(57)【要約】  本発明は、セル筐体内に配置された電極スタック（２）を備えたバッテリー用単一セル（１）の製造方法に関し、セル筐体が２つの導電性筐体側壁（３）と、その間に配置されて縁の周りを巡る電気的に絶縁されたフレーム（４）から形成されており、１つの極性の集電タブ（２．１）が前記電極スタック（２）のそれぞれ１つの極接点（Ｐ）にまとめられ、極接点（Ｐ）と筐体側壁（３）との間に導電性接続が形成される単一セル（１）の製造方法に関する。本発明によれば、単一セル（１）が開いた状態で導電性接続が形成される。
2011513892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル筐体内に配置された電極スタック（２）を備えたバッテリー用単一セル（１）の製造方法であって、前記セル筐体が２つの導電性筐体側壁（３）と、その間に配置されて縁の周りを巡る電気的に絶縁されたフレーム（４）から形成されており、１つの極性の集電タブ（２．１）が前記電極スタック（２）のそれぞれ１つの極接点（Ｐ）にまとめられ、前記極接点（Ｐ）と前記筐体側壁（３）との間に導電性接続が形成される単一セル（１）の製造方法において、単一セル（１）が開いた状態で導電性接続が形成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
１つのフレーム（４）内に前記電極スタック（２）を配列する前に、１つの極接点（Ｐ）が１つの筐体側壁（３）と導電性接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
１つのフレーム（４）内に前記電極スタック（２）を配列した後で、少なくとも１つの極接点（Ｐ）が１つの筐体側壁（３）と導電性接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記筐体側壁（３）と前記極接点（Ｐ）との導電性接続が、溶接プロセス及び／又は複合ウェルディングプレス接合法で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記溶接プロセス中に１つ又は複数の溶接ビード及び／又は溶接ポイントが形成されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ウェルディングプレス接合中に１つ又は複数の溶接ビード及び／又は溶接ポイントが形成され、前記極接点（Ｐ）及び前記筐体側壁（３）がプレスされることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
１つの溶接ビード及び／又は１つの溶接ポイントによって極接点（Ｐ）を形成しているすべての前記集電タブ（２．１）と、それに対応する導電性の筐体側壁（３）とが、特に１つのステップで互いに溶接されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
導電性接続を作りだす前に、前記極接点（Ｐ）と前記筐体側壁（３）との間に、付加材料から成る１つの独立した箔を挿入することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
導電性接続を作りだす前に、前記筐体側壁（３）の前記極接点（Ｐ）の方を向いた側に、付加材料から成る１つの独立した箔を取り付けることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記セル筐体内に配置された前記電極スタック（２）が、個々の電極から、好ましくは電極箔から形成され、前記電極が１つのセパレータによって、好ましくは１つのセパレータ箔によって、互いに絶縁されて分離されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
電極スタック（２）の外へと案内された各電極箔の縁領域が、集電タブ（２．１）として使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
電極箔（３）として銅箔及び／又はアルミニウム箔又はそのような種類の合金製の箔が使用されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
