DE102022106343A1 - Energy storage arrangement for a motor vehicle and method for producing an energy storage arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung (62, 26) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Energiespeicheranordnung (62, 26) mindestens eine Batteriezelle (26) umfasst, die ein Zellinneres (58) aufweist, ein Zellgehäuse (56), welches das Zellinnere (58) einschließt, und eine im Zellinneren (58) angeordnete Zellchemieeinheit (24, 24a, 24b, 24c, 24d). Dabei ist die Energiespeicheranordnung (62, 26) dazu ausgelegt, in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Energiespeicheranordnung (62, 26) ein im Zellinneren (58) entstandenes Gas (20) aus einem zentralen Bereich (32) der Zellchemieeinheit (24, 24a, 24b, 24c, 24d) in Richtung zumindest eines ersten Randbereichs (34) der Zellchemieeinheit (24, 24a, 24b, 24c, 24d) abzuleiten.The invention relates to an energy storage arrangement (62, 26) for a motor vehicle, wherein the energy storage arrangement (62, 26) comprises at least one battery cell (26) which has a cell interior (58), a cell housing (56) which has the cell interior (58). includes, and a cell chemistry unit (24, 24a, 24b, 24c, 24d) arranged inside the cell (58). The energy storage arrangement (62, 26) is designed to extract a gas (20) created in the cell interior (58) from a central area (32) of the cell chemistry unit (24, 24a, 24b) when the energy storage arrangement (62, 26) is in the intended operating state. 24c, 24d) in the direction of at least a first edge region (34) of the cell chemistry unit (24, 24a, 24b, 24c, 24d).
Description
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Energiespeicheranordnung mindestens eine Batteriezelle umfasst, die ein Zellinneres aufweist, ein Zellgehäuse, welches das Zellinnere einschließt, und eine im Zellinneren angeordnete Zellchemieeinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicheranordnung.The invention relates to an energy storage arrangement for a motor vehicle, wherein the energy storage arrangement comprises at least one battery cell which has a cell interior, a cell housing which encloses the cell interior, and a cell chemistry unit arranged in the cell interior. Furthermore, the invention also relates to a method for producing an energy storage arrangement.
Beispiele für Energiespeicheranordnungen sind zum Beispiel Hochvolt-Batterien für Elektrofahrzeuge. Diese weisen typischerweise vielzählige Batteriezellen auf, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, die in verschiedenen Packungsformen bereitgestellt sein können beziehungsweise verbaut sein können, zum Beispiel in Form von Rundzellen, prismatischen Zellen oder Pouchzellen.Examples of energy storage arrangements include high-voltage batteries for electric vehicles. These typically have numerous battery cells, for example lithium-ion cells, which can be provided or installed in different packaging forms, for example in the form of round cells, prismatic cells or pouch cells.
Die
Aber nicht nur in solchen kritischen Betriebszuständen von Batteriezellen kann Gas in einer solchen Batteriezelle entstehen, sondern auch in einem normalen Betriebszustand einer solchen Batteriezelle, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als bestimmungsgemäßer Betriebszustand der Batteriezelle bezeichnet wird. In diesem bestimmungsgemäßen Betriebszustand liegt also kein Defekt der Zelle vor und diese funktioniert ordnungsgemäß. Im Laufe der Lebensdauer unterliegt eine solche Batteriezelle, wie zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle, verschiedenen Alterungseffekten. Beispielsweise kommt es zu einem so genannten Swelling, d.h. Anschwellen, der Batteriezelle. Dieses Swelling innerhalb der Zelle entwickelt sich durch Ausdehnung der Aktivmaterialien von Anode und Kathode der Zelle. Diesem Swelling überlagert sich über Lebensdauer die Bildung von Gas, das in der Zelle verbleibt und zu einem zusätzlichen Swelling, das heißt Anschwellen, der Zelle führt. Ein ungebremstes Swelling, sowie ein vollständig unterdrücktes Swelling führen zu einer verminderten Lebensdauer. Daher ist ein definierter Druck auf die Zellen von Vorteil, um ein kontrolliertes Anschwellen beziehungsweise Swelling der Zellen zu ermöglichen.But gas can arise in such a battery cell not only in such critical operating states of battery cells, but also in a normal operating state of such a battery cell, which in the context of the present invention is also referred to as the intended operating state of the battery cell. In this intended operating state, there is no defect in the cell and it is functioning properly. Over the course of its service life, such a battery cell, such as a lithium-ion cell, is subject to various aging effects. For example, so-called swelling occurs in the battery cell. This swelling within the cell develops through expansion of the active materials of the cell's anode and cathode. This swelling is superimposed over the lifespan by the formation of gas, which remains in the cell and leads to additional swelling, i.e. swelling, of the cell. Uncontrolled swelling and completely suppressed swelling lead to a reduced service life. Therefore, a defined pressure on the cells is advantageous in order to enable controlled swelling of the cells.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die Funktionsweise einer Batteriezelle in ihrem bestimmungsgemäßen Betriebszustand zu verbessern, und insbesondere deren Lebensdauer zu erhöhen.The object of the present invention is to provide an energy storage arrangement and a method which make it possible to improve the functioning of a battery cell in its intended operating state and in particular to increase its service life.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energiespeicheranordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This task is solved by an energy storage arrangement and a method with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung für ein Kraftfahrzeug weist mindestens eine Batteriezelle auf, die ein Zellinneres umfasst, ein Zellgehäuse, welches das Zellinnere einschließt, und eine im Zellinneren angeordnete Zellchemieeinheit. Dabei ist die Energiespeicheranordnung dazu ausgelegt, in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Energiespeicheranordnung ein im Zellinneren entstandenes Gas aus einem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in Richtung zumindest eines ersten Randbereichs der Zellchemieeinheit abzuleiten.An energy storage arrangement according to the invention for a motor vehicle has at least one battery cell which comprises a cell interior, a cell housing which encloses the cell interior, and a cell chemistry unit arranged in the cell interior. The energy storage arrangement is designed to divert a gas created inside the cell from a central region of the cell chemistry unit in the direction of at least a first edge region of the cell chemistry unit when the energy storage arrangement is in the intended operating state.
