具有带有铆接的填充开口的壳体盖板的电池单池.pdf

本发明涉及一种电池单池、特别是锂离子电池单池，其中缠绕元件、两个集电器以及电解质容纳在壳体中。所述壳体由容器和顶盖装置构成。顶盖装置此外包括盖板，所述盖板在装入所述电池单池的位于内部的构件之后与所述容器固定连接。按照本发明，设置在所述盖板（23）中的填充开口（25）借助于铆钉（31）封闭，所述电解质通过所述填充开口可以被填充到所述壳体的内部中。

1.   电池单池（1）、特别是锂离子电池单池，其具有：
缠绕元件（3），所述缠绕元件由缠绕的堆（5）构成，所述缠绕的堆由以阳极材料涂覆的第一薄膜、以阴极材料涂覆的第二薄膜和两个用作隔膜的塑料薄膜构成；
电解质；
两个集电器（7、9），其中一个集电器与第一薄膜导电连接而另一个集电器与第二薄膜导电连接；
壳体（11），所述壳体具有容器（13）和顶盖装置（15），其中所述容器（13）具有开口（14），所述缠绕元件（3）和两个集电器（7、9）通过所述开口在所述电池单池（1）的制造期间能够被装入到所述壳体（11）中，其中所述顶盖装置（15）具有盖板（23）并且气体密封地和压力密封地封闭所述容器（13）的开口（14），其中所述盖板（23）具有用于将电解质填充到所述壳体（11）中的填充开口（25），
其特征在于，所述填充开口通过铆钉（31）封闭。

2.   根据权利要求1所述的电池单池，其中，在所述铆钉的杆部（35）的扩展部与盖板之间中间支承有至少一个用于密封填充开口的密封环（34）。

3.   根据权利要求1或2所述的电池单池，其中，密封环、铆钉以及盖板由相同材料构成。

4.   根据上述权利要求中任一项所述的电池单池，其中，所述铆钉由抗电解质的塑料构成。

5.   根据权利要求2或3所述的电池单池，其中，所述密封环由抗电解质的塑料构成。

6.   根据上述权利要求中任一项所述的电池单池，其中，所述铆钉是埋头铆钉。

7.   根据权利要求6所述的电池单池，其中，所述埋头铆钉是杯式铆钉。

8.   用于密封电池单池的电池壳体的方法，所述电池单池具有：
缠绕元件（3），所述缠绕元件由缠绕的堆（5）构成，所述缠绕的堆由以阳极材料涂覆的第一薄膜、以阴极材料涂覆的第二薄膜和两个用作隔膜的塑料薄膜构成；
电解质；
两个集电器（7、9），其中一个集电器与第一薄膜导电连接而另一个集电器与第二薄膜导电连接；
壳体（11），所述壳体具有容器（13）和顶盖装置（15），其中所述容器（13）具有开口（14），所述缠绕元件（3）和两个集电器（7、9）通过所述开口在所述电池单池（1）的制造期间能够被装入到所述壳体（11）中，其中所述顶盖装置（15）具有盖板（23）并且气体密封地和压力密封地封闭所述容器的开口，其中所述盖板（23）具有用于将电解质填充到所述壳体（11）中的填充开口（25），
该方法具有以下步骤：通过铆接气体密封地和压力密封地封闭填充开口。

9.   根据权利要求8所述的方法，其中，所述铆接具有如下步骤：
将铆钉（31）的杆部（35）导入到填充开口中；其中所述铆钉在导入状态下在杆部的第一端部上、在所述盖板的与容器背离的一侧上具有扩展部（32），所述扩展部的径向直径大于所述填充开口的直径；以及
其中所述铆钉的杆部的直径小于所述填充开口的直径；
在所述盖板的朝向容器的一侧上如此扩展所述杆部的第二端部（33），从而使得所述杆部的第一端部的扩展部连同所述杆部的第二端部的扩展部以及所述杆部气体密封地和压力密封地封闭所述填充开口；
其中第二扩展部的径向直径大于所述填充开口的直径。

