用于制造棱柱形的电池单元的方法与流程

本发明涉及一种用于制造棱柱形的电池单元的方法，其中，该电池单元具有阴极层、阳极层和至少两个隔板层。

此外，本发明涉及一种按照该方法制造的棱柱形的电池单元以及一种安装有这样的棱柱形的电池单元的车辆。

背景技术：

应用在汽车领域的锂-离子-蓄电池由于体积利用率的原因经常具有棱柱形的形状。在单元壳体的内部具有例如扁平地压装的电池绕组（凝胶卷，jelly rolls），该电池绕组由阳极、阴极并且由隔板层卷成。在装入电池绕组之后并且在气密的关闭之前，单元壳体以液态的电解质进行填注。例如，US 8,641,015 B2提出了这种棱柱形的电池单元，其具有四个布置在其中的电池绕组。

在本公开的范畴里被称为阴极和阳极的这些电极的电接触例如如下地进行：两个电极不是配合精确地叠置，而是在绕组轴线的方向上略微错开。该方法例如在DE 10 2012 213 420 A1中被描述。这样，可以在电池绕组的一个敞开的窄侧面处量取相应的电极的负电压并且在另一对置的敞开的窄侧面处量取正电压。凸出的金属箔条的接触利用焊接好的条形的由铜或者铝制成的板材部件来实现，所谓的集电器。集电器在单元壳体内部的接触和电流路径穿过单元壳体向外的穿引在设计上是要求特别高的。在将电池绕组装入到单元壳体中之后并且在关闭单元壳体之后该单元壳体通过在单元壳体的盖中的小的开口以电解质进行填注。作为在制造电池单元中的最后程序之一，该开口利用关闭元件关闭。

凝胶卷的其它的例子由US5,552,239和JP2009-266737已知。

US2012/0189888已知一种锂-离子-电池单元，在该锂-离子-电池单元中阴极层和阳极层连同在它们之间定位的隔板螺旋形地缠绕。

技术实现要素：

在根据本发明用于制造棱柱形的电池单元的方法中，棱柱形的电池单元具有阴极层、阳极层和至少两个隔板层，其中规定，在空间上彼此平行地并且关于绕组轴线平行地布置一个或者两个绕组板、阴极层、阳极层和至少两个隔板层，用于制造初始结构，将该初始结构绕绕组轴线进行缠绕，用于制造电池绕组，将该电池绕组装入到单元壳体中，使阴极层和阳极层与集电体接触，将该单元壳体以液态的电解质进行填注并且将单元壳体关闭。

在此，步骤的时间上的次序是任意的，在这些步骤中将电池绕组装入到单元壳体中，使阴极层和阳极层与集电体接触并且将单元壳体以液态的电解质进行填注。

按照一种有利的实施方式将刚好一个电池绕组装入到单元壳体中，其中，该电池绕组刚好具有一个阴极层且刚好具有一个阳极层。这导致在焊接时更少的花费，因为仅仅还必须将唯一的电池绕组焊接到电流导出器处。特别地，这导致在集电体中材料的节约，因为集电体不必再借助分支来引导到多个电池绕组处。在制造过程中可以看到以下优点，因为当存在更少的零件时，省去其它的工作步骤。可以针对每个电极采用唯一的、无分支的集电体。该集电体的轮廓可以被改变，因此同样可以更简单地制造。阴极层和阳极层在本公开的范畴里可以称为阴极、或者阳极或者共同也称为电极。

按照一种实施方式，采用两个绕组板和三个隔板层。由此在步骤a）中阴极层、阳极层和三个隔板层垂直于绕组轴线叠置地布置成层剁并且在层剁的上方和下方分别布置有平行于绕组轴线的绕组板，其中，层剁依次具有如下层：隔板层、阳极层、隔板层、阴极层、隔板层。在步骤b）中绕两个绕组板进行缠绕。

按照一种可替代的实施方式，采用一个绕组板和两个隔板层，其中，在步骤a）中首先将阴极层和阳极层和两个隔板层固定在绕组板上并且在步骤b）中绕绕组板进行缠绕。在缠绕过程开始时，阳极和阴极在焊接面处与绕组板焊接。隔板层同样固定在绕组板上，例如粘贴、压绉、夹紧或者焊接，尤其是通过超声波焊接或者激光焊接。

