-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle mit einem Zellengehäuse zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers sowie ein Batteriesystem mit einer Anzahl entsprechender elektrochemischer Zellen.
-
Als elektrochemische Energiespeicher sind Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher) bekannt, die aus einer oder mehreren Speicherzellen aufgebaut sind, in denen bei Anlegen eines Ladestroms elektrische Energie in einer elektrochemischen Ladereaktion zwischen einer Kathode und einer Anode in bzw. zwischen einem Elektrolyten in chemische Energie umgewandelt und so gespeichert wird und in denen bei Anschließen eines elektrischen Verbrauchers chemische Energie in einer elektrochemischen Entladereaktion in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass insbesondere im Kraftfahrzeugbereich auch Akkumulatoren als Batterien bezeichnet werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterie für elektrische betriebene Kraftfahrzeuge beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der elektrochemischen Zelle oder auch unabhängig von deren Verwendung Anwendung finden kann.
-
Die
WO 2011/051386 A1 betrifft eine Batteriezellenanordnung mit einer als Folienzelle ausgebildeten Batteriezelle, bei welcher an einer den Stirnseiten des Zellenkörpers abgewandten Seite der Rahmenanordnung eine Entlüftungsöffnung vorgesehen ist, um in einem Schadensfall den Austritt von Gasen aus der Batteriezellenanordnung zu ermöglichen.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte elektrochemische Zelle mit einem Zellengehäuse sowie ein verbessertes Batteriesystem mit entsprechenden elektrochemischen Zellen bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 sowie durch ein Batteriesystem nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle zum Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers, insbesondere eines zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestalteten Energiespeichers. Dabei weist die elektrochemische Zelle einen aktiven Bereich mit einer mindestens eine Siegelnaht aufweisenden Umhüllung und ein Zellengehäuse auf. An der Siegelnaht der Umhüllung ist mindestens ein erster Bereich angeordnet und derart ausgestaltet, dass bei einem vorbestimmten Innendruck in dem aktiven Bereich der erste Bereich öffnet. In dem Zellengehäuse ist ein Sicherheitsbauteil mit mindestens einem zweiten Bereich derart angeordnet, dass der zweite Bereich dem erstem Bereich gegenüber liegt, wobei der zweite Bereich derart ausgestaltet ist, dass bei einem vorbestimmten Druck oder oberhalb eines vorbestimmten Druckes der zweite Bereich Fluide durchleitet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass bei einem erhöhten Innendruck die im aktiven Bereich entstehenden Fluide, insbesondere die Reaktionsgase gezielt aus der elektrochemischen Zelle geleitet werden können. Ein anderer Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass eine mechanische Zerstörung durch einen Überdruck vermieden werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass Schädigungen von Nachbarzellen vermieden werden können.
-
Unter einem „elektrochemischen Energiespeicher” im Sinne der Erfindung ist jede Art von Energiespeicher zu verstehen, dem elektrische Energie entnommen werden kann, wobei im Innern des Energiespeichers eine elektrochemische Reaktion abläuft. Der Begriff umfasst Energiespeicher aller Art, insbesondere Primärbatterien und Sekundärbatterien. Insbesondere kann ein elektrochemischer Energiespeicher wenigstens eine elektrochemische Zelle mit einem aktiven Bereich, oder mehrere elektrochemische Zellen mit entsprechenden aktiven Bereichen aufweisen. Die mehreren elektrochemischen Zellen können zum Speichern einer größeren Ladungsmenge parallel geschaltet sein oder zur Erzielung einer gewünschten Betriebsspannung in Serie geschaltet sein oder eine Kombination aus Parallel- und Serienschaltung bilden.
-
Unter einer „elektrochemischen Zelle” im Sinne der Erfindung ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, welche der Abgabe elektrischer Energie dient, wobei die Energie in chemischer Form gespeichert wird. Im Fall von wiederaufladbaren Sekundärbatterien ist die Zelle auch ausgebildet, um elektrische Energie aufzunehmen, in chemische Energie umzuwandeln und abzuspeichern.
