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WO2012034667A1 - Elektrochemische energiespeichervorrichtung mit flachzellen und abstandselementen - Google Patents

Elektrochemische energiespeichervorrichtung mit flachzellen und abstandselementen Download PDF

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WO2012034667A1
WO2012034667A1 PCT/EP2011/004509 EP2011004509W WO2012034667A1 WO 2012034667 A1 WO2012034667 A1 WO 2012034667A1 EP 2011004509 W EP2011004509 W EP 2011004509W WO 2012034667 A1 WO2012034667 A1 WO 2012034667A1
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WO
WIPO (PCT)
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pressure surfaces
memory cells
elements
spacer
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/004509
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
Jens Meintschel
Original Assignee
Li-Tec Battery Gmbh
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Publication date
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Priority to CN2011800447700A priority patent/CN103109395A/zh
Priority to KR1020137009605A priority patent/KR20140004635A/ko
Priority to JP2013528548A priority patent/JP2013538001A/ja
Priority to US13/823,933 priority patent/US20130280590A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy storage device with flat cells and spacers.
  • Such memory cells are, for example, so-called Pouch- or Coffeebag cells as flat and rectangular built memory cells for electric energy (battery cells, accumulator cells, capacitors, ...), whose electrochemically active part is surrounded by a foil-like packaging, through which electrical connections in sheet form , which are led so-called (current) arresters.
  • the electrical series or parallel connection of the cells is effected by conductive contact elements, which establish the electrical connection between the corresponding current conductors of adjacent cells.
  • the electrochemical energy storage device of the invention comprises a plurality of flat memory cells each having a first current collector and a second current collector on a narrow side of the memory cell; a plurality of spacers each disposed between two memory cells for maintaining a predetermined distance between the memory cells; and a chuck for clamping the memory cells and spacers to a stack.
  • the spacer elements each have on their two sides, which face a memory cell, a first pressure surface and a second pressure surface.
  • contact elements for electrically connecting the first and / or second pressure surfaces are provided in the region of the pressure surfaces, the current conductors of adjacent cells can be electrically connected without additional connectors in the desired manner (i.e., series connection or parallel connection).
  • the contact elements can be pre-assembled with the spacer elements or form a spacer itself; this facilitates the assembly. Further, since the contact elements are clamped as part of the spacer elements on the clamping device with and therefore held stationary, they can not be lost during operation of the device or are no further security measures required to prevent such.
  • an "electrochemical energy storage device” is understood to mean any type of energy store which can be removed from electrical energy, wherein an electrochemical reaction takes place in the interior of the energy store can be connected in parallel to store a larger amount of charge or to achieve a desired operating voltage to be connected in series or form a combination of parallel and series connection.
  • an “electrochemical cell” or “electrochemical energy storage cell” is understood to mean a device which serves to deliver electrical energy, the energy being stored in chemical form.
  • the cell is also designed to receive electrical energy, convert it to chemical energy, and store it.
  • a "current conductor” is to be understood as meaning an electrically conductive design element of an electrochemical storage cell which serves to transport electrical energy into or out of the storage cell
  • each electrode of the electrode stack of the memory cell has its own current conductor or the electrodes of the same polarity of the electrode stack are connected to a common current conductor.
  • each memory cell has a first current conductor (eg for the positive pole connection) and a second current conductor (eg for the negative pole connection) .
  • the shape of the current conductor is in the form of the memory cell or adapted to their electrode stack.
  • the spacer elements also each have on their two sides, which face a memory cell, in the region of a narrow side, to which the current conductors of the memory cell are not arranged, a third pressure surface.
  • the spacer elements and / or the contact elements are then designed so that the compressions between the first pressure surfaces, between the second pressure surfaces and between the third pressure surfaces are aligned with each other.
  • the third pressure surface of the spacer elements is preferably provided in the region of a narrow side of the spacer elements opposite the first and second pressure surfaces.
  • the third pressure surface can also be provided in the region of a narrow side of the spacer elements, which adjoins the narrow side on which the first and second pressure surfaces are provided. It is also possible to provide third pressure surfaces in several areas of the plurality of narrow sides of the spacer elements.
  • the memory cells of the stack are connected in series.
  • the memory cells are preferably stacked one behind the other in such a way that the first current conductors and the second current conductors of the memory cells are arranged alternately one behind the other.
  • a contact element for producing an electrically conductive connection between these one pressure surfaces of the spacer is provided in each case in the region of the one pressure surfaces of a spacer element and is in the region of the other pressure surfaces of a spacer an insulating construction for forming an electrical insulation between these other pressure surfaces of the spacer intended.
  • the memory cells of the stack are connected in parallel.
  • the memory cells are preferably stacked one behind the other in such a way that the first ones of the first current conductors of all the memory cells are arranged one behind the other and the second current collector of all memory cells are arranged one behind the other.
  • a contact element for producing an electrically conductive connection between the first and second pressure surfaces of a spacer element is in each case provided in the region of the first pressure surfaces and in the region of the second pressure surfaces of a spacer element.
  • the tensioning device preferably has a plurality, preferably two or four, of tie rods which extend through bores in the first and second current conductors.
  • the tie rods are preferably sheathed with an electrically insulating material or surrounded by a continuous insulating sleeve.
  • the contact elements and the support elements are substantially sleeve-shaped and received in corresponding recesses in the spacer elements.
  • the tensioner i.
  • the tie rods then preferably pass through this sleeve-shaped Kunststoffang. Support elements through.
  • the contact and / or support elements are strip-shaped and received in corresponding recesses in the spacer elements and provided with through holes, in which run the tie rods.
  • the spacer elements are formed completely as a support element or as a contact element. In all cases, a particularly space-saving arrangement is achieved in which contacting and clamping are realized by concentric components. In addition, we concentrated the clamping force of the clamping device on the contact elements and therefore achieved a particularly reliable electrical contact.
  • each spacer element is formed as a substantially four-sided frame.
  • two parallel frame sides are in each case in particular formed with pressure webs with first / second or third pressure surfaces lying opposite the end face.
  • each memory cell is arranged in the stacking direction between two frames, and the distance of the spacer elements transversely to the stacking direction is fixed by the connecting the pressure bridges frame sides. Therefore, the stack of memory cells and spacers already stabilizes during assembly itself.
  • the stack has two conductive, preferably frame-shaped pressure end pieces, which rest on the first or last spacer element in the stacking direction, clamped on the clamping device with the stack are and are electrically connected in each case via the contact elements in the first and last spacer element with a current collector of the first or last memory cell.
  • the end pieces serve as poles of the electrochemical energy storage device, on which the total voltage can be tapped.
  • FIG. 5 shows a frame of the cell block of FIG. 2 with contact elements in FIG
  • FIG. 9 shows a frame of the cell block of FIG. 8 with contact elements in FIG
  • FIG. 11 is an enlarged partial view of a cell block according to a fourth embodiment
  • FIG. 2 shows the cell block 1 from FIG. 1 in a perspective partial exploded view. That the nuts 12 are removed and on the viewer side facing the pressure gland 8, the end frame 6, a memory cell 2 and an intermediate frame 4 are deducted from the tie rods 10.
  • the memory cells 2 are constructed as so-called flat cells or pouch cells, each having a first current conductor 18a and a second current conductor 18b on a narrow side.
  • the memory cells 2 following one another in the stack are rotated relative to one another, so that in each case a second current conductor 18b follows in the stacking direction on a first current conductor 18a and vice versa.
  • a series connection of the memory cells 2 can be formed, as illustrated in FIG. 6.
  • each memory cell 2 has an active part 14, a sealing seam (an edge region) 16 and the two current conductors 18a, 18b.
  • the active part 14 take place the electrochemical reactions for storage and delivery of electrical energy.