Die Erfindung beruht dabei auf mehreren Erkenntnissen: Wie eingangs erwähnt kann sich über die Lebensdauer einer Batteriezelle Gas im Zellinneren der Batteriezelle bilden. Die entstehenden Gasblasen verbleiben bei herkömmlichen Zellen dabei zwischen Anode und Kathode und führen zu einem Abheben der Folien voneinander. Dies wiederum führt dazu, dass Ionen auf ihrem Weg zur entsprechenden Elektrode behindert werden, was die Funktionsweise der herkömmlichen Batteriezellen beeinträchtigt. Zudem vergrößern und verkleinern sich die Gasblasen durch die Druckveränderungen während des Ladens und Entladens der herkömmlichen Batteriezelle, wodurch ein mechanischer Stress in relativ spröden Aktivmaterialien entsteht. Bei prismatischen Batteriezellen sind die Zellgehäuse beispielsweise so aufgebaut, dass diese gerade im Randbereich eine deutlich höhere Steifigkeit aufweisen. Durch die konstruktive Auslegung der Einspannung der Stacks oder Wickels beziehungsweise im Allgemeinen der Zellchemieeinheit werden im Randbereich deutlich höhere Kräfte auf den Stack beziehungsweise den Elektrodenwickel aufgebracht als im Zentrum der Batteriezelle. Dadurch entstehen im Randbereich im ungünstigsten Fall eine erhöhte Verpressung und somit eine Art Abdichtung, die ein leichtes Entweichen der Gasblasen behindert. In der Folge entstehen in der Zellmitte flächige Gasblasen. Folglich können also im Zellinneren im normalen Betrieb einer herkömmlichen Batteriezelle entstehende Gase die Funktionsweise und die Lebensdauer einer solchen Batteriezelle ebenfalls beeinträchtigen. Die Erfindung macht sich nun vorteilhafterweise diese Erkenntnis zunutze und sieht entsprechend eine Auslegung der Energiespeicheranordnung derart vor, dass es nunmehr auch in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand, der also von einem fehlerhaften Zustand der Energiespeicheranordnung oder einer ihrer Zellen verschieden ist, möglich ist, insbesondere durch eine spezielle konstruktive Auslegung entweder der Batteriezelle selbst oder einer weiteren Komponente der Energiespeicheranordnung, ein im Zellinneren entstandenes Gas aus einem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in Richtung zumindest eines ersten Randbereichs der Zellchemieeinheit abzuleiten. Damit kann vorteilhafterweise die Bildung von flächigen Gasblasen zwischen den Layern der Zelle, das heißt den einzelnen Elektroden und Separatorschichten der Zellchemieeinheit, minimiert werden. Dadurch, dass es vorteilhafterweise durch die Erfindung möglich ist, das Gas gezielt in Randbereiche der Zelle zu leiten, ergeben sich zahlreiche Vorteile. Zum einen kann die Pumpbewegung der Gasblasen beim Laden und Entladen der Zelle minimiert werden, und hierdurch wird der mechanische Stress und die Walkbewegung auf die Beschichtungen von Anode beziehungsweise Kathode der Zellchemieeinheit vermindert und das Risiko von Ablösungen reduziert. Zudem wird die elektrisch aktive Fläche nicht durch Gasblasen unterbrochen beziehungsweise diese Unterbrechung ebenfalls reduziert. Weiterhin wird hierdurch auch die Bombierung der Zelle im Zellzentrum vermindert und es wird zudem eine homogenere und verminderte elektrische Alterung der Batteriezelle bereitgestellt. Durch die Erfindung ergeben sich also zahlreiche Vorteile bezogen auf eine Verbesserung der Funktionsfähigkeit der Batteriezelle sowie hinsichtlich der Verlängerung ihrer Lebensdauer. Weiterhin beruht die Erfindung auch auf der Erkenntnis, dass aktuell nach Möglichkeiten gesucht wird, um das im Laufe der Lebensdauer im Zellinneren entstehende Gas auch im normalen Betrieb der Batteriezelle aus dieser abzuführen, und nicht nur im Notfall bei einem Überdruck oder einem thermischen Durchgehen einer solchen Batteriezelle. Auch hierfür ist es vorteilhaft, das in der Zelle entstehende Gas gezielt aus einem zentralen Bereich der Zelle in einen Randbereich abführen zu können, damit dieses von dort aus deutlich einfacher in die Umgebung der Zelle durch eine geeignete Ablasseinrichtung, auch im Normalbetrieb der Zelle, abgeführt werden kann.The invention is based on several findings: As mentioned at the beginning, gas can form inside the battery cell over the lifespan of a battery cell. In conventional cells, the resulting gas bubbles remain between the anode and cathode and cause the films to lift off from each other. This in turn leads to ions being hindered on their way to the corresponding electrode, which impairs the functioning of conventional battery cells. In addition, the gas bubbles expand and shrink due to the pressure changes during charging and discharging of the conventional battery cell, which creates mechanical stress in relatively brittle active materials. In the case of prismatic battery cells, for example, the cell housings are constructed in such a way that they have significantly greater rigidity, especially in the edge area. The structural design of the clamping of the stacks or wraps or, in general, the cell chemistry unit Significantly higher forces are applied to the stack or the electrode coil in the edge area than in the center of the battery cell. In the worst case scenario, this creates increased compression in the edge area and thus creates a kind of seal that prevents the gas bubbles from easily escaping. As a result, flat gas bubbles form in the middle of the cell. Consequently, gases generated inside the cell during normal operation of a conventional battery cell can also affect the functionality and lifespan of such a battery cell. The invention now advantageously makes use of this knowledge and accordingly provides for a design of the energy storage arrangement in such a way that it is now also possible in an intended operating state, which is therefore different from a faulty state of the energy storage arrangement or one of its cells, in particular by means of a special one constructive design of either the battery cell itself or a further component of the energy storage arrangement to divert a gas created inside the cell from a central region of the cell chemistry unit in the direction of at least a first edge region of the cell chemistry unit. This can advantageously minimize the formation of flat gas bubbles between the layers of the cell, that is, the individual electrodes and separator layers of the cell chemistry unit. The fact that the invention advantageously makes it possible to direct the gas specifically into edge areas of the cell results in numerous advantages. On the one hand, the pumping movement of the gas bubbles when charging and discharging the cell can be minimized, and this reduces the mechanical stress and the flexing movement on the coatings of the anode or cathode of the cell chemistry unit and reduces the risk of detachment. In addition, the electrically active surface is not interrupted by gas bubbles or this interruption is also reduced. Furthermore, this also reduces the cambering of the cell in the cell center and also provides a more homogeneous and reduced electrical aging of the battery cell. The invention therefore results in numerous advantages in terms of improving the functionality of the battery cell and extending its service life. Furthermore, the invention is also based on the knowledge that possibilities are currently being sought to remove the gas that develops inside the cell over the course of its lifespan during normal operation of the battery cell, and not only in an emergency in the event of overpressure or thermal runaway Battery cell. For this purpose, too, it is advantageous to be able to specifically drain the gas generated in the cell from a central area of the cell to an edge area, so that from there it can be drained much more easily into the environment of the cell through a suitable exhaust device, even during normal operation of the cell can be.
Grundsätzlich kann dabei die Erfindung bei jeder Art von Batteriezelle Anwendung finden, insbesondere für prismatische Zellen, Pouchzellen und Rundzellen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung jedoch gerade dann, wenn es sich bei der mindestens einen Batteriezelle zum Beispiel um eine prismatische Zelle handelt, da gerade prismatische Batteriezellen Zellgehäuse aufweisen, die zur oben beschriebenen Abdichtung der Elektrodenschichten im Randbereich führen kann. Pouchzellen weisen beispielsweise typischerweise deutlich flexiblere, beutelartige Zellgehäuse auf, die folglich von Haus aus deutlich weniger von dem oben beschriebenen Problem betroffen sind. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn die mindestens eine Batteriezelle zum Beispiel als prismatische Zelle mit einem prismatischen Zellgehäuse ausgebildet ist. Weiterhin kann es sich bei der mindestens einen Batteriezelle zum Beispiel um eine Lithium-Ionen-Zelle handeln.In principle, the invention can be used for any type of battery cell, in particular for prismatic cells, pouch cells and round cells. However, the invention is particularly advantageous when the at least one battery cell is, for example, a prismatic cell, since prismatic battery cells in particular have cell housings which can lead to the above-described sealing of the electrode layers in the edge region. Pouch cells, for example, typically have significantly more flexible, bag-like cell housings, which are therefore inherently significantly less affected by the problem described above. It is therefore particularly advantageous if the at least one battery cell is designed, for example, as a prismatic cell with a prismatic cell housing. Furthermore, the at least one battery cell can be, for example, a lithium-ion cell.
Bei der Energiespeicheranordnung kann es sich im Allgemeinen zum Beispiel um eine eingangs erwähnte Hochvolt-Batterie für ein Elektrofahrzeug handeln, oder auch nur um einen Teil einer solchen Hochvolt-Batterie, zum Beispiel um ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen oder auch nur um die mindestens eine Batteriezelle selbst. Weist die Energiespeicheranordnung beispielsweise mehrere Batteriezellen auf, insbesondere mehrere prismatische Batteriezellen, die zu einem Zellstapel zusammengefasst sind, so sind diese bezüglich einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet. Diese erste Richtung kann somit zu einer Stapelrichtung eines solchen Zellstapels korrespondieren. Die oben genannte Richtung, in welcher das im Zellinneren entstandene Gas aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit zum Randbereich der Zellchemieeinheit abgeleitet wird, kann dabei zumindest zum Teil senkrecht zu dieser ersten Richtung ausgerichtet sein. So erfolgt ein Ableiten von Gasen zum Beispiel zwischen den einzelnen Schichten der Zellchemieeinheit, bzw. parallel zu diesen Schichten. Ein Ableiten kann aber auch zumindest zum Teil parallel zu dieser ersten Richtung erfolgen, insbesondere durch die Schichten der Zellchemieeinheit hindurch, wie später näher beschreiben.The energy storage arrangement can generally be, for example, a high-voltage battery for an electric vehicle mentioned at the beginning, or even just a part of such a high-voltage battery, for example a battery module with several battery cells or even just the at least one battery cell itself. If the energy storage arrangement has, for example, several battery cells, in particular several prismatic battery cells, which are combined to form a cell stack, these are arranged next to one another with respect to a first direction. This first direction can therefore correspond to a stacking direction of such a cell stack. The above-mentioned direction in which the gas created inside the cell is diverted from the central region of the cell chemistry unit to the edge region of the cell chemistry unit can be at least partially aligned perpendicular to this first direction. For example, gases are discharged between the individual layers of the cell chemistry unit or parallel to these layers. However, derivation can also take place at least partially parallel to this first direction, in particular through the layers of the cell chemistry unit, as described in more detail later.
