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DE102017207169A1 - Zellenstapel - Google Patents

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DE102017207169A1
DE102017207169A1 DE102017207169.9A DE102017207169A DE102017207169A1 DE 102017207169 A1 DE102017207169 A1 DE 102017207169A1 DE 102017207169 A DE102017207169 A DE 102017207169A DE 102017207169 A1 DE102017207169 A1 DE 102017207169A1
Authority
DE
Germany
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electrode layers
cell stack
electrochemically active
joining
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017207169.9A
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English (en)
Inventor
Friedhelm Guenter
Elmar Kroner
Christian Diessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102017207169.9A priority Critical patent/DE102017207169A1/de
Publication of DE102017207169A1 publication Critical patent/DE102017207169A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
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    • HELECTRICITY
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    • H01M10/052Li-accumulators
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zellenstapel (1) umfassend Elektrodenlagen (2) eines ersten Typs und Elektrodenlagen (4) eines zweiten Typs, welche durch Separatorlagen (3) voneinander beabstandet sind, wobei die Elektrodenlagen (2, 4) jeweils einen mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil (8) und einen nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehenen zweiten Teil aufweisen, wobei der nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehene zweite Teil einen Stromableiter (6) für die Elektrodenlage (2, 4) bildet, wobei die Elektrodenlagen (2, 4) und die Separatorlagen (3) bezüglich einer Stapelrichtung (n) so angeordnet sind, dass die mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile (8) übereinander kommen und einen elektrochemisch aktiven Bereich (10) des Zellenstapels (1) bilden und wobei die Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) eines Typs übereinander kommen und einen Fügebereich (12) des Zellenstapels (1) bilden, wobei die Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) eines Typs im Fügebereich (12) jeweils elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Stromableiter (6) im Fügebereich (12) derart ausgebildet oder umgeformt sind, dass sie dort eine Fügestruktur bilden, wobei die Fügestruktur in Bezug auf die Stapelrichtung (n) dicker ausgebildet ist als die Summe der Einzelfoliendicken der Stromableiter (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zellenstapel umfassend Elektrodenlagen eines ersten Typs und Elektrodenlagen eines zweiten Typs, welche durch Separatorlagen voneinander beabstandet sind.
  • Stand der Technik
  • Aus US 2013/0011720 A1 ist ein derartiger Zellenstapel bekannt, welcher Elektrodenlagen eines ersten Typs und Elektrodenlagen eines zweiten Typs umfasst, die durch Separatorlagen voneinander beabstandet sind. Der Elektrodenstapel weist eine elektrisch leitende Klemme auf, welche die Stromableiter der einzelnen Elektroden eines Typs aufnimmt und miteinander ausrichtet.
  • US 2015/0111091 A1 offenbart Licht absorbierende Bauteile, welche auf oder unter Oberflächen von Stromableitern angeordnet werden, um die Stromableiter voneinander zu beabstanden.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei einem Zellenstapel den Raumbedarf für die Fügestelle für die Stromableiter der Elektroden zu minimieren, eine gleichmäßige Wärmeableitung über die Elektroden zu ermöglichen und eine Fügegeometrie zu erzeugen, welche durch eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden final gefügt werden kann, bevorzugt auch mittels nicht-thermischer Fügemethoden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßer Zellenstapel umfasst Elektrodenlagen eines ersten Typs und Elektrodenlagen eines zweiten Typs, welche durch Separatorlagen voneinander beabstandet sind. Ein derartiger Zellenstapel wird auch als Stacked Cell bezeichnet. Der Zellenstapel wird dabei schichtweise aus Elektrodenlagen aufgebaut, wobei sich Kathodenlagen und Anodenlagen abwechseln. Zwischen Kathoden und Anoden befinden sich Elektrolyte, die beispielsweise flüssig, gelförmig, pulverförmig oder fest sein können. Dieser Aufbau bietet eine hohe Grenzfläche, welche zum einen eine hohe Kapazität der Batterie bewirkt, zum anderen eine platzsparende Anordnung. Um die Funktion der Batterie zu gewährleisten, werden die Anoden- und Kathodenlagen jeweils elektrisch zusammengeführt.
