der Elektrodenstapel
wird also gegenüber dem Kunststoff durch das Abschirmelement
entsprechend abgeschirmt. Der Kunststoff selbst, welcher dann zwischen
den überstehenden Bereichen der Hüllbleche angeordnet
ist, verschließt, stabilisiert und dichtet die einzelnen
Rahmenflachzellen ab. Der eigentliche Rahmen wird hier also durch
die Kombination aus dem Abschirmelement und dem Kunststoff gebildet.
Der Kunststoff kann gemäß einer günstigen
Weiterbildung der Erfindung durch Spritzgießen oder Spritzpressen
aufgebracht sein. Auch vergleichbare oder artverwandte Verfahren
hierfür wären denkbar. Der aufgebrachte Kunststoff
versiegelt dann jede einzelne der Rahmenflachzellen nach außen.
Da hierbei mit einem einzigen Verfahrensschritt das Aufbringen des
Kunststoffs realisiert werden kann, entstehen weniger Probleme hinsichtlich
einer eventuellen Undichtheit oder dergleichen, da das Abdichten
nicht mehr in mehreren Schritten, sondern in einem einzigen Vorgang
erfolgt. Außerdem erlaubt das Abschirmelement, welches
nur lose zwischen den Hüllblechen eingelegt ist, und lediglich
die Aufgabe hat, den Elektrodenstapel vor dem aufgebrachten Kunststoff
zu schützen, die Möglichkeit, bei der Wahl des
aufgebrachten Kunststoffs sehr frei wählen zu können.
So ist es beispielsweise denkbar, dass ein Kunststoff aufgebracht
wird, welcher ideale Eigenschaften hinsichtlich eines Verbindens
und Abdichtens zwischen dem Kunststoff und den Hüllblechen sicherstellt.
Dabei muss nicht auf eine entsprechende Diffusionsdichtheit des
Kunststoffs gegenüber dem eingesetzten Elektrolyt und/oder
Wasser geachtet werden, da der Elektrolyt durch das Abschirmelement
entsprechend abgeschirmt wird. Dies ermöglicht eine sehr
große Variabilität bei der Auswahl des aufgebrachten
Kunststoffs. Dieser kann dabei hinsichtlich seiner Abdichtungseigenschaften
optimiert werden. Die einzelnen Rahmenflachzellen können damit
kostengünstiger und dichter ausgeführt werden,
als dies beim Stand der Technik der Fall ist.
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Das
Abschirmelement weist außerdem den Vorteil auf, dass es
die Hüllbleche bereits vor dem Aufbringen des Kunststoffs
im benötigten Abstand zueinander hält, sodass
eine einfache und schnelle Herstellung der Rahmenflachzellen mit
hoher Maßhaltigkeit möglich ist.
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Gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Batterie ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens eines der Hüllbleche der
Rahmenzelle eingeprägte Abschnitte, insbesondere Noppen,
zur Positionierung des Abschirmelements aufweist. Derartige Noppen
oder andersartig geformte Abschnitte können in eines oder
beide der Hüllbleche jeder Rahmenflachzelle eingeprägt
werden. Über diese Abschnitte kann dann die Positionierung
des Hüllblech auf der Fläche des Hüllblechs
einfach und sicher erfolgen. Im Inneren des Abschirmelements kann
dann der Elektrodenstapel angeordnet werden und das Ganze mit einem
zweiten Abschirmelement bedeckt werden, ehe der Kunststoff aufgebracht
wird.
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Gemäß einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Batterie ist es vorgesehen, dass das Abschirmelement an einem der
Hüllbleche fixiert ist.
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Diese
Fixierung kann beispielsweise durch ein Aufkleben oder auch ein
direktes Aufspritzen des Abschirmelements auf das Hüllblech
erfolgen. Die Positionierung muss dabei beachtet werden, wozu die
oben bereits erwähnten eingeprägten Abschnitte optional
auch in diesem Hüllblech vorhanden sein können.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die Positionierung über
andere Maßnahmen sichergestellt wird. Insbesondere beim
Einsatz eines aufgespritzten Abschirmelements stellt die Spritzgussmaschine sicher,
dass das Abschirmelement gegenüber dem Hüllblech
exakt positioniert ist. Dieser Aufbau aus einem Hüllblech
und dem an diesem Hüllblech fixierten Abschirmelement lässt
sich dann sehr einfach und effizient durch ein zweites Hüllblech,
welches beispielsweise die eingeprägten Abschnitte aufweist, komplettieren.