-
Eine solche elektrochemische Zelle weist üblicherweise eine Elektrodenanordnung in einem aktiven Bereich auf, welcher von einer Umhüllung zumindest teilweise umschlossen ist. In diesem Zusammenhang soll unter einer „Elektrodenanordnung” im Sinne der Erfindung eine Anordnung aus wenigstens zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten verstanden werden. Der Elektrolyt kann teilweise von einem Separator aufgenommen sein, wobei der Separator dann die Elektroden trennt. Bevorzugt weist die Elektrodenanordnung mehrere Schichten von Elektroden und Separatoren auf, wobei die Elektroden gleicher Polarität jeweils vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden, insbesondere parallel geschaltet sind. Die Elektroden sind zum Beispiel plattenförmig oder folienartig ausgebildet und sind bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann Lithium oder ein anderes Alkalimetall auch in ionischer Form aufweisen.
-
Unter einer „Umhüllung” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche geeignet ist, den Austausch von Chemikalien und/oder Gasen aus der Elektrodenanordnung und der Umgebung zu verhindern und die Bestandteile der Elektrodenanordnung vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Umhüllung ist bevorzugt aus einem siegelbaren Material gebildet und kann einlagig oder auch mehrlagig ausgebildet sein.
-
Unter einem „Zellengehäuse” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei jede Einrichtung zu verstehen, die geeignet ist, den aktiven Bereich einer elektrochemischen Zelle gegen unerwünschte oder störende Einflüsse von außen abzuschirmen und/oder die Umgebung des aktiven Bereichs der elektrochemischen Zelle vor unerwünschten Einflüssen zu schützen, die durch den Betrieb solcher elektrochemischer Zellen entstehen können. Vorzugsweise verhindert oder erschwert ein solches Zellengehäuse dabei einen unerwünschten Stofftransport oder Stoffaustausch oder Energieaustausch zwischen dem Inneren des Zellengehäuses und der Umgebung.
-
Nachfolgend werden Varianten und bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrochemischen Zelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, auch beliebig miteinander kombiniert werden können.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle der zweite Bereich des Sicherheitsbauteils dem ersten Bereich an der Siegelnaht der Umhüllung gegenüberliegend angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Fluidkommunikation besonders sicher und einfach durchgeführt werden kann.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle das Sicherheitsbauteil als ein Einlegeteil mit mindestens einer Anschlusskontur ausgestaltet, wobei die Anschlusskontur zu einer Verbindung mit der Siegelnaht ausgestaltet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Montage der elektrochemischen Zellen vereinfacht wird, da z. B. die Herstellung des Einlegeteils außerhalb eines Trockenraums erfolgen kann. Bevorzugt wird das Einlegeteil aus einem Material gebildet, welches gegenüber dem verwendeten Elektrolyten beständig und elektrisch isolierend ist.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle die Anschlusskontur des Sicherheitsbauteils ausgestaltet, mit der Umhüllung des aktiven Bereichs versiegelt zu werden. Weiterhin ist das Material des Sicherheitsbauteils bevorzugt siegelbar ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Stabilität der Verbindung des Sicherheitsbauteils mit der Umhüllung verbessert werden kann.
-
Bevorzugt weist bei der elektrochemischen Zelle das Sicherheitsbauteil eine Anzahl an Aussparungen, bevorzugt zwei Aussparungen auf, welcher zu einer Zentrierung des Sicherheitsbauteils ausgestaltet und angeordnet sind. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Montage der elektrochemischen Zellen durch eine einfachere und genauere Ausrichtung des Sicherheitsbauteiles verbessert werden kann.
-
Bevorzugt weist bei der elektrochemischen Zelle das Zellengehäuse mindestens einen Auslassbereich auf, welcher im zusammengebauten Zustand dem zweiten Bereich gegenüberliegend angeordnet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Reaktionsgase einfacher abgeführt werden können, ohne zusätzliche Beeinträchtigungen der elektrochemischen Zelle zu bewirken.
-
Bevorzugt weist bei der elektrochemischen Zelle das Zellengehäuse ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil auf und dass der Auslassbereich als eine Gehäuseoberteilaussparung und/oder als eine Gehäuseunterteilaussparung ausgestaltet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Montage der elektrochemischen Zellen vereinfacht werden kann.