  • any type of electrochemical reaction can be used to construct the memory cells; However, the description relates in particular to lithium-ion batteries, to which the invention is particularly well applicable due to the requirements of mechanical stability and heat balance and economic importance.
  • the active part 14 is sandwiched by two films, wherein the protruding edges of the films are gas-tight and liquid-tight welded together and form the so-called sealed seam 16.
  • a positive first current collector 18a and a negative second current collector 18b project from a narrow side of the memory cell 2.
  • at least one bore 20 (hereinafter referred to as pole bore) is present in the current conductors 18a, 18b.
  • the memory cells 2 are threaded with the pole holes 20 on the tie rods 10, in such a way that in each case a memory cell 2 is arranged either between two intermediate frame 4 or between an intermediate frame 4 and an end frame 6.
  • the frames 4, 6 are constructed so that the active part 14 of the memory cells 2 in the cavity of the frame 4, 6 is arranged, while first and second pressure surfaces 22a, 22b press against the flat sides of the current conductors 18a, 18b and this after tightening the Retain tie rod 10 and nuts 12.
  • third pressure surfaces 23 of the frames 4, 6 take up a part of the sealing seam 16 of the memory cells 2 between them in order to also position the ends of the memory cells 2 facing away from the current conductors 18a, 18b in the cell block 1 at a distance.
  • the sides of the frames 4, 6 are also referred to as pressure bridges.
  • the frames 4, 6 furthermore have bores 24 arranged in their pressure surfaces 22a, 22b, 23, in which part sleeve-shaped contact elements 26, 27 are accommodated. More specifically, 4 contact elements 26 are arranged in the intermediate frame and 6 contact elements 27 are arranged in the end frame, which differ only in their lengths (in the stacking direction), since the intermediate frame 4 are thicker than the end frame 6.
  • the holes 24 and the contact elements 26, 27 are aligned with the pole holes 20 in the current conductors 18a, 18b of the memory cells 2.
  • the frame 4, 6 threaded with their holes 24 and contact elements 26, 27 via the tie rods 10. As can be seen in particular in FIGS.
  • each intermediate frame 4 in each intermediate frame 4 only one contact element 26 is received in a bore 24, either in the region of the first pressure surfaces 22a or in the region of the second pressure surfaces 22b.
  • the contact elements 26 are alternately arranged in the intermediate frame 4, that is, in two successive stack in the intermediate frame 4, the contact element 26 is provided in the bore 24 in the region of the first pressure surfaces 22a in a first intermediate frame 4, while in a second intermediate frame 4, the contact element 26 is provided in the bore 24 in the region of the second pressure surfaces 22b.
  • the contact elements 26 thereby make electrical contact between the current conductors 18a, 18b of the memory cells 2 arranged on the respective pressure surfaces 22a, 22b, while in the case of an end frame 6, the contact sleeves 27 make electrical contact between one another produce positive and negative current conductors 18a, 18b of a memory cell 2 and one of the pressure goggles 8.
  • the frame 4, 6 forms an electrical insulation between the current conductors 18b, 18a of two memory cells 2 or the current conductor 18b, 18a and the pressure goggles 8.
  • the alternately rotated memory cells 2 and the alternating arrangement of the contact elements 26 in the bores 24 of the intermediate frames 4 all the memory cells 2 in the cell block 1 are connected to one another "positive-to-negative", ie a series connection of the memory cells 2 in FIG the cell block 1 realized.
  • the current collector 18a, 18b of the first and last memory cell 2 in the cell block 1 not connected to another memory cell 2 is connected to the respective pressure gland 8 via the contact element 27 in the respective end frame 6, so that the pressure goggles 8 have a positive pole and a negative pole form, where the pole voltage of the entire cell block 1 is applied.
  • the frames 4, 6 are, as described above, made of a low cost, electrically insulating material such as plastic, solid or fiber reinforced.
  • the contact elements 26, 27 are made of an electrical conductor such as copper or brass, bronze or other copper alloy or other metal or other metal alloy, with or without the conductivity-enhancing coating such as silver or gold ,
  • the contact elements 26, 27 are based on the back of the current conductors 18a, 18b against the material of the frame 4, 6 from. If the material of the frame 4, 6 is more compliant than the material of the contact elements 26, 27, to avoid uneven compression of the frame 4, 6 on both lateral sides by appropriate measures to ensure that the compliance of the frame 4, 6 on the Side without contact element (insulating side) of Automat- yielding of frame material and sleeve material on the side with the contact elements 26, 27 (contact side) corresponds.
  • These measures can be carried out individually or in combination in order to arrive at the desired result.
  • Fig. 3 which shows a horizontal longitudinal sectional view of the cell block 1 in a plane III in Fig. 1
  • the changeable arrangement of the contact elements 26 in the intermediate frame 4 and the contact elements 27 in the end frame 6 can be seen.
  • the frames 4, 6 are formed so that the first and second pressure surfaces (22a and 22b, not designated in the figure) on the opposite flat sides of the current collector 18a, 18b of the memory cells Press 2. They also have a thickness such that an air gap 30 is formed between the active parts 14 of the memory cells 2. On the one hand, this air gap 30 keeps mechanical pressure loads away from the active parts 14, so that traceable disturbances in the electrochemical function are avoided. On the other hand, cooling of the storage cells 2 is possible via the air gap 30.
  • the cutouts 32 on the insulating side are deeper than on the contacting side.
  • the end frame 6, in contrast to the intermediate frame 4 only on a flat side cutouts 32, 33.
  • the tie rod 10 carries a continuous sleeve 34 made of an insulating material, in addition, a distance 36 is provided between the tie rod 10 and the components penetrated by it. As a result, the tie rod 10 with respect to the conductive or floating parts, so the current conductors 18a, 18b, the pressure goggles 8 and the contact sleeves 26, 27 electrically isolated, and a short circuit is effectively avoided.
  • the frames 4, 6, the pressure goggles 8 and the memory cells 2 are kept radially centered so that between the tie rods 10 and the conductive or floating parts 18a, 18b, 26, 27, 8, the distance 36 is always respected; Suitable means for centering are about dowel pins or a geometrically matched shape of the stacked components. Also not shown in the figures, is also provided for a suitable isolation of the nuts 12 against the pressure goggles 8; This can be done for example by insulating discs or collar bushings whose cylinder part protrudes into the respective pressure gland 8.
  • the current arresters 18a, 18b of the plus and minus sides have different thicknesses. Also here are the foils 38 for wrapping the active parts 14 of the memory cells 2 to see.
  • an intermediate frame 4 is shown individually in perspective view with the first pressure surfaces 22a, the second pressure surfaces 22b, the third pressure surfaces 23, the holes 24 and the cutout 33.
  • a sleeve-shaped contact element 26 is used in this case.
  • FIG. 6 again illustrates the sequence of the first and second current conductors 18a, 18b of the memory cells 2 and the corresponding alternately arrangement of the contact elements 26 for realizing the series connection of the memory cells 2 of the cell block 1.
  • FIG. 7 corresponds to that of FIG. 5 for the first embodiment.
  • a contact element 26 made of an electrically conductive material and sleeve-shaped support members 42 made of an electrically insulating material added.
  • a contact element 26 is disposed in the bore 24 in the region of a pressure surfaces 22b of the intermediate frame 4 and a support member 42 in the bore 24 in the region of the other pressure surfaces 22a of the intermediate frame 4 is arranged.
  • the positions of the contact elements 26 and the support elements 42 are alternately selected in the intermediate frame 4, which is successive in the cell block 1, in order to realize the series connection of the memory cells 2 explained above in connection with the first exemplary embodiment.
  • the end frame 6 of the cell block 1 have in this embodiment, according to additional, arranged on the side of the insulating pressure surfaces support sleeves in addition to the contact sleeves 27.