Die Herstellung kann dabei einfach und effizient erfolgen, ohne
dass ein aufwendiges Einmessen oder Ausrichten der Hüllbleche
zueinander notwendig wäre, da dies durch das an einem der Hüllbleche
vorfixierte Abschirmelement und die beispielsweise an dem anderen
Hüllblech angebrachten eingeprägten Abschnitte
weitgehend selbsttätig erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es dabei
vorgesehen, dass der aufgebrachte Kunststoff bündig mit
den über das Abschirmelement ragenden Teilen der Hüllbleche
abschließt. Bei diesem Aufbau wird also lediglich der Zwischenraum
zwischen den Hüllblechen und dem Abschirmelement mit dem
aufgebrachten Kunststoff versehen. Dieser Aufbau erlaubt damit die
Herstellung einzelner Rahmenflachzellen, welche dann in beliebiger
Anzahl zu einer Batterie der gewünschten Größe
gestapelt werden können. Da die Hüllbleche die
Rahmenflachzelle seitlich begrenzen, ist ein sicheres Aneinanderliegen
der Hüllbleche gewährleistet.
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In
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
es dagegen vorgesehen, dass der aufgebrachte Kunststoff die Hüllbleche
an wenigstens zwei der Stirnseiten der Rahmenflachzellen ummantelt.
Dieser Aufbau bietet sich dabei insbesondere dann an, wenn mehrere
der Rahmenflachzellen durch das Aufbringen des Kunststoffs zu einer gesamten
Batterie komplettiert werden. Dann kann durch den Kunststoff eine
Fixierung der einzelnen Rahmenflachzellen innerhalb der Batterie
erfolgen. Durch das vollständige Ummanteln in wenigstens zwei
Richtungen an den Stirnseiten der Rahmenflachzellen wird die Batterie
dann nicht nur mechanisch stabilisiert, sondern auch abgedichtet
und elektrisch isoliert. Eine derartige Batterie kann dann beispielsweise
ohne weitere Isolation in ein Gehäuse oder dergleichen
eingesetzt werden, welches seitlich im Bereich der wenigstens zwei
Stirnseiten zu liegen kommt und beispielsweise aus einem metallischen Material
besteht, um elektromagnetische Strahlung abzuschirmen. Der Aufbau
kann dabei auch alle Stirnseiten umfassen, insbesondere auf einer
der Stirnseiten ist es jedoch sinnvoll, die Hüllbleche
ohne Ummantelung durch aufgebrachten Kunststoff zu belassen, um
diese beispielsweise an eine Kühleinrichtung oder dergleichen
thermisch anbinden zu können. Außerdem kann dies
gegebenenfalls von Vorteil sein, um die Hüllbleche auf
einer Seite mit elektrischen Elementen, wie beispielsweise einer
Zellspannungsüberwachung oder dergleichen, zu kontaktieren.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch das Verfahren
mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 13 gelöst.
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Die
verfahrensgemäße Lösung sieht vor, dass
der eigentliche Rahmen der Rahmenflachzelle oder zumindest der wesentliche
Teil dieses Rahmens als letzter Schritt bei der Herstellung bzw.
der mechanischen Herstellung der Zelle dargestellt wird. Dafür wird
in dem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt
der Kunststoff aufgetragen, welcher um das Abschirmelement herum
zusammen mit diesem den späteren Rahmen bildet. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird in diesem Schritt
also der Rahmen hergestellt und gleichzeitig die Zelle mit dem Rahmen
verschlossen. Um zu verhindern, dass der Elektrodenstapel mit dem
Kunststoff beim Auftragen in Berührung kommt, wird dieser über
das Abschirmelement geschützt. Die so hergestellte Batterie bzw.
die Rahmenflachzellen für die Batterie können schnell
und effektiv verschlossen und abgedichtet werden.
