DE102013208135B4

DE102013208135B4 - Batterie mit Überladungsschutz

Info

Publication number: DE102013208135B4
Application number: DE102013208135.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lange; Felix Eberle
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2033-05-04
Also published as: CN104134776B; CN104134776A; DE102013208135A1

Abstract

Batterie (1), umfassend- eine Batteriezelle (10) und- ein Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) mit einem Innenraum (21) zur Aufnahme der Batteriezelle (10),wobei die Batteriezelle (10) mindestens einen Stromableiter aufweist, welcher mit einer Sicherung (11) zum Unterbrechen eines Kurzschlussstroms versehen ist,wobei zwischen der Batteriezelle (10) und einer, den Innenraum (21) umgrenzenden Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ein Isolationsmittel (30) zum elektrischen Isolieren der Batteriezelle (10) von dem Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) vorgesehen ist, undwobei die Batterie (1) ein Lichtbogenlöschmittel (12) zum Löschen eines Lichtbogens umfasst,wobei das Lichtbogenlöschmittel (12) eine innere Schicht (12a) und eine äußere Schicht (12b) aufweist, wobei die äußere Schicht (12b) des Lichtbogenlöschmittels (12) die innere Schicht (12) des Lichtbogenlöschmittels (12) ummantelt, wobei die innere Schicht (12a) des Lichtbogenlöschmittels (12) aus einem Melamin-basierten Material und die äußere Schicht (12b) aus einem Silikonkautschuk ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
An Lithium-lonen-Batteriezellen werden zur Zulassung zum Transport und zum Einsatz in Kraftfahrzeugen diverse Tests durchgeführt. Unter anderem werden auch so genannte Abuse-Tests durchgeführt, mit welchen das Verhalten der Zellen unter Extremsituationen beurteilt wird.
Um Folgen einiger Abuse-Tests abzuschwächen, sind Mechanismen bekannt, welche in Extremsituationen den Stromfluss in die Zelle unterbrechen.
Die Druckschrift US 2011/0183192 A1 beschreibt ein Hartschalenbatteriezellengehäuse mit einer darauf ausgebildeten Oxidschicht und einer auf der Oxidschicht ausgebildeten, farbigen Versiegelungsschicht.
Die Druckschrift US 3 166 656 A beschreibt eine Sicherungspatrone mit einem Löschmittelkern, welcher ein Bindemittel umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Melaminharzen, Silikonharzen, Calciumsulfat und Mischungen davon.
Die US 2011 / 0 244 280 A1 zeigt eine Sekundärbatterie mit einer Sicherung.
Die JP H10- 3 901 A zeigt eine Hochtemperatursekundärbatterie.
Die EP 2 793 291 A2 zeigt ein wiederaufladbares Batteriemodul.
Die US 4 251 699 A zeigt ein Lichtbogenlöschmittel mit Dicyandiamid.
Die US 2011 / 0 244 286 A1 offenbart eine elektochemische Zelle mit einem elektrisch isolierenden Gehäuse.
Die EP 1 162 640 A1 beschreibt ein Löschmittel zum Abschrecken von Lichtbögen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Batterie, welche eine Batteriezelle und ein Hartschalenbatteriezellengehäuse mit einem Innenraum zur Aufnahme der Batteriezelle umfasst. Dabei weist die Batteriezelle mindestens einen Stromableiter auf, welcher mit einer Sicherung zum Unterbrechen eines Kurzschlussstroms versehen ist. Zwischen der Batteriezelle und einer, den Innenraum umgrenzenden Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ist dabei ein Isolationsmittel zum elektrischen Isolieren der Batteriezelle von dem Hartschalenbatteriezellengehäuse vorgesehen. Zudem umfasst die Batterie (mindestens) ein Lichtbogenlöschmittel zum Löschen eines Lichtbogens.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine für eine derartige Batterie geeignete Batteriezellensicherung sowie ein für eine derartige Batterie geeignetes Hartschalenbatteriezellengehäuse.
