DE102013212956A1 - Zelle eines Energiespeichers für ein Fahrzeug - Google Patents

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Karsten Rowold
Michael Sternad
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Zelle (1) eines Energiespeichers (20) für ein Fahrzeug (10) umfasst einen Sensor (3–7), welcher vollständig innerhalb der Zelle (1) angeordnet ist. Der Sensor (3–7) ist ausgestaltet, um eine chemische oder physikalische Größe der Zelle (1) zu erfassen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Zelle eines Energiespeichers für ein Fahrzeug, einen Energiespeicher, welcher aus diesen Zellen aufgebaut ist, und ein System, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfasst.
  • Die Bestimmung eines Ladezustands (SOC „State Of Charge“) einer Fahrzeugbatterie wird nach dem Stand der Technik anhand von Messungen des Stroms und der Spannung der Batterie durchgeführt. Diese Bestimmung des Ladezustands erfolgt dabei modulweise, wobei unter einem Modul eine Untereinheit der Batterie zu verstehen ist. Ein Batteriemodul besteht aus mehreren (beispielsweise 4 bis 12) Batteriezellen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Bestimmung des Zustands einer Fahrzeugbatterie zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zelle eines Energiespeichers nach Anspruch 1, durch ein Energiespeicher nach Anspruch 9 und durch ein System nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Zelle eines Energiespeichers für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Zelle einen Sensor, welcher vollständig innerhalb der Zelle angeordnet ist. Der Sensor ist ausgestaltet, um eine chemische oder physikalische Größe der Zelle zu erfassen, um anhand dieser Größe insbesondere einen Zustand der Zelle abzuleiten.
  • Indem der Sensor vollständig innerhalb der Zelle (d.h. innerhalb des Zellengehäuses) angeordnet ist, sind vorteilhafterweise keine Gehäusedurchführungen erforderlich, um den innerhalb der Zelle angeordneten Teil des Sensors mit dem außerhalb der Zelle angeordneten Teil des Sensors zu verbinden. Darüber hinaus ist der Sensor vorteilhafterweise vor äußeren mechanischen und chemischen Einflüssen, beispielsweise beim Transport der Zelle oder bei der Montage der Zelle, geschützt. Da der Sensor innerhalb der Zelle angeordnet ist, kann die chemische oder physikalische Größe der Zelle vorteilhafterweise unmittelbar im Inneren der Zelle erfasst werden.
  • Unter einem Sensor wird dabei insbesondere eine Vorrichtung verstanden, welche die physikalische oder chemische Größe in Form von Messwerten erfasst und diese Messwerte als elektrische Signale weiterleitet. Da sich der Sensor innerhalb der Zelle (d.h. innerhalb des Zellgehäuses) befindet, findet demnach auch die Wandlung der Messwerte in elektrische Signale innerhalb der Zelle statt.
  • Der Sensor kann, bezogen auf seine Messeigenschaften, einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein und kann nur ein Sub-Sensorsystem oder mehrere Sub-Sensorsysteme umfassen.
  • Unter der Zelle eines Energiespeichers wird dabei die kleinste Energiespeicher-Einheit des Energiespeichers verstanden, welche zwei Elektroden aufweist und prinzipiell austauschbar ist. Mehrere Zellen werden üblicherweise zu einem Modul zusammengefasst, wobei der Energiespeicher üblicherweise wiederum mehrere Module umfasst. Bei der Herstellung werden die Zellen hergestellt und anschließend elektrisch zu einem Modul verbunden.
  • Insbesondere ist der Sensor dabei derart ausgestaltet, dass der Sensor mindestens eine von folgenden chemischen oder physikalischen Größen erfasst:
    • • Eine Gaszusammensetzung im Inneren der Zelle. Im Lauf der Alterung der Zelle, beispielsweise aufgrund einer kalendarischen Alterung oder aufgrund einer Zyklenalterung, verändert sich die Zusammensetzung des Gases im Zellgasraum (Zellheadspace) signifikant. Während bei den üblichen Herstellungsverfahren einer Batteriezelle die Gaszusammensetzung direkt nach der Herstellung im Zellgasraum der Zelle der Zusammensetzung der Umgebungsluft in einem Trockenraum (z.B. 78% N2, 21% O2, 1 % Ar) entspricht, kommt es im Zellgasraum einer gealterten Zelle je nach der Elektrolytzusammensetzung der Zelle zu einer entsprechenden Anreicherung von beispielsweise CO2, CO, C2H2, CH4, O2 und/oder florierten Kohlenwasserstoffen. Anhand der Gaszusammensetzung kann beispielsweise der Alterungszustand (SOH („State Of Health“)) der Zelle ermittelt werden.