フレーム（４）内に電気的に互いに絶縁されて互いに間隔をあけた２つの材料後退部（４．１）が設けられ、その際前記材料後退部（４．１）内に同じ極性の集電タブ（２．１）が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
電極の積み重ね方向で測定した材料後退部（４．１）の内法の高さが、無干渉で互いに上下に積み重ねられた付属する集電タブ（２．１）の対応する範囲よりも小さいか又は同じであり、電極箔の平坦面と平行に測定された集電タブ（２．１）の奥行きは、付属する集電タブ（２．１）の対応する範囲よりも大きいか又は同じになるよう選択されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
導電性接続を形成した後に、摩擦結合、接着結合、及び／又は形状結合によって筐体側壁（３）をフレーム（４）に固定し、単一セル（１）を電解質が満たすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に従ったバッテリー用単一セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術では、例えばリチウムイオンバッテリーなどの高電圧バッテリーの車両への使用が公知であり、これは特に電気的に直列及び／又は並列に接続された複数の単一セルから構成されている。バイポーラ単一セルにおいては、電気接点、つまり正極と負極が互いに電気的に絶縁された筐体の部分に直接当てられる。
【０００３】
特許文献１により、セル筐体内に配置された電極スタックを備えたバッテリー用単一セル、特にフラットセルが公知である。このセル筐体は、２つの互いに向かい合っている筐体側壁、及びその間に配置されて電気的に絶縁されたフレームを備えている。電極スタックの電気的接触は、セル筐体の互いに向かい合っている筐体側壁、特に平坦面と直接行われる。ここで接触は、単一セルの製造方法において、特に単一セルが取り付けられた状態で付属する外面を完全溶け込み溶接することで、電極箔の内側にある極接点を外側へ接触させている。
【０００４】
しかし、不都合には、溶接過程中にセル筐体内部への熱浸透が生じ、セル筐体内に配置された例えば電極スタックなどのコンポーネントの損傷又は破壊が引き起こされる可能性がある。従って、熱で損傷しやすい部品を保護する処置が必要であり、それには多くの材料や時間、ひいては多額の費用がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】Ｐ８１０６００（出願番号１０２００７０６３１８１．４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、改善した単一セルの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、発明に基づき、請求項１に提示された特徴を備えた方法によって解決される。
【０００８】
有利な実施形態は、従属請求項に開示される。
【０００９】
本発明に基づいた、セル筐体内に配置された電極スタックを備えたバッテリー用単一セルの製造方法では、セル筐体は２つの導電性筐体側壁と、その間に配置されて縁の周りを巡る電気的に絶縁された１つのフレームから形成されている。ここで１つの極性の集電タブはそれぞれ電極スタックの１つの極接点にまとめられ、極接点と筐体側壁の間に導電性接続が形成される。本発明に基づき、導電性接続は、単一セルが開いた状態で形成される。
【００１０】
開いた状態とは、特に、筐体側壁がフレームに固定されておらず、同時に電極スタックがフレーム内に配置されうる状態であると解釈する。
【００１１】
縁の周りを巡る、特に電気的に絶縁されたフレーム内に電極スタックを配置することにより、有利には追加的に絶縁した配置を省略することができる。さらに、単一セルの扱いやすさが向上し、又はより安全に構成される。本発明によれば、単一セルが開いた状態での極接点と筐体側壁との導電性接続により、接合部を後から検査することが可能になる。さらに、提案される電極スタック極接点の接触により、費用のかかる密閉処置なしで、単一セルの内から外へ行うことができる。
【００１２】
