电池单体和用于制造电池单体的方法

技术领域

本发明涉及一种电池单体和一种用于制造电池单体的方法。

背景技术

在电池单体的领域，尤其是在锂离子电池单体的领域，尤其是已知圆柱形的、棱柱形的以及口袋形的电池单体。

在圆柱形的电池单体中，在圆柱形的壳体中可以尤其是安装卷绕的电极。在此，电极端部可以与导电的、通常也称为“电流导出器”的接片连接，通过这些接片能够建立与单体外部的电连接，使得电池单体的电压能够从外部获得。在此，相应的接片建立相同极性的电极的电连接，使得相应的极性能够从电池单体之外在接片上获得。在此尤其是已知，与第一极性的电极电连接的电流导出器可以与壳体盖电连接。与第二极性的电极连接的另一电流导出器可以与壳体电连接，该第二极性与第一极性相反，其中，壳体盖和壳体彼此电绝缘。这导致，电流路径经过壳体，例如经过壳体的圆柱形的壳体壁。

发明内容

本发明的任务是，提供一种圆柱形的电池单体，其中，避免经由壳体的电流引导。

所述任务的解决方案按独立权利要求的教导来实现。本发明的不同的实施方式和扩展方案是从属权利要求的主题。

本发明的第一方面涉及一种电池单体，其具有：(i)圆柱形的单体壳体，该单体壳体具有空心圆柱体；(ii)在空心圆柱体的各端侧之中的一个端侧上封闭该空心圆柱体的、导电的、具有第一开口的封闭板；(iii)第一电极性的至少一个电极和与第一极性相反的第二电极性的至少一个电极，不同极性的电极彼此通过至少一个分离器彼此分离；(iv)导电的杆，所述杆沿着空心圆柱体的纵轴线在空心圆柱体的各端侧之间延伸并且延伸直至第一开口，使得所述杆从单体壳体之外在所述杆的穿过第一开口的第一端部上能被电接触。在此，第一极性的所述至少一个电极与封闭板电连接。第二极性的所述至少一个电极与导电的杆在所述杆的与第一端部不同的第二端部上电连接，所述导电的杆相对于导电的封闭板电绝缘。

通过这种布置实现，在第一极性或第二极性的电极与两个在外部可获得的电池单体极之间的电流路径可以分别在单体壳体之内延伸，而不经过单体壳体本身，因此可以降低以下风险：单体壳体的电流路径与另一个电极化的、与单体壳体处于接触中的构件建立电压。另外不需要在构造单体壳体时考虑，单体壳体可以用作为电流路径。例如可以与规定的导电性无关地选择单体壳体的材料。

在此也许使用的术语“包括”、“包含”、“连同”、“具有”、“有”、“带有”或者它们的任何其它型式应该覆盖非排他性的包含关系。因此例如包括或具有一系列元件的方法或者装置不应必然限制于这些元件，而是可以包含其它元件，所述其它元件未被明确地阐述或者在这样的方法或这样的装置中是固有的。

另外，只要没有明确地相反说明，则词语“或者”涉及包容性的“或者”，而非排他性的“或者”。例如，条件A或B通过以下条件满足：A是真实的(或者存在的)并且B是虚假的(或者不存在的)；A是虚假的(或者不存在的)并且B是真实的(或者存在的)；以及不仅A而且B是真实的(或者存在的)。

词语“一个”，如在此使用的，在“一个或多个”的意义中定义。词语“一个其他的”和“一个另外的”以及它们的任何其他型式可以在“至少一个另外的”意义中理解。

“导电性”或者“导电”(及其变型)在本发明意义中尤其是可以理解为物理参量，该物理参量说明，材料的引导电流的能力是多么强的。但是“导电”在本发明意义中尤其是可以理解为，(在25℃时)至少106S/m的导电性，即至少金属的导电性。

“电绝缘”、“电绝缘的”(及其变型)在本发明意义中尤其是可以理解为物理参量，该物理参量说明，特定的用作为绝缘体的物体在施加电压时至少基本上阻止电流。尤其是导电性小于10