    • • Einen Gasdruck im Inneren der Zelle. Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt der Zelle. Reaktionsprodukte dieser Zersetzungsreaktionen sind neben volumenmäßig geringen Mengen von Feststoffen signifikante Mengen von Gasen, insbesondere von Kohlendioxyd (CO2). Diese Gase führen in einem gasdichten Zellgehäuse der Zelle zu einem entsprechenden Druckanstieg.
    • • Eine Volumenänderung eines Festkörperanteils der Zelle. Im geladenen Zustand weist die Anode (z.B. Graphit) ein um ca. 10 % höheres Volumen auf als im ungeladenen Zustand der Zelle. Das Erfassen der Volumenänderung des Festkörperanteils (z. B. der Anode) dient demnach insbesondere der Ermittlung des Ladezustands (SOC) der Zelle. Mit Hilfe eines geeigneten Auswertealgorithmus kann anhand der erfassten Volumenänderung (insbesondere über das Erfassen einer dauerhaften Volumenzunahme, beispielsweise aufgrund von irreversiblen Ioneneinlagerungen in die Elektroden der Zelle) auch der Alterungszustand (SOH) der Zelle ermittelt werden,
    • • Eine Kraft, welche auf einen Festkörperanteil der Zelle einwirkt. Die vorab beschriebene Volumenänderung führt auch zu der Kraft, welche auf den Festkörperanteil der Zelle einwirkt.
    • • Eine chemische Zusammensetzung einer Anode der Zelle. Feste Zersetzungsprodukte scheiden sich beispielsweise auf der Oberfläche der Anode der Zelle ab und bilden dort die so genannte Anodendeckschicht („Solid-Electrolyte Interphase“ SEI). Das Wachstum der Anodendeckschicht verläuft dabei in der Regel proportional zur Alterung der Zelle, insbesondere proportional zu der Zyklenalterung.
    • • Eine Verfärbung eines Elektrolyts der Zelle. Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt der Zelle. Dies führt wiederum zu einer Verfärbung des Batterieelektrolyts, welche sich meist in einer auffälligen Gelb- oder Braun-Färbung, in jedem Fall in einer Dunkelfärbung, darstellt.
    • • Eine elektrische Spannung zwischen Anode und Katode der Zelle. Anhand des Spannungsverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
    • • Ein elektrischer Strom innerhalb der Zelle. Meist wird der Strom durch die Elektroden der Zelle gemessen. Anhand des Stromverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
    • • Eine Temperatur innerhalb der Zelle. Anhand des Temperaturverlaufs über der Zeit kann der Zustand der Zelle bestimmt werden.
  • Um den Sensor mit Energie zu versorgen, wird der Sensor insbesondere mit der Anode und Katode der Zelle verbunden.
  • Dazu kann der Sensor auf der Zellinnenseite mit den Zellelektroden (Zellpolen, Ableitern) kontaktiert werden, um sich über diese Zellelektroden mit Energie zu versorgen. Damit wird der Sensor vorteilhafterweise quasi mit der Energie der Zelle versorgt, so dass auch zur Energieversorgung keine zusätzliche Durchführung des Zellgehäuses notwendig ist.
  • Darüber hinaus ist der Sensor insbesondere zur Datenübertragung mit den Zellelektroden (der Anode und Kathode) der Zelle verbunden, um Messwerte der erfassten chemischen oder physikalischen Größe über die Zellelektroden zu übertragen.
  • Wenn die Datenübertragung über die Zellelektroden erfolgt, ist vorteilhafterweise keine Funktechnik oder Ähnliches notwendig. Für die Datenübertragung zu einer Auswerteeinheit werden neben den Elektroden Zell- und Modulverbinder eingesetzt. Die Datenübertragung kann dabei auf eigenen Frequenzbändern erfolgen, so dass die Datenübertragung und Hochstrom (eigentlicher Laststrom der Zelle zum Verbraucher) gleichzeitig auf denselben Leitern (Kabeln oder Stromschienen) erfolgen kann. Auch wenn mehrere Batteriezellen demselben Steuergerät zugeordnet sind, kann jeder Zelle individuell eine eigene Sendefrequenz (oder ein eigenes Frequenzband) zugeordnet werden, so dass die chemische oder physikalische Größe der jeweiligen Zelle im Bedarfsfall individuell ausgewertet bzw. zugeordnet werden kann.
