DE102017110047A1

DE102017110047A1 - Lithiumionenbatterie

Info

Publication number: DE102017110047A1
Application number: DE102017110047.4A
Authority: DE
Inventors: Andy Duncan Sutherland; Christopher John Mays
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2016-05-21
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US20170338534A1; CN107403951A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithiumionenbatterie mit mehrere Zellen, wobei jede Zelle jeweils eine positive Elektrode (1), eine negative Elektrode (2) und einen Elektrolyten enthält, wobei der Elektrolyt ein Lithiumsalz enthält und sowohl die positive Elektrode (1) als auch die negative Elektrode (2) kontaktiert, und einer Heizschicht (4) aus einem PTC Polymermaterial. Zudem wird eine Lithiumionenzelle mit einer Heizschicht (4) aus einem PTC Polymermaterial beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithiumionenbatterie.
Lithiumionenbatterien enthalten eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält und die Elektroden kontaktiert. Lithiumionenbatterien sind beispielsweise aus US 2012/0082893 A1 bekannt.
Die Leistung von Lithiumionenbatterien lässt nach, wenn es zu heiß oder zu kalt wird. Bei Einsatz in einem Fahrzeug, können Winterwetter und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die Leistungsfähigkeit einer Batterie beeinträchtigen. Es wurde versucht, Fahrzeugbatterien mittels Kühlflüssigkeit des Motors zu beheizen und so die Abwärme des Fahrzeugmotors zu nutzen. Derartige Kühlflüssigkeit kann durch Kanäle fließen, die in der Batterie dazu vorgesehen sind. Diese Kühlflüssigkeit ist jedoch bei Fahrtbeginn, wenn eine Beheizung am dringendsten benötigt wird, noch recht kalt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Batterien elektrisch mit einer Heizvorrichtung zu beheizen, die Heizelemente aus Materialien wie Nickelchromlegierungen enthält. Ein Nachteil solcher Heizvorrichtungen sind erhebliche Kosten, Probleme eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten und die Notwendigkeit einer Überwachung, um eine Überhitzung zu verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Lithiumionenbatterie für Fahrzeuge zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Lithiumionenbatterie gelöst, die eine Heizschicht aus einem PTC Polymermaterial enthält. Polymerschichten können in beliebiger Form selbst auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet werden. Deshalb kann eine Heizschicht aus PTC Polymermaterial leicht auf eine beliebig geformte Batterie oder Batteriezelle aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein PTC Polymermaterial aufgedruckt oder als Folie mittels Klebstoff befestigt werden.
PTC Polymermaterialien zeigen einen deutlichen Anstieg ihres elektrischen Widerstands bei einer kritischen Temperatur. Der elektrische Widerstand eines PTC Polymermaterials in seinem Tieftemperaturzustand und der elektrische Widerstand seines Hochtemperaturzustands können sich um einen Faktor von 100 oder mehr unterscheiden. Indem ein PTC Polymermaterial mit einer geeigneten kritischen Temperatur gewählt wird, lässt sich ein inhärenter Schutz vor Überhitzung erreichen, ohne dass komplexe Geräte erforderlich wären.
Das PTC Polymermaterial kann eine Mischung aus Kohlenstoffpartikeln, insbesondere Ruß- oder Grafitpartikeln, und einem Polymer sein, beispielsweise Polyethylen, Polyvinylidenfluorid oder andere thermoplastische Polymere. Die signifikante Änderung im elektrischen Widerstand beim Aufheizen über eine kritische Temperatur liegt vermutlich an einem Phasenübergang in dem Polymer. Es wird angenommen, dass in dem Niedertemperaturzustand das Polymer der Mischung in einer kristallinen Phase vorliegt, wobei die Kohlenstoffpartikel in Korngrenzen zwischen kristallinen Körnern angeordnet sind. Die Kohlenstoffpartikel bilden dann elektrisch leitfähige Ketten durch das gesamte Volumen des Materials, sodass der Gesamtwiderstand des Materials recht niedrig ist. In dem Hochtemperaturzustand dehnen sich die Körner aus, sodass die Ketten unterbrochen werden und/oder das Polymer nicht mehr kristallin ist, sondern in einer amorphen Phase vorliegt, in der die Kohlenstoffpartikel löslich sind. Die Kohlenstoffpartikel bilden dann keine elektrisch leitfähigen Ketten ausreichender Länge, um leitfähige Pfade durch das gesamte Material zu schaffen, und der elektrische Widerstand des PTC Polymermaterial ist recht hoch. Der Temperaturbereich, in dem das PTC Polymermaterial von dem Niedertemperaturzustand in den Hochtemperaturzustand übergeht, hängt von dem Polymer ab, beispielsweise Polyethylen oder Polyvinyliden. Die kritische Temperatur kann durch in dem Polymer lösliche Zusatzstoffe eingestellt werden, beispielsweise Öle oder Esther.
Die Heizschicht kann auf einem Gehäuse der Batterie angeordnet sein, die mehrere Zellen enthält. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jede Zelle der Lithiumionenbatterie mit einer Heizschicht aus einem PTC Polymermaterial zu versehen. Dadurch kann Wärme sehr effizient an jede Zelle abgegeben werden.