下面说明电池单体的优选实施方式，只要不被明确地排除或者在技术上不可能，则这些实施方式分别可以任意相互组合以及与本发明的其他的说明的另外的方面组合。

按照一些实施方式，电池单体具有导电的接头元件，该接头元件设置在第一开口中并且与所述杆的第一端部电连接，所述导电的接头元件相对于封闭板是电绝缘的。因此，在制造电池单体期间，首先可以将接头元件安装在封闭板上，并且在接头元件与所述杆之间的电连接可以紧接在所述封闭板安装到单体壳体上之后进行。

按照一些实施方式，所述电池单体具有导电的第一中间板，该第一中间板具有第二开口，所述杆穿过所述第二开口，第一中间板设置在各电极与封闭板之间，并且第一中间板与第一极性的所述至少一个电极以及封闭板电连接。因此可以实现第一极性的电极经由第一中间板的电接触，并且不需要将电极直接与封闭板连接。因此，在制造电池单体期间，第一极性的电极可以与第一中间板在单体壳体之外电连接，并且电极连同连接的第一中间板可以紧接着设置在单体壳体中。在第一中间板与封闭板之间的电连接可以在安装封闭板之后进行。

按照一些实施方式，电池单体具有导电的第二中间板，该第二中间板与所述杆的第二端部以及第二极性的所述至少一个电极电连接，其中，各电极设置在第一与第二中间板之间。因此，第二极性的电极的电接触通过所述杆经由第二中间板实现，并且不需要将电极直接与所述杆连接。另外，在制造电池单体期间，第二极性的电极可以与第二中间板在单体壳体之外电连接，并且电极连同连接的第二中间板以及与之连接的杆可以紧接着设置在单体壳体中。在所述杆与接头元件之间的电连接可以在安装封闭板之后进行。

按照一些实施方式，所述电池单体具有导电的连接元件，该连接元件与第一中间板以及与封闭板分别电连接和机械连接。这具有以下优点：第一中间板至封闭板的距离可以是可变的，因为该距离能通过导电的连接元件跨接。

优选地，导电的连接元件可以与第一中间板作为机械单元单件式地构成。单件式的实施方式可以具有更好的稳定性，并且对于制造可以要求较少的制造步骤。也可以考虑，导电的连接元件和第一中间板可以分开地制造，并且在较晚的时刻机械地连接。这可以在构造零件时允许更大的灵活性。

按照一些实施方式，所述电池单体具有固定元件，该固定元件设置在空心圆柱体的所述一个端侧上，导电的连接元件和封闭板固定在该固定元件上，并且相对于该固定元件电绝缘。因此，该固定元件允许不仅封闭板而且导电的连接元件在固定元件上的固定。同时，导电的连接元件和封闭板相对于固定元件电绝缘。因此可以避免，单体壳体构成为电流路径。固定元件可以尤其是与电池单体的壳体一体地构成，尤其是与空心圆柱体一体地构成。

按照一些实施方式，所述固定元件具有环，所述环具有凹槽，并且导电的连接元件和封闭板分别至少部分地伸入到凹槽中，并且与凹槽和电绝缘件一起构成形锁合的连接部。因此可以固定封闭板的整个圆周，因此实现高稳定性。

按照一些实施方式，所述杆和第二中间板构成机械单元，该机械单元单件式地构成。单件式的实施方式可以具有较好的稳定性并且对于制造可以要求较少的制造步骤。也可以考虑，所述杆和第二中间板分开地制造，并且在较晚的时刻机械连接。这可以在构造零件时允许更大的灵活性。

按照一些实施方式，所述电池单体具有在空心圆柱体的另一个端侧上封闭该空心圆柱体的底板，该底板具有凹槽、尤其是圆弧形的凹槽，该底板的凹槽限定底板的表面区域，使得在力的影响之下，所限定的区域可以从底板断裂开来。因此可以实现，通过在单体壳体中产生的气体超压，所限定的区域通过气压从底板断裂开来，并且气体能够从单体壳体逸出。