  • the support elements 42 are made of a material having a contact elements 26, 27 corresponding to the flexibility or strength. Therefore, the contact sleeves 26, 27, which rest against the current conductors 18a, 18b of the memory cells 2, can be effectively supported on the support sleeves which rest on the rear side of the current conductors 18a, 18b. A one-sided compression of the frame 4, 6 is therefore avoided as well as a sinking of the contact sleeves 26, 27 and thereby caused deformation of the current collector 18a, 18b.
  • the support sleeves 42 may have a larger outer diameter than the contact sleeves 26 in order to develop a particularly effective support effect.
  • the support sleeves 26 are made of a hard, electrically insulating material such as a glass or ceramic material or a hard, possibly fiber-reinforced plastic.
  • FIGS. 8 to 10 correspond to those of FIGS. 4 to 6 for the first embodiment.
  • the memory cells 2 of the cell block 1 are connected in parallel in this embodiment.
  • all the first and second pressure surfaces 22a, 22b of the spacer elements serving as intermediate frame 4 contact elements 26 are arranged in the bores 24 of the intermediate frame.
  • all the memory cells 2 of the cell block 1 are arranged the same, so that the first current collector 18a of all memory cells 2 are arranged one behind the other and next to the second current collector 18b of all memory cells 2 are arranged one behind the other.
  • the cell block of this third embodiment substantially corresponds to that of the first embodiment described above.
  • FIG. 11 corresponds to that of FIG. 4 for the first exemplary embodiment.
  • FIG. 11 shows the contacting region between a first current conductor 18a of a memory cell 2 and a second current conductor 18b of an adjacent memory cell 2.
  • a contact spring 44 is provided in the contacting region of the intermediate frame 4, which makes contact between the current conductors 18a, 18b of the two adjacent memory cells 2 produces.
  • the contact spring 44 is made of a good conductor material (see above) and has a U-shaped profile.
  • the contact spring 44 is attached from the outside to the first and second pressure surfaces 22a, 22b of the intermediate frame 4.
  • the intermediate frame 4 has at this point a smaller thickness than in the remaining area, and the inner width of the U-profile of the contact spring 44 corresponds to the Thickness of the intermediate frame 4 at this point.
  • the outer width of the U-profile of the contact spring 44 corresponds to the thickness of the intermediate frame 4 outside the pressure surfaces 22a and 22b to be contacted.
  • the contact spring 44 has in its protruding legs bores which are aligned with the bores 24 in the pressure surfaces 22a and 22b of the intermediate frame 4 and have the same diameter.
  • the contact springs 44 provide no significant resistance to the pressure applied by the tie rods, so that no asymmetrical compression in the contacting and insulating regions of the intermediate frame 4 arise.
  • the contact springs 44 extend over the entire height of the pressure ridge of the frame, so that a notch of the pressure surfaces 22a, 22b is not to be expected.
  • the contact springs 44 are provided on the laterally exposed surface with an insulating coating or there is provided an insulating cover.
  • the cell block of this fourth embodiment substantially corresponds to that of the first embodiment described above.
  • the cell block of the fourth embodiment can also be combined with the insulating support members 42 of the second embodiment.
  • further embodiments of the invention are conceivable for the person skilled in the art.
  • rocker-shaped spacers spacing or mounting bolts
  • the spacer bars have bores and contact elements as described above and, like the frames on a lateral side of the cell block, are threaded onto the tie rods in alternation with the current conductors of the memory cells.
  • the tie rods are fixed by the pressure goggles in their radial position, after tightening on the pressure goggles forms a rigid and stable block, which is easier than a cell block with frame due to the lower material usage.
  • the pressure goggles will be thicker than in the embodiments described above or have stiffeners.
  • the spacer bars can be made entirely of a conductor material or of an electrically insulating material, wherein the material chosen for the insulating spacer bars is one which has a printed material conformed to the pressure compliance.
  • spacer bars are as described above in corresponding recesses of the frame 4, 6 held.
  • two or more tie rods are used per conductor.

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Abstract

Eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung weist eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen (2), die jeweils einen ersten Stromableiter (18a) und einen zweiten Stromableiter (18b) an einer Schmalseite der Speicherzelle (2) aufweisen; eine Mehrzahl von Abstandselementen (4), die jeweils zwischen zwei Speicherzellen (2) zum Einhalten eines vorbestimmten Abstandes zwischen den Speicherzellen (2) angeordnet sind; und eine Spanneinrichtung (10) zum Verspannen der Speicherzellen (2) und Abstandselemente (4) zu einem Stapel auf. Die Abstandselemente (4) weisen jeweils an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle (2) zugewandt sind, eine erste Druckfläche (22a) und eine zweite Druckfläche (22b) aufweisen. Dabei ist jeweils der eine Stromableiter (18a, 18b) der Speicherzellen (2) zwischen den ersten Druckflächen (22a) zweier Abstandselemente (4) mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung (10) eingespannt und ist der andere Stromableiter (18b, 18a) der Speicherzellen (2) zwischen den zweiten Druckflächen (22b) zweier Abstandselemente (4) mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung (10) eingespannt. Im Bereich der ersten Druckflächen (22a) und/oder im Bereich der zweiten Druckflächen (22b) eines Abstandselements (4) ist jeweils ein Kontaktelement (26) zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen (22a, 22b) eines Abstandselements (4) vorgesehen, und schließlich sind die Abstandselemente (4) und/oder die Kontaktelemente (26) so ausgestaltet, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen (22a) und zwischen den zweiten Druckflächen (22b) aneinander angeglichen sind.

Description

Elektrochemische Energiespeichervorrichtung
mit Flachzellen und Abstandselementen
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiespeicher- Vorrichtung mit Flachzellen und Abstandselementen.
Es ist bekannt, eine Elektroenergie-Speichervorrichtung aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Speicherzellen aufzubauen, die mittels einer Spanneinrichtung zu einem Block zusammengefasst sind. Solche Speicherzellen sind zum Beispiel so genannte Pouch- oder Coffeebag-Zellen als flach und rechteckig gebaute Speicherzellen für Elektroenergie (Batteriezellen, Akkumulatorzellen, Kondensatoren, ...), deren elektrochemisch aktiver Teil von einer folienartigen Verpackung umgeben ist, durch welche elektrische Anschlüsse in Blechform, die so genannten (Strom-)Ableiter geführt sind. Die elektrische Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen erfolgt durch leitfähige Kontaktelemente, welche die elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Stromableitern benachbarter Zellen herstellen. Dabei ist es verbreitet, die Zellen in einem Stapel, lose in einem Gestell aufgenommen oder über eine Klammer oder dergleichen zusammengepresst, anzuordnen und die oben freiliegenden Pole bzw. Stromableiter mit geeigneten Mitteln zu verbinden. Eine derartige elektrochemische Energiespeichervorrichtung ist zum Beispiel in der WO 2010/081704 A2 beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektro- chemische Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, in der eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen mit auf einer Schmalseite angeordneten Stromableitern in einem stabilen Block angeordnet, sicher fixiert und zuverlässig verschaltet ist.
Die Aufgabe wird durch eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Die elektrochemische Energiespeichervorrichtung der Erfindung weist eine Mehrzahl von flachen Speicherzellen, die jeweils einen ersten Stromableiter und einen zweiten Stromableiter an einer Schmalseite der Speicherzelle aufweisen; eine Mehrzahl von Abstandselementen, die jeweils zwischen zwei Speicherzellen zum Einhalten eines vorbestimmten Abstandes zwischen den Speicherzellen angeordnet sind; und eine Spanneinrichtung zum Verspannen der Speicherzellen und Abstandselemente zu einem Stapel auf. Die Abstandselemente weisen jeweils an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle zugewandt sind, eine erste Druckfläche und eine zweite Druckfläche auf. Dabei ist jeweils der eine Stromableiter der Speicherzellen zwischen den ersten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spann- einrichtung eingespannt und ist der andere Stromableiter der Speicherzellen zwischen den zweiten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung eingespannt. Ferner ist jeweils im Bereich der ersten Druckflächen und/oder im Bereich der zweiten Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen eines Abstandselements vorgesehen. Außerdem sind die Abstandselemente und/oder die Kontaktelemente so ausgestaltet, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen und zwischen den zweiten Druckflächen aneinander angeglichen sind.