  • Die Elektrodenlagen sind bevorzugt als teilweise mit elektrochemischen Material beschichtete Folien ausgeführt und weisen dabei jeweils einen mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil und einen nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehenen zweiten Teil auf, wobei der nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehene zweite Teil einen Stromableiter für die jeweilige Elektrodenlage bildet.
  • Die Elektrodenlagen und die Separatorlagen sind bezüglich einer Stapelrichtung so angeordnet, dass die mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile übereinander kommen und einen elektrochemisch aktiven Bereich des Zellenstapels bilden. Die Stromableiter zu den Elektrodenlagen eines Typs kommen ebenfalls übereinander und bilden Fügebereiche des Zellstapels. In den Fügebereichen werden die Stromableiter zu den Elektrodenlagen eines Typs jeweils elektrisch miteinander verbunden, sodass elektrische Ladung und bei der Ladung und Entladung entstehende Wärme effektiv abgeführt werden können.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass die Stromableiter im Fügebereich derart ausgebildet oder umgeformt sind, dass sie dort eine Fügestruktur bilden, wobei die Fügestruktur in Bezug auf die Stapelrichtung des Zellenstapels dicker ausgebildet ist als die Summe der Einzelfoliendicken der Stromableiter. Mit anderen Worten ist eine Gesamtdicke der Stromableiter im Fügebereich größer als die Summe aller Einzelfoliendicken der unbeschichteten Elektrodenlagen.
  • Somit ist der Bereich zwischen zwei Elektrodenlagen desselben Typs im Volumen zumindest teilweise aufgefüllt. Somit ist der Fügebereich in Bezug auf die Stapelrichtung dünner oder dicker als der elektrochemisch aktive Bereich des Zellenstapels, bevorzugt gleich dick wie der elektrochemisch aktive Bereich des Zellenstapels ausgebildet.
  • Die bei dem Schichtaufbau auftretende Lücke der zu fügenden Folien ist mit Material aufgefüllt. Der Abstand zwischen den zu fügenden Folien wird gefüllt bzw. überbrückt, wobei dies bevorzugt nicht mit Hilfe weiterer Bauteile erfolgt, sondern mit Hilfe der Elektrodenlagen selbst, nämlich mit Hilfe der Stromableiter der jeweiligen Elektrodenlagen. Hierdurch wird eine komplizierte und räumlich stark ausgedehnte Zusammenführung der einzelnen Folien hinfällig.
  • Durch diese Anordnung kann der benötigte Raum zum Zusammenführen der einzelnen Folien reduziert werden. Es entsteht ein flächiger Wärmeleiter, über welchen die Wärme gleichmäßig abgeführt werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Stromableiter zu den Elektroden eines Typs im Elektrodenstapel identische Abmessungen auf. Hierdurch werden unterschiedlich lange Verbindungen zwischen dem Ende der elektrochemisch aktiven Elektrode und der Fügestelle vermieden, was sonst zur ungleichmäßigen Temperaturabfuhr und zu Temperaturgradienten innerhalb der Zelle führt, die die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie negativ beeinflussen. Der Wärmewiderstand jedes Stromableiters im Elektrodenstapel ist daher im Wesentlichen derselbe.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen jeweils zwei aufeinander folgende mit elektrochemisch aktivem Material versehene erste Teile der Elektrodenlagen desselben Typs einen definierten Abstand zueinander auf. Durch die äquidistante Anordnung können verschiedene Fügeverfahren zum finalen Fügen verwendet werden, beispielsweise Verfahren wie Anpressen, Einpressen, Umformen oder Schweißen.