10.   机动车（100），其具有按照权利要求1至9中任一项所述的电池单池（1）。

具有带有铆接的填充开口的壳体盖板的电池单池
技术领域
本发明涉及一种电池单池、特别是锂离子电池单池。本发明此外还涉及一种具有这种电池单池的机动车。
背景技术
电池单池、部分也称为蓄电池单池，用于电气提供的能量的化学蓄能。已经在当今电池单池用于多个移动装置的供能。将来电池单池此外应该用于移动的电动车或混合动力车辆在陆地上以及在水中的供能，或者用于来自备选的能源的电能的静态暂存。
为此大多将多个电池单池组合为电池组。为了在此尽可能有效地利用可用的组容量，出于这种目的尤其是应用具有棱柱形例如长方体式形状的电池单池。
由于其可能的高能量密度、热稳定性以及缺少的记忆效应大多将锂离子蓄电池技术应用要要求高的应用中，例如用于机动车的存储解决方案，该锂离子蓄电池技术基于未来电动汽车的高度的经济重要性现在被大力研发。
已经存在多种不同类型的电池单池，特别是锂离子电池单池，并且此外特别是具有棱柱形形状的电池单池。自然这种常规电池单池大多具有复杂的结构，其中为了组装所有电池单池应用多个不同的部件。特别是在部件的组装中应用昂贵的制造方法，例如焊接方法，这种制造方法不仅在成本上而且在能耗上是密集的。所有这些可以导致在电池单池的制造中提高的成本。
发明内容
借助于本发明的实施方式此外可以降低电池单池组装成本并因此降低与之相关的成本。
在此提出一种电池单池、特别是锂离子电池单池，其具有：至少一个缠绕元件、电解质、两个集电器和壳体。所述缠绕元件由缠绕的堆构成，该缠绕的堆由以阳极材料例如铜涂覆的第一薄膜、以阴极材料例如铝涂覆的第二薄膜和两个用作隔膜的塑料薄膜构成。代替缠绕的实施方式薄膜层和塑料层的堆叠的布置方式也是可能的。其中一个集电器与缠绕元件的第一薄膜导电连接例如焊接。第二集电器与缠绕元件的第二薄膜导电连接。该壳体具有容器和顶盖装置。容器具有开口，缠绕元件和两个集电器通过该开口在电池单池的制造期间能够装入到壳体中。顶盖装置构成为气体密封地和压力密封地封闭容器的开口。为此顶盖装置此外具有盖板，该盖板能够尽可能地封闭容器中的开口并且该盖板为了热封闭壳体而能够例如通过焊缝与容器连接。盖板此外具有填充开口，电解质通过该填充开口可以填充到壳体中。本发明所提出的电池单池的特征在于，利用铆钉封闭所述填充开口。
按照本发明的电池单池的实施方式此外基于以下认识和构思：
在电池单池的组装中通常首先将具有安装在其中的集电器的缠绕元件装入到壳体的还向上打开的容器中并且死后借助于顶盖装置密封封闭容器的开口。在顶盖装置的安装中首先连接盖板与容器，例如通过焊接。通过设置在盖板中的填充开口随后将电解质填充到容器中，从而电解质可以润湿容纳在其中的缠绕元件。随后填充开口必须密封地并且相对于电解质耐抗地封闭。
为此在常规电池单池中一个例如由金属或塑料组成的球体挤压到填充开口上并且直接或经由金属片与填充开口的边缘焊接在一起。自然焊接过程是一种昂贵的工作过程并且此外可以需要昂贵的焊接机器人和焊接方法。如此激光焊接方法经常需要多个工作步骤并因此比较复杂并且成本密集。此外在焊接中施加热负荷，该热负荷在力求达到的薄壁盖实施方式中可能是有问题的。
因此提出，不采用焊接过程地封闭填充开口。
为此利用铆钉封闭填充开口。为此可以应用标准化的商业标准的铆钉。
铆钉必须在此如此设置，使得铆钉的杆部延伸通过填充开口。在此铆钉的扩展部的径向直径在杆部的第一端部或上端部大于填充开口的直径。同样适用于铆钉在盖板的相应另一侧上设置的扩展部。铆钉的构成为铆钉头的扩展部在填充开口的边缘上的该重叠应该确保在扩展部或铆钉头与盖板的表面之间的足够的重叠。铆钉头到盖板表面上的挤压力越高并且在两个元件之间重叠的面或接触面越大，那么可能的密封作用越好。