Durch die erfindungsgemäße Batterie, die erfindungsgemäße Batteriesicherung und das erfindungsgemäße Hartschalenbatteriezellengehäuse kann vorteilhafterweise eine Batteriezelle in Extremsituationen besser geschützt werden. Durch die Sicherung kann dabei das Risiko eines Kurzschlusses deutlich verringert werden. Durch das Isolationsmittel und das Lichtbogenlöschmittel kann zudem das Risiko von Lichtbögen innerhalb des Gehäuses deutlich reduziert. Dies kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass das Isolationsmittel die Batteriezelle von der den Innenraum begrenzenden Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuse elektrisch isoliert und auf diese Weise die Ausbildung von Lichtbögen zwischen der Batteriezelle, beispielsweise der Anode und/oder der Kathode beziehungsweise dem Zellwickel (Jelly-Roll) einerseits und dem Gehäuse andererseits behindert oder sogar verhindert. Falls dennoch, im Fall einer äußerst extremen Situation ein Lichtbogen auftreten sollte, kann dieser durch das Lichtbogenlöschmittel gelöscht werden. Insgesamt kann so vorteilhafterweise nicht nur die Ausschussrate bei der Zulassung der Batterie, sondern zudem auch die Sicherheit der Batterie in sonstigen Extremsituationen deutlich verbessert werden. Besonders vorteilhaft können derartige Batterien in großen Batteriesystemen eingesetzt werden, in denen eine Vielzahl von Batteriezellen, insbesondere zum Erreichen hoher Voltzahlen, beispielsweise von 400 V, miteinander verschaltet sind, da sie - beispielsweise auch bei hohen Spannungdiffenrenzen noch - eine Lichtbogenbildung und einen damit verbundenen Temperaturanstieg unterdrücken oder gar verhindern können und dadurch die Sicherheit erhöhen können.
Das Lichtbogenlöschmittel kann insbesondere ein Melamin-basiertes Material und/oder einen Silikonkautschuk umfassen. Beide Materialklassen weisen gegenüber hohen, bei der Ausbildung von Lichtbögen entstehenden Temperaturen eine hohe Stabilität auf und gute Lichtbogenlöschungseigenschaften (englisch: Arc Extinguishing Properties) auf, die ein Löschen eines entstehenden Lichtbogens bewirken können, indem sie beispielsweise schmelzen und/oder sich ausdehnen.
Melamin-basierte Materialien bieten zudem den Vorteil, dass diese bei der Zersetzung bei hohen Temperaturen nicht-ionisierbare Gase bilden, die sehr gute Lichtbogenlöschungseigenschaften bewirken können.
Im Rahmen einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Lichtbogenlöschmittel ein Melamin-basiertes Material. Insbesondere kann das Lichtbogenlöschmittel ein Melamin-basiertes Polymer umfassen.
Bei Silikonkautschuken kann hingegen vorteilhafterweise die mechanische Festigkeit und Robustheit sehr gut eingestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Lichtbogenlöschmittel einen Silikonkautschuk. So können vorteilhafterweise einerseits eine gute Lichtbogenlöschung und andererseits gute Materialeigenschaften erzielt werden.
Erfindungsgemäß weist das Lichtbogenlöschmittel eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf. Dabei ummantelt die äußere Schicht des Lichtbogenlöschmittels die innere Schicht des Lichtbogenlöschmittels. Die innere Schicht des Lichtbogenlöschmittels ist dabei aus einem Melamin-basierten Material, insbesondere Polymer, ausgebildet. Die äußere Schicht des Lichtbogenlöschmittels ist dabei aus einem Silikonkautschuk ausgebildet. So können vorteilhafterweise die sehr guten Lichtbogenlöschungseigenschaften von Melamin-basierten Materialien mit der sehr gut einzustellbaren, mechanischen Festigkeit und Robustheit von Silikonkautschuken verbunden werden. Dadurch, dass die äußere Schicht aus Silikonkautschuk ausgebildet und somit elastisch ist, kann zudem vorteilhafterweise bewirkt werden, dass aus Melamin-basierten Material entstehendes Lichtbogen löschendes Gas am Lichtbogen-Entstehungsort gehalten wird und dadurch seine Lichtbogen löschende Wirkung noch besser entfalten kann.