Wie eingangs bereits definiert, soll es sich bei dem bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Energiespeicheranordnung nicht um einen Defektzustand oder Fehlzustand und vor allem nicht um einen Zustand handeln, in welchem die mindestens eine Batteriezelle thermisch durchgeht oder dabei ist, thermisch durchzugehen. Der bestimmungsgemäße Betriebszustand kann zum Beispiel so definiert sein, dass sich Betriebsparameter der mindestens einen Batteriezelle in einem für die Batteriezelle definierten Normalbereich bewegen. Betriebsparameter sind zum Beispiel die Temperatur, Druck und/oder die Spannung der Batteriezelle. Ein Ableiten der Gase aus dem zentralen Bereich in den Randbereich ist somit permanent möglich und findet bei Gasentstehung auch permanent statt, zumindest bis sich die Druckverhältnisse in der Zelle ausgeglichen haben.As already defined at the beginning, the intended operating state of the energy storage arrangement should not be a defective state or faulty state and, above all, not a state in which the at least one battery cell is thermally runaway or is in the process of thermally runaway. The intended operating state can be defined, for example, such that operating parameters of the at least one battery cell are defined for the battery cell Move to normal range. Operating parameters include, for example, the temperature, pressure and/or voltage of the battery cell. A discharge of the gases from the central area into the edge area is therefore permanently possible and takes place permanently when gas is produced, at least until the pressure conditions in the cell have equalized.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist zum Ableiten des im Zellinneren entstandenen Gases aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in Richtung des zumindest einen ersten Randbereichs der Zellchemieeinheit die Batteriezelle mindestens einen im Zellinneren angeordneten Entgasungskanal auf. Dieser Entgasungskanal kann also vorteilhafterweise genutzt werden, um das Gas in Richtung des Randbereichs zu leiten. Dieser Entgasungskanal führt folglich also vorzugsweise aus zumindest einem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in einen Randbereich. Durch das Vorsehen eines solchen Entgasungskanals kann also vorteilhafterweise auch im normalen Betrieb der Batteriezelle Gas deutlich einfacher in den Randbereich der Zelle gelangen. Dies ermöglicht eine deutlich homogenere Druckverteilung und vermindert das Ausbauchen der Zelle.In a further very advantageous embodiment of the invention, the battery cell has at least one degassing channel arranged in the interior of the cell in order to drain the gas produced inside the cell from the central region of the cell chemistry unit in the direction of the at least one first edge region of the cell chemistry unit. This degassing channel can therefore be used advantageously to direct the gas towards the edge area. This degassing channel therefore preferably leads from at least a central area of the cell chemistry unit into an edge area. By providing such a degassing channel, gas can advantageously reach the edge region of the cell much more easily even during normal operation of the battery cell. This enables a significantly more homogeneous pressure distribution and reduces cell bulging.
Darüber hinaus kann nicht nur ein solcher Entgasungskanal vorgesehen sein, sondern auch mehrere Entgasungskanäle. Diese können zum Beispiel auch in unterschiedliche Randbereiche der Zellchemieeinheit münden. Der Entgasungskanal selbst kann aber auch von einem Randbereich zu einem gegenüberliegenden Randbereich und durch den zentralen Bereich der Zellchemieeinheit führen. Somit kann Gas aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit insbesondere zwei gegenüberliegende Randbereiche der Zellchemieeinheit abgeleitet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise zudem eine besonders gleichmäßige Gasverteilung im Zellinneren und zudem eine besonders gleichmäßige Gasverteilung auf die Randbereiche der Zellchemieeinheit beziehungsweise des Zellinneren.In addition, not only one such degassing channel can be provided, but also several degassing channels. These can, for example, also lead to different edge areas of the cell chemistry unit. However, the degassing channel itself can also lead from an edge area to an opposite edge area and through the central area of the cell chemistry unit. Gas can thus be derived from the central region of the cell chemistry unit, in particular two opposite edge regions of the cell chemistry unit. This advantageously also enables a particularly uniform gas distribution inside the cell and also a particularly uniform gas distribution to the edge regions of the cell chemistry unit or the cell interior.
Die Ausprägung eines solchen Entgasungskanals kann nun verschiedene Formen annehmen, die im Folgenden näher erläutert werden. Im Allgemeinen weist dabei die Zellchemieeinheit einen Separator und zwei von dem Separator räumlich separierte Elektrodenschichten auf, wobei eine jeweilige Elektrodenschicht eine Trägerschicht und eine auf der Trägerschicht angeordnete Aktivmaterialschicht aufweist. Eine der Elektrodenschichten stellt zum Beispiel eine Anodenschicht dar, und die andere eine Kathodenschicht. Die Anodenschicht und die Kathodenschicht sind von dem genannten Separator vollständig voneinander separiert. Die Zellchemieeinheit kann dabei auf unterschiedliche Arten und Weisen aus solchen Schichten, nämlich den Elektrodenschichten und dem Separator, aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Zellchemieeinheit in Form eines Stacks beziehungsweise Stapels mehrerer solcher sich abwechselnder Schichten aufgebaut sein. Die Schichtfolge kann zum Beispiel sein: Anodenschicht, Separator, Kathodenschicht, Separator, Anodenschicht, Separator, und so weiter. Die Zellchemieeinheit kann entsprechend auch mehrere Anodenschichten und Kathodenschichten aufweisen, die nicht miteinander verbunden sind, sondern durch jeweilige Separatorschichten voneinander separiert sind. Es kann aber auch nur eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht vorgesehen sein, die mit diese beiden Schichten separierenden Separatoren zu einem Zellwickel aufgewickelt werden. Ein solcher Zellwickel kann dann entsprechend in seinem Querschnitt eine runde oder auch ovale Geometrie aufweisen. Die jeweiligen Trägerschichten einer jeweiligen Anodenschicht sind dabei vorzugsweise aus einem metallischen Material, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Die entsprechenden Trägerschichten können zum Beispiel als jeweilige Metallfolie bereitgestellt sein, auf diesen Metallfolien ist wiederum ein entsprechendes Aktivmaterial zur Bereitstellung der Aktivmaterialschicht aufgebracht. Die Aktivmaterialen für Anode und Kathode unterscheiden sich dabei voneinander.The design of such a degassing channel can now take various forms, which are explained in more detail below. In general, the cell chemistry unit has a separator and two electrode layers spatially separated from the separator, with each electrode layer having a carrier layer and an active material layer arranged on the carrier layer. For example, one of the electrode layers represents an anode layer and the other a cathode layer. The anode layer and the cathode layer are completely separated from each other by the separator mentioned. The cell chemistry unit can be constructed in different ways from such layers, namely the electrode layers and the separator. For example, the cell chemistry unit can be constructed in the form of a stack or stack of several such alternating layers. The layer sequence can be, for example: anode layer, separator, cathode layer, separator, anode layer, separator, and so on. The cell chemistry unit can accordingly also have several anode layers and cathode layers that are not connected to one another, but are separated from one another by respective separator layers. However, only one anode layer and one cathode layer can be provided, which are wound into a cell coil using separators that separate these two layers. Such a cell coil can then have a round or oval geometry in its cross section. The respective carrier layers of a respective anode layer are preferably made of a metallic material, for example copper or aluminum. The corresponding carrier layers can, for example, be provided as respective metal foils; a corresponding active material is in turn applied to these metal foils to provide the active material layer. The active materials for the anode and cathode differ from each other.