本発明の一発展形態では、フレーム内に電極スタックを配列する前に、１つの極接点が筐体側壁と導電性接続されており、これによって技術的費用が少なくて済む。なぜなら、フレーム内に電極スタックを配列した後で、残っている極接点だけを電気的に付属する筐体側壁と接続すればよいだけだからである。
【００１３】
フレーム内に電極スタックを配列した後で、少なくとも残っている極接点が付属する筐体側壁と導電性接続される。別法として、電極スタックを配列した後で、２つの極接点を筐体側壁と導電性接続してもよい。
【００１４】
フレーム内に電極スタックを配列する前でも後でも、極接点と筐体側との導電性接続を形成することは、一方で特に溶接プロセスで行うことができ、その際溶接プロセス中に１つ又は複数の溶接ビード及び／又は溶接ポイントが生成される。好ましくは、溶接プロセスにおいて、さらに奥の方で極接点を形成している電極スタックの集電タブと筐体側壁とを部分的に溶融させ、その結果１つの溶接ビード及び／又は１つの溶接ポイントと、極接点を形成しているすべての集電タブと、それに対応する導電性筐体側壁とが、特に１つのステップで互いに溶接される。これによって生じた接着結合により、導電性接続はわずかな接触抵抗で作りだされ、その接続には高い電流容量が備えられる。
【００１５】
他方で、筐体側壁と極接点との導電性接続は、例えば超音波溶接法などの複合ウェルディングプレス接合法で形成することができる。それによって、溶接プロセスの利点に加えて、一方でプレスによって確実な接合プロセスが達成され、他方で超音波溶接法によって電極スタック内への熱浸透が回避されるか又は少なくとも低減される。
【００１６】
本発明の有利な一発展形態では、導電性接続を形成する前に、極接点と筐体側壁の間に付加材料から成る１つの独立した箔を挿入するか、又は筐体側壁の極接点の方を向いた側に取り付け、その結果極接点の筐体側壁への接続が改善される。
【００１７】
電極スタックはその際に個々の電極から、好ましくは電極箔から形成され、電極は１つのセパレータによって、好ましくは１つのセパレータ箔によって、互いに絶縁されて分離されている。その際、電極箔として銅箔及び／又はアルミニウム箔又はそのような種類の合金製の箔から選択される。
【００１８】
特別な方法では、電極スタックの外へ導かれた各電極箔の縁領域が集電タブとして使用され、それによって費用のかかる電極箔と集電タブとの接触が不要となる。同時に、この種の接触は少なくとも多くの、特に衝撃や振動などの外乱に対し非常に安全である。
【００１９】
本発明の有意義な一発展形態に従い、フレーム内には２つの電気的に互いに絶縁され、互いに間隔をあけた材料後退部が設けられ、この材料後退部内には同じ極性の集電タブが挿入される。ここで、電極の積み重ね方向で測定した材料後退部の内法の高さは、無干渉で上下に積み重ねられた付属する集電タブの対応する範囲よりも小さいか又は同じであり、電極箔の平坦面と平行に測定された集電タブの奥行きは、付属する集電タブの対応する範囲よりも大きいか又は同じになるよう選択される。これによって集電タブは確実に材料後退部内に保持される。
【００２０】
機械的な安定性と、セル筐体内への異物の侵入又はセル筐体からの物質の流出に対する単一セルの気密性を確保するため、本発明の一実施形態では、導電性接続を形成した後に、摩擦結合、接着結合、及び／又は形状結合によって筐体側壁をフレームに固定し、その結果引き続いて単一セルに電解質を満たすことができる。
【００２１】
１つ又は複数の上記処置により、安価な製造方法でセル筐体の構造を簡素化し、振動安全性と安定性、耐用年数、並びにそれによってさらには応用多様性を高めることが可能である。その上、開いた単一セルへの接触が簡単であることによって、接合部の検査が可能であり、その結果特に製造時の不良品を少なくすることができる。加えて、極接点を形成するための集電タブの接着結合による接触、及びこれと筐体側壁との接着結合による接続によって、電流容量が拡大する。極接点の接点挿入が行われないため、単一セルのセル筐体の耐圧気密性の低下もない。
【００２２】
本発明の有利な実施形態を、図を使用して以下で詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】開いた状態の単一セルの模式図である。
【図２】ウェルディングプレス接合法を実施するための装置の模式図である。