该可替代的实施方式的优点是不再需要长的未覆层的电极边缘。仅仅接触面无覆层材料，在该接触面处将绕组板与电极焊接。这导致更多的容量、更高的能量密度并且导致材料花费的节约。

绕组板优选构造为扁平的板，例如，具有矩形的横截面，其具有第一较长侧和第二较短侧。绕组板例如由塑料制成，尤其是由PBT、PP、PE、PET或者PEAK制成。

按照一种优选的实施方式在步骤d）中通过绕组板进行阴极层和阳极层与集电体的接触。在此，该绕组板在它的正面和它的背面具有用于接触电极的焊接点和用于接触集电体的接线面。在阴极的情况下焊接面例如是铝条并且在阳极的情况下是铜条。

在缠绕过程的开始，阴极和阳极在焊接面处与绕组板焊接。在此，该焊接面例如垂直于或平行于绕组轴线或者基本上垂直于或基本上平行于绕组轴线，从而产生足够的接触并且此外在缠绕的过程中存在足够的连接强度。在电极中优选仅仅被焊接的接触面无覆层材料。这导致更多的容量、更高的能量密度和材料花费的节约。

根据一种实施方式，绕组轴线平行于绕组板的较长侧，从而初始结构绕绕组板的较长侧进行缠绕。阴极层和阳极层在该实施方式中通过焊接面固定在绕组板上，焊接面在绕组板较长侧上延伸。在此，接触区域在绕组板较短侧上延伸，通过该接触区域集电体被接触。

根据一种可替代的实施方式，绕组轴线平行于绕组板的较短侧，从而初始结构绕绕组板的较短侧进行缠绕。在此，焊接面可以在绕组板较短侧上延伸，通过该焊接面阴极面和阳极面固定在绕组板上。

按照另一实施方式，绕组板具有接线面，该接线面与电池单元的端子对置。有利的是，由此可以装入明显缩短的集电体，用以电地桥接从端子到接触区域的路径。绕组板的接线面与焊接面电连接，在该焊接面上固定电极。

按照一种特别有利的实施方式，在步骤c）中电池绕组这样地装入到单元壳体中，使得填注开口和/或破裂膜片处在绕组轴线的直线中。当填注开口处在绕组轴线的直线中时，在以液态的电解质填注时电池绕组需要更少的时间，用以浸透。在此，液体在填注时通过填注开口的通流方向理想地平行于绕组轴线。即使在电池单元损坏的情况下由此产生的动力学的主方向平行于绕组轴线。由此使得在超压的情况下液体或者气体在破裂开口处溢出变得容易。"在绕组轴线的直线中"表示填注开口或者位于在绕组轴线上或者位于相对于绕组轴线有较小的距离里。

在具有两个绕组板和三个隔板层的实施方式中，电极与集电体的焊接面优选平行于绕组轴线地布置，从而在电池绕组装入到单元壳体中的情况下，当填注开口和/或破裂薄膜处在绕组轴线的直线中时，同样得到描述的优点。

按照另一个方面，提供一种棱柱形的电池单元，该电池单元按照描述的方法中的一种进行制造，其中，绕组板保留在单元壳体中，尤其是电池绕组中。在本发明的范畴里描述的特征对应地同样适用于棱柱形的电池单元，该电池单元按照该方法进行制造。

此外，根据本发明，提供一种具有电池的机动车，其中，该电池具有至少一个这样的电池单元。在此，该电池优选与机动车的驱动系统连接。该机动车可以设计为纯电动车并且仅仅包括电的驱动系统。可替代地，机动车可以设计为混合车辆，该混合车辆包括电的驱动系统和内燃机。在一些变型中可以规定，混合车辆的电池在内部可以通过发电机利用内燃机多余的能量充电。在外部可充电的混合车辆（PHEV，插入式混合电动车）附加设置如下的可能性，即该电池通过外部的电网充电。