Ist die Zellchemieeinheit im Zellgehäuse angeordnet, so befindet sich diese dabei zudem in einem in einen Elektrolyten eingetauchten Zustand. Der Elektrodenstapel beziehungsweise Elektrodenwickel ist dabei vollständig in einen solchen Elektrolyten eingetaucht.If the cell chemistry unit is arranged in the cell housing, it is also in a state immersed in an electrolyte. The electrode stack or electrode wrap is completely immersed in such an electrolyte.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es nun vorgesehen, dass der mindestens eine Entgasungskanal durch mindestens eine Rille in zumindest eine der Aktivmaterialschichten bereitgestellt ist. Dies hat gleich mehrere große Vorteile: Zum einen lassen sich solche Rillen besonders einfach in Aktivmaterialschichten einbringen. Aktivmaterialschichten können zum Beispiel bei der Herstellung von Batteriezellen beziehungsweise bei Zellchemieeinheiten auf eine entsprechende Trägerschicht mittels einer Walze aufgewalzt werden. Um nunmehr mindestens eine solche Rille oder sogar ein Rillenmuster in die Aktivmaterialschicht einzubringen, kann eine solche Walze zum Beispiel mit einem komplementären Rillenmuster bereitgestellt sein. Eine solche Walze kann an ihrer zylindrischen Walzenoberfläche also beispielsweise langgestreckte Erhebungen aufweisen, die korrespondierende Rillen in die Aktivmaterialschicht einbringen, wenn diese mittels dieser Walze auf die Trägerschicht aufgewalzt wird. Eine solche Rille stellt damit eine Vertiefung, insbesondere eine längliche beziehungsweise langgestreckte Vertiefung in der Aktivmaterialschicht dar. Beding durch dieses Herstellungsverfahren kann das Aktivmaterial im Bereich der Rille entsprechend stärker verdichtet sein als in übrigen Bereichen der Aktivmaterialschicht ohne Rille. Denkbar ist es jedoch auch, wenn gleich weniger bevorzugt, dass im Bereich der Rille zur Bildung dieser die Aktivmaterialschicht komplett auf der entsprechenden Trägerschicht fehlt.In a further very advantageous embodiment of the invention, it is now provided that the at least one degassing channel is provided by at least one groove in at least one of the active material layers. This has several major advantages: On the one hand, such grooves can be particularly easily introduced into active material layers. Active material layers can, for example, be rolled onto a corresponding carrier layer using a roller in the production of battery cells or cell chemistry units. In order to introduce at least one such groove or even a groove pattern into the active material layer, such a roller can be provided, for example, with a complementary groove pattern. Such a roller can, for example, have elongated elevations on its cylindrical roller surface, which introduce corresponding grooves into the active material layer when it is rolled onto the carrier layer using this roller. Such a groove therefore represents a depression, in particular an elongated or elongated depression, in the active material layer. Due to this manufacturing process, the active material in the area of the groove must be more compressed than in other areas of the active material layer without a groove. However, it is also conceivable, although less preferred, for the active material layer to be completely missing from the corresponding carrier layer in the area of the groove to form this.
Für einen effizienten Gasabtransport aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit ist es jedoch bereits ausreichend, wenn sich im Bereich der Rille entweder weniger Aktivmaterial befindet und/oder dieses stärker verdichtet ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass auch im Bereich der Rille Aktivmaterial vorhanden ist, das die Speicherfähigkeit der Zelle begünstigt. Die Leistungsfähigkeit wird durch die Ausbildung einer oder mehrerer Rillen folglich nicht oder zumindest nicht merklich beeinträchtigt. Außerdem ist die entsprechende Anodenschicht dennoch sehr stabil, da zumindest die Trägerschicht im Bereich der Rille nicht durchtrennt ist, sondern durchgängig ausgestaltet ist. Dies erleichtert auch die Herstellung der Batteriezelle, insbesondere gegenüber der nachfolgend näher beschriebenen Ausgestaltung mit einem Schlitz.However, for efficient gas removal from the central area of the cell chemistry unit, it is already sufficient if there is either less active material in the area of the groove and/or it is more compacted. This also has the advantage that active material is also present in the area of the groove, which promotes the storage capacity of the cell. The performance is therefore not, or at least not noticeably, impaired by the formation of one or more grooves. In addition, the corresponding anode layer is still very stable, since at least the carrier layer is not severed in the area of the groove, but is designed continuously. This also makes the production of the battery cell easier, especially compared to the embodiment with a slot described in more detail below.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die mindestens eine Rille zumindest ausgehend von einem zentralen Bereich der Aktivmaterialschicht bezogen auf eine zweite zur ersten senkrechte Richtung bis zu einem ersten Randbereich der Aktivmaterialschicht, uns insbesondere von einem zweiten Randbereich der Aktivmaterialschicht durch einen zentralen Bereich bis zum ersten Bereich der Aktivmaterialschicht. Der erste Randbereich der Aktivmaterialschicht kann dabei zum ersten Randbereich der Zellchemieeinheit korrespondieren. Der Randbereich der Zellchemieeinheit kann bezogen auf den zentralen Bereich jedoch noch etwas weiter außerhalb liegen als der Randbereich der Aktivmaterialschicht. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn sich die beschriebene Separatorschicht über die Elektrodenschichten weiter hinweg erstreckt als die Elektrodenschichten selbst nach Außen zum Rand hin erstrecken, um eine sichere räumliche und elektrische Separation dieser Elektrodenschichten gerade in Randbereichen zu gewährleisten. Dass sich die Rille zudem von einem bis zum gegenüberliegenden Randbereich erstreckt, hat den großen Vorteil, dass aus dem zentralen Bereich Gase an zwei gegenüberliegende Randbereiche besonders gleichmäßig geleitet werden können. Dies sorgt für eine besonders homogene Druckverteilung in der Zelle.In a further advantageous embodiment of the invention, the at least one groove runs at least from a central region of the active material layer in relation to a second direction perpendicular to the first to a first edge region of the active material layer, in particular from a second edge region of the active material layer through a central region to first area of the active material layer. The first edge region of the active material layer can correspond to the first edge region of the cell chemistry unit. However, the edge area of the cell chemistry unit can be somewhat further out from the central area than the edge area of the active material layer. This is particularly the case when the separator layer described extends further beyond the electrode layers than the electrode layers themselves extend outwards towards the edge, in order to ensure a secure spatial and electrical separation of these electrode layers, especially in edge areas. The fact that the groove also extends from one edge region to the opposite edge region has the great advantage that gases can be directed particularly evenly from the central region to two opposite edge regions. This ensures a particularly homogeneous pressure distribution in the cell.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in der Elektrodenschicht mehrere Rillen angeordnet, die sich überschneiden und in unterschiedliche Richtungen, insbesondere geradlinig, verlaufen. Ist die Batteriezelle zum Beispiel als prismatische Batteriezelle ausgebildet, so kann diese zum Beispiel vier Randbereiche aufweisen, die den zentralen Bereich umgeben. Durch zwei sich überschneidende Rillen können Gase in diese vier Randbereiche gleichzeitig geleitet werden. Solche Überschneidungspunkte beziehungsweise Kreuzungspunkte ermöglichen zudem eine besonders effiziente Gasabfuhr.In a further advantageous embodiment of the invention, several grooves are arranged in the electrode layer, which overlap and run in different directions, in particular in a straight line. If the battery cell is designed, for example, as a prismatic battery cell, it can have, for example, four edge areas that surround the central area. Gases can be directed into these four edge areas simultaneously through two overlapping grooves. Such intersection points or crossing points also enable particularly efficient gas removal.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Rille als ein Rillenmuster mit mehreren Rillen bereitgestellt. Die Effizienz der Gasabfuhr kann hierdurch optimiert werden. Grundsätzlich sind aber bereits einige wenige Rillen ausreichend, um ein effizientes Abführen von Gasen aus dem zentralen Bereich der Zelle in Randbereiche zu ermöglichen. Das Vorsehen nur weniger Rillen, zum Beispiel im einstelligen Bereich, beeinträchtigt damit auch nicht die Funktionsweise der Batteriezelle durch übermäßige Reduktion des Aktivmaterials.According to a further very advantageous embodiment, the at least one groove is provided as a groove pattern with several grooves. The efficiency of gas removal can be optimized in this way. In principle, just a few grooves are sufficient to enable gases to be efficiently removed from the central area of the cell to the edge areas. Providing only a few grooves, for example in the single-digit range, does not impair the functionality of the battery cell due to excessive reduction of the active material.