  • Die Stromableiter können z. B. nach Art von Fähnchen ausgebildet sein und aus dem elektrochemisch aktiven Bereich herausstehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fügebereiche der Stromableiter zu den Elektrodenlagen beider Typen als disjunkte Bereiche ausgebildet. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Stromableiter zu den Elektrodenlagen beider Typen einander gegenüber liegend aus dem elektrochemisch aktiven Bereich herausstehen, oder dass sie beispielsweise über Eck angeordnet sind, zum Beispiel in einem rechten Winkel zueinander. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Stromableiter zu den Elektrodenlagen eines Typs auf derselben Seite, aber an einander gegenüberliegenden Kanten herausstehen.
  • Die Stromableiter weisen gemäß einer Ausführungsform im Fügebereich Verdickungen auf, welche die Fügestruktur bilden. Die Verdickungen sind dabei so ausgeführt, dass der Abstand zwischen den Elektrodenlagen im Bereich der Stromableiter größer ist als die Summe der Einzelfoliendicken der Stromableiter, bevorzugt genauso groß wie im elektrochemisch aktiven Bereich. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verdickung beispielsweise das Zwei- bis Zehnfache der Dicke der Elektrodenlage, d. h. entweder der Dicke der Folie oder der Dicke der Folie mit dem Aktivmaterial, ausmacht oder beispielsweise das Zwei- bis Fünffache. Die Verdickungen können sich flächig erstrecken oder abschnittsweise vorhanden sein. Es können pro Elektrodenlage eine Verdickung oder mehrere Verdickungen vorhanden sein. Die Verdickungen können über die Länge, d. h. in einer Erstreckungsrichtung der Elektrodenlage, konstant oder variabel ausgeführt sein. Pro Elektrodenlage können eine oder mehrere Verdickungen vorgesehen sein.
  • Die Stromableiter weisen im Fügebereich gemäß einer Ausführungsform Faltungen auf. Hierbei können sowohl verdichtete, d. h. nachträglich gepresste, Faltungen vorgesehen sein als auch lockere Faltungen. Die Faltungen können in gleicher Richtung erzeugt sein, auch als Rollfaltungen bezeichnet, oder in unterschiedlicher Richtung erzeugt sein, d. h. abwechselnd, auch als Zick-Zack-Faltungen bezeichnet. Die Faltungen können abschnittsweise oder über die gesamte Länge definiert sein, und es können komplexere Faltungen vorgesehen sein, insbesondere Origamifaltungen. Pro Elektrodenlage können eine oder mehrere Faltungen vorgesehen sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen die Stromableiter im Fügebereich Aufrollungen auf. Die Aufrollungen können verdichtete, d. h. nachträglich gepresste, Aufrollungen oder lockere Aufrollungen sein, sich über einen oder mehrere Bereiche erstrecken und über die Länge konstant oder variabel ausgebildet sein. Pro Elektrodenlage können eine oder mehrere Rollungen vorgesehen sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind im Fügebereich zwischen den Elektrodenlagen desselben Typs Abstandselemente angeordnet. Die Abstandselemente können beispielsweise aus einem anderen Material gefertigt sein als die Stromableiter und elektrisch leitend oder elektrisch isolierend ausgebildet sein. Die Abstandselemente können weitere physikalische Eigenschaften aufweisen und/oder für Überwachungs- und Diagnosezwecke der Zelle eingesetzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind Folien jeweils zweier aufeinander folgender Elektrodenlagen desselben Typs einstückig miteinander ausgebildet. In diesem Fall werden die Elektrodenlagen desselben Typs so umgeformt, dass die Elektrodenlagen des anderen Typs jeweils dazwischen angeordnet werden können. Die Umformung kann z. B. durch Faltung erfolgen, aber auch durch Umbiegen oder Rollen. Insbesondere kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass im Umformbereich Abstandselemente angeordnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenlagen als Anoden und Kathoden einer Lithiumionenzelle ausgebildet. Alternativ können die Batteriezellen als Nickelmetallhydrid-Batteriezellen ausgebildet sein. Die Begriffe „Batterie“ und „Batteriezelle“ werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatorzelle verwendet. Die Batteriezelle kann beispielsweise als Pouch-Zelle oder als Hard-Case-Zelle ausgebildet sein, wobei dies nicht einschränkend ist.