  • Der Sensor kann einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Wenn es sich bei der Zelle um eine zu einem Elektrodenwickel (Jelly Roll) gewickelte zylindrische Zelle mit Gehäuse handelt, kann der Dehnungsmessstreifen kreisförmig zwischen dem Gehäuse und dem Elektrodenwickel angeordnet sein.
  • Mit anderen Worten ist der Dehnungsmessstreifen tangential innerhalb des Gehäuses um den Elektrodenwickel herum angebracht (beispielsweise geklebt oder gewickelt). Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Dehnungsmessstreifen möglich.
  • In ähnlicher Weise kann der Sensor einen Kraftsensor (z.B. Piezosensor) umfassen. Dieser Kraftsensor kann zwischen dem Elektrodenwickel und dem Gehäuse angeordnet sein. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Kraftsensor möglich.
  • Darüber hinaus kann der Sensor einen Gaszusammensetzungssensor und/oder einen Drucksensor umfassen. Wenn sich die Elektroden der Zelle entlang der Mittelachse von der Grundfläche bzw. der Deckfläche des Gehäuses erstrecken, ist es möglich, dass der Gaszusammensetzungssensor und/oder einen Drucksensor mit einem gewissen Abstand von der Mittelachse der zylindrischen Zelle innen an der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den Gaszusammensetzungssensor und/oder Drucksensor möglich.
  • Der Sensor kann auch einen optischen Reflexionssensor umfassen. Wenn sich die Elektroden der Zelle entlang der Mittelachse von der Grundfläche bzw. der Deckfläche des Gehäuses erstrecken, ist es möglich, dass der optische Reflexionssensor mit einem gewissen Abstand von der Mittelachse der zylindrischen Zelle innen in der Nähe der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist. Dabei entspricht in der Nähe der Grundfläche bzw. Deckfläche einem Abstand von maximal 10% der Länge der Zelle von der Grundfläche bis zur Deckfläche. Es sind technologiebedingt auch andere Positionen für den optischen Reflexionssensor möglich.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Zelle ein zylindrisches Hartgehäuse oder ein prismatisches Hartgehäuse aufweisen kann. Es kann sich bei der Zelle auch um eine prismatische Folienzelle (eine so genannte Pouchzelle) handeln. Natürlich können auch andere Bauformen eingesetzt werden. Die Position des jeweiligen Sensors und auch der jeweilige Sensor selbst werden entsprechend an die Gehäuseform der Zelle und die Bauart der Zelle angepasst.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Energiespeicher bereitgestellt, welcher mehrere erfindungsgemäße Zellen umfasst. Dabei ist der Sensor jeder dieser Zellen ausgestaltet, um Messwerte der innerhalb der jeweiligen Zelle erfassten chemischen oder physikalischen Größe mit Hilfe einer individuellen Frequenz zu übertragen, so dass beispielsweise von einem Steuergerät anhand der Frequenz die Messwerte der jeweiligen Zelle zugeordnet werden können.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein System bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Zelle und/oder einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfasst. Dabei umfasst das System darüber hinaus eine Auswerteeinrichtung, um abhängig von der chemischen oder physikalischen Größe der Zelle einen Zustand (insbesondere einen Ladungszustand der Zelle und/oder einen Alterungszustand der Zelle) abzuleiten.
  • Mit anderen Worten kann vorteilhafterweise der individuelle Zustand jeder Zelle anhand der erfassten Messwerte der chemischen oder physikalischen Größe von der Auswerteeinrichtung bestimmt werden.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Zelle, einen erfindungsgemäßen Energiespeicher und/oder ein erfindungsgemäßes System umfasst.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen gedacht. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus lässt sich die vorliegende Erfindung auch bei stationären Energiespeichern einsetzen.
  • Im Folgenden ist die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Zelle mit einem Dehnungsmessstreifen und einem Kraftsensor dargestellt.