铆钉的优点在于方法的简单以及该接合技术的进一步扩展以及由此比较小的成本。
在此的特点在于，不是如通常那样突出两个部件的连接，而是铆钉的密封作用，如果该铆钉位于开口的横截面中。铆钉在此必须特征在于，该铆钉允许气体密封和压力密封地封闭填充开口。为此铆钉的不同形状是可用的。通过铆钉的进一步扩展和标准化，标准化的并由此成本有利的工具的应用是可能的。
铆钉的另一优点在于，可以再不施加力到盖板上的情况下实现填充开口的铆接。因为应用的盖板可以具有仅仅非常小的在1毫米的数量级上的厚度并且再者可以应用具有小的强度的材料，所以仅仅如下封闭方法是可用的，其中在封闭时没有或仅仅少量力作用到盖板上。
在本发明的一种实施方式中，在铆钉的杆部的扩展部与盖板之间中间支承至少一个密封环用于填充开口的密封。
在此可以将密封环理解为附加的元件用于提高在铆钉杆部的扩展部与盖板表面之间的间隙的密封作用。使用密封环的优点是进一步改善的密封作用，以便阻止电解质从电池单池流出。密封环在此可以如此设计，是的密封环的内直径小于扩展部的直径并且典型地略大于杆部的直径，由此密封环通过铆钉的扩展部可以挤压到盖板的表面上。密封环和杆部在此优选同心地设置。在一个典型的实施变型方案中，密封环在将铆钉装入到填充开口中之前被推导铆钉的杆部上。对此必要的是，密封环的直径大于杆部的直径。
在按照本发明的一种实施方式中，密封环、铆钉以及盖板由相同材料构成。
在此优点在于，可以避免电流的或电化学过程和反应，该电流的或电化学过程和反应导致在不同材料之间的接触面上的腐蚀或不期望的电压的产生。这意味着，对于所述构件例如利用相同的合金。这阻止了由于附加的电流元素的腐蚀效应，该电流元素通过不同金属的直接接触产生。
在按照本发明的一种实施方式中，铆钉由抗电解质的塑料构成。
应用塑料的优点在于，该塑料可以是在电池单池的应用中对于金属材料的成本有利的和关于重量有利的备选，因为可以避免所述电化学效应以及由于电流元素的腐蚀效应。
按照本发明的一种实施方式，密封环由抗电解质的塑料构成。
在此特别是抗电解质的弹性体是可用的。这种弹性体例如可以包括含氟聚合物。例如由Dupontein公司销售商标名称为Viton的部分掺加FKM的抗多种电解质的耐抗的弹性体。
应该指出，分别一个密封环可以位于铆钉扩展部上的盖板的两侧上。通过这种方式可以进一步提高密封效果。而且可以代替唯一的密封环而将多个密封环组合以便提高密封作用。密封环可以设计为有弹性的并且由此在未拉伸的状态下在推导铆钉的杆部上之前具有比铆钉杆部相同或略小的内直径。
按照本发明的一种实施方式，所述铆钉是埋头铆钉。
埋头铆钉的优点在于，可以实现要铆接构件的仅仅一侧的铆接，而不必须在铆钉的相应的另一侧上应用工具。在应用中为此经常应用专门的埋头铆钉钳。
同样有利的是，在铆接过程中不产生剩余件或切屑，所述剩余件或切屑随后可以到达壳体内部中并且在那儿可以引起机械损坏或化学反应。不经埋头铆钉而且应用的工具是进一步扩展的并且成本有利地可用。
在本发明的一种实施方式中，所述埋头铆钉是杯式铆钉。
杯式铆钉可以理解为埋头铆钉的特别的实施方式，其中铆钉杆部的下端部是封闭的并因此构成杯的形状。
杯式铆钉用于在此提出的电池单池的优点在于，铆钉在朝向容器内部的侧上是封闭的并且因此可以气体密封和压力密封地封闭填充开口。相比于其他铆钉形式此外还提供的优点在于，通过铆接过程在壳体内部中没有留下废料或剩余件并因此不导致不期望的反应或电池功能的损坏。