  • Die Zellenstapel sind vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander zu größeren Strukturen verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu einem Batteriemodul oder Batteriepack verschaltet, um die geforderte Leistung bereitzustellen.
  • Anwendungen des Zellenstapels können insbesondere Elektrofahrzeugbatterien, Hybridfahrzeugbatterien oder allgemein Batteriesysteme sein, die modular aufgebaut sind und eine Vielzahl von Batteriezellen als Energiespeicher einsetzen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung ermöglicht es, den Raumbedarf für die Fügestelle für die Stromableiter der Elektroden zu minimieren und gleichzeitig eine gleichmäßige Wärmeableitung über die Elektroden zu ermöglichen. Eine komplizierte und räumlich stark ausgedehnte Zusammenführung der einzelnen Folien bzw. Elektrodenlagen ist hinfällig. Der Abstand des mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teils der Elektrodenlage zur Fügezone ist für alle Elektrodenlagen gleich, was einen gleichmäßigen Abtransport der Wärme erzeugt.
  • Durch die vorgeschlagene Struktur wird die volumetrische Kapazität (Kapazität pro Volumen) des Zellenstapels verbessert.
  • Durch Vermeiden unterschiedlich langer Verbindungen zwischen dem Ende der elektrochemisch aktiven Bereiche der Elektrodenlagen und der Fügestelle werden ungleichmäßige Temperaturabfuhren der einzelnen Elektrodenlagen vermieden. Somit werden die Kapazität und die Lebensdauer der Batterie verbessert. Temperaturgradienten von Elektrodenlage zu Elektrodenlage werden somit weitgehend minimiert.
  • Die Erfindung bietet außerdem eine Fügegeometrie, welche kompatibel mit einer Vielzahl unterschiedlicher Fügemethoden ist, beispielsweise Schweißen, aber auch mit nicht-thermischen Fügemethoden, z. B. Anpressen, Einpressen, oder Umformen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung eines Zellenstapels in seitlicher Schnittansicht,
    • 2 eine schematische Darstellung eines Zellenstapels in perspektivischer Ansicht,
    • 3 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß dem Stand der Technik,
    • 4 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß dem Stand der Technik,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß dem Stand der Technik in seitlicher Schnittansicht,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht,
    • 7 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht,
    • 8 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht,
    • 9 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht,
    • 10 eine schematische Darstellung eines Fügebereichs eines Zellenstapels gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung in seitlicher Schnittansicht.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten und Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten oder Elemente in Einzelfällen verzichtet wird.
  • Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • 1 zeigt beispielhaft einen Zellenstapel 1 in seitlicher Schnittansicht. Der Zellenstapel 1 umfasst hier beispielhaft drei Elektrodenlagen 2 eines ersten Typs und drei Elektrodenlagen 4 eines zweiten Typs, welche durch fünf Separatorlagen 3 voneinander beabstandet sind.
  • Jede Elektrodenlage 2, 4 weist einen mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil 8 auf und einen nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehenen zweiten Teil, welcher im Folgenden als Stromableiter 6 bezeichnet wird. Typischerweise umfasst die Elektrodenlage 2, 4 im Falle von Lithiumionenzellen als Anoden Kupferfolien, welche Stromableiter 6 bilden und welche im mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil 8 mit einem beliebigen Anodenaktivmaterial beschichtet sein können. Die Kathode umfasst typischerweise im mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil 8 eine mit einem Kathodenaktivmaterial beschichtete Aluminiumfolie.