Im Rahmen einer anderen nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das Lichtbogenlöschmittel ein Melaminharz-Silikonkautschuk-Copolymer oder ein Melaminharz-Silikonkautschuk-Polymerblend. So können die Vorteile der beiden Stoffklassen vorteilhafterweise in einem Material vereint werden.
Grundsätzlich kann die Batterie sowohl ein Lichtbogenlöschmittel als auch mehrere Lichtbogenlöschmittel aufweisen.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist die Sicherung mit einem Lichtbogenlöschmittel zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet. So kann vorteilhafterweise im Fall eines Auslösens der Sicherung, die Bildung eines Lichtbogens zwischen den Enden der ausgelösten Sicherung verhindert werden.
Das Lichtbogenlöschmittel der Sicherung kann dabei beispielsweise wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein. Zum Beispiel kann die Sicherung mit dem Lichtbogenlöschmittel, insbesondere vollständig, ummantelt sein. Beispielsweise kann die innere Schicht des Lichtbogenlöschmittels, insbesondere direkt, auf der Sicherung aufgebracht ist.
Der mit der Sicherung ausgestattete Stromableiter kann beispielsweise aus Aluminium ausgebildet und/oder der Kathodenstromableiter der Batteriezelle, sein.
Die Sicherung kann beispielsweise aus Aluminium und/oder dem Material des damit ausgestatten Stromableiters ausgebildet sein.
Durch das Isolationsmittel in Form einer Art von Innenisolierung kann vorteilhafterweise eine Bildung von Lichtbögen zwischen der Batteriezelle, insbesondere der Anode beziehungsweise dem Zellwickel, reduziert oder gar verhindert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Isolationsmittel eine auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildete Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material. Die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildete Isolationsschicht kann insbesondere eine, beispielsweise durch anodische Oxidation hergestellte, zum Beispiel eloxierte, Oxidschicht oder eine Pulverbeschichtung sein.
Beispielsweise kann die Isolationsschicht durch Eloxieren beziehungsweise Anodisieren, also Oxidieren, des Hartschalenbatteriezellengehäuses, insbesondere eines Gehäusegrundkörpers des Hartschalenbatteriezellengehäuses, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt werden. Das Eloxieren beziehungsweise Anodisieren des Hartschalenbatteriezellengehäuses kann beispielsweise in wässrigen Elektrolyten durchgeführt werden. Abhängig von den Reaktionsbedingungen, dem verwendeten Elektrolyt oder den Additiven ist die dabei entstehende Oxidschicht, beispielsweise Aluminiumoxidschicht, porös (englisch: Porous Oxides) oder nicht-porös beziehungsweise dicht (englisch: Barrier Oxides). Auch die Härte der Oxidschicht, beispielsweise Aluminiumoxidschicht, kann dabei über die Reaktionsbedingungen kontrolliert werden.
Es ist jedoch ebenso möglich die Innenwandung beziehungsweise Innenseite des Hartschalenbatteriezellengehäuses, insbesondere eines Gehäusegrundkörpers des Hartschalenbatteriezellengehäuses, mit einer Pulverbeschichtung zu versehen. Beim Pulverbeschichten kann das Hartschalenbatteriezellengehäuse, insbesondere ein Gehäusegrundkörper des Hartschalenbatteriezellengehäuses, insbesondere elektrostatisch aufgeladen und zum Beispiel mit einem Epoxid- und/oder Polyesterharz beschichtet werden.
Die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildete Isolationsschicht kann insbesondere eine Schichtdicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm aufweisen.