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Der
Kunststoff kann gemäß einer besonders günstigen
Weiterbildung des Verfahrens dabei durch Spritzgießen oder
Spritzprägen aufgebracht werden. Somit kann die Batterie
bzw. die Rahmenflachzellen der Batterie einfach und effizient verschlossen
werden. Da das aufgespritzte Kunststoffmaterial lediglich zur Verbindung
und Abdichtung und zur mechanischen Stabilisierung der Rahmenflachzellen
bzw. der Batterie dient, kann hier unter verschiedenen Materialien
ausgewählt werden, um diese Aufgaben bestmöglich
zu erfüllen. Die Abdichtung des Innenraums der Rahmenflachzelle
mit dem Elektrodenstapel und dem Elektrolyt gegen unerwünschte
Diffusionsvorgänge, z. B. von Wasser in die Rahmenflachzelle, kann
dabei das Abschirmelement übernehmen. Da dieses nicht beim
Produktionsprozess mit den Hüllblechen verbunden werden
muss, sondern vom aufgespritzten Kunststoff gehalten wird, ist man
bei der Materialauswahl für das Abschirmelement sehr frei. Es
können hier geeignete Kunststoffe oder auch metallische
Materialien, Verbundwerkstoffe oder dergleichen eingesetzt werden,
welche beispielsweise niedrige Diffusionsraten, hohe Festigkeit,
geringe Wärmedehnung oder gute Wärmeleitfähigkeit
gewährleisten, je nach gewünschtem Effekt.
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Gemäß einer
sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dabei vorgesehen, dass die Hüllbleche mit dem
Abschirmelement und dem Elektrodenstapel lose montiert werden, wonach
sie zumindest so stark miteinander verpresst werden, dass das Abschirmelement
den Elektrodenstapel gegenüber dem aufgebrachten Kunststoff
abdichtet. Damit kann die Rahmenflachzelle in ihren mechanischen
Abmessungen einfach und effizient dargestellt werden, ehe sie durch
den aufgebrachten Kunststoff komplettiert und dadurch dicht verschlossen
und mechanisch stabilisiert wird.
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In
einer besonders günstigen Weiterbildung dieses Verfahrens
ist es dabei vorgesehen, dass das Verpressen der Hüllbleche
und des Abschirmelements in einer Spritzgussmaschine erfolgt, sodass
in einem einzigen Verfahrensschritt die Hüllbleche und das
Abschirmelement gegeneinander gepresst und danach der Kunststoff
aufgetragen wird. Dies ist besonders einfach und effizient und erlaubt
die zügige Fertigung einzelner Rahmenflachzellen oder auch der
Batterie mit dem Stapel aus Rahmenflachzellen als Ganzes.
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Die
erfindungsgemäße Batterie sowie das Verfahren
zur Herstellung der erfindungsgemäßen Batterie
ermöglichen es, Batterien beispielsweise auf der Basis
von Lithium-Ionen-Technologie einfach, schnell und kostengünstig
in großen Stückzahlen herzustellen. Die erfindungsgemäße
Batterie oder die gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Batterie ist dabei außerordentlich
robust und dicht, auch unter ungünstigen Bedingungen wie Vibrationen,
Stößen und dergleichen. Die bevorzugte Verwendung
einer derartigen Batterie oder einer nach dem Verfahren hergestellten
Batterie liegt daher in einer Verwendung zur Speicherung von Traktionsenergie
in einem elektrischen oder teilweise elektrisch angetriebenen Transportmittel.