  • Aus der seitlichen Schnittansicht geht hervor, dass der Zellenstapel 1 einen elektrochemisch aktiven Bereich 10 aufweist, in welchem die mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile 8 übereinander kommen, sowie Fügebereiche 12, welche in der dargestellten Ausführungsform einander gegenüberliegend angeordnet sind, und in welchen die Stromableiter 6 übereinander kommen.
  • Der in 1 dargestellte Zellenstapel 1 ist derart regelmäßig aufgebaut, dass jeweils zwei Elektrodenlagen 2, 4 desselben Typs ein konstanter Abstand d in Stapelrichtung n, d. h. normal zur Lagenanordnung zuordenbar ist.
  • 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Zellenstapels 1, bei welchem die Fügebereiche 12 nicht wie mit Bezug zu 1 beschrieben und dargestellt an gegenüberliegenden Seiten des elektrochemisch aktiven Bereichs 10 herausstehen, sondern an derselben Seite. In diesem Fall sind die Fügebereiche 12 dennoch räumlich voneinander getrennt, sodass zwischen ihnen eine lichte Weite 5 vorgesehen ist. Die Separatorlagen 3 sind in dieser und den folgenden Figuren nicht dargestellt.
  • Die Fügebereiche 12 der Stromableiter 6 zu den Elektrodenlagen 2, 4 beider Typen sind als disjunkte Bereiche ausgebildet, die voneinander durch die lichte Weite 5 beabstandet sind.
  • Die zwischen den einzelnen Elektrodenlagen 2, 4 auftretenden Abstände werden üblicherweise überbrückt, indem eine bestimmte Anzahl an Elektrodenlagen 2, 4 zusammengefasst und dann gefügt werden. Dabei entsteht ein großer Raumbedarf zwischen dem Ende der elektrochemisch aktiven Elektrodenfläche und der tatsächlichen Fügestelle 14, wie mit Bezug zu 3 und 4 beschrieben wird.
  • In 3 ist beispielsweise ein Zellenstapel 1 dargestellt, bei welchem zehn Elektrodenlagen 2, hier und im Folgenden beispielhaft Elektrodenlagen des ersten Typs, über eine Fügestelle 14 verbunden sind. Die Ableitung der Wärme einer mittig im Zellenstapel 1 angeordneten Elektrodenlage (a) ist dabei unterschiedlich von einer unten im Zellenstapel 1 angeordneten Elektrodenlage (b).
  • In 4 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei im Fügebereich 12 jeweils drei Elektrodenlagen 2, 4 miteinander zusammengefügt werden. Die Wärmeableitung ist hierbei gleichmäßiger unter den Elektrodenlagen 2, 4, aber noch nicht optimal.
  • 5 zeigt einen Teil eines Zellenstapels 1, der im Prinzip aus der o. g. US 2015/0111091 A1 bekannt ist. Die Elektrodenlagen 2, 4 weisen jeweils einen mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil 8 und einen Stromableiter 6 auf. Die mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile 8 kommen im elektrochemisch aktiven Bereich 10 übereinander, und die Stromableiter 6 kommen im Fügebereich 12 übereinander. Zwischen den Elektrodenlagen 2 des ersten Typs ist jeweils ein Abstandselement 16 angeordnet, welches den Abstand zwischen den beiden aufeinander folgenden Elektrodenlagen 2 des ersten Typs überbrückt. Das Abstandselement 16 kann beispielsweise als ein im Querschnitt quadratisch ausgebildetes Abstandselement 16a, als ein im Querschnitt rundes Abstandselement 16b oder ein als im Querschnitt dreieckiges Abstandselement 16c ausgebildet sein. Alternativ kann das Abstandselement 16 im Querschnitt auch elliptisch oder allgemein N-eckig sein, wobei N eine ganze Zahl ist. Die Abstandselemente 16 können beispielsweise als Draht, Band, Schablonen oder Stücke vorliegen.