Ebenso ist es möglich zwei oder mehr Isolationsschichten vorzusehen. Beispielsweise kann eine Oxidschicht, beispielsweise Aluminiumoxidschicht, welche durch Eloxieren beziehungsweise Anodisieren der Oberfläche des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildet ist, zusätzlich pulverbeschichtet werden. Auf diese Weise können vorteilhafterweise Poren und/oder Störungen der Oxidschicht, insbesondere komplett, mit der Pulverbeschichtung verschlossen und so die elektrische Isolierung durch das Isolationsmittel verbessert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Isolationsmittel zusätzlich eine weitere Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material, welche auf der, auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildeten Isolationsschicht aufgebracht ist. Dabei kann die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses ausgebildete Isolationsschicht eine, insbesondere durch anodische Oxidation hergestellte, beispielsweise eloxierte, Oxidschicht sein. Die weitere Isolationsschicht kann dabei eine Pulverbeschichtung sein.
Die weitere Isolationsschicht kann insbesondere ebenfalls eine Schichtdicke in einem Bereich von ≥ 1 µm bis ≤ 100 µm aufweisen.
Im Rahmen einer anderen, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst das Isolationsmittel eine in den Innenraum des Hartschalenbatteriezellengehäuses einsetzbare Einlage (englisch: Inlay) aus einem elektrisch isolierenden Material. Die Einlage kann beispielsweise aus einem Kunststoff ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausstattung der Sicherung mit einem Lichtbogenlöschmittel ist im Rahmen einer weiteren Ausführungsform das Isolationsmittel mit einem Lichtbogenlöschmittel zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet. So kann vorteilhafterweise auch falls trotz der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Isolationsmittels dennoch ein Lichtbogen zwischen der Batteriezelle und dem Hartschalenbatteriezellengehäuse ausbildbar sein sollte, die Bildung des Lichtbogens durch das Lichtbogenlöschmittel des Isolationsmittels behindert beziehungsweise verhindert werden.
Das Lichtbogenlöschmittel des Isolationsmittels kann dabei ebenfalls wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein. Das Lichtbogenlöschmittel des Isolationsmittels kann dabei beispielsweise auf einer Isolationsschicht oder der Einlage aufgebracht sein. Beispielsweise kann dabei die innere Schicht des Lichtbogenlöschmittels des Isolationsmittels, insbesondere direkt, auf einer Isolationsschicht oder der Einlage aufgebracht sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist das Hartschalenbatteriezellengehäuse eine elektrisch leitende Membran und ein elektrisch leitendes Kontaktelement auf. Die Membran kann dabei mit einem Pol, insbesondere dem Pluspol, des Hartschalenbatteriezellengehäuses und das Kontaktelement mit dem anderen Pol, insbesondere dem Minuspol, des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein.
In einer Ausgangsstellung kann dabei die Membran insbesondere beabstandet zu dem Kontaktelement angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Membran in der Ausgangsstellung in Richtung des Innenraums des Hartschalenbatteriezellengehäuses gewölbt sein. In einer ausgelösten Stellung kann die Membran insbesondere das Kontaktelement kontaktieren. Zum Beispiel kann die Membran dabei nach Außen gewölbt sein. Bei einer gewölbten Ausgestaltung der Membran kann der Übergang von der Ausgangsstellung in die ausgelöste Stellung beispielsweise durch einen Druckanstieg im Innenraum des Hartschalenbatteriezellengehäuses bewirkbar sein.
Ein Stromableiter der Batteriezelle kann insbesondere mit dem einen Pol des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Zudem kann dieser Stromableiter der Batteriezelle insbesondere mit der Membran elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Der andere Stromableiter der Batteriezelle kann insbesondere mit dem anderen Pol des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Zudem kann der andere Stromableiter der Batteriezelle insbesondere mit dem Kontaktelement elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein.
Der mit der Sicherung versehene Stromableiter der Batteriezelle kann insbesondere über die Sicherung mit dem Pol des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist der mit der Sicherung versehene Stromableiter der Kathodenstromableiter der Batteriezelle. Dabei kann der Kathodenstromableiter insbesondere über die Sicherung mit dem Pluspol des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Insbesondere kann dabei der Kathodenstromableiter auch mit der Membran elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Der andere Stromableiter kann dabei insbesondere der Anodenstromableiter der Batteriezelle sein. Dabei kann der Anodenstromableiter insbesondere mit dem Minuspol des Hartschalenbatteriezellengehäuses elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein. Insbesondere kann dabei der Anodenstromableiter auch mit dem Kontaktelement elektrisch leitend verbunden oder verbindbar sein.