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung stellt es dar, wenn der mindestens eine Entgasungskanal durch mindestens einen Schlitz in mindestens einer der Elektrodenschichten bereitgestellt ist. Mit anderen Worten kann der Entgasungskanal nicht nur als Rinne im Aktivmaterial bereitgestellt sein, sondern auch als durchgehender Schlitz durch die gesamte Elektrodenschicht, das heißt Aktivmaterialschicht inklusive Trägerschicht, ausgebildet sein. Auch durch einen solchen Schlitz kann vorteilhafterweise ein Kanal bereitgestellt werden, der sich insbesondere zumindest vom Zentrum der Zellchemieeinheit bis zu einem Randbereich erstreckt, und der den Abtransport von Gasen aus dem zentralen Bereich in den Randbereich erleichtert. Ein solcher Schlitz erstreckt sich dann vorzugsweise nicht von einem Randbereich bis zum gegenüberliegenden Randbereich, da dies die entsprechende Elektrodenschichten in zwei Teile zerteilen würde. Der Schlitz ist sozusagen lediglich als Einschnitt in die Elektrodenschicht ausgestaltet, nicht jedoch als Durchschnitt bezogen auf eine Richtung senkrecht zur Flächennormalen der Elektrodenschicht.A further advantageous embodiment of the invention is when the at least one degassing channel is provided by at least one slot in at least one of the electrode layers. In other words, the degassing channel can be provided not only as a channel in the active material, but also as a continuous slot through the entire electrode layer, that is, the active material layer including the carrier layer. Such a slot can also advantageously provide a channel which extends in particular at least from the center of the cell chemistry unit to an edge region and which facilitates the removal of gases from the central region into the edge region. Such a slot then preferably does not extend from one edge region to the opposite edge region, since this would divide the corresponding electrode layers into two parts. The slot is designed, so to speak, merely as an incision in the electrode layer, but not as an average in relation to a direction perpendicular to the surface normal of the electrode layer.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft der mindestens eine Schlitz zumindest ausgehend von einem zentralen Bereich der Elektrodenschicht bezogen auf eine zweite, zur ersten senkrechte Richtung bis zu einem ersten Randbereich der Elektrodenschicht. Bei der Bereitstellung des Entgasungskanals als Schlitz ist es jedoch nicht bevorzugt, dass dieser sich von einem zweiten Randbereich der Elektrodenschicht bis zum ersten Randbereich der Elektrodenschicht durchgängig erstreckt, da dies die Elektrodenschicht zerteilen würde.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one slot extends at least from a central region of the electrode layer in relation to a second direction perpendicular to the first to a first edge region of the electrode layer. However, when providing the degassing channel as a slot, it is not preferred that it extends continuously from a second edge region of the electrode layer to the first edge region of the electrode layer, since this would divide the electrode layer.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen zwei der sich in der ersten Richtung überdeckend angeordneten Elektrodenschichten jeweils einen Schlitz auf, wobei die zwei Schlitze bezüglich mindestens einer zur ersten senkrechten Richtung zueinander versetzt sind. Bei den zwei Elektrodenschichten kann es sich zum Beispiel um eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht oder auch um zwei Anodenschichten handeln. Der große Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass eine Knickstelle der Zellchemieeinheit vermieden werden kann, wie dies der Fall wäre, wenn die jeweiligen Schlitze in der ersten Richtung übereinander angeordnet werden. Durch die versetzte Anordnung der Schlitze kann die Stabilität der einzelnen Schichten in ihrem Gesamtverbund, und damit die Stabilität der Zellchemieeinheit gesteigert werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, two of the electrode layers arranged to overlap in the first direction each have a slot, the two slots being offset from one another with respect to at least one direction perpendicular to the first. The two electrode layers can be, for example, an anode layer and a cathode layer or even two anode layers. The great advantage of this configuration is that a kink in the cell chemistry unit can be avoided, as would be the case if the respective slots were arranged one above the other in the first direction. The staggered arrangement of the slots can increase the stability of the individual layers in their overall composite, and thus the stability of the cell chemistry unit.
Vorzugsweise weist nicht nur eine Elektrodenschicht einen beschriebenen Entgasungskanal auf, beispielsweise in Form einer Rille in der Aktivmaterialschicht oder als Schlitz, sondern mehrere Elektrodenschichten. Dabei kann es sich sowohl um mehrere Anodenschichten als auch um mehrere Kathodenschichten handeln oder nur um eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht.Preferably, not only one electrode layer has a described degassing channel, for example in the form of a groove in the active material layer or as a slot, but rather several electrode layers. This can be several anode layers as well as several cathode layers or just one anode layer and one cathode layer.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Entgasungskanal zumindest zum Teil bereitgestellt durch eine die beiden Elektrodenschichten und den Separator, uns insbesondere die gesamte Zellchemieeinheit, in einer ersten Richtung durchdringende Durchgangsöffnung, die durch mindestens eine erste Öffnung im Separator, und jeweils mindestens eine zweite Öffnung in den beiden Elektrodenschichten bereitgestellt ist, die in der ersten Richtung überdeckend angeordnet sind, wobei die mindestens eine erste Öffnung im Separator kleiner ist als die jeweilige mindestens eine zweite Öffnung in den beiden Elektrodenschichten. Die Durchgangsöffnung kann also als eine Art Entgasungsbohrung im Zentrum der Zelle beziehungsweise Zellchemieeinheit bereitgestellt sein. Die Bohrung in der Separatorfolie kann dabei relativ klein ausgeführt werden, um die Entgasung zu bewirken. Mit anderen Worten soll die erste Öffnung in der Separatorfolie zumindest so groß sein, dass Gas die Separatorfolie im Bereich dieser ersten Öffnung durchdringen kann. Die Bohrungen in Anode und Kathode, die die jeweiligen zweiten Öffnungen darstellen, sind größer ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Isolationsstrecke über die Separatorfolie sichergestellt werden kann. Mit anderen Worten können sich die Anodenschicht und die Kathodenschicht trotz der vorgesehenen ersten Öffnung im Separator nicht berühren. Die Durchgangsöffnung kann sich dabei im Wesentlichen in die erste Richtung erstrecken. Dadurch kann also das Gas zunächst vereinfacht aus den Zwischenbereichen zwischen den einzelnen Elektrodenschichten entweichen und in den Bereich der Vorder- und/oder Rückseite des Zellgehäuses gelangen und von dort aus wiederum vereinfacht in einen Randbereich der Zelle.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one degassing channel is at least partially provided by a through opening penetrating the two electrode layers and the separator, in particular the entire cell chemistry unit, in a first direction, which passes through at least one first opening in the separator, and in each case at least a second opening is provided in the two electrode layers, which are arranged overlapping in the first direction, wherein the at least one first opening in the separator is smaller than the respective at least one second opening in the two electrode layers. The through opening can therefore be provided as a type of degassing hole in the center of the cell or cell chemistry unit. The hole in the separator film can be made relatively small in order to effect degassing. In other words, the first opening in the separator film should be at least so large that gas can penetrate the separator film in the area of this first opening. The holes in the anode and cathode, which represent the respective second openings, are larger. This has the advantage that the electrical insulation path can be ensured via the separator film. In other words, the anode layer and the cathode layer cannot touch each other despite the first opening provided in the separator. The through opening can essentially extend in the first direction. As a result, the gas can initially escape in a simplified manner from the intermediate areas between the individual electrode layers and reach the area of the front and/or back of the cell housing and from there in turn in a simplified manner into an edge area of the cell.
Die Öffnungen können dabei als kreisrunde Öffnungen ausgestaltet sein und zum Beispiel koaxial beziehungsweise konzentrisch zueinander angeordnet sein. Grundsätzlich können die Öffnungen jedoch jede beliebige Geometrie aufweisen. Die erste Öffnung im Separator weist vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von zum Beispiel wenigen Millimetern oder noch kleiner auf, zum Beispiel einen Durchmesser kleiner als ein Millimeter. Dies ist bereits ausreichend, damit Gas den Separator durchdringen kann. The openings can be designed as circular openings and, for example, can be arranged coaxially or concentrically to one another. In principle, however, the openings can have any geometry. The first opening in the separator preferably has a maximum diameter of, for example, a few millimeters or even smaller, for example a diameter smaller than one millimeter. This is already sufficient for gas to penetrate the separator.