按照一些实施方式，所述圆柱形的单体壳体具有导电材料。这可以是有利的，以便能够确定或者测量，在单体壳体上施加多大电压。在应用本发明的情况下也可以考虑电池单体的结构，当单体壳体是导电的，这些结构能在技术上更简单地实现。可考虑，省略在单体壳体与负电极之间的电绝缘件。尤其是在由钢、尤其是由镍、用镍涂层的钢或者不锈钢制成的单体壳体的情况下，可以省略在负电极(其可具有铜)或者与该电极电连接的中间板与由钢制成的单体壳体之间的电绝缘件。另外可考虑，省略在第二中间板与单体壳体之间的电绝缘件。尤其是当所述杆具有铜时，可以放弃在第二中间板与底板之间的电绝缘件。如果单体壳体具有钢并且所述杆具有铝，可以放弃在第一中间板(其可以具有铜)与封闭板之间的电绝缘件。这在于金属的电化学的稳定性。尤其是铜、用镍涂层的钢或者镍或者不锈钢可以在施加负电势时具有在运行中足够的电化学的稳定性。在具有铝的电极上施加负电势时，与电解质的盐相结合可以形成钝化层。也可考虑，省略在底板与第二中间板(其可具有正电极)之间的电绝缘件，当底板和第二中间板具有铝时，尤其如此。

本发明的第二方面涉及一种用于制造电池单体的方法，包括以下步骤：(i)将第一电极性的至少一个电极和与第一极性相反的第二电极性的至少一个电极设置在具有空心圆柱体的圆柱形的单体壳体中，该空心圆柱体在其各端侧之中的一个端侧上具有封闭性的、导电的、带有第一开口的封闭板，不同极性的电极通过至少一个分离器彼此分离，并且各电极和分离器围绕导电的杆缠绕，所述杆沿着空心圆柱体的纵轴线在空心圆柱体的各端侧之间延伸并且延伸直至第一开口，使得所述杆从单体壳体之外经由所述杆的穿过第一开口的第一端部能电接触；(ii)在第一电极性的所述至少一个电极与封闭板之间建立电连接；(iii)在第二电极性的所述至少一个电极与导电的杆之间在所述杆的第二端部上建立电连接，所述导电的杆相对于导电的封闭板电绝缘。

参考本发明第一方面解释的特征和优点相应地也适用于本发明的其他方面。

本发明的其他的优点、特征和应用可能性由后续的详细说明结合附图得到。

附图说明

附图如下：

图1示意性显示按本发明第一实施例的电池单体。

图2示意性显示按本发明第二实施例的电池单体。

图3A示意性显示具有芯棒的第二中间板的侧视图。

图3B示意性显示具有芯棒的第二中间板的俯视图。

图4示意性显示具有凹槽的底板的俯视图。

图5A～5F示意性显示用于制造电池单体的若干制造步骤。

图6示意性显示用于描述本发明方法的优选实施方式的图解的流程图。

在附图中，相同的附图标记始终用于本发明的相同的或者彼此对应的元件。

具体实施方式

图1示意性显示按本发明第一实施例的电池单体100。电池单体100具有单体壳体110，该单体壳体具有空心圆柱体120和导电的封闭板130，该封闭板具有第一开口300。

在空心圆柱体120之内设置电极卷200。电极卷200具有第一极性的第一电极210和第二极性的第二电极220，第二极性与第一极性相反。电极卷200设置在单体壳体110中，使得在径向方向上交替地设置第一极性的电极210和第二极性的电极220。在第一极性的电极210与第二极性的电极220之间分别设置分离器230，使得不同地极化的电极彼此电绝缘，分离器230具有电绝缘材料。第一极性的电极210用第一活性材料包围，并且第二极性的电极220用第二活性材料包围。在锂离子电池单体的情况下，阳极可以具有石墨并且被负极化。被正极化的阴极可以具有带锂的金属混合氧化物。在电池单体运行中，锂离子可以从负的阳极通过可具有聚合物的分离器运动到正的阴极。

具有包围性的活性材料的电极210、220以及分离器130围绕导电的芯棒240缠绕。芯棒240沿着空心圆柱体240的纵轴线延伸。在芯棒240与电极卷200之间设置电绝缘的第三元件250，因此，电极卷200相对于芯棒240电绝缘。在空心圆柱体120的侧壁与电极卷200之间以及在单体壳体110的底板270与电极卷200之间分别设置电绝缘的第四元件，因此，电极卷200相对于空心圆柱体120的侧壁以及相对于底板270分别电绝缘。

在封闭板130与电极卷200之间设置导电的第一中间板280。第一和第二极性的电极210、220之一与第一中间板280电连接。第一中间板280经由导电的连接元件190与封闭板130电连接，该连接元件构成为关于空心圆柱体的纵轴线径向对称。导电的第一中间板280具有圆面和在该第一中间板的圆面的中心区域中的第二开口310，芯棒240穿过该第二开口。