  • In 2 ist die in 1 dargestellte Zelle perspektivisch mit verschiedenen Positionen für den Dehnungsmessstreifen und den Kraftsensor dargestellt.
  • In 3 ist eine der in 2 dargestellten Zelle ähnliche erfindungsgemäße Zelle mit Positionen für einen Gaszusammensetzungssensor dargestellt.
  • In 4 ist eine der in 2 dargestellten Zelle ähnliche erfindungsgemäße Zelle mit Positionen für einen Drucksensor dargestellt.
  • In 5 ist eine der in 2 dargestellten Zelle ähnliche erfindungsgemäße Zelle mit Positionen für einen optischen Reflexionssensor dargestellt.
  • 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1 im Querschnitt dargestellt. Die gewickelte, zylindrische Zelle 1 weist einen Elektrodenwickel 11 auf, welcher mit einer Katode 30 und einer Anode 40 der Zelle 1 sowie einem Trenner bzw. Trennmaterial 12 in einem Gehäuse 2 der Zelle 1 angeordnet ist. Der Elektrodenwickel 11 wird ausgebildet, indem das Trennmaterial 12, eine Anode 40 (oder eine Katode 30), ein Trennmaterial 12 und eine Katode 30 (oder einer Anode 40) übereinander geschichtet und dann zusammengerollt werden.
  • Die Katode 30 und die Anode 40 werden ausgebildet, indem aktives Material 34, 44 eines Lithiummetalloxids, Kohlenstoffs oder eines Kohlenstoffverbundstoffs auf eine Seite oder auf beide Seiten eines Substrats 32, 42 geschichtet wird. Außen ist ein äußerer Trenner 14 um den Elektrodenwickel 11 gewickelt, und innen befindet sich ein innerer Trenner 13, welcher zusätzlich als innerste Windung des Elektrodenwickels 11 angeordnet ist.
  • Da die Anode im geladenen Zustand ein höheres Volumen als im ungeladenen Zustand aufweist, führt dies zu einer Zunahme eines Durchmessers einer in 1 dargestellten gewickelten, zylindrischen Zelle 1. Die Änderung des Durchmessers kann dabei durch einen tangential um den Elektrodenwickel 11 der Zelle 1 angebrachten Dehnungsmessstreifen 3, welcher die Änderung des Durchmessers anhand einer Längenänderung erfasst, gemessen werden. Der Dehnungsmessstreifen 3 ist dabei innerhalb des Gehäuses 2, aber um den Elektrodenwickel 11 herum angebracht, wobei dieses Anbringen durch Kleben oder Wickeln realisiert werden kann.
  • Zusätzlich oder anstelle des Dehnungsmessstreifens 3 kann ein Kraftsensor 4 (beispielsweise ein Piezosensor) angeordnet werden. Mit diesem Kraftsensor 4 kann eine aufgrund der Volumenänderung des Elektrodenwinkels 11 entstehende Kraft F, welche radial nach außen gerichtet ist, gemessen werden.
  • In 2 ist die in 1 im Querschnitt dargestellte Zelle 1 perspektivisch mit Anode 40 und Katode 30 dargestellt. Man erkennt, dass der Dehnungsmessstreifen 3 und der Kraftsensor 4 innerhalb des Zellgehäuses 2 an verschiedenen Positionen, welche sich anhand der entlang der Mittelachse der zylindrischen Zelle 1 gemessenen Länge unterscheiden, angeordnet werden können.
  • Im Lauf der Zellalterung verändert sich die Zusammensetzung der Gase im Zellgasraum der Zelle 1 signifikant. Enthält eine fabrikneue Zelle mit Elektrolyt, welcher beispielsweise Ethylmethylcarbonat, Ethylencarbonat und Lithiumhexafluorophosphat umfasst, je nach Produktionsweise hauptsächlich gasförmige Spezies wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon, so kommt es bei gealterten Zellen zu einer Anreicherung von Gasen, wie z.B. Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ethen, Ethan, Methan, Wasserstoff bzw. fluorierten Kohlenstoff-(Ethylfluorid, Methylfluorid) und Phosphorverbindungen (Phosphoroxyfluorid, Phosphorpentafluorid). Zum Nachweis und zur Bestimmung bestimmter (insbesondere obiger) Spezies können folgende Verfahren mittels eines Sensors oder folgende Sensoren innerhalb der Zelle 1 eingesetzt werden:
    • • Ein planar integriertes Mikromassenspektrometer (PIMMS) mit einer Grundfläche von beispielsweise 1 cm2. Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes führt. Alle vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle genannten Verbindungen, die zumindest teilweise gasförmig vorliegen, können mittels eines zellintern angebrachten PIMMS in-situ nachgewiesen und/oder bestimmt werden. Die so ermittelte Gaskonzentration von ein oder mehreren Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, ist ein Maß für die Zellalterung.