Weiterhin sind die Elektrodenschichten und Separatorschichten so ausgebildet, dass eine erste Öffnung im Separator nicht und nicht einmal teilweise von einem Teil einer Elektrodenschicht überdeckt ist. Dies gewährleistet die elektrische Isolierung der Anodenschicht und Kathodenschicht voneinander.Furthermore, the electrode layers and separator layers are designed such that a first opening in the separator is not, or even partially, covered by part of an electrode layer. This ensures the electrical isolation of the anode layer and cathode layer from each other.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Ableiten des im Zellinneren entstandenen Gases aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in Richtung des zumindest einen ersten Randbereichs der Zellchemieeinheit die Energiespeicheranordnung derart eingerichtet, dass bezüglich einer ersten Richtung eine Druckkraft von außerhalb des Zellgehäuses über das Zellgehäuse auf das Zellinnere ausübbar ist, die in einem zentralen Bereich des Zellgehäuses größer ist als in einem Randbereich des Zellgehäuses bezogen auf eine zur ersten Richtung senkrechte zweite Richtung. Mit anderen Worten können Komponenten der Energiespeicheranordnung auch so ausgestaltet sein, dass im betriebsgemäßen Zustand der Batteriezelle der Druck, der auf den zentralen Bereich des Zellgehäuses wirkt, größer ist als in einem Randbereich. Auch dies fördert vorteilhafterweise ein Entweichen von Gasen aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in den Randbereich. Ein Ableiten von Gasen aus dem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in einen Randbereich wird also nicht nur durch eine spezielle Ausbildung des Zellinneren einer solchen Batteriezelle ermöglicht, sondern kann auch von außen beeinflusst oder gefördert werden. Diese Maßnahmen sind vor allem als zusätzliche Maßnahmen, insbesondere zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Möglichkeiten der Ausbildung eines Entgasungskanals im Zellinneren sehr vorteilhaft, können aber auch in Alleinstellung ein Ableiten von Gasen aus dem Zellinneren in einen Randbereich der Zelle ermöglichen und fördern.According to a further very advantageous embodiment of the invention, in order to divert the gas created inside the cell from the central region of the cell chemistry unit in the direction of the at least one first edge region of the cell chemistry unit, the energy storage arrangement is set up in such a way that a compressive force from outside the cell housing is applied over the cell housing with respect to a first direction can be exerted on the cell interior, which is larger in a central region of the cell housing than in an edge region of the cell housing in relation to a second direction perpendicular to the first direction. In other words, components of the energy storage arrangement can also be designed such that when the battery cell is in the operational state, the pressure that acts on the central region of the cell housing is greater than in an edge region. This also advantageously promotes the escape of gases from the central area of the cell chemistry unit into the edge area. A discharge of gases from the central area of the cell chemistry unit into an edge area is not only made possible by a special design of the cell interior of such a battery cell, but can also be influenced or promoted from the outside. These measures are particularly advantageous as additional measures, in particular in addition to the previously described options for forming a degassing channel inside the cell, but can also, on their own, enable and promote the discharge of gases from the inside of the cell into an edge region of the cell.
Um nun eine so gestaltete Druckkraft auf das Zellgehäuse bereitzustellen, gibt es wiederum mehrere Möglichkeiten, die nun nachfolgend näher erläutert werden.In order to provide such a designed compressive force on the cell housing, there are again more There are other options, which will now be explained in more detail below.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energiespeicheranordnung mehrere der mindestens einen Batteriezelle auf, wobei die mehreren Batteriezellen in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, und wobei zwischen zwei der Batteriezellen, die in der ersten Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, ein Zelltrennelement angeordnet ist, das in einem zentralen Bereich eine geringere Nachgiebigkeit aufweist als in einem Randbereich. Der zentrale Bereich kann auch hier wieder zu mindestens einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung definiert sein. Die mehreren Batteriezellen können zum Beispiel Teil eines in der ersten Richtung verspannten Zellstapels sein. Eine solche Spanneinrichtung wird nachfolgend noch näher erläutert. Durch eine solche Spanneinrichtung kann zum Beispiel bezüglich der ersten Richtung beidseitig eine Druckkraft auf den Zellstapel ausgeübt werden. Durch Zelltrennelemente zwischen den Zellen, die so ausgebildet sind, dass sie im zentralen Bereich eine geringere Nachgiebigkeit aufweisen als im Randbereich, ist es dadurch vorteilhafterweise möglich, eine Druckverteilung über die Außenflächen des Zellgehäuses bereitzustellen, die höhere Druckkräfte im zentralen Bereich der Zellen erlaubt als in Randbereichen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the energy storage arrangement has a plurality of the at least one battery cell, the plurality of battery cells being arranged next to one another in the first direction, and a cell separating element being arranged between two of the battery cells which are arranged adjacent to one another in the first direction , which has less flexibility in a central area than in an edge area. Here too, the central area can again be defined in at least one second direction perpendicular to the first direction. The multiple battery cells can, for example, be part of a cell stack braced in the first direction. Such a clamping device will be explained in more detail below. By means of such a clamping device, for example, a compressive force can be exerted on the cell stack on both sides with respect to the first direction. By cell separating elements between the cells, which are designed so that they have less flexibility in the central area than in the edge area, it is advantageously possible to provide a pressure distribution over the outer surfaces of the cell housing, which allows higher pressure forces in the central area of the cells than in Edge areas.
Um zu ermöglichen, dass das Zelltrennelement eine geringere Nachgiebigkeit in einem zentralen Bereich aufweist als in einem Randbereich, wobei sich auch hier wiederum der zentrale Bereich und der Randbereich auf eine Richtung bezieht, die senkrecht zur oben definierten ersten Richtung ist, kann das Zelltrennelement auf verschiedenste Arten und Weisen ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Zelltrennelement in Richtung der benachbarten Zellen konvex gewölbt ausgebildet sein. Auch kann das Zelltrennelement aus einem Material oder Teilelementen bereitgestellt sein, so dass das Zelltrennelement im zentralen Bereich eine größere Federhärte aufweist als im Randbereich. Das Zelltrennelement kann beispielsweise eine oder mehrere Federn umfassen. Denkbar sind jedoch auch zahlreiche weitere Ausbildungsmöglichkeiten eines solchen Zelltrennelements. Beispielsweise kann das Zelltrennelement auch als Luftkissen oder segmentiertes Luftkissen ausgebildet sein oder im allgemeinen als hydraulisches oder pneumatisches Element. Vorzugsweise ist das Zelltrennelement aus einem Elastomer bereitgestellt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausbildung mit den gewünschten oben beschriebenen Eigenschaften.In order to enable the cell separation element to have less flexibility in a central region than in an edge region, whereby here again the central region and the edge region relate to a direction that is perpendicular to the first direction defined above, the cell separation element can be used in a variety of ways be designed in different ways. For example, the cell separating element can be designed to be convexly curved in the direction of the neighboring cells. The cell separating element can also be provided from a material or sub-elements, so that the cell separating element has a greater spring hardness in the central area than in the edge area. The cell separating element can, for example, comprise one or more springs. However, numerous other training options for such a cell separation element are also conceivable. For example, the cell separation element can also be designed as an air cushion or segmented air cushion or generally as a hydraulic or pneumatic element. Preferably, the cell separation element is made from an elastomer. This enables a particularly simple design with the desired properties described above.
Das Zelltrennelement muss dabei nicht das einzige Element sein, das zwischen zwei benachbart angeordneten Zellen angeordnet ist. Hier können auch weitere Elemente beziehungsweise Schichten oder Platten angeordnet sein, zum Beispiel zum Zwecke der thermischen Isolation.The cell separating element does not have to be the only element that is arranged between two adjacent cells. Additional elements or layers or plates can also be arranged here, for example for the purpose of thermal insulation.
Vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn das Zelltrennelement zumindest bezüglich der ersten Richtung elastisch ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, das eingangs beschriebene Swelling zumindest zum Teil zu kompensieren, zumindest sofern keine Austrittsmöglichkeit im Betrieb der Batteriezellen für die in den Zellen entstehenden Gase bereitgestellt ist.It is particularly advantageous if the cell separating element is designed to be elastic at least with respect to the first direction. This makes it possible to at least partially compensate for the swelling described at the beginning, at least as long as no outlet is provided for the gases produced in the cells during operation of the battery cells.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energiespeicheranordnung einen die mindestens eine Batteriezelle umfassenden Zellstapel und eine Spanneinrichtung zum Verspannen des Zellstapels in der ersten Richtung auf, wobei die Spanneinrichtung zwar den Zellstapel bezüglich der ersten Richtung beidseitig begrenzenden Druckplatten aufweist, mittels welchen eine Druckkraft auf den Zellstapel in der ersten Richtung ausübbar ist, die in einem zentralen Bereich des Zellstapels größer ist als in einem Randbereich des Zellstapel bezogen auf die zur ersten Richtung senkrechte zweite Richtung. So lässt es sich vorteilhafterweise durch eine spezielle Ausbildung der Druckplatten ebenfalls bewerkstelligen, eine Druckkraft auf die Zellen beziehungsweise deren Zellgehäuse bereitzustellen, welche in einem zentralen Bereich größer ist als in einem Randbereich. Die Druckplatten können zum Beispiel durch zwei Seitenplatten miteinander verspannt sein. Der Zellstapel kann also dann zwischen diesen beiden Seitenplatten und den beiden Druckplatten angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass diese Spannplatten oder auch Spannbänder so ausgestaltet sind, dass durch diese die Zugkraft auf die Druckplatten so gestaltet ist, dass diese in einem zentralen Bereich größer ist als im Randbereich. Auch dies ermöglicht es wiederum, eine Druckkraft auf die jeweiligen Zellgehäuse auszuüben, die im zentralen Bereich größer ist als im Randbereich.According to a further advantageous embodiment of the invention, the energy storage arrangement has a cell stack comprising the at least one battery cell and a clamping device for clamping the cell stack in the first direction, the clamping device having pressure plates which delimit the cell stack on both sides with respect to the first direction and by means of which a compressive force is applied the cell stack can be exercised in the first direction, which is larger in a central area of the cell stack than in an edge area of the cell stack in relation to the second direction perpendicular to the first direction. It can also advantageously be achieved through a special design of the pressure plates to provide a pressure force on the cells or their cell housings, which is greater in a central area than in an edge area. The pressure plates can be clamped together, for example, by two side plates. The cell stack can then be arranged between these two side plates and the two pressure plates. Alternatively or additionally, it is also conceivable that these clamping plates or clamping bands are designed in such a way that the tensile force on the pressure plates is designed in such a way that it is greater in a central area than in the edge area. This also makes it possible to exert a compressive force on the respective cell housings, which is greater in the central area than in the edge area.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine der Druckplatten eine dem Zellstapel zugewandte Innenseitenfläche auf, die in Richtung des Zellstapels gewölbt ist. Vorzugsweise gilt dies für beide Druckplatten. Hierdurch lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Weise der oben beschriebene Effekt erzielen, dass eine Druckkraft auf den Zellstapel in einem zentralen Bereich größer ist als im Randbereich. Eine solche Wölbung kann sich dabei sowohl auf eine zweite Richtung beziehen, die senkrecht zur ersten Richtung ist, als auch optional zusätzlich auf eine weitere dritte Richtung, die senkrecht zur zweiten und ersten Richtung ist. Mit anderen Worten kann die Innenseitenfläche zweidimensional oder auch dreidimensional gewölbt ausgebildet sein. Das Maximum einer solchen Wölbung befindet sich dann entsprechend vorzugsweise im zentralen Bereich des Zellstapels beziehungsweise der angrenzenden Batteriezelle bezogen auf die genannte zweite und dritte Richtung.According to a further very advantageous embodiment of the invention, at least one of the pressure plates has an inner side surface facing the cell stack, which is curved in the direction of the cell stack. This preferably applies to both printing plates. In this way, the effect described above can be achieved in a particularly simple and cost-effective manner, that a compressive force on the cell stack is greater in a central area than in the edge area. Such a curvature can refer both to a second direction that is perpendicular to the first direction and optionally also to a further third direction that is perpendicular to the second and first directions. In other words, the inside surface can be curved two-dimensionally or three-dimensionally be educated. The maximum of such a curvature is then preferably located in the central area of the cell stack or the adjacent battery cell in relation to the second and third directions mentioned.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine erste Seite des Zellgehäuses der mindestens einen Batteriezelle einen zentralen Bereich und eine um den zentralen Bereich geschlossen umlaufende Dehnungskontur zur Reduktion einer Krümmung des zentralen Bereichs der ersten Seite beim Ausdehnen der Zellchemieeinheit in der ersten Richtung auf, insbesondere wobei die Dehnungskontur an einen Randbereich der ersten Seite angrenzt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die mindestens eine Batteriezelle als prismatische Zelle ausgebildet ist. Die Dehnungskontur kann dann entsprechend eine im Wesentlichen rechtecksförmige Geometrie aufweisen. Durch eine solche Dehnungskontur kann die Steifigkeit des Zellgehäuses im Randbereich reduziert werden. Beginnt also die Zellchemieeinheit im Laufe der Lebensdauer anzuschwellen, so baucht die Zelle nicht in der ersten Richtung wie eingangs beschrieben aus und wölbt sich kuppelartig nach außen, sondern die beiden flächenmäßig größten Außenseiten des Zellgehäuses werden über die Dehnungskontur in und entgegen der ersten Richtung auseinander geschoben, insbesondere unter Beibehaltung ihrer ebenen Geometrie oder zumindest näherungsweise. Zumindest lässt sich durch das Vorsehen einer solchen Dehnungskontur die Wölbung beziehungsweise die Krümmung des zentralen Bereichs einer jeweiligen ersten Seite des Zellgehäuses reduzieren. Auch dies ermöglicht es vorteilhafterweise, dass im Inneren der Zelle entstehende Gase einfacher in einen Randbereich entweichen beziehungsweise gelangen können. Der Elektrodenwickel beziehungsweise Elektrodenstapel wird entlang der Dehnungskontur im Randbereich nicht übermäßig zusammengedrückt und abgedichtet, denn die Außenflächen des Zellgehäuses können sich beim Anschwellen der Zellen auch im Randbereich dank der Dehnungskontur nunmehr ausdehnen beziehungsweise auseinander bewegen, was das Entweichen von Gasen in den Randbereich erleichtert.According to a further advantageous embodiment of the invention, at least a first side of the cell housing of the at least one battery cell has a central area and an expansion contour which runs closed around the central area in order to reduce a curvature of the central area of the first side when the cell chemistry unit is expanded in the first direction, in particular, the expansion contour adjoins an edge region of the first side. This is particularly advantageous if the at least one battery cell is designed as a prismatic cell. The expansion contour can then correspondingly have a substantially rectangular geometry. Such an expansion contour can reduce the rigidity of the cell housing in the edge area. If the cell chemical unit begins to swell over the course of its lifespan, the cell does not bulge in the first direction as described at the beginning and bulges outwards like a dome, but rather the two outer sides of the cell housing with the largest area are pushed apart in and against the first direction via the expansion contour , especially while maintaining their flat geometry or at least approximately. At least the curvature or curvature of the central region of a respective first side of the cell housing can be reduced by providing such an expansion contour. This also advantageously makes it possible for gases generated inside the cell to escape or reach an edge region more easily. The electrode coil or electrode stack is not excessively compressed and sealed along the expansion contour in the edge area, because when the cells swell, the outer surfaces of the cell housing can now expand or move apart in the edge area thanks to the expansion contour, which makes it easier for gases to escape into the edge area.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen.Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with an energy storage arrangement according to the invention or one of its embodiments.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Energiespeicheranordnung mit mindestens einer Batteriezelle, die ein Zellinneres, ein Zellgehäuse, welches das Zellinnere einschließt, und ein im Zellinneren angeordnete Zellchemieeinheit aufweist. Dabei wird die Energiespeicheranordnung derart hergestellt, dass in einem bestimmungsgemäßen Betriebszustand der Energiespeicheranordnung ein im Zellinneren entstandenes Gas aus einem zentralen Bereich der Zellchemieeinheit in Richtung zumindest eines ersten Randbereichs der Zellchemieeinheit abgeleitet wird.Furthermore, the invention also relates to a method for producing an energy storage arrangement with at least one battery cell, which has a cell interior, a cell housing which encloses the cell interior, and a cell chemistry unit arranged in the cell interior. The energy storage arrangement is manufactured in such a way that, when the energy storage arrangement is in the intended operating state, a gas created inside the cell is diverted from a central region of the cell chemistry unit in the direction of at least a first edge region of the cell chemistry unit.