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Insbesondere
für Nutzfahrzeuge und Personenkraftwagen mit elektrischen
Antrieben oder Hybridantrieben kann die Batterie besonders günstig
und effizient eingesetzt werden. Aufgrund der oben schon genannten
Vorteile ist sie für diese Verwendung, insbesondere in
einer Ausbildung als Lithium-Ionen-Batterie, prädestiniert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Batterie und des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung der Batterie mit Rahmenflachzellen
und der Verfahrensschritte zu ihrer Herstellung, anhand der beigefügten
Figuren.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer bipolaren Rahmenflachzelle;
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2 eine
Schnittdarstellung durch eine Rahmenflachzelle;
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3 eine
Ausschnittsvergrößerung aus 2;
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4 die
Ausschnittsvergrößerung aus 3 mit
aufgebrachtem Kunststoff;
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5 ein
Hüllblech mit daran positioniertem Rahmen;
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5 eine
Ausschnittsvergrößerung aus 5 in
einer dreidimensionalen Darstellung;
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7 eine
Möglichkeit zur einstückigen Ausbildung von Hüllblech
und Abschirmelement;
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8 eine
Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus 7;
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9 eine
Schnittdarstellung einer Ausführung mit zweiteiligem Abschirmelement;
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10 eine
dreidimensionale Ansicht eines hoch integrierten Zellenstapels vor
dem Aufbringen des Kunststoffs;
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11 die
Darstellung gemäß 10 in
einer Schnittdarstellung;
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12 die
Darstellung gemäß 11 mit aufgebrachtem
Kunststoff in einer ersten Variante; und
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13 die
Darstellung gemäß 11 mit aufgebrachtem
Kunststoff in einer zweiten Variante.
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In 1 ist
eine bipolare Rahmenflachzelle 1 in einer Explosionsdarstellung
zu erkennen. Die spätere Rahmenflachzelle 1 besteht
dabei aus einem ersten Hüllblech 2, welches beispielsweise
das Hüllblech 2 der Anodenseite bildet. Dieses
erste Hüllblech 2 ist über ein Abschirmelement 3 von
einem zweiten Hüllblech 4 getrennt, welches in
diesem Beispiel dann das Hüllblech 4 der Kathodenseite
wäre. Beide Hüllbleche 2, 4 weisen
auf einer Seite entsprechende Abkantungen 2a, 4a auf.
Diese Abkantungen 2a, 4a sind so ausgeführt,
dass sie auf einer Seite der späteren Rahmenflachzelle 1 nebeneinander
liegen, jedoch so, dass sie nicht in elektrischem Kontakt zueinander
kommen. Der Sinn und die Aufgabe der Abkantungen 2a, 4a der
jeweiligen Hüllbleche 2, 4 besteht nun
darin, dass sie typischerweise auf der Seite angeordnet sind, auf
der die Rahmenflachzelle 1 später, wenn mehrere
der Rahmenflachzellen 1 zu einer Batterie gestapelt sind,
im Allgemeinen über eine elektrisch isolierende, thermisch
leitende Folie oder Vergussmasse mit einer Kühleinrichtung,
beispielsweise einer Kühlplatte in Verbindung stehen. Die
Abkantungen 2a, 4a der Hüllbleche 2, 4 sorgen
nun dafür, dass der Kontakt der Hüllbleche 2, 4 zu
der Kühlplatte eine vergleichsweise große Fläche
aufweist, sodass von den Hüllblechen 2, 4 aus
dem Inneren der Rahmenflachzelle 1 abgeleitete Wärme
bestmöglich an die Kühlplatte abgegeben werden
kann. Da dieser Aufbau der Kühlung sowie die Anbindung der
Kühlplatte an die Rahmenflachzellen 1 an sich bekannt
und üblich ist, wird hierauf im Rahmen der hier vorliegenden
Erfindung jedoch nicht näher eingegangen.