【図３】図１に従った、開いた単一セルと、溶接プロセス中にウェルディングプレス接合法を実施するための装置の配置の第１の模式的斜視図である。
【図４】図１に従った、開いた単一セルと、溶接プロセス中にウェルディングプレス接合法を実施するための装置の配置の第２の模式的斜視図である。
【図５】ウェルディングプレス接合法を実施するための装置を使用して筐体側壁との導電性接続を形成するための、溶接プロセス中の電極スタックの模式的斜視図である。
【図６】図５の模式的拡大部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
全図において互いに対応する部材には同一の符号を付している。
【００２５】
図１は、フレームフラットセルとして仕上げられた単一セル１を開いた状態で示している。
【００２６】
単一セル１は、筐体内に配置された電極スタック２を含み、このセル筐体は２つの導電性筐体側壁３、特に平坦面と、その間に配置されて縁の周りを巡る電気的に絶縁されたフレーム４を備えている。
【００２７】
ここで電極スタック２は、特に詳細には図示していない電極箔から形成され、電極スタック２の中央部分には、異なる極性の電極箔、特にアルミニウム箔及び／又は銅箔及び／又は金属合金製箔が互いに上下に積み重ねられ、詳細には図示していないセパレータ、特にセパレータ箔を使用して、電気的に互いに絶縁されている。
【００２８】
電極スタック２の中央部分の上まで突き出ている電極箔の縁領域、集電タブ２．１では、同じ極性を持つ電極箔が電気的に互いに接続しており、電極スタック２の極接点Ｐを形成している。
【００２９】
電極スタック２の縁で周りを巡るフレーム４は、２つの互いに間隔をあけて向かい合っている材料後退部４．１を備え、この材料後退部４．１は、集電タブ２．１から形成された極接点Ｐが材料後退部４．１内に配置可能であるように構成されている。材料後退部４．１の内法の高さｈは、特に、その高さが、無干渉で上下に積み重ねられた集電タブ２．１の対応する範囲に合致するか又はそれより少なくなるように形成される。材料後退部４．１の奥行きｔは、対応する集電タブ２．１の範囲に合致するか、又はそれより大きくなるように形成される。
【００３０】
フレーム４の電気的に絶縁された仕様により、集電タブ２．１から形成された異なる極性の極接点Ｐは電気的に互いに絶縁され、その結果有利には、追加的な電気的絶縁体の配置が不要になる。
【００３１】
本発明によれば、極接点Ｐと筐体側壁３との導電性接続は、示された単一セル１が開かれた状態で形成される。その際、示された開かれた状態においては、特に筐体側壁３がフレーム４に固定されておらず、電極スタック２がフレーム４を通されるか又はその中へ配置されている。
【００３２】
この導電性接続を形成するために、特に図３から６に詳細に説明された溶接プロセス及び／又はウェルディングプレス接合法が使用される。
【００３３】
筐体側壁３を摩擦結合、接着結合、及び／又は形状結合によってフレーム４に固定することは、詳細には図示していない方法で、導電性接続の形成後に、例えば接着及び／又は連結エレメントを使用して実施され、それによって筐体側壁３とフレーム４との間に接続の高い安定性が達成される。
【００３４】
連結エレメントとは特にリベット止めであり、フレームの少なくとも縁を取り囲む、筐体側壁３のタブ状の延長部及び／又はフレームに一体形成された固定エレメントである。摩擦結合、接着結合、及び／又は形状結合を形成するため、筐体側壁３及び／又はフレーム４は、好ましくは詳細には図示していない各連結エレメントに対応する形状又は切り欠き部を備えている。
【００３５】
摩擦結合、接着結合、及び／又は形状結合によって筐体側壁３をフレーム４に固定することにより、高い安定性と並んで気密な仕様がセル筐体に得られ、その結果異物がその中に入り込むことはできない。さらには、筐体側壁３をフレーム４に固定した後で充填した電解質も漏れだすことができず、単一セル１から構成された、詳細には図示していないバッテリーの周辺を損傷することがないよう確保される。
【００３６】
図２は、ウェルディングプレス接合法を実施するための溶接装置５を示している。この溶接装置５は、特に、ソノトローデ５．１とアンビル５．２から構成される超音波溶接装置である。
【００３７】