Die Batteriezelle kann insbesondere eine Wickelzelle und/oder eine Lithium-Ionen-Zelle sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Wickelzelle ist.
Das Hartschalenbatteriezellengehäuse (englisch: Cell Can) kann im Wesentlichen, beispielsweise abgesehen von elektrischen Kontakten, wie den Polen, sowie elektrischen Isolatoren, aus Aluminium ausgebildet sein. Insbesondere kann das Hartschalenbatteriezellengehäuse einen den Innenraum ausbildenden Gehäusegrundkörper aus Aluminium aufweisen. Darüber hinaus kann das Hartschalenbatteriezellengehäuse beispielsweise einen, insbesondere den Innenraum verschließenden, Deckel aus Aluminium aufweisen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie, wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezellensicherung und dem erfindungsgemäßen Hartschalenbatteriezellengehäuse sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand ist eine Batteriezellensicherung, welche eine Melamin-basierte Schicht aus einem Melamin-basierten Material, insbesondere einem Melamin-basierten Polymer, und eine Silikonkautschukschicht aus einem Silikonkautschuk umfasst, wobei die Melamin-basierte Schicht, insbesondere direkt, auf die Sicherung aufgebracht ist und wobei die Silikonkautschukschicht die Melamin-basierte Schicht ummantelt. Die Sicherung kann dabei beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batteriezellensicherung, wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und dem erfindungsgemäßen Hartschalenbatteriezellengehäuse sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Hartschalenbatteriezellengehäuse mit einem Innenraum zur Aufnahme einer Batteriezelle und einer, den Innenraum umgrenzenden Innenwandung, wobei auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses eine Oxidschicht ausgebildet ist, wobei auf der Oxidschicht eine Beschichtung, insbesondere eine Pulverbeschichtung, aus einem elektrisch isolierenden Material und/oder einem Lichtbogen löschenden Material aufgebracht ist.
Die Oxidschicht kann dabei insbesondere durch anodische Oxidation hergestellt sein. Beispielsweise kann die Oxidschicht eine durch ein Eloxalverfahren hergestellte beziehungsweise eloxierte Oxidschicht sein.
Die Beschichtung, insbesondere die Pulverbeschichtung, kann als Lichtbogen löschendes Material beispielsweise ein Melamin-basiertes Material, insbesondere ein Melamin-basiertes Polymer, und/oder einen Silikonkautschuk umfassen.
Zum Beispiel kann die Beschichtung, insbesondere die Pulverbeschichtung, eine innere/untere Schicht und eine äußere/obere Schicht umfassen, wobei die innere Schicht aus einem Melamin-basierten Material und die äußere Schicht aus einem Silikonkautschuk ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Beschichtung, insbesondere die Pulverbeschichtung, jedoch auch ein Melaminharz-Silikonkautschuk-Copolymer oder ein Melaminharz-Silikonkautschuk-Polymerblend umfassen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Hartschalenbatteriezellengehäuses, wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batterie und der erfindungsgemäßen Batteriezellensicherung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Ausgangsstellung;
2 die in 1 gezeigte Batterie in einer ausgelösten Stellung;
3a eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezellensicherung;
3b eine schematische, perspektivische Ansicht der in 3a gezeigten Batteriezellensicherung;
3c einen stark schematisierten Querschnitt durch die in 3a und 3b gezeigte Batteriezellensicherung;
4 eine chemische Strukturformel eines Melamin-basierten Polymers; und
5 eine chemische Strukturformel eines Silikonkautschuks.

1 zeigt eine Batterie 1, welche ein Hartschalenbatteriezellengehäuse 20 mit einem Innenraum 21 zur Aufnahme einer Batteriezelle 10 und eine in dem Innenraum 21 angeordnete Batteriezelle 10 umfasst. Die Batteriezelle 10 kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Wickelzelle, eine so genannte Jelly-Roll, sein.