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Die
beiden Hüllbleche
2,
4 bilden zusammen mit
dem Abschirmelement
3 die provisorische Umhüllung
der Rahmenflachzelle
1. Im Inneren des Abschirmelements
3 ist
das elektrochemisch aktive Material angebracht. Dieses besteht aus
einem Elektrodenstapel
5 mit Kathodenfolien
6,
Separatoren
7 und Anodenfolien
8. Die Anoden-
und Kathodenfolien
8,
6 sind dabei aus Aluminium
und Kupfer oder entsprechenden Legierung mit Aluminium und Kupfer
gebildet. In der Schnittdarstellung der
2 bzw. in
der Vergrößerung der
3 ist der
Elektrodenstapel
5 nochmals im Detail dargestellt. Wie
zu erkennen ist, besteht dieser aus mehreren der Kathodenfolien
6, welche über
den elektrisch isolierenden Separator
7, welcher bevorzugt
ebenfalls als Folie ausgebildet ist, von den Anodenfolien
8 getrennt
gestapelt sind. Die jeweils von dem Separator
7 getrennten
Anodenfolien
8 und Kathodenfolien
6 sind dabei
abwechselnd gestapelt. In der Darstellung der
2 ist
zu erkennen, dass die Kathodenfolien
6 in einem ersten
Anschlussbereich
5a des Elektrodenstapels
5 entsprechend
mit dem Hüllblech
4 der Kathodenseite verbunden
sind. Dies kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen,
wie es aus der älteren
DE
10 2007 063 181.4 der Anmelderin bekannt ist. Der Aufbau
auf der Anodenseite ist dabei vergleichbar. Auch hier sind die Anodenfolien
8 zu
einem Anschlussbereich
5b zusammengefasst, welcher dann
mit dem anodenseitigen Hüllblech
2 verbunden,
beispielsweise verschweißt ist. In der vergrößerten
Darstellung der
3 ist dieser Aufbau auf der
Anodenseite nochmals deutlicher zu erkennen. Auch der Elektrodenstapel
5 mit
seinem Aufbau aus Separatorfolien
7, Anodenfolien
8 und
Kathodenfolien
6 lässt sich in dieser vergrößerten
Darstellung deutlich erkennen.
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Ansonsten
ist in 2 über die Pfeile angedeutet, dass die
Hüllbleche 2, 4 auf das Abschirmelement 3 gepresst
werden, um so die Hüllbleche 2, 4, den
Elektrodenstapel 5 und das Abschirmelement 3 lose
mechanisch zu verbinden. Dabei ist der Elektrodenstapel 5 mit
seinen Anschlussbereichen 5a, 5b bereits fest
und elektrisch leitend mit den jeweiligen Hüllblechen 2, 4 verbunden,
wie es oben erwähnt ist. Dieser in den 2 und 3 so
dargestellte lose montierte Aufbau wird durch Kräfte, welche
in 2 durch die Pfeile angedeutet sind, miteinander
verpresst. Die Kraft muss dabei so groß gewählt
werden, dass die Hüllbleche 2, 4 so dicht
an dem Abschirmelement 3 anliegen, dass im nachfolgenden
Spritzguss- oder Spritzprägevorgang, in dem ein Kunststoff 9 um
das Abschirmelement 3 herum aufgebracht wird, den Elektrodenstapel 5 so
weit abdichtet, dass der Kunststoff 9 nicht in den Bereich
des Elektrodenstapels 5 kommt.
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In
der Darstellung der 4 ist derselbe vergrößerte
Ausschnitt wie in 3 nochmals dargestellt. Allerdings
ist hier bereits in den Bereichen, in denen die Hüllbleche 2, 4 über
das Abschirmelement 3 hinausragen, der Kunststoff 9 aufgebracht.
Der Kunststoff 9, welcher insbesondere durch Spritzgießen
oder ähnliche Verfahren, wie beispielsweise Spritzprägen
aufgebracht wird, bildet zusammen mit dem Abschirmelement 3 den
eigentlichen Rahmen, verschließt dabei die Rahmenflachzelle 1 und
dichtet diese sicher und zuverlässig ab. In der Darstellung der 4 ist
zu erkennen, dass der Kunststoff 9 bündig mit
den Hüllblechen 2, 4 der Rahmenflachzelle 1 abschließt.
Dieser Aufbau ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Rahmenflachzellen 1 einzeln
gefertigt werden, und über das Aufbringen, beispielsweise
das Aufspritzen, des Kunststoffs 9, sowohl die mechanische
Verbindung der Hüllbleche 2, 4 als auch
die Abdichtung der Rahmenflachzelle 1 erfahren.
