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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Lithium-Ionen-Zelle wird mittels eines Gehäuses, eine Flachzelle beispielsweise mittels eines Beutels oder eines Rahmens, eine zylindrische Rundzelle mittels eines Aluminiumgehäuses geometrisch gehalten und gleichzeitig von der die Lithium-Ionen-Zelle umgebenden Atmosphäre getrennt. Dies ist notwendig, um jede Reaktion der Anode, der Kathode und/oder des Elektrolyts mit der Atmosphäre zu unterbinden, da eine solche zu vorzeitiger und starker Alterung oder Kapazitätsabfall führt.
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Eine Überladung und/oder ein Kurzschluss können zu einer Explosion einer Lithium-Ionen-Zelle führen. Deshalb weist üblicherweise jede Lithium-Ionen-Zelle eine Bersteinrichtung, z. B. eine gezielt ausgebildete Schwächung der Wandstärke als eine Sollbruchstelle auf, um bei einem Überdruck innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle, beispielsweise durch Überladung und/oder Kurzschluss, einen definierten Druckabbau vorzunehmen.
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Bei zylindrischen Rundzellen besteht die Sollbruchstelle aus einer am Umfang umlaufenden, linienförmigen Schwächung, die bei einem Überdruck von 14 bar innerhalb der Rundzelle dazu führt, dass der Boden topfförmig abgesprengt wird. Ein Teil der inneren Elektrode ist fest mit diesem abgesprengten, topfförmigen Boden verbunden und wird bei der Absprengung aus der übrigen Lithium-Ionen-Zelle entfernt. Dies führt zu einer Stromunterbrechung innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle, so dass eine Explosion der Lithium-Ionen-Zelle verhindert und ein sicherer Zustand der defekten Lithium-Ionen-Zelle erreicht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten, insbesondere weitgehend sicheren Energiespeicher anzugeben.
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Hinsichtlich des Energiespeichers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Energiespeicher, umfassend zumindest eine in einem Behälter angeordnete elektrochemische Zelle, die eine Bersteinrichtung aufweist, ist die Zelle mittels eines Halteelements derart im Behälter gehalten, dass die Bersteinrichtung erfindungsgemäß von einem Freiraum umgeben ist, so dass ein unbehindertes Bersten der Bersteinrichtung innerhalb des Behälters ermöglicht ist. Somit ist die Zelle innerhalb des Behälters sicher gehalten, wobei die Zelle stets einen Abstand zum Behälter aufweist.
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Darüber hinaus ist sichergestellt, dass eine bestimmungsgemäße Funktion der in die Zelle integrierten Berst- bzw. Überdruckentlastungseinrichtung ausgeführt werden kann, da das Halteelement die Funktion der Überdruckentlastungseinrichtung der Zelle weder be- noch verhindert.
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Die aus gewickelten oder gestapelten Elektrodenfolien gebildete Zelle bewegt sich relativ zum Behälter, diese Bewegung ist mittels des Halteelements vorteilhafterweise in zumindest einem oder mehreren Freiheitsgraden beschränkt, so dass die Überdruckentlastungseinrichtung stets einen zur bestimmungsgemäßen Funktion notwendigen Freiraum erhält.
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Besonders vorteilhafterweise ist die Zelle mittels des Halteelements derart im Behälter fixiert, dass die Zelle in jeder beliebigen Einbaulage, beispielsweise senkrecht oder waagerecht, innerhalb der Batterie anordbar und fixierbar ist.
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Mittels des Halteelements ist die Zelle innerhalb des Behälters auch bei Einwirkung einer Belastung derart in einer konstruktiv definierten Position fixiert, dass eine aus solchen Zellen gebildete Batterie den in den einschlägigen Gesetzen beschriebenen und definierten Belastungen, beispielsweise einem Falltest oder der Einwirkung einer definierten Last, standhält.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Halteelement in einen Anschlussflansch der Zelle integriert, wodurch eine Montage der Zellen im Behälter vereinfacht ist und die Montagezeit und die daraus resultierenden Kosten verringert sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine in einem Behälter angeordnete Zelle mit einem im unteren Bereich angeordneten Halteelement,
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2 schematisch eine Zelle mit einem in einen Hauptflansch integrierten Halteelement in einem Behälter und
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3 schematisch eine Zelle mit einem im unteren Bereich formschlüssig angeordneten und im Schnitt dargestellten Halteelement.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine in einem Behälter 9 angeordnete elektrochemische Zelle 1 mit einem im unteren Bereich angeordneten Halteelement 2 dargestellt.