    • • Eine ausreichend miniaturisierte Gaschromatographie mit einem massenselektiven Detektor (MSD), einem Thermal Conductivity Detektor (TCD), einem Flammenionisationsdetektor (FID), und/oder einem Elektroneneinfangdetektor (ECD). Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes führt. Alle vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle genannten Verbindungen, die zumindest teilweise gasförmig vorliegen, können mittels eines zellintern angebrachten GC/MS (Gas-Chromatographen/ Massenspektrometer), GC/TCD, GC/FID und/oder GC/ECD in-situ nachgewiesen und/oder bestimmt werden. Die so ermittelte Gaskonzentration von ein oder mehreren Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, ist ein Maß für die Zellalterung.
    • • Eine Infrarotabsorptions- oder Ramanspektroskopie. Die Erfinder haben erkannt, dass eine fortschreitende Zellalterung infolge fortschreitender Elektrolytzersetzung zu einer Veränderung des Zellgasraumes, besonders aber z.B. zu einer Zunahme des Kohlendioxidpartialdruckes, führt. Darüber hinaus wurde erkannt, dass Kohlendioxid starke Infrarotabsorptionsbanden zeigt und z.B. mittels eines zellintern angebrachten Infrarotabsorptionsspektrometers nachgewiesen und/oder bestimmt werden kann. Der so ermittelte Kohlendioxidpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
    • • Eine Nernstsonde. Die Erfinder haben erkannt, dass einige Alterungsreaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie zur Entstehung von Sauerstoff führen. Erfindungsgemäß können Nernstsonden u.a. zum Nachweis oder der Bestimmung von Sauerstoff eingesetzt werden. Der so ermittelte Sauerstoffpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
    • • Eine Widerstandssonde. Die Erfinder haben erkannt, dass einige Alterungsreaktionen in einer Lithium-Ionen-Batterie zur Entstehung von Sauerstoff führen. Widerstandssonden können u.a. zum Nachweis oder der Bestimmung von Sauerstoff eingesetzt werden. Der so ermittelte Sauerstoffpartialdruck ist ein Maß für die Zellalterung.
    • • Ein Ionisationsdetektor. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Anreicherung von gasförmigen Spezies, welche vorab für die fabrikneue oder gealterte Zelle beschrieben sind, je nach Alterungsmechanismus zu einer Zu- oder Abnahme der Leitfähigkeit des Gasraumes der Zelle führt. Ionisationsdetektoren können zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Gasen eingesetzt werden. Die so ermittelte Änderung der Gasleitfähigkeit ist ein Maß für die Zellalterung.
  • In 3 sind Positionen für einen Gaszusammensetzungssensor 5 innerhalb des Zellgehäuses einer erfindungsgemäßen Zelle 1 dargestellt.
  • Infolge der Zellalterung kommt es zu einer fortschreitenden Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt. Reaktionsprodukte dieser Zersetzungsreaktionen sind neben volumenmäßig geringen Mengen von Feststoffen signifikante Mengen von Gasen, insbesondere von Kohlendioxyd (CO2). Diese Gase führen in einem gasdichten Zellgehäuse 2 zu einem Druckanstieg, welcher detektiert werden kann und als ein Maß für die Zellalterung (SOC) einsetzbar ist.
  • Zur Bestimmung des absoluten (vom Außendruck unabhängigen) Zellinnendruckes können als Gas-Absolutdrucksensoren beispielsweise eingesetzt werden:
    • • Ein keramischer Drucksensor (beispielsweise in Dickschicht-Technologie).
    • • Ein kapazitiver Drucksensor.
  • Diese Drucksensoren können in Mikrosystemtechnik als monolithisches System (Kombination einer Mechanik (Sensor) und einer Elektronik (Intelligenz)) ausgeführt sein.