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Der
Elektrodenstapel 5 kann dabei schon vor dem Einlegen in
das Innere des Abschirmelements 3 mit dem notwendigen Elektrolyten
getränkt sein. Es ist alternativ oder ergänzend
hierzu auch denkbar, den Elektrolyt nach dem Fertigstellen der Rahmenflachzelle 1 über
eine Öffnung in dem Kunststoff 9 und dem Abschirmelement 3 in
das Innere der Rahmenflachzelle 1 einzufüllen
und die Öffnung dann zu verschließen. Eine solche Öffnung
kann beispielsweise durch Bohren oder dergleichen nach der Herstellung
der Rahmenflachzelle 1 in diese eingebracht werden. Es
ist auch denkbar, dass das Abschirmelement 3 eine entsprechende Öffnung
aufweist, und dass die Spritzgussform, in welcher der Kunststoff 9 angespritzt
wird, einen entsprechenden Dorn oder dergleichen aufweist, welcher
sicherstellt, dass im Bereich der Öffnung in dem Abschirmelement 3 auch im
Kunststoff 9 eine Öffnung verbleibt. Nach dem
Einfüllen des Elektrolyten kann diese Öffnung
beispielsweise durch einen mittels Reibschweißen oder Ultraschallschweißen
angeschweißten Kunststoffpfropfen oder dergleichen verschlossen
werden.
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Um
nun bei der Herstellung der Batterie bzw. der Rahmenflachzelle 1 eine
einfache und effiziente Möglichkeit zur Positionierung
des Abschirmelements 3 und der Hüllbleche 2, 4 zueinander
zu schaffen ist es denkbar, dass das Abschirmelement an einem der
Hüllbleche fixiert ist. Hierzu wäre es beispielsweise
möglich, das Abschirmelement aus einem geeigneten Kunststoffmaterial
auszubilden, welches die gewünschte mechanische Festigkeit
und die ansonsten gewünschten Eigenschaften, wie beispielsweise
Diffusionsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit
oder dergleichen aufweist. Da das Abschirmelement 3 nicht
direkt mit den Hüllblechen 2, 4 verbunden
werden muss, besteht hier eine sehr große Variabilität
beim Material. Dieses Abschirmelement 3 kann nun an einem
der Hüllbleche, beispielsweise am Hüllblech 2,
entsprechend fixiert werden, um die endgültige Montage
vor dem Aufspritzen des Kunststoffs 9 zu erleichtern. Diese
Fixierung kann beispielsweise durch ein Verkleben oder dergleichen
erfolgen. Es ist auch denkbar, das Abschirmelement 3 unmittelbar
an das Hüllblech 2 anzuspritzen. Dabei entsteht
dann ein Aufbau, bei welchem die Positionierung des Abschirmelements 3 gegenüber
dem Hüllblech 2 problemlos möglich ist,
da diese durch geeignete Anschläge für das in
eine Spritzgussmaschine eingelegte Hüllblech 2 vor
dem Anspritzen des Abschirmelements 3 gesichert ist.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu ist es auch möglich und
in der Darstellung der 5 und 6 zu erkennen,
dass das Hüllblech, in diesem Fall das Hüllblech 4,
eingeprägte Abschnitte 10, hier insbesondere in
Form von eingeprägten Noppen 10, aufweist. Die
Noppen sind dabei so positioniert, dass sie das Abschirmelement 3,
welches als rechteckiges Element mit gerundeten Ecken ausgebildet
ist, sicher in Position halten. Dies ist auch in der vergrößerten Darstellung
der 6 nochmals zu erkennen. Es ist nun möglich,
dass beide der Hüllbleche 4, 2 derartige eingeprägte
Noppen 10 aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass nur
eines der Hüllbleche 4 derartige Noppen aufweist
und das Abschirmelement 3 an dem anderen Hüllblech 2 entsprechend
fixiert, beispielsweise angeklebt oder angespritzt, ist. Dann ist die
Montage besonders einfach, da lediglich der Elektrodenstapel 5 eingelegt
und mit den Hüllblechen 2, 4 verbunden
werden muss. Dann kann die Positionierung des Hüllblechs 4 mit
den Noppen 10 gegenüber dem Abschirmelement 3 einfach
durch Auflegen erfolgen, da sich das Hüllblech 4 aufgrund
der Noppen 10 selbsttätig positioniert. Danach
kann dann der Kunststoff 9 aufgebracht werden, um die Rahmenflachzelle 1 dicht
zu verschließen. Alternativ zu der Ausbildung des Abschirmelements 3 aus
Kunststoff sind, auch andere Materialien möglich, beispielsweise
metallische Materialien oder Verbundwerkstoffe. Falls der gewählte
Werkstoff elektrisch leitend ausgebildet ist, so muss dieser gegenüber
einem der Hüllbleche elektrisch isoliert werden.