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Die Zelle 1 ist beispielsweise eine herkömmliche zylindrische Rundzelle mit einem Metallgehäuse, in dessen Inneren ein nicht dargestellter Wickel aus Elektrodenfolien unterschiedlicher Polarität angeordnet ist.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist die Zelle 1 eine herkömmliche Flachzelle.
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An dem am oberen Ende der Zelle 1 angeordneten Anschlussflansch 3 sind die Polkontakte 4.1 und 4.2 zur elektrischen Kontaktierung der Zelle 1 angeordnet. Die Polkontakte 4.1 und 4.2 sind als herkömmliche Polkontakte mit Schraubanschluss und unterschiedlicher Polarität ausgeformt.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind die Polkontakte 4.1 und 4.2 nietenförmig ausgebildet.
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Ein Boden 5 der Zelle 1 ist als herkömmlicher topfförmiger Boden mit einem Durchmesser A, welcher kleiner ist als der Außendurchmesser B der übrigen Zelle 1, ausgeformt, wobei am Übergang vom Boden 5 zur Zelle 1 ein stufenförmiger Abschnitt 6 gebildet ist.
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In einem oberen Bereich des topfförmigen Bodens 5 ist eine als umlaufende, linienförmige Sollbruchstelle 7 ausgeformte Bersteinrichtung, insbesondere eine Überdruckentlastungseinrichtung angeordnet.
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Die Sollbruchstelle 7 ist als Materialschwächung der Zellwandung der Zelle 1 ausgeformt.
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Übersteigt ein Zellinnendruck einen Schwellwert, beispielsweise 14 bar, wird die Sollbruchstelle 7 zerstört und der Boden 5 von der übrigen Lithium-Ionen-Zelle 1 abgesprengt. Ein Teil des Elektrodenfolienwickels ist fest mit dem abgesprengten, topfförmigen Boden 5 verbunden und wird bei der Absprengung aus der übrigen Lithium-Ionen-Zelle 1 entfernt. Dies führt zu einer Stromunterbrechung innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle 1. Somit wird eine Explosion der Lithium-Ionen-Zelle 1 verhindert und ein sicherer Zustand der defekten Lithium-Ionen-Zelle 1 erreicht.
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Das Halteelement 2 ist in einem unteren Bereich am Außenumfang 8 der Zelle 1, vorzugsweise in einem vorgebbaren Abstand C zum Boden 5, form-, stoff- und/oder kraftschlüssig angeordnet.
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Ist die Zelle 1 eine Rundzelle, ist das Haltelement 2 als ein die Zelle 1 umlaufender Haltering ausgeformt.
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Ein nicht dargestellter Innendurchmesser des Halteelements 2 ist korrespondierend zum Außendurchmesser B der Zelle 1 ausgeformt.
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Um den während des Betriebs der Batterie auftretenden mechanischen Belastungen standzuhalten, ist das Halteelement 2 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt.
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Alternativ kann das Halteelement 2 aus einem Kunststoff, welcher vorteilhafterweise ein geringeres Gewicht als Aluminium aufweist, hergestellt sein.
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Um eine sichere, haltbare und belastungsresistente Verbindung zwischen Halteelement 2 und Zelle 1 zu ermöglichen, ist das Halteelement 2 mit der Zelle 1 verklebt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Halteelement 2 mit der Zelle 1 verschweißt sein.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Halteelement 2 mit der Zelle 1 verpresst sein, beispielsweise mittels eines Heißpressverfahrens.
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Die Zelle 1 ist innerhalb des Behälters 9 angeordnet, welcher die Zelle 1 vollumfänglich umschließt. Die Polkontakte 4.1 und 4.2 sind aus dem Behälter 9 herausgeführt. Die Zelle 1 ist mittels des Halteelements 2 derart im Behälter 9 gehalten, dass die Berst- oder Überdruckentlastungseinrichtung von einem Freiraum umgeben ist, so dass ein unbehindertes Bersten der Berst- bzw. Überdruckentlastungseinrichtung innerhalb des Behälters 9 ermöglicht ist.