附图说明

在附图中示出了本发明的实施例并且在接下来的描述中进一步说明。

图1在透视图中示出了根据现有技术的棱柱形的电池单元，

图2A、2B、2C示出了根据本发明的一种实施方式的初始结构和电池绕组，

图3在透视图中示出了根据本发明的一种实施方式的电池绕组，

图4在透视图中示出了根据本发明的一种实施方式的盖组，

图5在透视图中示出了焊接有盖组的电池绕组，

图6A、6B在透视图中示出了根据本发明的一种实施方式的绕组板，

图7在剖面图中示出了根据本发明的另一实施方式的初始结构，

图8A、8B在剖面图和俯视图中示出了根据本发明的另一实施方式的电池绕组，

图9A、9B在俯视图中示出了传统的和根据本发明的电极层的比较，

图10A、10B示出了根据本发明的另一实施方式的绕组板的正面和背面，

图11A、11B在剖面图和一侧的俯视图中示出了根据本发明的另一实施方式的电池绕组，

图12A、12B在一侧的俯视图中示出了传统的和根据本发明的盖组和电池绕组的比较。

在本发明实施例的接下来的描述中利用相同或者相似的附图标记表示相同或者相似的部件和元件，其中，在个别情况下放弃对这些部件或者元件重复的描述。附图仅仅示意性地示出了本发明的主题。

具体实施方式

图1在透视图中示出了根据现有技术的棱柱形的电池单元10＇。

该棱柱形的电池单元10＇为了清晰起见没有示出单元壳体并且包括四个紧靠并排布置的电池绕组12＇和一个盖组46＇，其中，该盖组46＇包括两个端子14＇，由此该棱柱形的电池单元10＇从外部被电接触。

此外，盖组46配设有填注开口16＇和破裂膜片18＇。该填注开口16＇和破裂膜片18＇基本上位于关闭板47＇的中心，而端子14＇位于关闭板47＇边缘。电池绕组12＇被装入到单元壳体中并且以液态的电解质进行填注。通过箭头勾画出液态的电解质的流入方向20＇。在此，液态的电解质在图1中通过填注开口16＇垂直地注入并且然后水平地进入到电池绕组12＇中，该电池绕组以液态的电解质浸透。之后利用盖组46进行单元壳体的关闭。

图2A示出了根据本发明第一实施方式的初始结构22，其中，该初始结构22包括层剁24以及在层剁24的上方和下方的两个彼此对置的绕组板26。绕组板26平行于绕组轴线40地布置，该绕组轴线例如在此处于绕组板26之间的中心。

层剁24包括三个隔板层28，一个阴极层30和一个阳极层32，其中，在所示的实施方式中层的顺序确定为隔板层28、阳极层32、隔板层28、阴极层30、隔板层28。

图2B示出了初始结构22的一种可替代的实施方式，其中，绕组板26彼此错开地布置在层剁24的上方和下方。绕组轴线40在此再次位于例如在绕组板26之间的中心。

隔板层28、阴极层30和阳极层32可以例如由具有绕组板26的绕组装置的连续带或者滚轴进行输送。

图2C示出了根据本发明的电池绕组12，该电池绕组在绕绕组轴线40缠绕的情况下在旋转450︒之后由在图2A中所示的初始结构22中产生。

阳极层32和阴极层30彼此纵向地以一偏差34错开地布置，例如，通过在连续带上的下料，使得在电池绕组12的末端处，在图2C中在上侧和下侧分别形成用于阴极的第一接线面36和用于阳极的第二接线面38。

之后两个绕组板26可以被去除或者可以保留在电池绕组12中。优选地，在该实施方式中两个绕组板被去除，用以减少棱柱形的电池单元10的单位体积重量。

图3示出了电池绕组12，该电池绕组由在图2C中所示的布置方式在挤压步骤之后产生。电池绕组12包括缠绕的层62，其中，在外侧典型地布置有隔板层28中的一个。此外，电池绕组12在挤压后在外侧地包括用于与集电体42、44接触的阴极的第一接线面36和阳极的第二接线面38。

图4示出了根据本发明的盖组46，以及阴极的第一集电体42和阳极的第二集电体44。如由现有技术已知，盖组包括盖板47，其具有布置在其上的填注开口16和破裂薄膜18和端子14。