  • In 6 bis 10 sind Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Zellenstapels 1 dargestellt, wobei die Stromableiter 6 im Fügebereich 12 umgeformt oder ausgebildet sind, sodass sie dort eine Fügestruktur bilden, welche in Bezug auf die Stapelrichtung n dicker ist als die Summe der Dicken der Elektrodenfolien der Stromableiter 6. Die Fügestruktur ist bevorzugt zumindest so dick wie der elektrochemisch aktive Bereich 10 ausgebildet. Die mit Bezug zu 5 beschriebenen Abstandselemente 16 sind dabei optional in den Ausführungsformen mit aufgenommen.
  • 6 zeigt einen Zellenstapel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei der dargestellten Ausführungsform wird eine Elektrodenlage 2 ersten Typs um ein Abstandselement 16 umgeschlagen, sodass sich ein Umformbereich 18 bildet. Die Umformbereiche 18 dienen als Fügestruktur. Die Abstandselemente 16 sind dabei optional, das heißt die Elektrodenlage 2 des ersten Typs kann auch ohne ein Abstandselement 16 umgeschlagen sein.
  • Der Umformbereich 18 sowie die Abstandselemente 16 können dabei elliptisch, rund, quadratisch, rechteckig usw. ausgebildet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform sind jeweils aufeinander folgende Elektrodenlagen 2 des ersten Typs, genauer gesagt, die Folien dieser Elektrodenlagen 2 des ersten Typs einstückig miteinander ausgebildet. Die in Stapelrichtung n gesehene Dicke des Umformbereichs 18 kann kleiner, gleich oder größer ausgebildet sein als der Abstand d, idealerweise gleich d.
  • 7 zeigt einen Zellenstapel 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Stromableiter 6 im Fügebereich 12 Faltungen 20 aufweisen, die als Fügestrukturen dienen. Die Faltungen 20 können beispielsweise als Zick-Zack-Faltungen 20a oder alternativ als Roll-Faltungen 20b ausgestaltet sein. Es können einfache oder mehrfache Faltungen 20 vorliegen. Die Faltungen 20 können scharf oder gerundet sein. Denkbar sind auch gerollte Faltungen 20 und weitere Mischformen. Die Faltungen 20 können verdichtet sein. Die in Stapelrichtung n gesehene Dicke der Faltungen 20 kann kleiner, gleich oder größer ausgebildet sein als der Abstand d, idealerweise gleich d.
  • Die in 8 dargestellte Ausführungsform umfasst Stromableiter 6, welche im Fügebereich 12 Aufrollungen 22 aufweisen. Die Aufrollungen 22 können beispielsweise eine runde Form 22a oder eine elliptische Form 22b aufweisen oder davon abweichende Formen. Die Aufrollung 22 kann verdichtet sein. Die in Stapelrichtung n gesehene Dicke der Aufrollung 22 kann kleiner, gleich oder größer sein als d, idealerweise gleich d.
  • 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zellenstapels 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Elektrodenlage 2, 4 am jeweiligen Ende eine lockere Faltung 24 aufweist, die als Fügestruktur dient. Die lockere Faltung 24 kann einfach oder mehrfache Faltungen umfassen, wobei diese scharf oder gerundet ausgebildet sein können. Denkbar sind Zick-Zack-Faltungen, gerollte Faltungen, Mischformen oder Ähnliches. Die lockeren Faltungen 24 können vorkompaktiert sein. Die lockeren Faltungen 24 können je Folie asymmetrisch aufeinander liegen, wie auch in 9 dargestellt. Hierarchische lockere Faltungen 24 sind denkbar. Auch komplexe lockere Faltungen 24 können in dieser Ausführungsform verwendet werden, beispielsweise Origami-Faltungen. „Origami“-Faltungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine hohe mechanische Festigkeit und Stabilität bei vergleichsweise geringem Gewicht aufweisen. Die in Stapelrichtung n gesehene Dicke der lockeren Faltung 24 kann kleiner, gleich oder größer sein als d, idealerweise gleich d.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei asymmetrische Elektrodenlagen 2 des ersten Typs verwendet werden, d. h. solche, welche an einem Ende zumindest eine Verdickung 26 aufweisen. Die Verdickung 26, welche als Fügestruktur dient, kann beispielsweise durch einen Walzprozess oder durch eine Umformung der Folie erzeugt werden. Die in Stapelrichtung n gesehene Dicke der Verdickung 26 kann kleiner, gleich oder größer sein als d, idealerweise gleich d. Die Verdickung 26 kann in allen räumlichen Richtungen variieren. Die Verdickung 26 kann abrupt auftreten oder als Übergang gestaltet sein. Die Verdickung 26 kann linear oder in einer beliebigen Funktion vorliegen. Verjüngungen sind ebenfalls denkbar, insbesondere im Rahmen von nicht monotonen Verdickungen 26.