在空心圆柱体120的端侧之一上，设置一个具有凹槽140的固定环。该固定环140的凹槽在该环的内侧上延伸。具有凹槽的固定环140通过在轴向方向上紧接着的圆形的凹槽185与空心圆柱体120间隔开。圆形凹槽185构成为关于空心圆柱体120的纵轴线径向对称，其中，圆形凹槽185的开口在径向方向上从空心圆柱体120背离地指向。空心圆柱体120、圆形凹槽185以及具有凹槽的固定环140可以单件式地或者多件式地构成。在固定环140的凹槽之内固定封闭板130的边缘区域和连接元件的边缘区域。在凹槽中设置电绝缘的第一元件150，使得封闭板130和连接元件190相对于具有凹槽的固定环140电绝缘。封闭板130具有圆形面，在面中心设置第一开口300。在第一开口300中设置铆钉160、尤其是实心铆钉。在铆钉160与封闭板130之间设置电绝缘的第二元件170、尤其是电绝缘的塑料层。

在底板270与电极卷200之间设置导电的第二中间板290，在导电的第二中间板290与底板270之间设置电绝缘的第四元件260，使得导电的第二中间板290相对于底板270电绝缘地设置。第一和第二极性的电极210、220之另一与第二中间板290电连接。第二中间板290具有圆形面。在面中心，第二中间板290与芯棒240电连接和机械连接。芯棒240和第二中间板290可以单件式地或者两件式地构成。取代芯棒，也可以采用套筒或者空心圆柱体。芯棒240从第二中间板290穿过第一中间板280的第二开口310延伸直至铆钉160，所述芯棒240与铆钉电连接和机械连接。

在底板270中还设置圆弧形的凹槽240，该凹槽包围底板270的区域。如果在电池单体100之内由于功能故障而气压上升，从确定的气压起，通过该凹槽包围的一块从底板270断裂开来，使得气体能从电池单体逸出。由于凹槽没有描述完整的圆，断裂开来的一块保持与底板270连接并且不掉落到单体壳体110中。

在第一实施例的第一方案中，电极210、220的极性设置成，使得在封闭板130上施加电的负极，并且这同时是阳极。在此，封闭板可以具有用镍涂层的钢、不锈钢或铜。与封闭板130电连接的第一中间板具有铜。在接头元件280上施加电的正极，并且这同时是阴极。接头元件280具有铝。芯板240以及第二中间板290分别具有铝。

在第一实施例的第二方案中，电极210、220的极性设置成，使得在封闭板130上施加电的正极，并且这同时是阴极。在此，封闭板具有铝。与封闭板130电连接的第一中间板具有铝。在接头元件280上施加电的负极，并且这同时是阳极。接头元件280具有用镍涂层的钢或者铜。芯棒240以及第二中间板290分别具有铜。铜作为用于芯棒240的材料可以是有利的，因为芯棒240可以更薄地或者更薄壁地制成，并且因此变得更小且更轻。此外，铜与铝相比具有更小的电阻。

通过这种布置，不仅负极而且正极可以在空心圆柱体120的同一个端侧上在封闭板130上以及在铆钉160上获得，该铆钉在封闭板130的第一开口300中相对于封闭板130电绝缘地设置。因此，电流路径在单体壳体110之内延伸，但是不经过单体壳体110。

在此，电绝缘的第一元件150的应用可以是有利的，尤其是在以下情况时：单体壳体具有钢，并且单体壳体110的电势应该是中性的。另外，电绝缘的第一元件150的应用在以下情况时可以是有利的：第一中间板280具有铝。如果单体壳体110具有钢、尤其是镍、用镍涂层的钢或者不锈钢并且第一中间板280具有铝，在单体壳体110与第一中间板280之间的机械接触和电接触可以导致不稳定的电势。电绝缘的第四元件260的应用可以是有利的，尤其是在以下情况时：单体壳体110具有钢并且第二中间板290具有铜，但是单体壳体110的电势应该是中性的。另外，电绝缘的第四元件260的应用在以下情况时可以是有利的：第二中间板290具有铝，因为在单体壳体110与第二中间板290之间的机械接触和电接触可能导致不稳定的电势，尤其是在以下情况时：单体壳体110具有钢并且第一封闭板280具有铝。

