DE102023003622A1

DE102023003622A1 - Battery cell and method for producing such a battery cell

Info

Publication number: DE102023003622A1
Application number: DE102023003622.6A
Authority: DE
Inventors: Akramullah Aminy; Sven Fasse
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-09-06
Filing date: 2023-09-06
Publication date: 2024-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10) mit einem Zellgehäuse (20), in dem eine Schichtung angeordnet ist, die Schichtung aufweisend eine erste Schicht (14) aus Metall, eine zweite Schicht (16) aus einem Aktivmaterial und eine dritte Schicht (18) aus einem Separator, und mit einer zu den Schichten (14, 16, 18) parallele Außenfläche (20a) des Zellkerns (12), welche kraftschlüssig mit einem metallischen Zellgehäuse (20) gekoppelt ist, und mit jeweiligen einseitig angeordneten Polen (22, 24), wobei die jeweiligen Schichten (14) aus Metall von dem positiven Pol oder dem negativen Pol kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse (20) gekoppelt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle (10).

The invention relates to a battery cell (10) with a cell housing (20) in which a layer is arranged, the layer comprising a first layer (14) made of metal, a second layer (16) made of an active material and a third layer (18) made of a separator, and with an outer surface (20a) of the cell core (12) which is parallel to the layers (14, 16, 18) and which is coupled in a force-fitting manner to a metallic cell housing (20), and with respective poles (22, 24) arranged on one side, wherein the respective layers (14) made of metal are coupled in a force-fitting or material-fitting manner to the cell housing (20) from the positive pole or the negative pole. The invention further relates to a method for producing such a battery cell (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle gemäß Patentanspruch 9.The invention relates to a battery cell according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a battery cell according to patent claim 9.

Es ist bekannt, dass die maximale elektrische Lade- und Entladeleistung einer Batteriezelle insbesondere aus reaktionskinetischen Gründen bei Einhaltung von Lebensdauerzielen nur innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs erreicht werden kann. Um die Batteriezelle schnellstmöglich in diesen Temperaturbereich zu bringen und dort während der Ladung/Entladung dauerhaft zu halten, ist in der Regel eine Erwärmung oder Entwärmung/Kühlung der Batteriezelle von außen über deren Gehäusewand erforderlich. Eine Optimierung des Wärmeleitpfades innerhalb der Batteriezelle zur Gehäusewand kann somit deren abrufbare elektrische Lade- und Entladeleistung steigern und in Konsequenz auch die Schnellladedauer verringern.It is known that the maximum electrical charging and discharging performance of a battery cell can only be achieved within a limited temperature range, particularly for reaction kinetic reasons, while maintaining service life targets. In order to bring the battery cell into this temperature range as quickly as possible and to keep it there permanently during charging/discharging, it is usually necessary to heat or cool the battery cell from the outside via its housing wall. Optimizing the heat conduction path within the battery cell to the housing wall can thus increase its available electrical charging and discharging performance and, as a consequence, also reduce the quick-charge time.