Da die Stromableiter der Speicherzellen jeweils zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen zweier Abstandselemente mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung eingespannt sind, wird ein vorbestimmter Abstand zwischen benachbarten Speicherzellen des Zellenblocks eingehalten, der so eingestellt sein kann, dass auf einen elektrochemisch aktiven Teil der Speicherzellen keine Klemmkraft ausgeübt wird. Dies hat Vorteile hinsichtlich Funktionssicherheit, Haltbarkeit und Temperaturhaushalt der Speicherzellen.
Da ferner im Bereich der Druckflächen Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung der ersten und/oder zweiten Druckflächen vorgesehen sind, können die Stromableiter benachbarter Zellen ohne zusätzliche Verbinder in der gewünschten Weise (d.h. Serienschaltung oder Parallelschaltung) elektrisch verbunden werden. Die Kontaktelemente können mit den Abstandselementen vormontiert werden oder ein Abstandselement selbst bilden; dies erleichtert die Montage. Da ferner die Kontaktelemente als Teil der Abstandselemente über die Spanneinrichtung mit verspannt und daher ortsfest gehalten werden, können sie im Betrieb der Vorrichtung nicht verloren gehen bzw. sind keine weiteren Sicherungsmaßnahmen erforderlich, um solches zu verhindern.
Da schließlich die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen und zwischen den zweiten den Druckflächen im Wesentlichen aneinander ange- glichen sind, können die über die ersten und zweiten Druckflächen auf die Stromableiter der Speicherzellen ausgeübten Kräfte gleichmäßig aufgenommen und verteilt werden und werden beim Verspannen durch die Spanneinrichtung ein einseitiges Nachgeben der Abstandselemente und ein Verziehen der Gesamtstruktur des Stapels vermieden.
Unter einer„elektrochemischen Energiespeichervorrichtung" soll vorliegend jede Art von Energiespeicher verstanden werden, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Die mehreren elektrochemischen Zellen der Energiespeichervorrichtung können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.
Unter einer„elektrochemischen Zelle" oder„elektrochemischen Energiespeicher- zelle" ist vorliegend eine Vorrichtung zu verstehen, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wiederaufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern.
Unter einem „Stromableiter" soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein elektrisch leitendes Konstruktionselement einer elektrochemischen Speicherzelle verstanden werden, welches zum Transport elektrischer Energie in die Speicherzelle oder aus der Speicherzelle heraus dient. Elektrochemische Speicherzellen weisen üblicherweise zwei Arten von Stromableitern auf, die jeweils mit einer der beiden Elektroden oder Elektrodengruppen - Anoden bzw. Kathoden - im Innern der Speicherzelle elektrisch leitend verbunden sind. Mit anderen Worten weist jede Elektrode des Elektrodenstapels der Speicherzelle einen eigenen Stromableiter auf bzw. sind die Elektroden gleicher Polarität des Elektrodenstapels mit einem gemeinsamen Stromableiter verbunden. Demgemäß weist jede Speicherzelle einen ersten Stromableiter (z.B. für den Plus- polanschluss) und einen zweiten Stromableiter (z.B. für den Minuspolanschluss) auf. Die Gestalt der Stromableiter ist an die Gestalt der Speicherzelle bzw. ihres Elektrodenstapels angepasst.
Vorzugsweise weisen die Abstandselemente jeweils zudem an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle zugewandt sind, im Bereich einer Schmalseite, an der die Stromableiter der Speicherzelle nicht angeordnet sind, eine dritte Druckfläche auf. Die Abstandselemente und/oder die Kontaktelemente sind dann so ausgestaltet, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen, zwischen den zweiten Druckflächen und zwischen den dritten Druckflächen aneinander angeglichen sind. Die dritte Druckfläche der Abstandselemente ist bevorzugt im Bereich einer den ersten und zweiten Druckflächen gegenüber liegenden Schmalseite der Abstandselemente vorgesehen. Alternativ kann die dritte Druckfläche auch im Bereich einer Schmalseite der Abstandselemente vorgesehen sein, die an jene Schmalseite angrenzt, an welcher die ersten und zweiten Druckflächen vorgesehen sind. Ferner besteht die Möglichkeit, dritte Druckflächen in mehreren Bereichen der mehreren genannten Schmalseiten der Abstandselemente vorzusehen.
Mit Hilfe der dritten Druckflächen der Abstandselemente können die Speicherzellen des Stapels in vorteilhafter Weise an einer weiteren Stelle gehalten werden. Vorzugsweise nehmen die dritten Druckflächen von zwei benachbarten Abstandselementen einen Abschnitt einer Umhüllung der Speicherzelle bzw. einer Siegelnaht einer solchen Umhüllung zwischen sich auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Speicherzellen des Stapels in Reihe geschaltet. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise die Speicherzellen derart hintereinander gestapelt, dass die ersten Stromableiter und die zweiten Stromableiter der Speicherzellen jeweils abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Außerdem ist jeweils im Bereich der einen Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen einen Druckflächen des Abstandselements vorgesehen und ist jeweils im Bereich der anderen Druck- flächen eines Abstandselements eine Isolierkonstruktion zum Bilden einer elektrischen Isolierung zwischen diesen anderen Druckflächen des Abstandselements vorgesehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Speicher- zellen des Stapels parallel geschaltet. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise die Speicherzellen derart hintereinander gestapelt, dass die ersten die ersten Stromableiter aller Speicherzellen hintereinander angeordnet sind und die zweiten Stromableiter aller Speicherzellen hintereinander angeordnet sind. Außerdem ist jeweils im Bereich der ersten Druckflächen und im Bereich der zweiten Druckflächen eines Abstandselements ein Kontaktelement zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen eines Abstandselements vorgesehen.
Vorzugsweise weist die Spanneinrichtung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei oder vier, von Zugankern auf, die sich durch Bohrungen in den ersten bzw. zweiten Stromableitern hindurch erstrecken. Durch eine solche Anordnung wird die Spannkraft dort konzentriert, wo die Klemmkraft wirken soll, nämliche auf den Stromableitern.
Zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind die Zuganker vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt oder mit einer durchgehenden Isolier- hülse umgeben.
Vorzugsweise sind die Kontaktelemente aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und in die Abstandselemente aufgenommen. Die Isolierkonstruktionen weisen vorzugsweise jeweils wenigstens ein Stützelement aus einem elektrisch isolierenden Material (bevorzugt Glas- oder Keramikmaterial) auf, das in dem jeweiligen Abstandselement aufgenommen ist.
Durch die derart ausgebildeten und angeordneten Kontaktelemente bzw. Stützelemente kann der Materialeinsatz für die besonderen Aufgaben der Kontaktierung und Abstützung minimiert werden und auch das Gesamtgewicht durch Einsparung des üblicherweise schwereren Materials für die Kontaktierung verringert werden. Besonders bevorzugt ist die Stirnfläche der Stützelemente wenigstens gleich groß, insbesondere größer als die Stirnfläche der Kontaktelemente. So können die Verpresskräfte zuverlässig aufgenommen und Beschädigungen Abstandselemente vermieden werden.