也可考虑，省略电绝缘的第一元件150，当第一电极210负极化时尤其如此。尤其是当单体壳体110具有钢、尤其是具有镍或用镍涂层的钢时，可以省略设置在第一中间板280(该第一中间板与可具有铜的负的第一电极210连接)与由钢制成的单体壳体110之间的电绝缘的第一元件150。另外可考虑，省略设置在第二中间板290与底板270之间的电绝缘的第四元件260。尤其是当芯棒240具有铜时，可以放弃设置在第二中间板290与底板270之间的电绝缘的第四元件260。如果单体壳体110具有钢并且芯棒240具有铝，也可以放弃电绝缘的第一元件150。这在于金属的电化学的稳定性。尤其是铜、用镍涂层的钢或者镍或者不锈钢可以在施加负电势时具有在运行中足够的电化学的稳定性。在具有铝的电极210、220上施加正电势时，与电解液的盐相结合可以构成钝化层。另外可考虑，单体壳体110具有铝。在这种情况下，如果第二中间板290也具有铝，单体壳体110可以与第二中间板290电连接。

图2示意性显示按第二实施例的电池单体100。与按图1的第一实施例不同，在当前的第二实施例中，封闭板130具有径向朝外延伸的并且环绕的倾斜的边缘区域。第一中间板280也具有相对于圆形表面朝外延伸的倾斜的边缘区域190。第一中间板280的倾斜延伸的边缘区域190与封闭板330的倾斜的边缘区域电连接和机械连接。倾斜延伸的边缘区域330、190参考空心圆柱体120的纵轴线从空心圆柱体120背离地指向。封闭板130和第一中间板280的边缘区域330、190固定在固定环140的凹槽中。取代图1的圆形凹槽185，在该实施例中，倾斜的悬伸部180将空心圆柱体120与固定环140连接，其中，倾斜的悬伸部180构成限界性的侧壁之一，这些侧壁定义固定环140的凹槽。倾斜的悬伸部180从空心圆柱体120的外壁在封闭板130的端侧上径向朝外延伸。固定环140至少部分地具有与空心圆柱体120在一个区域中的直径相比更大的直径，在所述区域之内设置电极卷200。由于第一中间板280和封闭板130的边缘区域190、330设置在固定环140中，该固定环与第一实施例相比在径向和轴向上错开，尤其是增大在轴向方向上在电极卷200与封闭板130之间的距离。因此增大电池单体100的高度，使得能够在单体壳体110中设置较高的并且因此较大的具有更多容量的电极卷200。此外，通过固定环140朝外的径向延伸，在并排设置的电池单体之间的距离可以被构成。该距离可以允许，设置在电池单体之间的侧面冷却。

图3A示意性显示具有芯棒240的第二中间板290的侧视图。第二中间板290具有圆形表面。在该表面的中心区域中设置突起320。在该突起320上，芯棒240与第二中间板290电连接和机械连接，例如通过焊接方法。取代芯棒240，也可以采用套筒。芯棒240和第二中间板290可以均由铝或者均由铜构成，与在图1中说明的实施方案相关。芯棒240和带有突起320的第二中间板290也可以作为机械单元构成为单件式的，例如借助于深拉方法。

图3B示意性显示第二中间板290和芯棒240的俯视图。

图4示意性显示具有凹槽340的底板270的俯视图。凹槽340圆弧形地构成。如果在电池单体100的单体壳体110之内由于功能故障而气压上升，从确定的气压起，通过圆弧包围的一块从底板270断裂开来，使得气体能从电池单体逸出。由于凹槽描述圆弧，而不是描述完整的圆，所以断裂开来的一块保持与底板270连接，而不掉落掉到单体壳体110中。

图5A～5F示意性显示用于制造按图2的电池单体的若干制造步骤。

图5A示意性显示电极卷200，请见框住的虚线区域。该电极卷200通过围绕芯棒240用第一极性的第一电极210和与第一极性相反的第二极性的第二电极220以及设置在第一电极与第二电极之间的分离器230缠绕而构成。各电极210、220分别由活性材料包围，各材料之一具有锂，使得在电池单体充电或放电时锂离子能够从其中一个电极210、220穿过分离器230运动到另一个电极210、220。在芯棒240与电极卷200之间设置电绝缘的第三元件，因此，电极卷200相对于芯棒240电绝缘。