Aus der DE 10 2013 220 171 A1 ist eine Batteriezelle offenbart, die ein Gehäuse aufweist, sowie zumindest einen in dem Gehäuse angeordneten Batteriewickel, der über ein erstes Stromabnehmerelement mit einem ersten Anschluss und über ein zweites Stromabnehmerelement mit einem zweiten Anschluss elektrisch verbunden ist. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss sind zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet. Ferner ist zumindest eine erste wärmeleitende Komponente vorgesehen, die zwischen dem Gehäuse und dem ersten Stromabnehmerelement angeordnet ist und mit diesen in Flächenkontakt steht, um eine Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse und dem ersten Stromabnehmerelement zu vergrößern.From the DE 10 2013 220 171 A1 A battery cell is disclosed which has a housing and at least one battery winding arranged in the housing, which is electrically connected to a first terminal via a first current collector element and to a second terminal via a second current collector element. The first terminal and the second terminal are arranged at least partially outside the housing. Furthermore, at least one first heat-conducting component is provided, which is arranged between the housing and the first current collector element and is in surface contact with them in order to increase heat conduction between the housing and the first current collector element.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine effiziente thermische Möglichkeit bereitzustellen, um die Temperatur wenigstens einer Batteriezelle innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten, um wiederum die Lade- und Entladeleistung zu maximieren. Diese Aufgabe wird mittels einer Batteriezelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Batteriezelle sind als vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen, wobei die Mittel der Batteriezelle zur Durchführung der Verfahrensschritte eingesetzt sind. Ferner sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie durch die Figuren beschrieben.The object of the invention is to provide an efficient thermal possibility to keep the temperature of at least one battery cell within a predetermined range in order to maximize the charging and discharging performance. This object is achieved by means of a battery cell with the features of patent claim 1 and by means of a method according to the invention. Advantageous configurations of the battery cell according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the method according to the invention, wherein the means of the battery cell are used to carry out the method steps. Furthermore, advantageous developments of the invention are described by the dependent patent claims, the following description and by the figures.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse, in dem eine Schichtung angeordnet ist, die Schichtung aufweisend eine erste Schicht aus Metall, eine zweite Schicht aus einem Aktivmaterial und eine dritte Schicht aus einem Separator, und mit einer zu den Schichten parallele Außenfläche des Zellkerns, welche kraftschlüssig mit einem metallischen Zellgehäuse gekoppelt, beispielsweise verbunden, ist. Somit wird die Entwicklung einer effizienten Batteriezelle verfolgt, die eine verbesserte Leistung und Energieeffizienz ermöglicht. Die Batteriezelle zeichnet sich hierbei zunächst durch ein Zellgehäuse aus, welches als Schutz und Struktur vorgesehen ist. Im Inneren des Gehäuses ist eine vorgegebene Schichtung von Materialien angeordnet, aufweisend eine erste Metallschicht, eine Aktivmaterial-Schicht und einen Separator. Diese Schichtung ist darauf ausgelegt, die Elektronen- und Ionenbewegung während des Lade- und Entladevorgangs zu ermöglichen. Ein weiteres Merkmal dieser Batteriezelle ist die parallel zu den Schichten verlaufende äußere Fläche des Zellkerns, die fest mit einem metallischen Zellgehäuse gekoppelt, beispielsweise verbunden, ist. Diese Verbindung ermöglicht nicht nur die Stabilität, sondern ermöglicht auch einen effizienten Wärmetransport zwischen dem Zellkern und dem Gehäuse. Dies trägt zur Temperaturregelung bei und steigert die Batterieleistung. Schließlich ist es bei der Batteriezelle vorgesehen, die jeweiligen Pole einseitig anzuordnen, um eine prismatische Ausgestaltung bereitzustellen.One aspect of the invention relates to a battery cell with a cell housing in which a layer is arranged, the layer comprising a first layer of metal, a second layer of an active material and a third layer of a separator, and with an outer surface of the cell core which is parallel to the layers and which is force-fit coupled, for example connected, to a metallic cell housing. The development of an efficient battery cell is thus pursued which enables improved performance and energy efficiency. The battery cell is characterized here firstly by a cell housing which is provided as protection and structure. A predetermined layer of materials is arranged inside the housing, comprising a first metal layer, an active material layer and a separator. This layer is designed to enable the movement of electrons and ions during the charging and discharging process. Another feature of this battery cell is the outer surface of the cell core which runs parallel to the layers and is firmly coupled, for example connected, to a metallic cell housing. This connection not only provides stability, but also enables efficient heat transport between the cell core and the housing. This contributes to temperature regulation and increases battery performance. Finally, the battery cell is designed to have the respective poles arranged on one side in order to provide a prismatic design.

Um die Aufgabe der Erfindung zu lösen ist es vorgesehen, dass die jeweiligen Schichten aus Metall von dem positiven Pol oder dem negativen Pol kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse gekoppelt, beispielsweise verbunden, sind. Somit soll eine fortschrittliche Lösung für die effiziente thermische Kontrolle der Batteriezelle ermöglicht werden, insbesondere um ihre Temperatur innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs zu halten. Durch die gezielte Steuerung der Temperatur ist es vorgesehen, die Leistungsfähigkeit der Batterie während der Lade- und Entladezyklen zu maximieren und gleichzeitig eine Lebensdauer zu erhöhen.In order to achieve the object of the invention, it is provided that the respective layers of metal from the positive pole or the negative pole are coupled, for example connected, to the cell housing in a force-fitting or material-fitting manner. This is intended to enable an advanced solution for the efficient thermal control of the battery cell, in particular to keep its temperature within a predefined temperature range. By controlling the temperature in a targeted manner, it is intended to maximize the performance of the battery during the charging and discharging cycles and at the same time increase its service life.

Die Metallschichten innerhalb der Batteriezelle, die für eine Elektronenübertragung angewendet werden, werden mit dem positiven oder negativen Pol der Batterie kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse verbunden. Diese Verbindung dient nicht nur dazu, die mechanische Stabilität der Zelle zu erhöhen, sondern auch für eine thermische Regulation der Metallschichten.The metal layers within the battery cell, which are used for electron transfer, are connected to the positive or negative pole of the battery by force or material bonding to the cell casing. This connection not only serves to increase the mechanical stability of the cell, but also to thermally regulate the metal layers.

Indem die Metallschichten direkt mit dem Zellgehäuse in Verbindung stehen, wird eine effiziente Wärmeübertragung zwischen den Schichten und dem Gehäuse ermöglicht. Dies führt dazu, dass die entstehende Wärme während der Lade- und Entladevorgänge schnell und effektiv zugeführt oder abgeführt wird. Durch die Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Betriebstemperatur wird nicht nur die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle maximiert, sondern bspw. auch ein Verschleiß oder eine Degradation der Materialien minimiert. Durch die technische Umsetzung dieser Verbindung wird eine Batteriezelle mit erhöhter Effizienz und Leistungsfähigkeit bereitgestellt. Die gezielte Kombination aus elektrischer Leitfähigkeit und effizientem Wärmetransport trägt dazu bei, die Batteriezelle stabil zu halten und gleichzeitig eine verbesserten Lade- und Entladezeit bereitzustellen.By having the metal layers directly in contact with the cell casing, efficient heat transfer between the layers and the casing is enabled. This means that the heat generated during charging and discharging processes is supplied or dissipated quickly and effectively. By maintaining a At the specified operating temperature, not only is the performance of the battery cell maximized, but wear and tear or degradation of the materials is also minimized. The technical implementation of this connection provides a battery cell with increased efficiency and performance. The targeted combination of electrical conductivity and efficient heat transport helps to keep the battery cell stable while providing improved charging and discharging times.