此外提出一种用于密封电池单池的电池壳体的方法。该电池单池具有：缠绕元件，该缠绕元件由缠绕的堆构成，该缠绕的堆由以阳极材料涂覆的第一薄膜、以阴极材料涂覆的第二薄膜和两个用作隔膜的塑料薄膜构成。电池单池此外还具有电解质、两个集电器，其中一个集电器与第一薄膜导电连接而另一个集电器与第二薄膜导电连接。电池单池此外还具有壳体，该壳体具有容器和顶盖装置，其中容器具有开口，缠绕元件和两个集电器通过该开口在电池单池的制造期间能够装入到壳体中。在此构造顶盖装置以气体密封地和压力密封地封闭容器的开口并且所述顶盖装置具有盖板。盖板具有用于将电解质填充到壳体中的填充开口。该方法具有以下步骤：通过铆接气体密封地和压力密封地封闭所述填充开口。
按照本发明的一种实施方式，所述铆接具有如下步骤：
将铆钉的杆部导入到填充开口中，其中铆钉在导入状态下在杆部的第一端部上在盖板的与容器背离的侧上具有扩展部，该扩展部的径向直径大于填充开口的直径。其中铆钉的杆部的直径在此小于填充开口的直径。
换而言之，在杆部的一侧上具有扩展部形式的铆钉头的铆钉以杆部插入到填充开口中，从而铆钉头或扩展部与盖板的表面接触。在密封环的应用中，该密封环提前推到铆钉杆部上，以便随后位于铆钉的扩展部与盖板的表面之间。
在下一步骤中，在盖板的朝向容器的侧上扩展杆部的第二端部，从而杆部的第一端部的扩展部连同杆部的第二端部的扩展部以及杆部气体密封和压力密封地封闭填充开口。在此第二扩展部的径向直径大于填充开口的直径。
按照本发明的另一方面，机动车具有按照本发明的电池单池。
原则上按照本发明的电池单池可以用于多种另外的移动或静止应用。为此属于此的在移动领域中例如是海上应用或电动摩托车以及另外的运动或娱乐装置。
应该指出，按照本发明的电池单池的可能的特征和优点在此依照不同实施方式进行描述。本领域内技术人员应该理解为，各个特征可以以适合的方式相互组合或交换，以便通过这种方式实现另外的实施方式和可能的最佳组合效果。
附图说明
以下依照附图描述本发明的实施方式，其中说明书和附图都不应解释为对本发明的限制。
图1示出了锂离子电池单池的分解图；
图2示出了在按照本发明的实施方式的电池单池铆接之前具有铆钉和密封环的填充开口的截面图；
图3示出了在按照本发明的实施方式的电池单池铆接之后具有铆钉和密封环的填充开口的截面图；
图4示出了在按照本发明的实施方式的电池单池铆接之后具有铆钉和布置在盖板内侧上的密封环的填充开口的截面图；
图5示出了在按照本发明的实施方式的电池单池铆接之后具有铆钉而没有密封环的填充开口的截面图；
图6示出了具有按照本发明的实施方式的电池的机动车。
附图仅仅是示意的并且不是按照正确比例的。相同的附图标记在附图中表示相同或作用相同的特征。
具体实施方式
图1示出了常规的锂离子电池单池的分解图。可以看出，电池单池由多个单个的构件组成。在此仅仅描述对于本发明的实施方式的理解必要的构件及其特征，而省去对电池单池的其余构件的描述。
电池单池1具有至少一个缠绕元件3，所述缠绕元件具有缠绕的堆5，所述缠绕的堆由以阳极材料涂覆的铜薄膜、以阴极材料涂覆的铝薄膜以及位于其之间的用作隔膜的塑料薄膜构成。
为了电气接触，铜薄膜和铝薄膜沿着缠绕轴线以相反的方向略微错开地相互堆叠，从而铜薄膜在窄侧上而铝薄膜在对置的窄侧上略微突出缠绕元件的相应的边缘。由铜制成的集电器7焊接到铜薄膜的突出的区域4上，从而该集电器与缠绕元件的阳极电气连接。由铝制成的第二集电器9焊接到铝薄膜的对置的突出的区域上，以便建立与缠绕元件3的阴极的电气接触。
设有两个集电器7、9的缠绕元件3随后通过开口14装入到向上打开的方形的容器13中。容器13随后以顶盖装置15封闭，所述顶盖装置除了盖板23之外还包括一些另外的构件。盖板23在此以其边缘焊接到容器的内表面上。容器13以及盖板23由金属板形成，以便此外可以对抗化学侵蚀的电解质。