Vorzugsweise sind die Kontaktelemente und die Stützelemente im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet und in entsprechenden Ausnehmungen in den Abstandselementen aufgenommen. Die Spanneinrichtung, d.h. vorzugsweise die Zuganker verlaufen dann bevorzugt durch diese hülsenförmigen Kontaktbzw. Stützelemente hindurch. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die Kontakt- und/oder Stützelemente leistenförmig ausgebildet und in entsprechenden Ausnehmungen in den Abstandselementen aufgenommen und mit Durchgangslöchern versehen, in welchen die Zuganker verlaufen. In einer weiteren bevorzugten Alternative sind die Abstandselemente vollständig als Stützelement oder als Kontakt- element ausgebildet. In allen Fällen wird eine besonders platzsparende Anordnung erreicht, in welcher Kontaktierung und Verspannung durch konzentrische Bauelemente verwirklicht sind. Zusätzlich wir die Spannkraft der Spanneinrichtung auf die Kontaktelemente konzentriert und daher ein besonders zuverlässiger elektrischer Kontakt erzielt.
Vorzugsweise ist jedes Abstandselement als ein im Wesentlichen vierseitiger Rahmen ausgebildet. Besonders bevorzugt sind dabei zwei parallele Rahmenseiten jeweils mit Druckstegen mit stirnseitig gegenüber liegenden ersten / zweiten bzw. dritten Druckflächen ausgebildet. So ist jede Speicherzelle in Stapelrichtung zwischen zwei Rahmen angeordnet, und der Abstand der Abstandselemente quer zur Stapelrichtung ist durch die die Druckstege verbindenden Rahmenseiten fest vorgegeben. Daher stabilisiert sich der Stapel aus Speicherzellen und Abstandselementen bereits beim Zusammenbau selbst.
Besonders bevorzugt weist der Stapel zwei leitfähige, vorzugsweise rahmen- förmige Druckendstücke auf, die auf dem ersten bzw. letzten Abstandselement in Stapelrichtung aufliegen, über die Spanneinrichtung mit dem Stapel verspannt sind und jeweils über die Kontaktelemente in dem ersten bzw. letzten Abstandselement mit einem Stromableiter der ersten bzw. letzten Speicherzelle elektrisch verbunden sind. Auf diese Weise dienen die Endstücke als Pole der elektrochemischen Energiespeichervorrichtung, an denen die Gesamtspannung abge- griffen werden kann.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren anwendbar. Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde. Darin zeigen, größtenteils schematisch und nicht immer maßstabsgetreu:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zellenblocks im zusammengebauten Zustand; eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zellenblocks von Fig. 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in teilweise zusammengebautem Zustand; eine Teildraufsicht des Zellenblocks von Fig. 2 im horizontalen Längsschnitt;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Einzelheit IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Rahmen des Zellenblocks von Fig. 2 mit Kontaktelementen in
Explosionsdarstellung;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von Fig. 2 zur Erläuterung der Serienschaltung der Speicherzellen; Fig. 7 einen Rahmen eines Zellenblocks gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Fig. 5 entsprechenden Ansicht; Fig. 8 eine vergrößerte Teilansicht eines Zellenblocks gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel in einer Fig. 4 analogen Ansicht;
Fig. 9 einen Rahmen des Zellenblocks von Fig. 8 mit Kontaktelementen in
Explosionsdarstellung; eine schematische Draufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von Fig. 8 zur Erläuterung der Parallelschaltung der Speicherzellen; und Fig. 1 1 eine vergrößerte Teilansicht eines Zellenblocks gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel in einer Fig. 4 entsprechenden Ansicht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Figuren 1 bis 6 beschrieben. Dabei ist Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Zellenblocks 1 der vorliegenden Erfindung im zusammengebauten Zustand; ist Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zellenblocks 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in teilweise zusammengebautem Zustand; ist Fig. 3 eine Teildraufsicht des Zellenblocks 1 im horizontalen Längsschnitt in einer Ebene „III" in Fig. 1 ; ist Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit„IV" in Fig. 3; zeigt Fig. 5 ein Abstandselement aus Fig. 2 mit einem Kontaktelement in Explosionsdarstellung; und zeigt Fig. 6 eine Teildraufsicht auf eine Schmalseite des Zellenblocks von Fig. 2.
Gemäß der perspektivischen Gesamtdarstellung in Fig. 1 weist ein Zellenblock 1 eine Mehrzahl von Speicherzellen 2 (galvanischen Zellen, Akkumulatorzellen oder dergleichen, in Fig. 1 nur eine sichtbar), eine Mehrzahl von als Abstandselemente dienenden Zwischenrahmen 4, zwei Endrahmen 6, zwei Druckbrillen 8 sowie vier Zuganker 10 mit beidseitig aufgesetzten Muttern 12 als Spanneinrichtung auf. Einer der beiden Endrahmen 6, die Zwischenrahmen 4 und der zweite der beiden Endrahmen 6 bilden einen Stapel, der über die endseitig angeordneten Druckbrillen 8 mittels der Zuganker 10 und der Muttern 12 zusammengehalten wird. Die Speicherzellen 2 befinden sich innerhalb der durch die gestapelten Rahmen 4, 6 gebildeten Struktur.
In Fig. 2 ist der Zellenblock 1 aus Fig. 1 in einer perspektivischen Teilexplosionsdarstellung gezeigt. D.h. die Muttern 12 sind entfernt und auf der dem Betrachter zugewandten Seite sind die Druckbrille 8, der Endrahmen 6, eine Speicherzelle 2 und ein Zwischenrahmen 4 von den Zugankern 10 abgezogen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind die Speicherzellen 2 als so genannte Flachzellen oder Pouch-Zellen mit jeweils einem ersten Stromableiter 18a und einem zweiten Stromableiter 18b auf einer Schmalseite aufgebaut. Bei dieser Ausführungsform sind die im Stapel aufeinander folgenden Speicherzellen 2 relativ zueinander verdreht, sodass in Stapelrichtung jeweils auf einen ersten Stromableiter 18a ein zweiter Stromableiter 18b folgt und umgekehrt. Auf diese Weise kann eine Serienschaltung der Speicherzellen 2 gebildet werden, wie in Fig. 6 veranschaulicht.
Weiter weist jede Speicherzelle 2 einen aktiven Teil 14, eine Siegelnaht (einen Randbereich) 16 und die beiden Stromableiter 18a, 18b auf. In dem aktiven Teil 14 finden die elektrochemischen Reaktionen zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie statt. Grundsätzlich kann jede Art elektrochemischer Reaktion zum Aufbau der Speicherzellen verwendet werden; die Beschreibung bezieht sich aber insbesondere auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren, auf welche die Erfindung aufgrund der Anforderungen an mechanische Stabilität und Wärmehaushalt und der wirtschaftlichen Bedeutung besonders gut anwendbar ist. Der aktive Teil 14 ist von zwei Folien sandwichartig eingefasst, wobei die überstehenden Ränder der Folien miteinander gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt sind und die so genannte Siegelnaht 16 bilden. Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ragen von einer Schmalseite der Speicherzelle 2 ein positiver erster Stromableiter 18a und ein negativer zweiter Stromableiter 18b ab. In den Stromableitern 18a, 18b ist dabei jeweils wenigstens eine Bohrung 20 (nachstehend als Polbohrung bezeichnet) vorhanden.
Die Speicherzellen 2 sind mit den Polbohrungen 20 auf die Zuganker 10 gefädelt, und zwar so, dass jeweils eine Speicherzelle 2 entweder zwischen zwei Zwischenrahmen 4 oder zwischen einem Zwischenrahmen 4 und einem Endrahmen 6 angeordnet ist. Die Rahmen 4, 6 sind so aufgebaut, dass der aktive Teil 14 der Speicherzellen 2 in dem Hohlraum des Rahmens 4, 6 angeordnet ist, während erste und zweite Druckflächen 22a, 22b gegen die Flachseiten der Stromableiter 18a, 18b drücken und diese nach Anziehen der Zuganker 10 und Muttern 12 festhalten. Vorzugsweise nehmen dritte Druckflächen 23 der Rahmen 4, 6 einen Teil der Siegelnaht 16 der Speicherzellen 2 zwischen sich auf, um auch die den Stromableitern 18a, 18b abgewandten Enden der Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 auf Abstand zu positionieren. Die Seiten der Rahmen 4, 6 werden auch als Druckstege bezeichnet.