In anderen Worten wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, mit einem üblichen Aufbau des Zellkerns, welcher eine Schichtung von verschiedenen Materiallagen, nämlich Metall, Aktivmaterial und Separator aufweist. Bei prismatischen Batteriezellen gemäß dem aktuellen Stand der Technik wird die äußere Fläche des Zellkerns, die parallel zu den inneren Schichten verläuft, genutzt, um den Zellkern durch eine kraftschlüssige Verbindung im metallischen Zellgehäuse zu fixieren. Diese Fläche dient auch als Hauptweg für den Wärmeaustausch zwischen dem Zellkern und dem Zellgehäuse. Jedoch zeigt sich ein Nachteil an diesem Wärmeleitpfad, der in der Art und Weise begründet ist, wie die Wärme innerhalb der Zelle übertragen wird.In other words, a battery cell is proposed with a conventional cell core structure, which has a layering of different material layers, namely metal, active material and separator. In prismatic battery cells according to the current state of the art, the outer surface of the cell core, which runs parallel to the inner layers, is used to fix the cell core in the metallic cell housing by means of a force-fitting connection. This surface also serves as the main path for heat exchange between the cell core and the cell housing. However, there is a disadvantage to this heat conduction path, which is due to the way in which the heat is transferred within the cell.

Die Wärmeleitfähigkeit quer durch die Schichten des Zellkerns ist aufgrund des Separator-Materials, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, deutlich niedriger im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit längs der Schichten, bei welchen die Metallschichten, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, für eine effiziente Wärmeübertragung anwendbar sind. Dieser Unterschied in der Wärmeleitung führt dazu, dass die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle nicht gleichmäßig ist. Da der Separator die Wärme weniger effizient ableitet, können sich heiße Stellen bilden, was wiederum die Leistung und Effizienz der Batterie beeinträchtigt.The thermal conductivity across the layers of the cell core is significantly lower due to the separator material, which has a lower thermal conductivity, compared to the thermal conductivity along the layers, where the metal layers, which have a high thermal conductivity, are applicable for efficient heat transfer. This difference in thermal conduction means that the temperature distribution within the battery cell is not uniform. Since the separator dissipates heat less efficiently, hot spots can form, which in turn affects the performance and efficiency of the battery.

Die Aufgabe der Erfindung liegt somit darin, Wärmeungleichmäßigkeiten zu überwinden, um die Batteriezelle während des Betriebs in einem optimalen Temperaturbereich zu halten und somit die Leistung, Effizienz und Lebensdauer der Batterie zu maximieren. Hierfür soll der Großteil der Metallschichten des Zellkerns von einem der beiden Pole kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse gekoppelt, beispielsweise verbunden, werden. Dadurch kann insbesondere eine Steigerung der abrufbaren Lade- und Entladeleistung und Reduzierung der Schnellladedauer bei geringer Anpassung des Zellaufbaus und des Produktionsprozesses erreicht werden.The object of the invention is therefore to overcome thermal irregularities in order to keep the battery cell in an optimal temperature range during operation and thus maximize the performance, efficiency and service life of the battery. To this end, the majority of the metal layers of the cell core are to be coupled, for example connected, to the cell housing by one of the two poles in a force-fitting or material-fitting manner. This can in particular increase the available charging and discharging power and reduce the fast charging time with little adjustment of the cell structure and the production process.

Durch die direkte Verbindung der Metallschichten mit dem Zellgehäuse wird ein neuartiger Wärmeleitpfad bereitgestellt. Dies ermöglicht eine effiziente Ableitung der Wärme quer durch die Schichten des Zellkerns, einschließlich des Separators, der normalerweise eine insbesondere geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Indem die Wärme effizient abgeführt wird, wird die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle gleichmäßiger. Dadurch werden auch bspw. heiße Stellen reduziert und die Leistungsfähigkeit der Batterie verbessert.By directly connecting the metal layers to the cell casing, a new type of thermal conduction path is provided. This enables efficient dissipation of heat across the layers of the cell core, including the separator, which normally has a particularly low thermal conductivity. By efficiently dissipating the heat, the temperature distribution within the battery cell becomes more uniform. This also reduces hot spots, for example, and improves the performance of the battery.