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Im Betrieb der Zelle 1 bewegt sich die aus gewickelten oder gestapelten Elektrodenfolien gebildete Zelle 1 relativ zum Behälter 9. Durch das Halteelement 2 ist diese Bewegung in zumindest einem oder mehreren Freiheitsgraden beschränkt. Hierzu ist das Halteelement 2 derart auf der Zelle 1 und zum Behälter 9 angeordnet, dass die Zelle 1, der Behälter 9 und das Halteelement 2 unter einer von dem Halteelement 2 in horizontaler Richtung F ausgeübten Druckspannung stehen, durch die die Zelle 1 im Behälter 9 zumindest in horizontaler Richtung F und/oder in vertikaler Richtung G positioniert und gehalten ist. Hierdurch weist die Zelle 1 stets einen vorgebbaren Mindestabstand H zum Behälter 9 auf.
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Besonders vorteilhafterweise ist die Zelle 1 mittels des Halteelements 2 in jeder beliebigen Einbaulage des Behälters 9, beispielsweise senkrecht oder waagerecht, innerhalb der Batterie anordbar und fixierbar.
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Mittels des Halteelements 2 sind die Zellen 1 innerhalb der Batterie auch bei Einwirkung einer Belastung derart in einer konstruktiv definierten Position fixiert, dass eine solche Batterie den in den einschlägigen Gesetzen beschriebenen und definierten Belastungen, beispielsweise einem Falltest oder der Einwirkung einer definierten Last, standhält.
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Durch die Anordnung des Halteelements 2 im Abstand C zum Boden 5 und durch den Freiraum unterhalb des Bodens 5 im Behälter 9 ist ein Absprengen des Bodens 5 bei einem Zellinnendruck oberhalb des Schwellwerts sicher ermöglicht.
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Ein Querschnitt des die Zelle 1 vollumfänglich umlaufenden Halterelements 2 ist rechteckförmig.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Querschnitt des Halteelements 2 L-förmig ausgebildet sein.
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Das Halteelement 2 dient innerhalb des Behälters 9 als Distanzelement zwischen der Zelle 1 und der Wandung des Behälters 9.
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In 2 ist schematisch eine alternative Ausführungsform einer Zelle 1 in einem Behälter 9 und mit einem in den Anschlussflansch 3 integrierten Haltelement 2 dargestellt.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind der Anschlussflansch 3 und das Halteelement 2 als ein Bauteil ausgeführt und aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hergestellt. Dadurch ist eine Montage der Zellen 1 im Behälter 9 vereinfacht und die Montagezeit und die daraus resultierenden Kosten sind verringert.
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Zur Bildung des integrierten Bauteils aus Anschlussflansch 3 und Halteelement 2 ist der Anschlussflansch 3 derart verbreitet ausgebildet, dass ein über den Außenumfang 8 der Zelle 1 hinaus stehender Bereich des Anschlussflansches 3 das Halteelement 2 bildet.
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In 3 ist schematisch eine Zelle 1 mit einem im unteren Bereich des Bodens 5 formschlüssig angeordneten und im Schnitt dargestellten Haltelement 2 abgebildet.
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In dieser Ausführungsform ist das Haltelement 2 am stufenförmigen Abschnitt 6 angeordnet und L-förmig ausgeformt. Ein Innendurchmesser D des Haltelements 2 ist gegenüber dem Durchmesser A des Bodens 5 derart vergrößert, dass ein Absprengen des Bodens 5 an der Sollbruchstelle 7 bestimmungsgemäß ermöglicht ist.
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Ein Innendurchmesser E des Haltelements 2 ist korrespondierend zum Außendurchmesser B der Zelle 1 ausgeformt.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Haltelementen 2 am Außenumfang 8 der Zelle 1 angeordnet sein, beispielsweise ein Haltelement 2 im unteren Bereich der Zelle 1 und ein zweites in den Anschlussflansch 3 integriertes Haltelement 2 am oberen Ende der Zelle 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Halteelement
- 3
- Anschlussflansch
- 4.1 und 4.2
- Polkontakt
- 5
- Boden
- 6
- Abschnitt
- 7
- Sollbruchstelle
- 8
- Außenumfang
- 9
- Behälter
- A
- Durchmesser
- B
- Außendurchmesser
- C
- Abstand
- D
- Innendurchmesser
- E
- Innendurchmesser
- F
- horizontale Richtung
- G
- vertikale Richtung
- H
- Mindestabstand