Die Rahmen 4, 6 weisen ferner in ihren Druckflächen 22a, 22b, 23 angeordnete Bohrungen 24 auf, in denen zum Teil hülsenförmige Kontaktelemente 26, 27 aufgenommen sind. Genauer gesagt, sind in den Zwischenrahmen 4 Kontaktelemente 26 angeordnet und sind in den Endrahmen 6 Kontaktelemente 27 angeordnet, die sich nur in ihren Längen (in Stapelrichtung) voneinander unterscheiden, da die Zwischenrahmen 4 dicker als die Endrahmen 6 sind. Die Bohrungen 24 und die Kontaktelemente 26, 27 fluchten mit den Polbohrungen 20 in den Stromableitern 18a, 18b der Speicherzellen 2. Somit sind auch die Rahmen 4, 6 mit ihren Bohrungen 24 und Kontaktelementen 26, 27 über die Zuganker 10 gefädelt. Wie insbesondere in Fig. 4 bis 6 zu erkennen, ist in jedem Zwischenrahmen 4 nur ein Kontaktelement 26 in einer Bohrung 24 aufgenommen, und zwar entweder im Bereich der ersten Druckflächen 22a oder im Bereich der zweiten Druckflächen 22b. Außerdem sind die Kontaktelemente 26 wechselweise in den Zwischenrahmen 4 angeordnet, d.h. bei zwei im Stapel aufeinander folgenden Zwischenrahmen 4 ist in einem ersten Zwischenrahmen 4 das Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der ersten Druckflächen 22a vorgesehen, während in einem zweiten Zwischenrahmen 4 das Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der zweiten Druckflächen 22b vorgesehen ist.
Die Kontaktelemente 26 stellen dabei im Fall eines Zwischenrahmens 4 einen elektrischen Kontakt zwischen den an den jeweiligen Druckflächen 22a, 22b anliegenden Stromableitern 18a, 18b der auf beiden Seiten angeordneten Speicherzellen 2 her, während im Fall eines Endrahmens 6 die Kontakthülsen 27 einen elektrischen Kontakt zwischen einem positiven bzw. negativen Stromableiter 18a, 18b einer Speicherzelle 2 und einer der Druckbrillen 8 herstellen. Im Bereich der jeweils anderen Druckfläche 22b, 22a, bei welcher keine Kontaktelemente angeordnet sind, bildet der Rahmen 4, 6 eine elektrische Isolierung zwischen den Stromableitern 18b, 18a zweier Speicherzellen 2 bzw. dem Stromableiter 18b, 18a und der Druckbrille 8.
Durch die abwechselnd gedrehten Speicherzellen 2 und die wechselweise Anordnung der Kontaktelemente 26 in den Bohrungen 24 der Zwischenrahmen 4 werden alle Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 "Plus-auf-Minus" mit- einander verbunden, d.h., es wird eine Serienschaltung der Speicherzellen 2 in dem Zellenblock 1 verwirklicht. Außerdem wird der nicht mit einer anderen Speicherzelle 2 verbundene Stromableiter 18a, 18b der ersten und letzten Speicherzelle 2 in dem Zellenblock 1 über das Kontaktelement 27 in dem jeweiligen Endrahmen 6 mit der jeweiligen Druckbrille 8 verbunden, sodass die Druckbrillen 8 einen positiven und einen negativen Pol bilden, an denen die Polspannung des gesamten Zellenblocks 1 anliegt. Die Rahmen 4, 6 sind, wie oben beschrieben, aus einem preiswerten, elektrisch isolierenden Material wie etwa Kunststoff, massiv oder faserverstärkt, hergestellt. Dagegen sind die Kontaktelemente 26, 27 aus einem elektrischen Leiter wie etwa Kupfer oder Messing, Bronze oder einer anderen Kupfer- legierung oder einem anderen Metall oder einer anderen Metall-Legierung, mit oder ohne die Leitfähigkeit verbessernder Beschichtung wie etwa aus Silber oder Gold, hergestellt.
Die Kontaktelemente 26, 27 stützen sich auf der Rückseite der Stromableiter 18a, 18b gegen das Material der Rahmen 4, 6 ab. Sofern das Material der Rahmen 4, 6 nachgiebiger ist als das Material der Kontaktelemente 26, 27, ist zur Vermeidung ungleicher Stauchung der Rahmen 4, 6 auf beiden lateralen Seiten durch geeignete Maßnahmen dafür zu sorgen, dass die Nachgiebigkeit des Rahmens 4, 6 auf der Seite ohne Kontaktelement (Isolierseite) der Gesamt- nachgiebigkeit aus Rahmenmaterial und Hülsenmaterial auf der Seite mit den Kontaktelementen 26, 27 (Kontaktierungsseite) entspricht. Geeignete Maßnahmen, um die Gesamtstauchungen bzw. Steifigkeiten auf beiden lateralen Seiten der Rahmen 4, 6 aneinander anzugleichen, sind beispielsweise ein erhöhter Faseranteil auf der Isolierseite im Falle eines faserverstärkten Kunststoffs; unterschiedliche Material- bzw. Rohstoffzusammensetzungen auf Isolier- und Kontaktierungsseite; die Verwendung versteifender Einsätze auf der Isolierseite; und eine größere Stegbreite, zumindest tragende Stegbreite, auf der Isolierseite. Diese Maßnahmen können einzeln oder in Kombination durchgeführt werden, um zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.
In Fig. 3, die eine horizontale Längsschnittansicht des Zellenblocks 1 in einer Ebene III in Fig. 1 zeigt, ist die wechselsinnige Anordnung der Kontaktelemente 26 in den Zwischenrahmen 4 und der Kontaktelemente 27 in den Endrahmen 6 zu erkennen. Ebenso ist der Aufbau der Zwischenrahmen 4 und der Endrahmen 6 zu erkennen. Die Rahmen 4, 6 sind so ausgebildet, dass die ersten und zweiten Druckflächen (22a und 22b, in der Figur nicht näher bezeichnet) auf die gegenüber liegenden Flachseiten der Stromableiter 18a, 18b der Speicherzellen 2 drücken. Sie weisen auch eine Dicke derart auf, dass zwischen den aktiven Teilen 14 der Speicherzellen 2 ein Luftspalt 30 ausgebildet ist. Dieser Luftspalt 30 hält einerseits mechanische Druckbelastungen von den aktiven Teilen 14 fern, sodass hierauf zurückführbare Störungen in der elektrochemischen Funktion vermieden werden. Andererseits ist über den Luftspalt 30 eine Kühlung der Speicherzellen 2 möglich.