Zusammenfassend beschreibt die Erfindung eine Optimierung des inneren Wärmeleitpfads einer prismatischen Batteriezelle.In summary, the invention describes an optimization of the internal heat conduction path of a prismatic battery cell.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass nur eine vorgegebene Anzahl an Schichten aus Metall von dem positiven Pol oder dem negativen Pol kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse gekoppelt bzw. verbunden ist. Durch eine solche selektive Verbindung werden bestimmte Schichten im Zellkern zu Hauptwärmeleitpfaden, die effizient Wärme von der Batteriezelle abführen. Dieses Merkmal zielt insbesondere darauf ab, die Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle zu verbessern und auch bspw. potenzielle Überhitzungsbereiche (engl. „Hotspots“) zu minimieren.In an advantageous embodiment, it is provided that only a predetermined number of layers of metal from the positive pole or the negative pole are coupled or connected to the cell housing in a force-fitting or material-locking manner. Through such a selective connection, certain layers in the cell core become main heat conduction paths that efficiently dissipate heat from the battery cell. This feature is aimed in particular at improving the temperature distribution within the battery cell and also, for example, minimizing potential overheating areas (hotspots).

In noch einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass ein Zwischenteil zwischen dem Zellgehäuse und den jeweiligen Schichten aus Metall angeordnet ist. Dieses Merkmal ermöglicht eine noch präzisere Kontrolle der thermischen Eigenschaften der Batteriezelle. Das Zwischenteil wird als ein Wärmeleitelement eingesetzt und ist dazu ausgebildet, die Wärmeübertragung zwischen den Metallschichten und dem Zellgehäuse zu ermöglichen und den Aufbau flexibler zu gestalten. Es kann aus einem materialtechnisch optimierten thermisch leitfähigen Material hergestellt werden. Dieses Material zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, Wärme effizient zu leiten und gleichzeitig eine stabile mechanische Verbindung bereitzustellen.In another advantageous embodiment, it is provided that an intermediate part is arranged between the cell housing and the respective layers of metal. This feature enables even more precise control of the thermal properties of the battery cell. The intermediate part is used as a heat-conducting element and is designed to enable heat transfer between the metal layers and the cell housing and to make the structure more flexible. It can be made from a thermally conductive material that is optimized in terms of material technology. This material is characterized by its ability to conduct heat efficiently and at the same time provide a stable mechanical connection.

Durch das Hinzufügen des Zwischenteils wird somit eine gleichmäßige Verteilung der Wärme quer durch die Schichten des Zellkerns ermöglicht bzw. erleichtert. Dadurch können bspw. Temperaturungleichheiten innerhalb der Batteriezelle minimiert und die Gesamtleistung der Batteriezelle gesteigert werden. Darüber hinaus kann das Zwischenteil auch dazu beitragen, potenzielle mechanische Belastungen zu reduzieren, die bspw. durch Temperaturschwankungen entstehen können.Adding the intermediate part enables or facilitates an even distribution of heat across the layers of the cell core. This can, for example, minimize temperature inequalities within the battery cell and increase the overall performance of the battery cell. In addition, the intermediate part can also help to reduce potential mechanical stresses that can arise, for example, from temperature fluctuations.

In noch einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Zwischenteil metallisch oder zumindest einen metallischen Anteil aufweisend ausgebildet ist. Durch die metallische Ausführung des Zwischenteils wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen den Metallschichten im Zellkern und dem Zellgehäuse ermöglicht, ferner wird ein besonders stabiler Aufbau ermöglicht.In another advantageous embodiment, it is provided that the intermediate part is made of metal or at least has a metallic portion. The metallic design of the intermediate part enables particularly efficient heat transfer between the Metal layers in the cell nucleus and the cell casing enable a particularly stable structure.

In noch einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Verbindung mit dem positiven Pol oder dem negativen Pol nur an einer ersten Seite des Zellgehäuses vorgesehen ist, insbesondere entweder an der oberen oder unteren Seite. Indem die Verbindung mit einer der Polen auf eine Seite des Zellgehäuses begrenzt wird, wird die Wärme bevorzugt in eine Richtung geleitet. Dies kann dazu beitragen, die thermische Effizienz zu verbessern und eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle zu fördern.In another advantageous embodiment, it is provided that a connection to the positive pole or the negative pole is only provided on a first side of the cell housing, in particular either on the upper or lower side. By limiting the connection to one of the poles to one side of the cell housing, the heat is preferably conducted in one direction. This can help to improve thermal efficiency and promote a uniform temperature distribution within the battery cell.

In noch einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Verbindung mit dem positiven Pol oder dem negativen Pol an einer ersten Seite und an einer zur ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Zellgehäuses vorgesehen ist. Das bedeutet, dass die Wärme gleichmäßig in beide Richtungen geleitet werden kann, was zu einer besseren Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle führen kann.In another advantageous embodiment, a connection to the positive pole or the negative pole is provided on a first side and on a second side of the cell housing opposite the first side. This means that the heat can be conducted evenly in both directions, which can lead to better temperature distribution within the battery cell.