盖板23此外具有填充开口25，当盖板23固定在容器13上之后，电解质通过该填充开口可以填充到由容器13和顶盖装置15形成的壳体11的内部中。填充开口25例如构造有圆形横截面并且具有大约5毫米的直径。
在常规的电池单池中借助于球体26封闭填充开口25，所述球体具有比填充开口25略大的直径。球体26在此被压入到填充开口25中并且随后环绕地与盖板23焊接。
在图2和图3中示出了用于密封地封闭按照本发明的一种示例性的实施方式的电池单池的填充开口2的铆接/密封装置30。铆钉31的杆部35容纳到填充开口25中。铆钉31在其上侧上具有扩展部32，该扩展部具有支承区域49，该支承区域通过密封环34与盖板23的表面接触。如图2所示的铆钉在铆接之前仅仅具有扩展部32。铆钉的另一端部可以视为杆部35的延长部。这允许在铆接之前将铆钉导入到开口中。
此外，铆钉具有长形的空腔36，该空腔沿轴向穿过铆钉内部走向。在这里示出的杯式铆钉的情况下，铆钉的这里下面示出的第二端部在其端侧上封闭。空腔36因此不是贯通的，而是仅仅在其上端部上打开而在下端部上封闭。
空腔36在其下端部上具有扩宽部44。扩宽部44用于容纳销钉38的加宽的端部40，该销钉引导通过长形的空腔36。该销钉38在位置42上具有额定断裂位置。如果在铆接过程中销钉38以背向盖板的力46从空腔36拉出，那么销钉的加宽的部分40拉动铆钉31的以第二扩展部的在图3中示出的形式的下部分。在销钉38从空腔36的继续拉动中对应力如此提高，使得销钉在位置42断裂并且销钉38的加宽的部分40保留在产生的扩展部中。这具有的优点不仅在于，盖板仅仅一侧的铆接是可能的，而且还在于没有剩余部分由铆接过程产生并随后可能落入到容器中。
在图3中示出了在铆接之后的盖板和铆钉/密封环装置30。在此铆钉通过支承面49和48并且通过密封环34封闭盖板23中的开口25。在铆接之后仅仅销钉的分离的加宽的端部40位于空腔36中，该端部在位置42与销钉38分离。在铆接之后铆钉32现在具有第二扩展部33，该第二扩展部在内部包含孔44的用于容纳销钉40的加宽的端部的扩宽部的中。两个扩展部32和33在此在压力下通过杆部35相互连接，该杆部被引导穿过开口。
如由视图可见的那样，可以由此影响密封作用，即在支承面49和48之间以及密封环34与盖板23之间实现尽可能密封的和接近轮廓的接触。在此促成开口的气体密封的和压力密封的封闭，特别是通过第二扩展部33的封闭的表面。
代替在此示出的杯式铆钉（Becherniet）的变型方案，另外的铆接方法和变型方案也是可能的，例如锤击铆钉（Hammerschlagniet），其中销钉被钉入到铆钉中并且保留在那儿。由此实现了开口的封闭。同样可能的是顶杆铆钉（Zugdornniet），其中在铆钉端部突出的销钉通过拉动镦粗并且在额定断裂位置断裂。而且在此销钉的镦粗的端部封闭铆钉的孔或开口，以便实现气体密封的和压力密封的密封。
在图4中示出了本发明的另一种示例性的实施方式，其中密封环34在盖板23的内侧或下侧上在铆钉31的下扩展部33、特别是支承区域48与盖板23之间布置。在该情况下，上扩展部32特别是支承区域49与盖板23的表面直接机械接触。
除此之外，具有铆钉31的实施方式是可考虑的，其中两个或多个密封环3如此布置，从而使得所述密封环在支承面49或者说48与盖板23之间位于盖板23的上侧或下侧上。
图5示出了按照本发明的一种示例性的实施方式，其中铆钉31在没有密封环的情况下以其相应的扩展部32和33、特别是以支承面49和48与盖板23直接贴靠。
图6示出了具有电池102的机动车100，所述电池由多个上述电池单池1组合而成。