-
Bevorzugt ist die elektrochemische Zelle als eine flache zwei Stirnseiten und zwei Längsseiten aufweisende Zelle ausgebildet und sind an einer der beiden Stirnseiten Ableiter angeordnet und ist an der anderen der beiden Stirnseiten das Sicherheitsbauteil angeordnet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die Sicherheit erhöht werden kann, indem der Wärmefluss bzw. der Stromfluss von einem möglichen Fluss der Reaktionsgase räumlich möglichst weit getrennt angeordnet sind.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle in dem Zellengehäuse ein Gasführungskanal angeordnet, welcher zur Führung von Fluiden von dem zweiten Bereich des Sicherheitsbauteils zu dem Auslassbereich des Zellengehäuses ausgestaltet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass die in dem aktiven Bereich entstehenden Fluiden, insbesondere die Reaktionsgase besser aus der elektrochemischen Zelle geleitet werden können.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle in dem zweiten Bereich des Sicherheitsbauteils eine Membran angeordnet, welche zu einer Öffnung bei einer Druckerhöhung ausgestaltet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass der Druck eingestellt werden kann, bei welchen die Reaktionsgase abgeleitet werden. Bevorzugt ist dies als ein Ventil ausgebildet. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass der aktive Bereich besser vor äußeren Einwirkungen geschützt werden kann.
-
Bevorzugt sind bei der elektrochemischen Zelle in dem zweiten Bereich des Sicherheitsbauteils (zwei oder mehr Membranen angeordnet, welche zu sukzessiven Öffnungen Druckerhöhungen ausgestaltet sind. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung mit mehreren Membranen kann darin liegen, eine mehrstufige Öffnung zu bewirken.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle an dem zweiten Bereich oder in dem zweiten Bereich ein Drucksensor angeordnet ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Funktionsfähigkeit der entsprechenden elektrochemischen Zellen erfasst werden kann.
-
Bevorzugt ist bei der elektrochemischen Zelle der Drucksensor drahtlos oder drahtgebunden mit einer Steuerung und/oder einer Anzeigevorrichtung verbunden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass z. B. bei Erfassung einer Fehlfunktion einer elektrochemischen Zelle ein Schonbetrieb durchgeführt werden kann, welche weitergehenden Schädigungen der elektrochemischen Zelle verhindert, aber dennoch eine gewisse Leistungsabgabe ermöglicht. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit einem Sicherheitsbauteil, welches ein Ventil aufweist oder bei dem mehrere Membranen für eine mehrstufige Öffnung angeordnet sind, so dass z. B. bei einer Öffnung nach der ersten Stufe noch ein Schonbetrieb der elektrochemischen Zelle gefahren werden kann, während bei einer Öffnung nach einer zweiten Stufe die betreffende elektrochemische Zelle abgetrennt oder abgeschaltet wird.
-
Die Gestalt (d. h. insbesondere die Größe und die Geometrie) einer elektrochemischen Zelle ist beliebig und kann insbesondere abhängig von dem verfügbaren Verbauraum gewählt werden. Die elektrochemische Zelle kann insbesondere im Wesentlichen prismatisch ausgebildet sein.
-
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Zellen.
-
Dabei ist mindestens eine Abführung an den zweiten Bereichen der einzelnen elektrochemischen Zellen zur Ableitung der aus den ersten Bereichen der Umhüllung austretenden Gase angeordnet und ausgestaltet. Ein Vorteil eines solchen erfindungsgemäßen Batteriesystems kann darin liegen, dass die in den aktiven Bereichen der elektrochemischen Zellen auftretenden Reaktionsgase sicherer aus dem Batteriesystem geführt werden können. Ein anderer Vorteil dieses Batteriesystems kann darin liegen, dass eventuelle Schädigungen der elektrochemischen Zellen durch Reaktionsgase und/oder durch mechanische Belastungen verringert oder vermieden werden können.
-
Nachfolgend werden Varianten und bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Batteriesystems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, auch beliebig miteinander kombiniert werden können. Bevorzugt sind bei dem Batteriesystem die den elektrochemischen Zellen zugeordneten Drucksensoren mit einer Batteriesteuerung drahtlos oder drahtgebunden verbunden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung des Batteriesystems kann darin liegen, dass ein Schonbetrieb gefährdeter elektrochemischer Zellen in Abhängigkeit von deren Belastung besser durchgeführt werden kann. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann darin liegen, dass z. B. dem Fahrer eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs angezeigt werden, dass eine Wartung der Batterien erforderlich ist.