In noch einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Verbindung mit dem positiven Pol oder dem negativen Pol entlang einer Seite des Zellgehäuses durchgehend ist. Indem die Verbindung kontinuierlich entlang einer Seite des Zellgehäuses verläuft, ist es vorgesehen, dass die Wärme effizient und ohne Unterbrechung abgeführt wird.In a further advantageous embodiment, it is provided that a connection to the positive pole or the negative pole is continuous along one side of the cell housing. By having the connection run continuously along one side of the cell housing, it is provided that the heat is dissipated efficiently and without interruption.

Schließlich ist es in noch einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass eine Verbindung mit dem positiven Pol oder dem negativen Pol entlang einer Seite des Zellgehäuses wenigstens einmal unterbrochen ist. Die Unterbrechung der Verbindung an einer Seite des Zellgehäuses dient dazu, die Wärmeableitung gezielt zu lenken. Dadurch können gezielte Temperaturbereiche innerhalb der Batteriezelle bereitgestellt werden, um bspw. bestimmte Zonen zu kühlen oder zu erwärmen, je nach den spezifischen Vorgaben.Finally, in another advantageous embodiment, a connection to the positive pole or the negative pole is interrupted at least once along one side of the cell housing. The interruption of the connection on one side of the cell housing serves to specifically direct the heat dissipation. This makes it possible to provide targeted temperature ranges within the battery cell, for example to cool or heat certain zones, depending on the specific requirements.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse, bei welchem eine Schichtung aufweisend eine erste Schicht aus Metall, eine zweite Schicht aus einem Aktivmaterial und eine dritte Schicht aus einem Separator hergestellt wird, wobei eine zu den Schichten parallele Außenfläche des Zellkerns kraftschlüssig mit einem metallischen Zellgehäuse verbunden wird, und wobei die jeweiligen Schichten aus Metall von dem positiven Pol oder dem negativen Pol kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse gekoppelt bzw. verbunden werden. Die Verbindung der Metallschichten mit dem Zellgehäuse erfolgt durch den positiven oder negativen Pol. Dies ermöglicht eine gezielte Wärmeableitung und Temperaturregelung. Der gesamte Herstellungsprozess zielt darauf ab, die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle zu verbessern und gleichzeitig die strukturelle Integrität bzw. einen solchen Aufbau stabil zu gestalten.A second aspect of the invention relates to a method for producing a battery cell with a cell housing, in which a layering comprising a first layer of metal, a second layer of an active material and a third layer of a separator is produced, wherein an outer surface of the cell core parallel to the layers is force-fitted to a metallic cell housing, and wherein the respective layers of metal are coupled or connected to the cell housing by the positive pole or the negative pole in a force-fit or material-fit manner. The metal layers are connected to the cell housing by the positive or negative pole. This enables targeted heat dissipation and temperature control. The entire manufacturing process aims to improve the performance of the battery cell and at the same time to make the structural integrity or such a structure stable.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass ein Zwischenteil zwischen dem Zellgehäuse und den jeweiligen Schichten aus Metall angeordnet wird. Die Anordnung des Zwischenteils zwischen dem Zellgehäuse und den Metallschichten ermöglicht eine gezieltere Steuerung der Wärmeableitung und Temperaturregelung.In an advantageous embodiment, it is provided that an intermediate part is arranged between the cell housing and the respective layers of metal. The arrangement of the intermediate part between the cell housing and the metal layers enables more targeted control of heat dissipation and temperature regulation.

Die hierin beschriebenen Ausführungen einer Batterie zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein Hauptwärmeleitpfad mittels einer zusätzlichen Anbindung am Batteriezellboden von elektrischen Pfaden getrennt vorgesehen sein kann. So können in einer Batteriezelle mindestens drei Anbindungen - zwei für die elektrische Stromübertragung - und mindestens eine für einen optimierten Wärmetransport vorgesehen sein.The battery designs described here are characterized in particular by the fact that a main heat conduction path can be provided separately from electrical paths by means of an additional connection at the bottom of the battery cell. At least three connections - two for electrical power transmission - and at least one for optimized heat transport can be provided in a battery cell.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann somit effektiv eine Trennung von Strom- und Hauptwärmeleitpfad realisiert sein.According to one aspect of the invention, a separation of the current and main heat conduction path can thus be effectively realized.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Batteriezelle einen Folienstapel auf.According to one aspect of the invention, a battery cell comprises a foil stack.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the respective combination specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.

Dabei zeigen:

1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
2 einen weiteren Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Batteriezelle mit einem integrierten Zwischenteil;
3 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung eines möglichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
4 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung eines weiteren möglichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Batteriezelle;
5 eine schematische Seitenansicht zur Darstellung eines möglichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Batteriezelle.

The following show:

1 a cross-section of a battery cell according to the invention;
2 a further cross-section of another embodiment of the battery cell with an integrated intermediate part;
3 a schematic side view showing a possible structure of the battery cell according to the invention;
4 a schematic side view showing another possible structure of the battery cell according to the invention;
5 a schematic side view showing a possible structure of the battery cell according to the invention.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols.