电池绕组12可以这样地装入到单元壳体中，使得液态的电解质的流入方向20（在图3中示出）平行于填注开口16和/或平行于破裂薄膜18。

在图5中示出了盖组46和电池绕组12的组装，其中，接线面36、38与相应的集电体42、44焊接。在棱柱形的电池单元10的壳体中，有利的是仅仅布置有唯一的电池绕组12，这意味着提高了能量密度。

图6A和图6B从正面（图6A）和背面（图6B）示出了绕组板26。

绕组板26例如由塑料板48构成。该塑料板48具有矩形的基面，该基面具有较长侧50和较短侧52。

在该实施例中绕组轴线40平行于较长侧50布置。阴极层30的第一焊接面54处于较长侧50处并且对应的阳极层32的第二焊接面56处于绕组板26的背面上。该焊接面54、56与接线面36、38电连接，这些接线面处于绕组板26的较短侧52处。焊接面54、56通过绝缘区段58与相反极性的接线面36、38隔开。

阴极层30的第一焊接面54和阴极层30的第一接线面36例如由铝组成，而阳极层32的第二焊接面56和阳极层32的第二集电体44可以由铜组成。

图7示出了初始结构22，其具有所述绕组板26、两个隔板层28、一个阴极层30和一个阳极层32，其中，绕组板26如参考图6A和图6B所描述的那样进行设计。示出的是沿着图6A的线A-A的剖面图。利用箭头示出了初始结构22的绕组方向60。阴极层30焊接在第一焊接面54上并且阳极层32焊接到第二焊接面56上。第二隔板层28在此例如彼此对置地布置并且阴极层30和阳极层32彼此绝缘。

图8A示出了电池绕组12，该电池绕组在图7中所示的初始结构22缠绕之后产生。绕组板26处于电池绕组12的中心，该绕组板实现阴极层30和阳极层32与集电体42、44的接触。缠绕的层62围绕所述绕组板26。

图8B示出了电池绕组12一侧的俯视图，该电池绕组在图7中所示的初始结构22绕线圈轴线40缠绕之后产生。在图8A中所示的布置在此以90︒旋转示出。接线面36、38在侧旁从缠绕的层中凸出来，从而与盖组46的接触能如在图5中所示地进行，其中，接线面36、38与对应的集电体42、44焊接。

图9A示出了传统的电极30＇、32＇，电极具有接线面36＇、38＇，该接线面完全地在电极30＇、32＇的纵向侧70＇上延伸，其中，纵向侧70＇长于横向侧72＇。

在图9B中示出了根据本发明的电极30、32，其中，该电极如所描述那样具有焊接面54、56，该焊接面在电极30、32的横向侧72上延伸。与传统电极30＇、32＇的可利用活性材料覆层的面64＇相比，根据本发明的电极30、32的可利用活性材料覆层的面64增大。

图10A和图10B示出了对应于如在图6A和6B中的绕组板26的另一实施方式。

在图6A和图6B中绕组轴线40平行于绕组板26的较长侧50延伸，而根据该实施方式绕组轴线40平行于绕组板26的较短侧52布置。相应地阴极层30的第一焊接面54和阳极层32的第二焊接面56在绕组板26的短的一侧52上延伸。绕组板26在其较长侧50上具有两个凸起68，这两个凸起可以实现与集电体42、44的接触。由此，缩短了到端子14的路程，如参考图12进一步说明。焊接面54、56与接线面36、38电连接，这些接线面布置在绕组板26的凸起68处。

在缠绕过程之前将阴极层30焊接到第一焊接面54上并且将阳极层32焊接到第二焊接面56上，并且布置两个隔板层28，其中，当根据在图10A中所示的线B-B进行切割时，产生了参考图7描述的初始结构22。

图11A示出了电池绕组12，该电池绕组由参考图10描述的布置产生，具有绕组板26和缠绕的层62。

图11B在一侧的俯视图中示出了电池绕组12。绕组板26的凸起68形成了用于端子14的接线面36、38。

图12A和图12B示出了绕组板12与盖组46的端子14的接触的路程缩短，其利用参考图10A、10B、11A和11B描述的实施方式（图12A）与参考图6A、6B、8A和8B描述的实施方式的对比得到。

本发明不局限于在此描述的实施例和在此强调的方面。确切地说，在通过权力要求书给出的范围内多种在本领域技术人员处理的范畴里的变型是可以实现的。