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Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, das Abschirmelement 3 einstückig
mit einem der Hüllbleche auszuführen. In der Darstellung
der 7 ist eine solche Möglichkeit gezeigt,
bei der beispielhaft das Hüllblech 2 über
entsprechende Abkantungen das Abschirmelement 3 aufweist.
Prinzipbedingt ist das Abschirmelement 3 in diesem Fall
aus dem metallischen Material des Hüllblechs 2 ausgeführt. Es
muss an seinem später dem anderen Hüllblech 4 zugewandten
Ende daher elektrisch isoliert werden, was beispielsweise durch
eine Beschichtung erfolgen kann. Aufgrund der technischen Gegebenheiten des
Abkantens kann das Hüllblech 2 dabei nicht rechteckig
ausgebildet sein, sondern weist in den jeweiligen Ecken kein Material
auf. Da dies jedoch für die Funktionalität der
Rahmenflachzelle nicht notwendig ist, kann dieser Bereich mit dem
Kunststoff entsprechend ausgefüllt werden, sodass dennoch eine
rechteckige Rahmenflachzelle entsteht. In der Darstellung der 8 ist
das über Abkanten angebrachte Abschirmelement 3 nochmals
in einer Schnittdarstellung zu erkennen.
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Alternativ
dazu wäre es selbstverständlich auch möglich,
beispielsweise bei einem Hüllblech 2 aus Aluminium
das Abschirmelement durch Tiefziehen des Hüllblechs 2 entsprechend
einzubringen. Dabei wäre es auch denkbar, das Abschirmelement lediglich über
die halbe Höhe der späteren Rahmenflachzelle 2 auszubilden
und den entsprechenden Aufbau auf dem Hüllblech 4 der
gegenüberliegenden Seite ebenso auszubilden. Die Hüllbleche
würden über eine entsprechende Beschichtung, eine
Dichtung oder dergleichen entlang der umlaufenden Kanten eines derartigen
Abschirmelements 3 aneinander gelegt und mit dem Kunststoff 9 verbunden
werden, was in der Darstellung der 9 so angedeutet
ist. Dabei ist zwischen den beiden Hälften 3a, 3b des
Abschirmelements 3 beispielhaft eine Dichtung 11 gezeigt,
welche sicherstellt, dass es nicht zu einer elektrisch leitenden
Verbindung zwischen den einzelnen Hüllblechen 2, 4 kommt.
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Die
dreidimensionale Darstellung der
10 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Batterie
12 mit in diesem Fall
sieben einzelnen Rahmenflachzellen
1. Die Besonderheit
gegenüber einem Aufbau aus selbtragenden Rahmenflachzellen
1,
welche jeweils als eigenes Bauteil hergestellt und dann zur Batterie
12 verbaut
werden können, liegt bei der Darstellung der Batterie
12 in
10 darin,
dass hier die Batterie
12 aus einem hoch integrierten Zellenstapel
ausgebildet ist. Dieser Zellenstapel weist dabei lediglich ein Hüllblech
mehr auf, als Rahmenflachzellen
1 vorhanden sind. Dies
bedeutet, dass sich zwei benachbarte Rahmenflachzellen
1 das
jeweils zwischen ihnen liegende Hüllblech zu „teilen”,
wobei das Hüllblech
2,
4 dann für
die eine der Rahmenflachzellen
1 das Anodenblech und für
die anderen Rahmenflachzellen
1 das Kathodenblech darstellt.
Auch dieser Aufbau ist an sich aus der älteren Schrift
DE 10 2008 059 949 der
Anmelderin bekannt. Er ermöglicht einen sehr kompakten
und leichten Aufbau einer Batterie
12, welche damit eine
hohe Leistungsdichte und ein hohes Leistungsvolumen erlaubt.