1 deutet an, dass die Batteriezelle 10 zwei Stromableiter aufweist, von denen einer mit einer Sicherung 11 zum Unterbrechen eines Kurzschlussstroms versehen ist. Über die Sicherung 11 ist dieser Stromableiter mit einem Pol 24 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 elektrisch leitend verbunden. Der andere Stromableiter ist dabei mit dem anderen Pol 25 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 elektrisch leitend verbunden, welcher bezüglich eines den Innenraum 21 ausbildenden metallischen Gehäusegrundkörpers des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20, zum Beispiel aus Aluminium, durch ein Isolierungselement 26 elektrisch isoliert ist.
Der mit der Sicherung 11 versehene Stromableiter kann insbesondere der Kathodenstromableiter der Batteriezelle 10 und mit dem Pluspol 24 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 elektrisch leitend verbunden sein. Dementsprechend kann der andere Stromableiter der Anodenstromableiter der Batteriezelle 10 und mit dem Minuspol 25 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 elektrisch leitend verbunden sein.
1 zeigt, dass das Hartschalenbatteriezellengehäuse 20 weiterhin eine elektrisch leitende Membran 22 aufweist, welche in der gezeigten Ausgangsstellung, also einem fehlerfreien Zustand, nach Innen beziehungsweise in Richtung des Innenraums 21 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 gewölbt ist und bezüglich eines elektrisch leitenden Kontaktelements 23 beabstandet angeordnet ist.
Über das Hartschalenbatteriezellengehäuse 20, insbesondere dessen Gehäusegrundkörper, ist die Membran 22 mit dem Pluspol 24 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 und mit dem, mit der Sicherung 11 ausgestatteten Stromableiter (Kathodenstromableiter) der Batteriezelle 10 elektrisch leitend verbunden. Das Kontaktelement 23 ist dabei mit dem Minuspol 25 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 und mit dem anderen Stromableiter (Anodenstromableiter) der Batteriezelle 10 elektrisch leitend verbunden. Durch das Isolierungselement 26 ist dabei das Kontaktelement 23 von dem Gehäusegrundkörper des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 und damit der Membran 23 und dem Pluspol 24 des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 sowie der Sicherung 11 und dem Kathodenstromableiter der Batteriezelle 10 elektrisch isoliert.
1 zeigt, dass weiterhin zwischen der Batteriezelle 10 und einer, den Innenraum 21 umgrenzenden Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20, insbesondere von dessen Gehäusegrundkörper, ein Isolationsmittel 30 zum elektrischen Isolieren der Batteriezelle 10 von dem Hartschalenbatteriezellengehäuse 20 vorgesehen ist, welche eine Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 ausgebildet ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Schichtsystem aus zwei Isolationsschichten handeln (nicht dargestellt), welches zusätzlich zu der, auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 ausgebildeten Isolationsschicht eine weitere Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, welche auf der, auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 ausgebildeten Isolationsschicht aufgebracht ist. Die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 ausgebildete Isolationsschicht kann dabei insbesondere eine Oxidschicht und die weitere Isolationsschicht eine Pulverbeschichtung sein.
1 deutet weiterhin an, dass die Sicherung 11 mit einem Lichtbogenlöschmittel 12 zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet, beispielsweise ummantelt, ist. Das Lichtbogenlöschmittel 12 kann dabei insbesondere ein Melamin-basiertes Polymer und/oder einen Silikonkautschuk umfassen. Zusätzlich zu der Sicherung 11 kann auch das Isolationsmittel 30 mit einem Lichtbogenlöschmittel zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet sein (nicht dargestellt).
2 zeigt die in 1 in der Ausgangsstellung gezeigte Batterie in einer ausgelösten Stellung.