  • In 4 sind Positionen für einen Absolutdrucksensor 6 innerhalb des Zellgehäuses 2 einer erfindungsgemäßen Zelle 1 dargestellt.
  • Bei der fortschreitenden Zersetzung des flüssigen Batterieelektrolyts treten neben gasförmigen Zersetzungsprodukten auch feste Zersetzungsprodukte auf, welche sich vorzugsweise auf der Oberfläche der Anode absetzen und dort die so genannte Anodendeckschicht (Solid-Electrolyte Interphase) ausbilden. Das Wachstum der Anodendeckschicht (d.h. die Dicke der Anodendeckschicht) ist dabei erfahrungsgemäß proportional zur Alterung der Zelle, insbesondere proportional zur Zyklenalterung der Zelle.
  • Die festen Zersetzungsprodukte auf der Anode bestehen beispielsweise aus Komponenten wie Lithiumfluorid (LiF), Lithiumcarbonat (Li2CO3), Lithiumalkylcarbonat und/oder Lithiumoxid (Li2O). Zum Nachweis und zur Bestimmung der vorab genannten Spezies können ex situ folgende Verfahren mittels eines Sensors oder folgende Sensoren innerhalb der Zelle 1 eingesetzt werden:
    • • Eine Ionenaustauschchromatographie.
    • • Einer Atomabsorptionsspektrophotometrie (Flamen-AAS, Graphitrohr-AAS).
    • • Inductively coupled plasma (ICP-OES, ICP-MS).
    • • Eine ionenselektive Elektrode (z.B. eine F-selektive Elektrode).
  • Darüber hinaus führt die fortschreitende Zersetzung von flüssigem Batterieelektrolyt zu einer Verfärbung des Batterieelektrolyts. Dabei verfärbt der dunkel gefärbte Elektrolyt auch laterale und zum Zellgasraum hin freiliegende Trennmittellagen, welche beispielsweise im fabrikneuen Zustand nahezu weiß (farblos) und mit steigendem Alter (SOH) dunkel erscheinen. Diese Veränderung des optischen Reflexionsspektrums kann mit einem Sensor innerhalb der Zelle während des Betriebs opto-elektronisch erfasst werden und als ein Maß für den Alterungszustand (SOH) der Zelle eingesetzt werden.
  • Zum Nachweis der optischen Erscheinung können folgende Verfahren mittels eines Sensors oder folgende Sensoren innerhalb der Zelle 1 eingesetzt werden:
    • • Eine optische Mikrosystemtechnik.
    • • Ein planeres integriertes Mikromassenspektrometer (PIMMS) mit einer Grundfläche von beispielsweise 1 cm2.
  • In 5 sind Positionen für einen optischen Reflexionssensor 7 innerhalb des Zellgehäuses 2 einer erfindungsgemäßen Zelle 1 dargestellt. Die Ausrichtung 17 des optischen Reflexionssensors 7 ist dabei entlang der Mittelachse der zylindrischen Zelle 1 zum jeweils anderen Ende der Zelle 1 hin gerichtet.
  • In 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches ein erfindungsgemäßes System 50 umfasst. Das erfindungsgemäße System 50 umfasst seinerseits eine erfindungsgemäße Batterie 20, welche mehrere erfindungsgemäße Zellen 1 aufweist, und eine Auswerteeinrichtung 15.
  • Die Auswerteeinrichtung 15 erfasst mittels des in der jeweiligen Zelle 1 angeordneten Sensors den Messwert der physikalischen oder chemischen Größe,
  • Mittels des in der jeweiligen Zelle 1 angeordneten Sensors wird die entsprechende physikalische oder chemische Größe gemessen und die entsprechenden Messwerte von der Auswerteeinrichtung 15 erfasst. Da jeder Sensor ein anderes Frequenzband zur Übertragung seiner Messwerte an die Auswerteeinrichtung 15 verwendet, ist die Auswerteeinrichtung 15 in der Lage, die empfangenen Messwerte der jeweiligen Zelle 1 zuzuordnen. Anhand der Messwerte kann die Auswerteeinrichtung 15 den Zustand (insbesondere den Ladezustand und/oder den Alterungszustand) der jeweiligen Zelle 1 ableiten und weiteren Einrichtungen des Fahrzeugs 10 zur Verfügung stellen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriezelle
    2
    Zellgehäuse
    3
    Dehnungsmessstreifen
    4
    Kraftsensor
    5
    Gaszusammensetzungssensor
    6
    Drucksensor
    7
    optischer Reflexionssensor
    10
    Fahrzeug
    11
    Elektrodenwickel
    12–14
    Trenner
    15
    Auswerteeinrichtung
    17
    Ausrichtung des Reflexionssensors
    20
    Energiespeicher
    30
    Kathode
    32
    Substrat
    34
    aktives Material
    40
    Anode
    42
    Substrat
    44
    aktives Material
    50
    System
    F
    Kraft

Claims (10)

  1. Zelle eines Energiespeichers (20) für ein Fahrzeug (10), wobei die Zelle (1) einen Sensor (3–7) umfasst, welcher vollständig innerhalb der Zelle (1) angeordnet ist, wobei der Sensor (3–7) ausgestaltet ist, um eine chemische oder physikalische Größe der Zelle (1) zu erfassen.