图5B示意性显示在图1和2中说明的第二中间板290在其中一个电极220上以及在芯棒240上的安装。这可以分别借助于焊接过程实现，使得构成电连接和材料锁合连接。在该实施方案中，芯棒240和第二中间板290具有铝。

图5C示意性显示在图2中描述的第一中间板280在另外的电极210上的安装。这种安装可以借助于焊接过程实现，使得构成电连接和形锁合连接。在该实施方案中，第一中间板280具有铜。第一中间板280具有相对于圆形面倾斜地延伸的边缘区域190，该边缘区域在安装状态中从电极卷200背离地指向。

图5D示意性显示封闭板130的安装。在此，封闭板330的边缘区域与第一中间板280的边缘区域190电连接和机械连接，例如通过焊接方法。在封闭板130的第一开口300中设置由导电材料构成的铆钉160、尤其是实心铆钉。在铆钉160与封闭板130之间设置电绝缘的第一元件150。铆钉160与芯棒240电连接和机械连接，例如借助于焊接方法，其中，焊接装置设置在单体壳体之外。

图5E示意性显示按图5D的电极卷200在单体壳体110中的设置。另外描述电解液350，该电解液在封闭单体壳体110之前填充到单体壳体110中。按图5D的电极卷200在填充电解液350之后朝底板270的方向运动，对应于箭头的描述方向。

图5F示意性显示电极卷200的最终调整。在此，封闭板130与带有凹槽的固定环140的形锁合连接被构成，在带有凹槽的固定环140与封闭板130之间设置电绝缘的第一元件150。

图6示意性显示用于描述本发明方法的优选实施方式的图解的流程图400，包括以下步骤：

按图5A，通过将第一极性的第一电极210和与第一极性相反的第二极性的第二电极220围绕芯棒240缠绕，制造410电极卷200，其中，在不同地极化的电极210、220之间设置分离器230。各电极210、220分别由活性材料包围，各材料之一具有锂，使得在电池单体充电或放电时锂离子能从其中一个电极210、220穿过分离器230运动到另一个电极210、220。

按图5B，在描述于图1和2中的导电的第二中间板290与第二极性的电极220和导电的芯棒240之间建立420电连接和机械连接。

按图5C，在描述于图1中的导电的第一中间板280与第一极性的电极210之间建立430电连接和机械连接。

按图5D，在描述于图2中的导电的封闭板130与导电的第一中间板280之间建立440电连接和机械连接。

按图5E，在用电解液350填充的单体壳体110中设置450电极卷200。

按图5F，将封闭板130固定460在单体壳体110上。

在该方法中特别有利的是，按方法步骤420-440或者按图5B-5D的必要的焊接方法可以在单体壳体之外进行。因此可以避免，在焊接过程中产生的颗粒到达单体壳体中。

在上文中已说明至少一个示例性的实施方式，然而要注意到，对此存在大量变型。在此也要注意到，所说明的示例性的实施方式仅仅描述非限制性的例子，并且无意因此限制在此说的装置和方法的范围、可应用型或配置。更准确地说，以上说明为本领域技术人员提供用于实施至少一个示例性的实施方式的引导，不言而喻，在示例性实施方式中说明的元件的工作方式和布置方面，可以进行各种改变，而在此情况下不脱离在所附权利要求书中分别确定的主题及其法律等同措施。

附图标记列表

100 电池单体

110 单体壳体

120 空心圆柱体

130 封闭板

140 具有凹槽的固定环

150 电绝缘的第一元件

160 铆钉

170 电绝缘的第二元件

180 倾斜的悬伸部

185 圆形凹槽

190 连接元件

200 电极卷

210 第一极性的电极

220 第二极性的电极

230 分离器

240 芯棒

250 电绝缘的第三元件

260 电绝缘的第四元件

270 底板

280 第一中间板

290 第二中间板

300 第一开口

310 第二开口

320 突起

330 封闭板的边缘区域

340 圆弧形凹槽

350 电解液

400用于描述按本发明的用于制造电池单体的方法的优选实施方式的图解的流程图

410-460本发明方法的方法步骤