2 veranschaulicht, dass in der ausgelösten Stellung die Membran 22 nach Außen gewölbt ist und das Kontaktelement 23 kontaktiert. Das Umwölben beziehungsweise nach Außen Drücken der Membran 22 von der Ausgangsstellung in die ausgelöste Stellung kann insbesondere durch einen erhöhten Druck in der Zelle 10 und damit im Innenraum des Hartschalenbatteriezellengehäuses 20 bewirkt werden. Eine derartige, durch die Membran 22 und das Kontaktelement 23 ausgebildete Einrichtung kann auch als OSD (englisch: Overcharge Safety Device) oder CID (englisch: Current Interruptive Device) bezeichnet werden.
Dadurch, dass die Membran 22 in der ausgelösten Stellung das Kontaktelement 23 kontaktiert wird die Membran 22 elektrisch leitend mit dem Minuspol 25 verbunden. Das Kontaktelement 23 weist dabei vorzugsweise einen geringeren elektrischen Widerstand als die Batteriezelle 10 beziehungsweise deren chemisch aktiven Teile (Jelly-Roll) auf. Die Pfeile in 2 veranschaulichen, dass dadurch bewirkt werden kann, dass ein an den Polen 24,25 angelegter Strom, beispielsweise Ladestrom, nicht mehr durch die Zelle 10, sondern durch das Hartschalenbatteriezellengehäuse 20, insbesondere dessen Gehäusegrundkörper, fließt.
Die andersartigen Pfeile in 2 veranschaulichen, dass jedoch gleichzeitig ein Kurzschluss über die Zelle 10 entsteht, welcher ohne die Sicherung 11 aus der Zelle 10 durch das Hartschalenbatteriezellengehäuse 20, insbesondere dessen Gehäusegrundkörper, über die Membran 22 fließen würde und diese zerstören könnte, was durch ein Auslösen der Sicherung 11 jedoch vorteilhafterweise vermieden werden kann. Neben einem Überladen der Zelle 10 kann die Zellsicherung 11 auch durch einen externen Kurzschluss, das heißt durch eine leitende Verbindung zwischen Pluspol 24 und Minuspol 25 mit einem sehr geringen Widerstand, ausgelöst werden.
Die 3a und 3b zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezellensicherung 11, welche mit einem Lichtbogenlöschmittel 12 versehen ist und auch als ARSD (englisch: Arc Remocal Safety Device) bezeichnet werden kann. Durch eine derartige mit einem Lichtbogenlöschmittel 12 versehene Sicherung 11 kann vorteilhafterweise zumindest im Fall eines Auslösens der Sicherung 11 die Bildung eines Lichtbogens an den Enden der ausgelösten Zellsicherung 11 verhindert werden. Eine derartige Sicherung 11,12 kann beispielsweise am Kathodenstromkollektor einer Batteriezelle 10 angebracht werden und mit dem Lichtbogenlöschmittel 12 umschmolzen sein. Beim Auslösen der Sicherung 11 kann dann das Lichtbogenlöschmittel 12 schmelzen, sich ausdehnen und/oder vergasen und so den entstehenden Lichtbogen löschen und dadurch auch einen Anstieg der Temperatur verhindern oder zumindest vermindern.
3c veranschaulicht, dass dabei das Lichtbogenlöschmittel 12 eine innere Schicht 12a und eine äußere Schicht 12b aufweist, wobei die äußere Schicht 12b des Lichtbogenlöschmittels 12 die innere Schicht 12a des Lichtbogenlöschmittels 12 ummantelt. Die innere Schicht 12a des Lichtbogenlöschmittels 12 kann dabei insbesondere aus einem Melamin-basierten Material und die äußere Schicht 12b aus einem Silikonkautschuk ausgebildet sein. 3c zeigt, dass dabei die innere Schicht 12a des Lichtbogenlöschmittels 12 direkt auf der Sicherung 11 aufgebracht ist.
4 zeigt eine chemische Strukturformel eines Melamin-basierten Polymers, welches durch Polymerisation von Melamin mit Formaldehyd herstellbar ist und als Lichtbogen löschendes Mittel insbesondere zur Ausbildung des Lichtbogenlöschmittels 12 verwendet werden kann.
5 zeigt eine chemische Strukturformel eines Silikonkautschuks, welcher ebenfalls als Lichtbogen löschendes Mittel insbesondere zur Ausbildung des Lichtbogenlöschmittels 12 verwendet werden kann.