  2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3–7) ausgestaltet ist, um zumindest eine von folgenden chemischen oder physikalischen Größen zu erfassen: • eine Gaszusammensetzung im Inneren der Zelle (1), • einen Gasdruck im Inneren der Zelle (1), • eine Volumenänderung eines Festkörperanteils der Zelle (1), • eine Kraft (F), welche auf einen Festkörperanteil der Zelle (1) einwirkt, • eine chemische Zusammensetzung einer Anode (40) der Zelle (1), • eine Verfärbung eines Elektrolyts der Zelle (1), • eine elektrische Spannung zwischen Anode (40) und Kathode (30) der Zelle (1), • einen elektrischer Strom innerhalb der Zelle (1) und • eine Temperatur innerhalb der Zelle (1).
  3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3–7) zur Energieversorgung mit der Anode (40) und Kathode (30) der Zelle (1) verbunden ist.
  4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3–7) zur Datenübertragung mit der Anode (40) und Kathode (30) der Zelle (1) verbunden ist, um Messwerte der erfassten chemischen oder physikalischen Größe mittels der Anode und/oder Kathode zu übertragen.
  5. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine zu einem Elektrodenwickel (11) gewickelte zylindrische Zelle (1) mit Gehäuse (2) ist, dass der Sensor einen Dehnungsmessstreifen (3) umfasst, welcher kreisförmig zwischen dem Gehäuse (2) und dem Elektrodenwickel (11) angeordnet ist.
  6. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine zu einem Elektrodenwickel (11) gewickelte zylindrische Zelle (1) mit Gehäuse (2) ist, dass der Sensor einen Kraftsensor (4) umfasst, welcher zwischen dem Gehäuse (2) und dem Elektrodenwickel (11) angeordnet ist.
  7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine gewickelte zylindrische Zelle (1) mit Gehäuse (2) ist, dass sich Elektroden (30, 40) der Zelle entlang der Mittelachse von einer Grundfläche und einer Deckfläche des Metallgehäuses (2) erstrecken, dass der Sensor einen Gaszusammensetzungssensor (5) und/oder einen Drucksensor (6) umfasst, welcher beabstandet von der Mittelachse innen an der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist.
  8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine gewickelte zylindrische Zelle (1) mit Gehäuse (2) ist, dass sich Elektroden (30, 40) der Zelle entlang der Mittelachse von einer Grundfläche und einer Deckfläche des Metallgehäuses (2) erstrecken, dass der Sensor einen optischen Reflexionssensor (7) umfasst, welcher beabstandet von der Mittelachse innen in der Nähe der Grundfläche oder der Deckfläche angeordnet ist angeordnet ist.
  9. Energiespeicher, welcher mehrere Zellen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei der Sensor (3–7) jeder der Zellen (1) ausgestaltet ist, um Messwerte der erfassten chemischen oder physikalischen Größe mittels einer individuellen Frequenz zu übertragen, so dass anhand der Frequenz die Messwerte der jeweiligen Zelle (1) zugeordnet werden können.
  10. System, welches eine Zelle (1) nach einem der Ansprüche 1–8 und/oder einen Energiespeicher (20) nach Anspruch 9 umfasst, wobei das System (50) eine Auswerteeinrichtung (15) umfasst, um abhängig von der chemischen oder physikalischen Größe der Zelle (1) einen Zustand der Zelle (1) abzuleiten.
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