1 zeigt einen Querschnitt einer Batteriezelle 10, in welcher ein Zellgehäuse 20 die zentrale Struktur bildet. Innerhalb des Zellgehäuses 20 ist eine Schichtung angeordnet, bestehend aus einer ersten Schicht 14 aus Metall, einer zweiten Schicht 16 aus Aktivmaterial und einer dritten Schicht 18 aus Separator. Eine entscheidende Eigenschaft ist die zu den Schichten 14, 16, 18 parallele Außenfläche 20a des Zellkerns 12, die fest und effektiv mit einem metallischen Zellgehäuse 20 verbunden ist. Dies ermöglicht eine kraftschlüssige Verbindung, um eine Wärmeübertragung sicherzustellen. 1 shows a cross-section of a battery cell 10 in which a cell housing 20 forms the central structure. A layering is arranged within the cell housing 20, consisting of a first layer 14 made of metal, a second layer 16 made of active material and a third layer 18 made of separator. A crucial property is the outer surface 20a of the cell core 12, which is parallel to the layers 14, 16, 18 and is firmly and effectively connected to a metallic cell housing 20. This enables a force-fit connection to ensure heat transfer.

Insbesondere werden mehrere erste Schichten 14 aus Metall nebeneinander dargestellt, die den Zellkern 12 formen. Diese Schichten 14 bilden die Grundlage für die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle 10.In particular, several first layers 14 made of metal are shown next to each other, which form the cell core 12. These layers 14 form the basis for the performance of the battery cell 10.

Die Metallschichten 14 sind gezielt mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 kraft- oder stoffschlüssig mit dem Zellgehäuse 20 gekoppelt bzw. verbunden. Dies dient der effizienten Wärmeleitung, die dazu notwendig ist, um eine Betriebstemperatur der Batteriezelle 10 zu regulieren, so wie es anhand des Pfeils in der 1 schematisch veranschaulicht ist.The metal layers 14 are specifically coupled or connected to the cell housing 20 with the positive pole 22 or the negative pole 24 in a force-fitting or material-fitting manner. This serves the efficient heat conduction, which is necessary to regulate the operating temperature of the battery cell 10, as shown by the arrow in the 1 is illustrated schematically.

Es ist auch möglich, lediglich eine festgelegte Anzahl der Metallschichten 14 entweder mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 zu verbinden. Diese Auswahl ermöglicht eine Steuerung der Wärmeableitung und eine individuelle Anpassung der thermischen Eigenschaften.It is also possible to connect only a fixed number of the metal layers 14 to either the positive pole 22 or the negative pole 24. This selection allows control of the heat dissipation and individual adjustment of the thermal properties.

Zudem kann die Herstellung der Batteriezelle 10 durch ein Verfahren erfolgen, bei dem die Schichtung der Materialien - Metall, Aktivmaterial und Separator - in einer bestimmten Reihenfolge erfolgt. Die Verbindung der Metallschichten 14 mit dem Zellgehäuse 20 geschieht dabei in einer strategischen Ausrichtung, um eine thermische Effizienz zu ermöglichen.In addition, the battery cell 10 can be manufactured using a process in which the materials - metal, active material and separator - are layered in a specific order. The metal layers 14 are connected to the cell housing 20 in a strategic orientation to enable thermal efficiency.

2 zeigt einen weiteren Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Batteriezelle 10 mit einem integrierten Zwischenteil 26. Dieses Merkmal der Batteriezelle10 zeigt eine weitere Möglichkeit für den Zellenaufbau, der darauf abzielt, die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Batteriezelle 10 zu verbessern. 2 shows a further cross-section of another embodiment of the battery cell 10 with an integrated intermediate part 26. This feature of the battery cell 10 shows another possibility for the cell construction, which aims to improve the thermal and mechanical properties of the battery cell 10.

Der Zwischenteil 26 ist innerhalb der Batteriezelle 10 angeordnet und fungiert als ein bedeutendes thermisches Zwischenelement für die thermische Kontrolle. Dieser Zwischenteil 26 ist zwischen den ersten Schichten 14 aus Metall und dem Zellgehäuse 20 angeordnet. Die Verwendung eines speziellen thermisch leitfähigen Materials wie Metall ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung zwischen den ersten Schichten 14 aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, und dem Zellgehäuse 20, so wie es schematisch mittels der in 2 gezeigten Pfeile veranschaulicht ist.The intermediate part 26 is arranged inside the battery cell 10 and acts as an important thermal interface element for thermal control. This intermediate part 26 is arranged between the first layers 14 of metal and the cell casing 20. The use of a special thermally conductive material such as metal enables efficient heat transfer between the first layers 14 of metal, for example aluminum or copper, and the cell casing 20, as shown schematically by means of the in 2 as illustrated by the arrows shown.