Claims

Batterie (1), umfassend - eine Batteriezelle (10) und - ein Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) mit einem Innenraum (21) zur Aufnahme der Batteriezelle (10), wobei die Batteriezelle (10) mindestens einen Stromableiter aufweist, welcher mit einer Sicherung (11) zum Unterbrechen eines Kurzschlussstroms versehen ist, wobei zwischen der Batteriezelle (10) und einer, den Innenraum (21) umgrenzenden Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ein Isolationsmittel (30) zum elektrischen Isolieren der Batteriezelle (10) von dem Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) vorgesehen ist, und wobei die Batterie (1) ein Lichtbogenlöschmittel (12) zum Löschen eines Lichtbogens umfasst, wobei das Lichtbogenlöschmittel (12) eine innere Schicht (12a) und eine äußere Schicht (12b) aufweist, wobei die äußere Schicht (12b) des Lichtbogenlöschmittels (12) die innere Schicht (12) des Lichtbogenlöschmittels (12) ummantelt, wobei die innere Schicht (12a) des Lichtbogenlöschmittels (12) aus einem Melamin-basierten Material und die äußere Schicht (12b) aus einem Silikonkautschuk ausgebildet ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei die Sicherung (12) mit einem Lichtbogenlöschmittel (12) zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Isolationsmittel (30) eine auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ausgebildete Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ausgebildete Isolationsschicht eine Oxidschicht oder eine Pulverbeschichtung ist.
Batterie nach Anspruch 3, wobei das Isolationsmittel (30) zusätzlich eine weitere Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, welche auf der, auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ausgebildeten Isolationsschicht aufgebracht ist, wobei die auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) ausgebildete Isolationsschicht eine Oxidschicht und die weitere Isolationsschicht eine Pulverbeschichtung ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Isolationsmittel (30) eine in den Innenraum (21) des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) einsetzbare Einlage aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Isolationsmittel (30) mit einem Lichtbogenlöschmittel zum Löschen eines Lichtbogens ausgestattet ist, wobei das Lichtbogenlöschmittel auf einer Isolationsschicht oder der Einlage aufgebracht ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) eine elektrisch leitende Membran (22) und ein elektrisch leitendes Kontaktelement (23) aufweist, wobei die Membran (22) mit einem Pol (24) des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) und das Kontaktelement (23) mit dem anderen Pol (25) des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist, wobei die Membran (22) in einer Ausgangsstellung beabstandet zu dem Kontaktelement (23) ist und wobei die Membran (22) in einer ausgelösten Stellung das Kontaktelement (23) kontaktiert, wobei der mit der Sicherung (11) versehene Stromableiter der Batteriezelle (10) über die Sicherung (11) mit einem Pol (24) des Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) und der andere Stromableiter der Batteriezelle (10) mit dem anderen Pol (25) des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mit der Sicherung (11) versehene Stromableiter der Kathodenstromableiter der Batteriezelle (10) ist und über die Sicherung (11) mit dem Pluspol (24) des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) elektrisch leitend verbunden oder verbindbar ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Batteriezelle (10) eine Lithium-Ionen-Wickelzelle ist.
Batteriezellensicherung (11), insbesondere für eine Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend eine Melamin-basierte Schicht (12a) aus einem Melamin-basierten Material und eine Silikonkautschukschicht (12b) aus einem Silikonkautschuk, wobei die Melamin-basierte Schicht (12a) auf die Sicherung (11) aufgebracht ist und wobei die Silikonkautschukschicht (12b) die Melamin-basierte Schicht (12a) ummantelt.
Hartschalenbatteriezellengehäuse (20) für eine Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Innenraum (21) zur Aufnahme einer Batteriezelle (10) und einer, den Innenraum (21) umgrenzenden Innenwandung, wobei auf der Innenwandung des Hartschalenbatteriezellengehäuses (20) eine Oxidschicht ausgebildet ist, wobei auf der Oxidschicht eine Pulverbeschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material und/oder einem Lichtbogen löschenden Material aufgebracht ist.