Die Endrahmen 6 weisen, wie in Fig. 3 gut zu sehen, eine geringere Dicke als die Zwischenrahmen 4 auf. Damit ist der Tatsache Rechnung getragen, dass nur auf einer Seite der Endrahmen 6 eine Speicherzelle 2 angeordnet ist. Dementsprechend sind die Kontaktelemente 27, die in den Endrahmen 6 angeordnet sind, auch kürzer als die Kontaktelemente 26, die in den Zwischenrahmen 4 angeordnet sind. Fig. 4 zeigt den Kontaktierungsbereich zwischen zwei Speicherzellen 2 als Einzelheit IV in Fig. 3. Deutlich ist auch der Luftspalt 30 zwischen den aktiven Teilen 14 der Speicherzellen 2 zu erkennen. Durch Freischnitte 32, 33 in den Druckflächen 22a bzw. 22b der Zwischenrahmen 4 ist gewährleistet, dass die Druckflächen 22a, 22b nur auf die jeweiligen Stromableiter 18a, 18b, nicht jedoch auf den sonstigen Randbereich der Speicherzellen 2 mit der Siegelnaht 16 Druck ausüben. Die Freischnitte 32 auf der Isolierseite sind tiefer als auf der Kontaktierungsseite. Die Endrahmen 6 weisen im Gegensatz zu den Zwischenrahmen 4 nur auf einer Flachseite Freischnitte 32, 33 auf. Der Zuganker 10 trägt eine durchgehende Hülse 34 aus einem isolierenden Material, zusätzlich ist zwischen dem Zuganker 10 und den von ihm durchdrungenen Bauteilen ein Abstand 36 vorgesehen. Hierdurch ist der Zuganker 10 gegenüber den leitenden bzw. potentialbehafteten Teilen, also den Stromableitern 18a, 18b, den Druckbrillen 8 und den Kontakthülsen 26, 27 elektrisch isoliert, und ein Kurzschluss wird wirksam vermieden. Obschon in der Figur nicht näher dargestellt, werden die Rahmen 4, 6, die Druckbrillen 8 und die Speicherzellen 2 so radial zentriert gehalten, dass zwischen den Zugankern 10 und den leitenden bzw. potentialbehafteten Teilen 18a, 18b, 26, 27, 8 stets der Abstand 36 eingehalten wird; geeignete Mittel zur Zentrierung sind etwa Passstifte oder eine geometrisch entsprechend abgestimmte Formgebung der gestapelten Bauteile. Ebenfalls in den Figuren nicht näher dargestellt, ist auch für eine geeignete Isolierung der Muttern 12 gegenüber den Druckbrillen 8 gesorgt; dies kann etwa durch isolierende Scheiben oder Kragenbuchsen, deren Zylinderteil in die jeweilige Druckbrille 8 ragt, geschehen.
Zum Aufbau der Speicherzellen 2 ist in Fig. 4 zu erkennen, dass die Strom- ableiter 18a, 18b der Plus- und Minusseite unterschiedliche Dicken aufweisen. Auch sind hier die Folien 38 zur Umhüllung der aktiven Teile 14 der Speicherzellen 2 zu sehen.
In Fig. 5 ist ein Zwischenrahmen 4 einzeln in perspektivischer Darstellung mit den ersten Druckflächen 22a, den zweiten Druckflächen 22b, den dritten Druckflächen 23, den Bohrungen 24 und dem Freischnitt 33 gezeigt. In die eine Bohrung 24 des Zwischenrahmens 4, die im Bereich der zweiten Druckflächen 22b angeordnet ist, wird in diesem Fall ein hülsenförmiges Kontaktelement 26 eingesetzt.
Fig. 6 verdeutlicht noch einmal die Abfolge der ersten und zweiten Stromableiter 18a, 18b der Speicherzellen 2 und die entsprechend wechselweise Anordnung der Kontaktelemente 26 zur Realisierung der Serienschaltung der Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1.
Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 7 beschrieben. Dabei entspricht die Ansicht der Fig. 7 jener von Fig. 5 zum ersten Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 7 dargestellt, sind in dem Zwischenrahmen 4 des Zellenblocks 1 hülsenförmige Kontaktelemente 26 aus einem elektrisch leitenden Material und hülsenförmige Stützelemente 42 aus einem elektrisch isolierenden Material aufgenommen. Dabei ist ein Kontaktelement 26 in der Bohrung 24 im Bereich der einen Druckflächen 22b des Zwischenrahmens 4 angeordnet und ist ein Stützelement 42 in der Bohrung 24 im Bereich der anderen Druckflächen 22a des Zwischenrahmens 4 angeordnet. In den im Zellenblock 1 aufeinander folgenden Zwischenrahmen 4 werden dabei die Positionen der Kontaktelemente 26 und der Stützelemente 42 abwechselnd gewählt, um die oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Serienschaltung der Speicherzellen 2 zu realisieren. Die Endrahmen 6 des Zellenblocks 1 weisen in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend zusätzliche, auf der Seite der isolierenden Druckflächen angeordnete Stützhülsen zusätzlich zu den Kontakthülsen 27 auf.
Die Stützelemente 42 sind aus einem Material gefertigt, das eine den Kontaktelementen 26, 27 entsprechende Nachgiebigkeit bzw. Festigkeit aufweist. Daher können sich die Kontakthülsen 26, 27, die an den Stromableitern 18a, 18b der Speicherzellen 2 anliegen, wirksam an den auf der Rückseite der Stromableiter 18a, 18b anliegenden Stützhülsen abstützen. Eine einseitige Stauchung der Rahmen 4, 6 wird daher ebenso vermieden wie ein Einsinken der Kontakthülsen 26, 27 und eine hierdurch hervorgerufene Verformung der Stromableiter 18a, 18b.
Wahlweise können die Stützhülsen 42 einen größeren Außendurchmesser als die Kontakthülsen 26 aufweisen, um eine besonders wirksame Stützwirkung zu entfalten. Die Stützhülsen 26 sind aus einem harten, elektrisch isolierenden Material wie etwa einem Glas- oder Keramikwerkstoff oder einem harten, ggf. faserverstärkten Kunststoff hergestellt. Die vorstehenden Ausführungen gelten entsprechend für die Stützhülsen, die in den Endrahmen 6 angeordnet sind.
Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses Ausführungsbeispiels im Wesent- liehen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Nun wird ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren 8 bis 10 beschrieben. Dabei entsprechen die Ansichten der Fig. 8 bis 10 jenen der Fig. 4 bis 6 zum ersten Ausführungsbeispiel. Die Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel geschaltet. Zu diesem Zweck sind zwischen allen ersten und zweiten Druckflächen 22a, 22b der als Abstandselemente dienenden Zwischenrahmen 4 Kontaktelemente 26 in den Bohrungen 24 der Zwischenrahmen angeordnet. Außerdem sind alle Speicherzellen 2 des Zellenblocks 1 gleich angeordnet, sodass die ersten Stromableiter 18a aller Speicherzellen 2 hintereinander angeordnet sind und daneben die zweiten Stromableiter 18b aller Speicherzellen 2 hintereinander angeordnet sind.
Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses dritten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels.
Nun wird ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 11 beschrieben. Dabei entspricht die Ansicht der Fig. 11 jener von Fig. 4 zum ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 11 zeigt den Kontaktierungsbereich zwischen einem ersten Stromableiter 18a einer Speicherzelle 2 und einem zweiten Stromableiter 18b einer benachbarter Speicherzelle 2. Gemäß der Darstellung in Fig. 11 ist im Kontaktierungsbereich des Zwischenrahmens 4 eine Kontaktfeder 44 vorgesehen, die einen Kontakt zwischen den Stromableitern 18a, 18b der zwei benachbarten Speicherzellen 2 herstellt. Die Kontaktfeder 44 ist aus einem guten Leitermaterial (s.o.) hergestellt und weist ein U-förmiges Profil auf. Die Kontaktfeder 44 ist von außen auf die ersten bzw. zweiten Druckflächen 22a, 22b des Zwischenrahmens 4 aufgesteckt. Der Zwischenrahmen 4 weist an dieser Stelle eine geringere Dicke als im übrigen Bereich auf, und die Innenweite des U-Profils der Kontaktfeder 44 entspricht der Dicke des Zwischenrahmens 4 an dieser Stelle. Die Außenweite des U-Profils der Kontaktfeder 44 entspricht der Dicke des Zwischenrahmens 4 außerhalb der zu kontaktierenden Druckflächen 22a bzw. 22b. Die Kontaktfeder 44 weist in ihren abstehenden Schenkeln Bohrungen auf, die mit den Bohrungen 24 in den Druckflächen 22a bzw. 22b des Zwischenrahmens 4 fluchten und den gleichen Durchmesser aufweisen.
Die vorstehenden Erläuterungen gelten ebenso für die Endrahmen, die für dieses Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellt sind. Dort sind Kontaktfedern mit geringerer Weite entsprechend der geringeren Dicke des Endrahmens zu verwenden.