Die Integration des Zwischenteils 26 in den Aufbau der Batteriezelle 10 zielt darauf ab, die thermische Leistungsfähigkeit weiter zu erweitern. Durch die effektive Ableitung von Wärme wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle 10 angestrebt bzw. es ist eine solche vorgesehen, wodurch es bspw. zu einer Verbesserung der Leistung und Lebensdauer führen kann. Das metallische Zwischenbauteil kann aus einem elastischen Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, gebildet sein. Die elastische Eigenschaft des Zwischenbauteils kann einen Toleranzausgleich zur Sicherstellung der Verbindung der Metallschichten des Zellkerns 12 mit dem Zellgehäuse 20 ermöglichen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Überbrückung eines sich bildenden Spalts zwischen herausragenden Fahnen und dem Zwischenbauteil oder Zellgehäusebodens mittels einer konvexen Ausgestaltung des metallischen Zwischenbauteils, beispielsweise eine konvexe metallische Platte, die in die Zelle hinein konvex ausgestaltet ist, realisiert sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Gehäuseboden konvex ausgestaltet sein, beispielsweise kann der Boden konvex in die Zelle ausgestaltet sein.The integration of the intermediate part 26 into the structure of the battery cell 10 aims to further expand the thermal performance. Through the effective dissipation of heat, a uniform temperature distribution within the battery cell 10 is sought or provided, which can lead, for example, to an improvement in performance and service life. The metallic intermediate component can be made of an elastic material, for example aluminum or copper. The elastic property of the intermediate component can enable tolerance compensation to ensure the connection of the metal layers of the cell core 12 to the cell housing 20. According to one aspect of the invention, a gap that forms between protruding tabs and the intermediate component or cell housing base can be bridged by means of a convex design of the metallic intermediate component, for example a convex metallic plate that is convexly designed into the cell. According to a further aspect of the invention, the housing base can be convexly designed, for example the base can be convexly designed into the cell.

Der integrierte Zwischenteil 26 trägt auch zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Batteriezelle 10 bei. Er kann dazu beitragen, mögliche Spannungen zu reduzieren, die durch Temperaturunterschiede entstehen können.The integrated intermediate part 26 also contributes to improving the mechanical stability of the battery cell 10. It can help to reduce possible stresses that can arise due to temperature differences.

3 bis 5 zeigen jeweilige schematische Seitenansicht zur Darstellung eines möglichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. 3 to 5 show respective schematic side views to illustrate a possible structure of the battery cell 10 according to the invention.

3 zeigt eine Verbindung mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 nur an einer ersten Seite 28 des Zellgehäuses 20, insbesondere an der unteren Seite. Indem die Verbindung mit einer der Polen 22, 24 auf eine Seite 28 des Zellgehäuses begrenzt wird, wird die Wärme bevorzugt in eine Richtung geleitet. Dies kann dazu beitragen, die thermische Effizienz zu verbessern und eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle 10 zu fördern. Ferner wird auch ein Ableiter 21 für eine Übertagung des elektrischen Stroms dargestellt. Somit kann eine Elektrode mit Trennung der Funktion zwischen einer elektrischen Anbindung und einer thermischen Kontaktierung realisiert werden. 3 shows a connection to the positive pole 22 or the negative pole 24 only on a first side 28 of the cell housing 20, in particular on the lower side. By limiting the connection to one of the poles 22, 24 to one side 28 of the cell housing, the heat is preferably conducted in one direction. This can help to improve the thermal efficiency and promote a uniform temperature distribution within the battery cell 10. Furthermore, a conductor 21 for transmitting the electrical current is also shown. This makes it possible to create an electrode with a separation of the function between an electrical connection and a thermal contact.

Das Abführen der Wärme kann hierbei über einen weiteren Ableiter durchgeführt werden, welcher mittels des Zwischenteils 26 bereitstellbar ist. In dieser Darstellung ist der weitere Ableiter als eine metallische Folie für die Verbesserung der thermischen Anbindung vorgesehen, insbesondere angeordnet in einer Nähe einer vorgesehenen Kühlungsvorrichtung für die Batterizelle10.The heat can be dissipated via a further conductor, which can be provided by means of the intermediate part 26. In this illustration, the further conductor is provided as a metallic foil for improving the thermal connection, in particular arranged in the vicinity of a cooling device provided for the battery cell 10.

4 zeigt eine Verbindung mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 an einer ersten Seite 28 und an einer zur ersten Seite 28 gegenüberliegenden zweiten Seite 30 des Zellgehäuses 20, wodurch die Wärme gleichmäßig in beide Richtungen geleitet werden kann, was zu einer besseren Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle 10 führen kann. 4 shows a connection to the positive pole 22 or the negative pole 24 on a first side 28 and on a second side 30 of the cell housing 20 opposite the first side 28, whereby the heat can be conducted evenly in both directions, which can lead to a better temperature distribution within the battery cell 10.

Sowohl in 3 als auch in 4 ist die Verbindung mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 entlang einer der Seiten 28, 30 des Zellgehäuses 20 durchgehend. Indem die Verbindung kontinuierlich entlang einer Seite 28, 30 des Zellgehäuses 20 verläuft, ist es vorgesehen, dass die Wärme effizient und ohne Unterbrechung abgeführt wird.Both in 3 as well as in 4 the connection to the positive pole 22 or the negative pole 24 is continuous along one of the sides 28, 30 of the cell housing 20. By having the connection running continuously along one side 28, 30 of the cell housing 20, it is intended that the heat is dissipated efficiently and without interruption.