-
Bevorzugt ist das Batteriesystem zur Verwendung in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug ausgestaltet.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist insgesamt wenigstens eine Abführung in dem Batteriesystem angeordnet. Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist jeweils wenigstens eine Abführung für die elektrochemischen Zellen in dem Batteriesystem angeordnet.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt:
-
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Einlegeteils mit einem ersten Bereich für eine elektrochemische Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine weitere perspektivische schematische Darstellung des Einlegeteils mit dem zweiten Bereich;
-
3 eine vergrößerte schematische Darstellung des zweiten Bereichs des Einlegeteils;
-
4 eine perspektivische schematische Darstellung der Umhüllung mit einem ersten Bereich;
-
5 eine Seitenansicht einer Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle; und
-
6 eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle.
-
Die 1 und 2 zeigen perspektivische schematische Darstellungen eines Einlegeteils 10 mit einem zweiten Bereich 12 in ein Zellengehäuse für eine elektrochemische Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Nach dem in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Einlegeteil 10 Anschlusskonturen 11 zur Verbindung mit einer Umhüllung 1 des aktiven Bereiches der elektrochemischen Zelle aufweisen. Weiterhin weist bei diesem Ausführungsbeispiel das Einlegeteil 10 vier Aussparungen 15 auf, welche bei der Montage z. B. zur Ausrichtung des Einlegeteils 10 verwendet werden können, wobei die Anzahl der Aussparungen 15 nicht auf vier beschränkt ist. Weiterhin ist bei dem in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ein einzelner zweiter Bereich 12 mittig angeordnet. Allerdings ist es möglich an dem Einlegeteil 10 mehrere zweite Bereiche vorzusehen und/oder den zweiten Bereich nicht mittig anzuordnen.
-
Die 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des zweiten Bereichs 12 an dem Einlegeteil 10. Aus dieser Figur ist zu erkennen, dass an der nach außen gewandten Seite des zweiten Bereiches 12 eine Membran 14 angebracht sein kann. Es ist auch möglich, mehrere Membranen vorzusehen. Nach einer anderen Ausführungsform kann bevorzugt auch eine Ventilanordnung vorgesehen sein. Weiterhin kann der zweite Bereich 12 z. B. halbrohrförmige Führungen 16 aufweisen, welche zur Ableitung von Reaktionsgasen und/oder zur Verbindung mit einem in nachfolgender Figur dargestellten ersten Bereich 4 ausgebildet und angeordnet sind.
-
Die 4 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung einer Umhüllung 1 des aktiven Bereichs mit einem ersten Bereich 4, welcher an einer Siegelnaht der Umhüllung 1 des aktiven Bereichs der elektrochemischen Zeile angeordnet ist. Der erste Bereich 4 kann bevorzugt als eine vorbestimmte Schwächung der Siegelnaht derart ausgebildet sein, dass bei einem vorbestimmten Innendruck ein gezieltes Entweichen von Gasen über diese Schwächung des Siegelbereiches ermöglicht wird.
-
Die 5 und 6 zeigen eine Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht einer Explosionsdarstellung der elektrochemischen Zelle 100 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrochemische Zelle 100 als eine zwei Stirnseiten und zwei Längsseiten aufweisende Flachzelle ausgestaltet, wobei das Zellengehäuse der elektrochemischen Zelle 100 ein Gehäuseoberteil 21 und ein Gehäuseunterteil 22 aufweist. Bevorzugt sind ein Ableiter 2 erster Polarität und ein Ableiter 3 zweiter Polarität an einer der beiden Stirnseiten angeordnet, während das Sicherheitsbauteil 10 an der anderen der beiden Stirnseite der Umhüllung 1 angebracht ist. Das Gehäuseoberteil 21 und das Gehäuseunterteil 22 können eine Gehäuseoberteilaussparung 23 bzw. eine Gehäuseunterteilaussparung 24 aufweisen, welche derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass über den zweiten Bereich 12 des Sicherheitsbauteils 10 austretenden Gase aus der elektrochemischen Zelle 100 geleitet werden können.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Umhüllung des aktiven Bereichs
- 2
- Ableiter erster Polarität
- 3
- Ableiter zweiter Polarität
- 4
- erster Bereich
- 10
- Sicherheitsbauteil
- 11
- Anschlusskontur
- 12
- zweiter Bereich
- 14
- Membran
- 15
- Aussparung
- 21
- Gehäuseoberteil
- 22
- Gehäuseunterteil
- 23
- Gehäuseoberteilaussparung
- 24
- Gehäuseunterteilaussparung
- 100
- elektrochemische Zelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