Die Kontaktfedern 44stellen dem durch die Zuganker aufgebrachten Druck keinen nennenswerten Widerstand entgegen, sodass keine unsymmetrischen Stauchungen in den Kontaktierungs- und Isolierbereichen der Zwischenrahmen 4 entstehen. Die Kontaktfedern 44 erstrecken sich über die gesamte Höhe des Druckstegs der Rahmen, sodass auch eine Einkerbung der Druckflächen 22a, 22b nicht zu erwarten ist. In einer Abwandlung sind die Kontaktfedern 44 auf der seitlich freiliegenden Fläche mit einem isolierenden Überzug versehen oder ist dort eine isolierende Abdeckung vorgesehen.
Im Übrigen entspricht der Zellenblock dieses vierten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen dem des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Zudem kann der Zellenblock des vierten Ausführungsbeispiels auch mit den isolierenden Stützelementen 42 des zweiten Ausführungsbeispiels kombiniert werden. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind für den Fachmann weitere Ausführungsvarianten der Erfindung denkbar. So werden in einer Abwandlung anstelle der vorstehend beschriebenen End- und Zwischenrahmen riegeiförmige Abstandselemente (Abstands- oder Montageriegel) verwendet, die zusammen den oben beschriebenen Rahmen bilden. Die Abstandsriegel weisen Bohrungen und Kontaktelemente wie oben beschrieben auf und werden wie die Rahmen auf einer lateralen Seite des Zellenblocks im Wechsel mit den Stromableitern der Speicherzellen auf die Zuganker gefädelt. Da die Zuganker durch die Druckbrillen in ihrer radialen Lage festgelegt sind, bildet sich nach Verspannung über die Druckbrillen ein starrer und stabiler Block, der aufgrund des geringeren Materialeinsatzes leichter als ein Zellblock mit Rahmen ist. Gegebenenfalls werden die Druckbrillen dicker als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sein oder Versteifungen aufweisen. Anstelle von Hülsen oder Kontaktfedern können die Abstandsriegel vollständig wahlweise aus einem Leitermaterial oder aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, wobei als Material für die isolierenden Abstandsriegel ein solches gewählt wird, das eine dem Leitermaterial angeglichene Drucknachgiebigkeit aufweist.
In einer weitergehenden Abwandlung sind Abstandsriegel wie oben beschrieben in entsprechenden Aussparungen der Rahmen 4, 6 gehalten.
In einer weiteren Abwandlung werden je Stromableiter zwei oder mehr Zuganker verwendet.
Bezugsziffernliste:
1 Zellblock
2 Speicherzelle
4 Abstandselement, Zwischenrahmen
6 Endrahmen
8 Druckbrille
10 Zuganker
12 Mutter
14 aktiver Teil von 2
16 Siegelnaht von 2
18a erster Stromableiter von 2
18b zweiter Stromableiter von 2
20 Polbohrung in 18a oder 18b
22a erste Druckfläche von 4, 6
22b zweite Druckfläche von 4, 6
23 dritte Druckfläche von 4, 6
24 Bohrung in 4, 6
26, 27 Kontaktelement, Kontakthülse
28 Bohrung in 8
30 Luftspalt
32, 33 Freischnitt in 4, 6
34 Beschichtung oder Hülse von 10
36 Abstand
38 Hüllfolie von 2
40 Bohrung in 4
42 Stützhülse
44 Kontaktfeder

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, mit
einer Mehrzahl von flachen Speicherzellen (2), die jeweils einen ersten
Stromableiter (18a) und einen zweiten Stromableiter (18b) an einer
Schmalseite der Speicherzelle (2) aufweisen;
einer Mehrzahl von Abstandselementen (4), die jeweils zwischen zwei
Speicherzellen (2) zum Einhalten eines vorbestimmten Abstandes zwischen den Speicherzellen (2) angeordnet sind; und
einer Spanneinrichtung (10) zum Verspannen der Speicherzellen (2) und
Abstandselemente (4) zu einem Stapel,
wobei die Abstandselemente (4) jeweils an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle (2) zugewandt sind, eine erste Druckfläche (22a) und eine zweite Druckfläche (22b) aufweisen,
wobei jeweils der eine Stromableiter (18a, 18b) der Speicherzellen (2) zwischen den ersten Druckflächen (22a) zweier Abstandselemente (4) mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung (10) eingespannt ist und der andere Stromableiter (18b, 18a) der Speicherzellen (2) zwischen den zweiten Druckflächen (22b) zweier Abstandselemente (4) mittels Kraftschluss durch die Spanneinrichtung (10) eingespannt ist,
wobei jeweils im Bereich der ersten Druckflächen (22a) und/oder im Bereich der zweiten Druckflächen (22b) eines Abstandselements (4) ein Kontaktelement (26) zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen (22a, 22b) eines
Abstandselements (4) vorgesehen ist, und
wobei die Abstandselemente (4) und/oder die Kontaktelemente (26) so ausgestaltet sind, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen (22a) und zwischen den zweiten Druckflächen (22b) aneinander angeglichen sind. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstandselemente (4) jeweils an ihren beiden Seiten, die einer Speicherzelle (2) zugewandt sind, im Bereich einer Schmalseite, an der die Stromableiter (18a, 18b) der Speicherzelle (2) nicht angeordnet sind, eine dritte Druckfläche (23) aufweisen; und
die Abstandselemente (4) und/oder die Kontaktelemente (26) so ausgestaltet sind, dass die Stauchungen zwischen den ersten Druckflächen (22a), zwischen den zweiten Druckflächen (22b) und zwischen den dritten Druckflächen (23) aneinander angeglichen sind.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speicherzellen (2) derart hintereinander gestapelt sind, dass die ersten Stromableiter (18a) und die zweiten Stromableiter (18b) der Speicherzellen (2) jeweils abwechselnd hintereinander angeordnet sind; und
jeweils im Bereich der einen Druckflächen (22a, 22b) eines Abstandselements (4) ein Kontaktelement (26) zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen diesen einen Druckflächen (22a, 22b) des Abstandselements (4) vorgesehen ist und im Bereich der anderen Druckflächen (22b, 22a) eines Abstandselements (4) eine Isolierkonstruktion zum Bilden einer elektrischen Isolierung zwischen diesen anderen Druckflächen (22b, 22a) des Abstandselements (4) vorgesehen ist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Speicherzellen (2) derart hintereinander gestapelt sind, dass die ersten die ersten Stromableiter (18a) aller Speicherzellen (2) hintereinander angeordnet sind und die zweiten Stromableiter (18b) aller Speicherzellen (2) hintereinander angeordnet sind; und
jeweils im Bereich der ersten Druckflächen (22a) und im Bereich der zweiten Druckflächen (22b) eines Abstandselements (4) ein Kontakt- element (26) zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den ersten bzw. zweiten Druckflächen (22a, 22b) eines
Abstandselements (4) vorgesehen ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Spanneinrichtung eine Mehrzahl von Zugankern (10) aufweist, die sich durch Bohrungen (20) in den ersten bzw. zweiten Stromableitern (18a, 18b) hindurch erstrecken.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (26) aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sind und in die Abstandselemente (4) aufgenommen sind.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolierkonstruktionen jeweils wenigstens ein Stützelement (42) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweisen, das in dem Abstandselement (4) aufgenommen ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktelemente (26) und/oder die Stützelemente (42) im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet sind und in entsprechenden Ausnehmungen (40) in den Abstandselementen (4) aufgenommen sind; und die Spanneinrichtung (10) durch die hülsenförmigen Kontakt- bzw. Stützelemente (26, 42) hindurch verläuft. 9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandselemente (4) jeweils als ein im Wesentlichen vierseitiger Rahmen ausgebildet sind.
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