Die für die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung und ihre Ausgestaltung beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages described for the energy storage arrangement according to the invention and its design apply equally to the method according to the invention.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird im Zuge der Herstellung der Energiespeicheranordnung beispielsweise ein Entgasungskanal innerhalb der Batteriezelle bereitgestellt. Dieser Entgasungskanal kann in Form einer Rille in der Aktivmaterialschicht ausgeführt sein oder in Form eines Schlitzes in einer Elektrodenschicht oder in Form einer Durchgangsöffnung durch Elektrodenschichten und den Separator, wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung und ihren Ausgestaltungen bereits beschrieben. Auch die im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen der Energiespeicheranordnung beschriebenen Verfahrensschritte zur Ausbildung der Rillen und/oder Schlitze und/oder Durchgangsöffnungen können als weitere optionale Verfahrensschritte gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung angesehen werden.According to a further embodiment of the method, in the course of producing the energy storage arrangement, for example, a degassing channel is provided within the battery cell. This degassing channel can be designed in the form of a groove in the active material layer or in the form of a slot in an electrode layer or in the form of a through opening through electrode layers and the separator, as already described in connection with the energy storage arrangement according to the invention and its configurations. The method steps described in connection with these embodiments of the energy storage arrangement for forming the grooves and/or slots and/or through openings can also be viewed as further optional method steps according to exemplary embodiments of the invention.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the energy storage arrangement according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments. The invention therefore also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, provided that the embodiments have not been described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Zellchemieeinheit und deren Aufblähen im Laufe der Zeit bei einer herkömmlichen Batteriezelle; -
2 eine schematische Darstellung einer Zellchemieeinheit und deren Veränderung im Laufe der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung einer Zellchemieeinheit für eine Batteriezelle mit in der Aktivmaterialschicht angeordneten Rillen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine schematische Darstellung einer Zellchemieeinheit für eine Batteriezelle mit in den Elektrodenschichten angeordneten Schlitzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
5 eine schematische Explosionsdarstellung einer Zellchemieeinheit für eine Batteriezelle mit einer Durchgangsöffnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
6 eine schematische und perspektivische Querschnittsdarstellung durch eine Batteriezelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
7 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls und dessen Veränderung im Laufe der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Batteriemoduls und dessen Veränderung im Laufe der Lebensdauer.
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1 a schematic perspective representation of a cell chemistry unit and its structure bloat over time in a traditional battery cell; -
2 a schematic representation of a cell chemistry unit and its change over time according to an embodiment of the invention; -
3 a schematic representation of a cell chemistry unit for a battery cell with grooves arranged in the active material layer according to an exemplary embodiment of the invention; -
4 a schematic representation of a cell chemistry unit for a battery cell with slots arranged in the electrode layers according to a further exemplary embodiment of the invention; -
5 a schematic exploded view of a cell chemistry unit for a battery cell with a through opening according to a further exemplary embodiment of the invention; -
6 a schematic and perspective cross-sectional view through a battery cell according to a further exemplary embodiment of the invention; -
7 a schematic representation of a battery module and its changes over time according to an embodiment of the invention; and -
8th a schematic representation of a further exemplary embodiment of a battery module and its changes over the course of its service life.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and which also further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference numerals designate functionally identical elements.
Die Entstehung solcher großflächigen Gasblasen 22 kann nun durch die Erfindung beziehungsweise ihre Ausführungsformen vorteilhafterweise verhindert werden oder in ihrem Ausmaß reduziert werden.The formation of such large-area gas bubbles 22 can now advantageously be prevented or reduced in extent by the invention or its embodiments.
Durch die nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispiele ist es nun vorteilhafterweise möglich, das im Laufe der Lebensdauer im Zellinneren entstehende Gas 20 aus dem zentralen Bereich 32 der Zellchemieeinheit 24 in den Randbereich 34 abzuleiten. Dies verbessert sowohl die Funktionsfähigkeit der Zelle als auch verlängert dies deren Lebensdauer. Insbesondere können hierdurch Pumpbewegungen der Gasblasen beim Laden und Entladen minimiert werden und hierdurch wird auch der mechanische Stress und die Walkbewegung auf die Beschichtungen von Anode und Kathode vermindert und das Risiko von Ablösungen reduziert. Zudem wird die elektrisch aktive Fläche nicht durch Gasblasen unterbrochen. Weiterhin führt dies zu einer verminderten Bombierung der Zelle im Zellzentrum. Hierdurch lässt sich wiederum eine homogenere und verminderte elektrische Alterung bereitstellen.Through the exemplary embodiments explained in more detail below, it is now advantageously possible to divert the
Um dies zu ermöglichen, gibt es nun mehrere Möglichkeiten, die nun nachfolgend erläutert werden.To make this possible, there are several options, which will now be explained below.
Im vorliegenden Beispiel sind nun vorteilhafterweise im Kathodenaktivmaterial 38 mehrere Rillen 44 angeordnet. Diese stellen Entgasungskanäle 46 bereit, die es ermöglichen, das in der Zelle entstandene Gas 20, welches vorliegend durch die Pfeile 20 veranschaulicht ist, aus dem Zentrum 32 der Zellchemieeinheit in einen Randbereich 34 abzuleiten. Selbst wenn also die einzelnen Elektrodenschichten 27, 29 im Randbereich 34 bedingt durch die konstruktive Auslegung eines Zellgehäuses aufeinander gepresst werden würden, so wäre durch die vorgesehenen Entgasungskanäle 46 immer noch eine Möglichkeit für das Gas 20 bereitgestellt, um aus dem zentralen Bereich 32 in den Randbereich 34 zu gelangen. Die Bildung großflächiger Gasblasen im zentralen Bereich 32 kann somit vorteilhafterweise vermieden werden.In the present example, several grooves 44 are advantageously arranged in the cathode
In diesem Beispiel verlaufen die im Aktivmaterial 38 eingebrachten Rillen 44 geradlinig, was die Herstellung vereinfacht. Außerdem können mehrere solcher Rillen 44, entweder parallel zueinander und/oder auch in verschiedene Richtungen, und sich sogar überschneidend verlaufen. Weiterhin können sich die Rillen 44 zum Beispiel wie in
Weiterhin kann nicht nur im Kathodenaktivmaterial 38 eine oder mehrere solcher Rillen 44 angeordnet sein, sondern analog auch im Anodenaktivmaterial 35, wenngleich vorliegend auch nicht dargestellt.Furthermore, one or more such grooves 44 can be arranged not only in the cathode
Die Rillen 44 können also durch kanalförmige Verdichtungen im jeweiligen Aktivmaterial 35, 38, insbesondere bereits während des Fertigungsprozesses der jeweiligen Elektrodenschichten 27, 29 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann durch Riefen auf den Walzen, mittels welchen das Aktivmaterial 35, 38 auf die jeweilige Trägerschicht 33, 36 aufgebracht wird, das Aktivmaterial während des Walzvorgangs lokal stärker verdichtet werden.The grooves 44 can therefore be provided by channel-shaped compressions in the respective
Auch müssen die Anode 40 und die Kathode 42 nicht notwendigerweise wie hier dargestellt als Schienen bereitgestellt sein, sondern können auch als Teil der Kollektorfolien, z.B. als Fahnen oder Tabs oder ähnliches bereitgestellt sein. Solche Fahnen oder Tabs können beispielsweise auch integral mit der jeweiligen Trägerfolie 33, 36 ausgebildet sein oder separat gefertigt und mit den Trägerfolien 33, 36 gefügt sein.The
Auch durch diese Schlitze 48 ist es nun vorteilhafterweise möglich, dass Gase 20 deutlich einfacher aus einem zentralen Bereich 32 in Randbereiche 34 gelangen können. Die Schlitze 48 in Schichten, die in x-Richtung übereinander angeordnet sind, sind vorzugsweise in y-Richtung und/oder z-Richtung zueinander versetzt. Hierdurch kann die Stabilität des Gesamtaufbaus erhöht werden. Diese Schlitze 48 bilden damit vorteilhafterweise Entgasungsschneisen in den Anoden- und Kathodenfolien 33, 36 beziehungsweise in den Anoden- und Kathodenschichten 27, 29.Through these slots 48 it is now advantageously possible for
Weiterhin ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, eine konstruktive Umgestaltung des Zell- oder Modulaufbaus vorzunehmen, um eine Gasansammlung in der Zellmitte zu verhindern. Dies wird nun nachfolgend näher erläutert.Furthermore, it is additionally or alternatively also possible to carry out a structural redesign of the cell or module structure in order to prevent gas accumulation in the middle of the cell. This will now be explained in more detail below.
Hierzu zeigt
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine zellinterne Entgasung bereitgestellt werden kann, durch welche die Bildung von flächigen Gasblasen zwischen den Layern der Zelle minimiert werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide cell-internal degassing, through which the formation of flat gas bubbles between the layers of the cell can be minimized.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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| R163 | Identified publications notified |