  • Als weitere Ausführungsformen sind Kombinationen der oben genannten Ausführungsformen möglich, z. B. können die Kathoden anders gestaltet sein als die Anoden, oder auch jede, oder jede zweite Elektrodenlage 2, 4 anders.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0011720 A1 [0002]
    • US 2015/0111091 A1 [0003, 0040]

Claims (10)

  1. Zellenstapel (1) umfassend Elektrodenlagen (2) eines ersten Typs und Elektrodenlagen (4) eines zweiten Typs, welche durch Separatorlagen (3) voneinander beabstandet sind, wobei die Elektrodenlagen (2, 4) jeweils einen mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teil (8) und einen nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehenen zweiten Teil aufweisen, wobei der nicht mit elektrochemisch aktivem Material versehene zweite Teil einen Stromableiter (6) für die Elektrodenlage (2, 4) bildet, wobei die Elektrodenlagen (2, 4) und die Separatorlagen (3) bezüglich einer Stapelrichtung (n) so angeordnet sind, dass die mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile (8) übereinander kommen und einen elektrochemisch aktiven Bereich (10) des Zellenstapels (1) bilden und wobei die Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) eines Typs übereinander kommen und einen Fügebereich (12) des Zellenstapels (1) bilden, wobei die Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) eines Typs im Fügebereich (12) jeweils elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (6) im Fügebereich (12) derart ausgebildet oder umgeformt sind, dass sie dort eine Fügestruktur bilden, wobei die Fügestruktur in Bezug auf die Stapelrichtung (n) dicker ausgebildet ist als die Summe der Einzelfoliendicken der Stromableiter (6).
  2. Zellenstapel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) eines Typs im Elektrodenstapel identische Abmessungen aufweisen, sodass der Wärmewiderstand jedes Stromableiters (6) im Elektrodenstapel im Wesentlichen derselbe ist.
  3. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei aufeinander folgende mit elektrochemisch aktivem Material versehenen ersten Teile (8) der Elektrodenlagen (2, 4) einen definierten Abstand zueinander aufweisen.
  4. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügebereiche (12) der Stromableiter (6) zu den Elektrodenlagen (2, 4) beider Typen disjunkte Bereiche sind.
  5. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (6) im Fügebereich (12) Verdickungen (26) aufweisen, welche die Fügestruktur bilden.
  6. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (6) im Fügebereich (12) Faltungen (20, 24) und/oder Aufrollungen (22) aufweisen, welche die Fügestruktur bilden.
  7. Zellenstapel (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromableiter (6) im Fügebereich (12) verdichtete Faltungen (20) und/oder verdichtete Aufrollungen (22) aufweisen, welche die Fügestruktur bilden.
  8. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fügebereich (12) zwischen den Elektrodenlagen (2, 4) desselben Typs Abstandselemente (16) angeordnet sind.
  9. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Folien jeweils zweier aufeinander folgender Elektrodenlagen (2, 4) desselben Typs einstückig miteinander ausgebildet sind.
  10. Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenlagen (2, 4) Anoden und Kathoden einer Lithiumionenzelle bilden.
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