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Der
Zellenstapel der Rahmenflachzellen 1 in der Darstellung
gemäß 10 ist
in einer Schnittdarstellung der 11 nochmals
zu erkennen. Die einzelnen Rahmenflachzellen 1 werden auch
hier jeweils aus dem Elektrodenstapel 5 und einem Abschirmelement 3 gebildet,
welches jeweils zwischen den Hüllblechen 2, 4 der
Rahmenflachzellen 1 angeordnet ist. Wie auch in den folgenden
Figuren ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich die obere Rahmenflachzelle 1 mit
allen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Aufbau teilen sich die
benachbarten Rahmenflachzellen 1 das zwischen ihnen liegende Hüllblech 2, 4.
Der Aufbau einer derartigen Batterie 12 muss daher als
Ganzes lose montiert bereitgestellt werden, da die Rahmenflachzellen 1 aufgrund ihres
gemeinsamen dazwischen liegenden Hüllblechs 2, 4 nicht
mehr voneinander getrennt werden können.
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Dieser
Stapel wird dann mit dem Kunststoff 9 entsprechend verspritzt,
wie es auch bei den Einzelzellen in der Darstellung der 4 bereits
gezeigt worden ist. Dieser Zustand mit eingebrachtem Kunststoff 9 ist
in 12 zu erkennen, wobei hier der Kunststoff bündig
mit den Hüllblechen 2, 4 aufgebracht
worden ist. Auch hierbei kann das lose Verpressen des Zellenstapels
in einer Spritzgussmaschine oder einer Spritzprägemaschine
erfolgen, wonach der Kunststoff aufgespritzt wird. Im Falle der Spritzprägemaschine
würde dann durch eine weitere Erhöhung des Druckes
der Kunststoff in seine endgültige Form gepresst, um die
Batterie 12 durch eine abdichtende Verbindung der Rahmenflachzellen 1 fertig
zu stellen.
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In
der Darstellung der 13 ist eine weitere alternative
Ausführungsform gezeigt. Hierbei ist der Kunststoff 9 nicht
lediglich bündig mit den Hüllblechen 2, 4 aufgespritzt,
sondern ummantelt die Hüllbleche 2, 4 auf
wenigstens zwei der Seiten der Rahmenflachzellen 1. Diese
Anordnung des aufgespritzten oder durch Spritzprägen aufgebrachten
Kunststoffs 9 ist dabei besonders günstig und
vorteilhaft, da sie eine sehr dichte Ausbildung der Batterie sicherstellt.
Außerdem isoliert sie die Hüllbleche 2, 4 seitlich
gegenüber anderen Bauelementen, wie beispielsweise einem
Batteriegehäuse oder dergleichen. Die in den 12 und 13 dargestellten Varianten
können dabei auch untereinander kombiniert werden. So ist
es möglich, auf der Seite an denen die Hüllbleche 2, 4 die
Abkantungen 2a, 4a tragen, diese nicht mit Kunststoff
zu ummanteln, um diese wärmeleitend an die Kühleinrichtung
anbinden zu können. Auf den anderen Seiten, an denen das
Gehäuse der Batterie 12 angeordnet werden wird,
ist eine Ummantelung dagegen sinnvoll, um die Batterie elektrisch
nach außen zu isolieren und hermetisch abzudichten.
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Die
beschriebene Batterie 12 und das beschriebene Herstellungsverfahren
sind dabei einfach und effizient, und kommen mit vergleichsweise
wenigen Montageschritten aus. Das Verfahren ist dementsprechend
geeignet, um die Batterie 12 und/oder die Rahmenflachzellen 1 kostengünstig
zu produzieren. Sie können dann in großer Stückzahl,
beispielsweise für hybridisierte oder elektrische Fahrzeuge eingesetzt
werden, welche die Batterien 12 zur Speicherung bzw. Zwischenspeicherung
von elektrischer Energie nutzen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007063181 [0002, 0006, 0040]
- - DE 102008059949 [0002, 0048]