極接点Ｐを筐体側壁３と導電性接続するため、電極スタック２は図３及び４に従ってフレーム３の中を通され、極接点Ｐを形成する集電タブ２．１は付属する各セル側壁３の内側に平らに互いに上下に積み重ねられる。その際必要な、電極スタック２の中央付近に対する集電タブ２．１の相対的な湾曲は、使用される電極箔の柔軟性によって達成される。
【００３８】
集電タブ２．１を極接点Ｐへ溶接し、同時に筐体側壁３へ溶接するために、筐体側壁３の内側に当たる極接点Ｐ及び筐体側壁３がソノトローデ５．１とアンビル５．２の間に配置され、加えられたプレス力ＦＰによってプレスされる。同時にソノトローデ５．１は超音波範囲の周波数を持つ振動Ｓを生成し、その結果極接点Ｐ及び筐体側壁３は大きな摩擦力の下で互いに運動する。その際に生じる大きな摩擦熱により、詳細には図示していない溶接ビード又は詳細には図示していない溶接ポイントが生じ、その結果極接点Ｐと筐体側壁３との間に接着結合及び導電性接続が形成される。
【００３９】
筐体側壁３と極接点Ｐとの平面的な導電性接続は、特に複数の列状及び／又は平行に配置された溶接ビード及び／又は溶接ポイントによって得られる。
【００４０】
超音波溶接プロセスのほかに別法として、詳細には図示していない、従来技術で公知のその他のウェルディングプレス接合法も生成に適している。その際、例えばコンデンサ放電溶接、抵抗プレス溶接、電気スポット溶接又は電気シーム溶接を使用してよい。
【００４１】
詳細には図示していない本発明の一発展形態に従い、筐体側壁３と極接点Ｐとの導電性接続を形成する前に、集電タブ２．１は個別の方法でプレス及び／又は溶接される。
【００４２】
詳細には図示していない本発明の別の一実施形態では、例えば銅で作られた極接点Ｐと、例えばアルミニウムで作られた筐体側壁３との間に、追加で詳細には図示していないニッケルで作られた独立した箔を挿入することにより、溶接プロセス中に極接点Ｐと筐体側壁３の間でより良い接続が達成される。この箔は、別法として同様に筐体側壁３の極接点Ｐの方を向いた側に取り付けてもよい。
【００４３】
本発明の有利な一発展形態ではさらに、詳細には図示していない電気的に絶縁された箔を極接点Ｐと筐体側壁３の間に配置するか、又は筐体側壁３の片面を電気的に絶縁された層として形成し、その結果、極接点Ｐと筐体側壁３との電気的な接触は、溶接プロセス時に初めて生じる。この絶縁箔又は絶縁層は、好ましくは例えば単一セル１内の電解質に接することによって生じる腐食から筐体側壁３を保護するために、引き続き用いられる。
【００４４】
図５及び図６では、ウェルディングプレス接合法を実施するための、溶接装置５を使用して筐体側壁３と導電性接続するための溶接プロセス中の電極スタック２の斜視図を使用し、本発明の有利な実施形態を示している。
【００４５】
その際、単一セル１は開いた状態で、その中で電極スタック２はまだフレーム４の中を通されておらず、又はその中に配置されておらず、集電タブ２．１によって形成された電極スタック２の極接点Ｐは付属するセル側壁３と導電性接続されており、その結果、電極スタック２をフレーム４に通した後で、残っている極接点Ｐを別のセル側壁３と導電性接続するだけでよい。特にその結果として電極スタックの取り扱いが簡単になることで、単一セル１の製造の簡素化が達成される。
【００４６】
導電性接続の形成には、示された超音波溶接プロセスの他に、従来技術で公知のウェルディングプレス接合法を使用してもよい。また、例えばレーザー溶接プロセスのような高い熱浸透を伴う溶接プロセスも使用することができる。なぜなら、示された配置は良好な熱発散を保証しており、簡単な、詳細には図示していない処置によって追加的に拡大することができるからである。
【符号の説明】
【００４７】
１  単一セル
２  電極スタック
２．１  集電タブ
３  筐体側壁
４  フレーム
４．１  材料後退部
５  溶接装置
５．１  ソノトローデ
５．２  アンビル
ＦＰ  プレス力
Ｐ  極接点
Ｓ  振動
【図１】
2011513892.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011513892.tif 000008
【国際調査報告】
2011513892.tif 000009
2011513892.tif 000010
2011513892.tif 000011
2011513892.tif 000012