5 zeigt eine Verbindung mit dem positiven Pol 22 oder dem negativen Pol 24 entlang einer Seite 28 des Zellgehäuses, welche wenigstens einmal unterbrochen ist. Die zumindest eine Unterbrechung 32 der Verbindung an einer Seite des Zellgehäuses 20 ist dazu ausgebildet, die Wärmeableitung gezielt zu lenken. Dadurch können gezielte Temperaturbereiche 34 innerhalb der Batteriezelle 10 bereitgestellt werden, um bspw. bestimmte Zonen zu kühlen oder zu erwärmen, je nach den spezifischen Vorgaben. Ferner kann zumindest eine Unterbrechung 32 bzw. Aussparung der Verbindung realisiert sein, um eine Faltenbildung beim Verbinden der Fahnen und/oder ein Versatz beim Verbinden der Fahnen zu vermeiden, so dass mittels der Unterbrechung(en) 32 ein Toleranzbereich verbessert werden kann. Auch kann dadurch ein Gewicht der Zelle reduziert werden. 5 shows a connection with the positive pole 22 or the negative pole 24 along a side 28 of the cell housing, which is interrupted at least once. The at least one interruption 32 of the connection on one side of the cell housing 20 is designed to direct the heat dissipation in a targeted manner. This makes it possible to provide targeted temperature ranges 34 within the battery cell 10 in order to cool or heat certain zones, for example, depending on the specific requirements. Furthermore, at least one interruption 32 or recess in the connection can be realized in order to avoid creasing when connecting the tabs and/or an offset when connecting the tabs, so that a tolerance range can be improved by means of the interruption(s) 32. This can also reduce the weight of the cell.

Die hierin beschriebenen Merkmale und Vorteile einer Batteriezelle können sich ebenso auf ein hierin beschriebenes Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse und mit jeweiligen einseitig angeordneten Polen beziehen und umgekehrt.The features and advantages of a battery cell described herein may also relate to a method described herein for producing a battery cell with a cell housing and with respective poles arranged on one side and vice versa.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

1010: Batteriezellebattery cell
1212: Zellkerncell nucleus
1414: erste Schichtfirst layer
1616: zweite Schichtsecond layer
1818: dritte Schichtthird layer
2020: Zellgehäusecell housing
20a20a: Außenflächeouter surface
2121: Ableiterarrester
2222: positiver Polpositive pole
2424: negativer Polnegative pole
2626: Zwischenteilintermediate part
2828: erste Seitefirst page
3030: zweite Seitesecond page
3232: Unterbrechunginterruption
3434: Temperaturbereichetemperature ranges

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10 2013 220 171 A1 [0003]

Claims

Battery cell (10) with a cell housing (20) in which a layer is arranged, the layer having a first layer (14) made of metal, a second layer (16) made of an active material and a third layer (18) made of a separator, and with an outer surface (20a) of the cell core (12) which is parallel to the layers (14, 16, 18) and which is force-fittingly coupled to a metallic cell housing (20), and with respective poles (22, 24) arranged on one side, characterized in that the respective layers (14) made of metal are force-fittingly or materially coupled to the cell housing (20) by the positive pole (22) and/or the negative pole (24).

Battery cell (10) after claim 1 , characterized in that only a predetermined number of layers (14) made of metal from the positive pole (22) or the negative pole (24) are connected to the cell housing (20) in a force-fitting or material-fitting manner.

Battery cell (10) after claim 1 or 2 , characterized in that an intermediate part (26) is arranged between the cell housing (20) and the respective layers (14) made of metal.

Battery cell (10) after claim 3 , characterized in that the intermediate part (22) is made of metal.

Battery cell (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a connection to the positive pole (22) or the negative pole (24) is provided only on a first side (28) of the cell housing (20).

Battery cell (10) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a connection to the positive pole (22) or the negative pole (24) is provided on a first side (28) and on a second side (30) of the cell housing (20) opposite the first side (28).

Battery cell (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a connection to the positive pole (22) or the negative pole (24) is continuous along one side (28) of the cell housing (20).

Battery cell (10) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that a connection to the positive pole (22) or the negative pole (24) is interrupted at least once along one side (28) of the cell housing (20).

Method for producing a battery cell (10) with a cell housing (20) and with respective poles (22, 24) arranged on one side, in which a layering consisting of a first layer (14) made of metal, a second layer (16) made of an active material and a third layer (18) made of a separator is produced, wherein an outer surface (20a) of the cell core (12) parallel to the layers (14, 16, 18) is non-positively connected to a metallic cell housing (20), and wherein the respective layers (14) made of metal are non-positively or materially connected to the cell housing (20) by the positive pole (22) or the negative pole (24).

procedure according to claim 9 , characterized in that an intermediate part (26) is arranged between the cell housing (20) and the respective layers (14) made of metal.