Das PTC Polymermaterial kann auf einer Oberfläche eines Behälters der Zelle angebracht sein, insbesondere Zellen, die flüssige Elektrolyten enthalten, beispielsweise ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel, benötigen einen Behälter und bieten damit einen guten Platz für die Heizschicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das PTC Polymermaterial auf einer der Elektroden der Zelle anzubringen. Dies kann besonders vorteilhaft bei polymeren Lithiumionenbatterien sein, die Polymerelektrolyten an Stelle eines flüssigen Elektrolyten verwenden. Das PTC Polymermaterial kann insbesondere auch auf flexiblen Behälterwänden eingesetzt werden, beispielsweise bei Beutelzellen, die manchmal als pouch cells bezeichnet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das PTC Polymermaterial eine erste Oberfläche der Zelle bedecken, und eine zweite Oberfläche der Zelle freilassen. Beispielsweise kann eine Vorderseite der Zelle mit PTC Polymermaterial bedeckt sein und eine Rückseite frei von PTC Polymermaterial sein. Die zweite Oberfläche kann dann zum Kühlen genutzt werden.
Ein elektrischer Isolator kann unterhalb der Heizschicht angeordnet sein. Ein solcher Isolator kann jedoch eingespart werden, beispielsweise indem ein Anschluss zum elektrischen Kontaktieren der Heizschicht in das PTC Polymermaterial eingebettet ist, insbesondere wenn der eingebettete Anschluss auf demselben Potential wie die Elektrode der Zelle liegt, beispielsweise auf Massepotential. Anstatt ein oder zwei Anschlüsse in das PTC Polymermaterial einzubetten, kann das PTC Polymermaterial auch elektrisch von Anschlüssen kontaktiert werden, beispielsweise Metallfolien oder Schichten, über und/oder unter der Heizschicht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszahlen versehen.
Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung. Es zeigen:
1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Lithiumionenbatterie mit einer Heizschicht aus PTC Polymermaterial;
2 ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel einer Lithiumionenzelle mit einer Heizschicht aus PTC Polymermaterial; und
3 ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel einer Lithiumionenzelle mit einer Heizschicht aus PTC Polymermaterial.
1 zeigt eine Lithiumionenbatterie, die eine positive Elektrode 1, eine negative Elektrode 2, ein Gehäuse 3, in dem ein Elektrolyt, beispielsweise ein Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel, angeordnet ist, und eine Heizschicht 4 aus einem PTC Polymermaterial aufweist. Das Lithiumsalz kann beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6), Lithiumhexafluoridarsenat (LiAsF6), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrafluorborat (LiBF4), oder Lithiumtriflat (LiCF3SO3) sein.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Heizschicht 4 aus PTC Polymermaterial an einer Außenfläche des Gehäuses 3 angeordnet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Heizschicht 4 an einer Innenseite des Gehäuses 3 anzubringen. Eine Heizschicht 4 aus PTC Polymermaterial auf einer Innenfläche des Gehäuses 3 kann den Vorteil einer verbesserten thermischen Ankopplung haben. Eine Heizschicht auf einer Außenfläche des Gehäuses kann dagegen den Vorteil haben, dass sich die Heizschicht leichter elektrisch anschließen lässt.
Anschlüsse zum Anlegen einer Spannung an die Heizschicht 4 aus PTC Polymermaterial können als Anschlussbleche ausgebildet sein, die über und unter der Heizschicht 4 angeordnet sind. Ein Heizstrom fließt dann in einer Richtung, die senkrecht zu der Heizschicht 4 ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen oder mehrere Leiter in die Heizschicht 4 einzubetten, um einen Anschluss zu schaffen. Heizstrom fließt dann in der Ebene der Heizschicht 4.
Es ist möglich, die Heizschicht 4 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 3 anzubringen. Auf diese Weise lässt sich die Heizlistung erhöhen. Es können separate Heizschichten aus PTC Polymermaterial auf unterschiedlichen Seiten des Gehäuses 3 angebracht werden oder eine einzige Schicht kann die Lithiumionenbatterie bzw. die Zelle umgeben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heizschicht 4 nur auf eine der Seiten des Gehäuses 3 angebracht, sodass die gegenüberliegende Seite des Gehäuses zum Kühlen der Batterie oder der Zelle zur Verfügung steht.
In 1 ist das Gehäuse ein Rechteck oder allgemeiner gesagt ein Prisma. Das Gehäuse kann jedoch auch eine beliebige andere Form haben und beispielsweise auch als ein flexibler Beutel ausgebildet sein.
2 zeigt eine Lithiumionenzelle, die einen zylindrischen Körper hat. Die Elektroden 1, 2 sind Bleche. Ein Lithiumsalz enthaltender Elektrolyt ist in dem Körper angeordnet. Der Elektrolyt kann eine Flüssigkeit sein, die in einem Behälter eingeschlossen ist, oder ein Festkörper, beispielsweise ein Polymer. Die Heizschicht 4 ist außen an der Zelle angebracht, kann aber auch innen angeordnet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt die Heizschicht 4 etwa die Hälfte der Seitenfläche der Zelle.
3 zeigt eine Beutelzelle, die als Gehäuse einen Beutel aufweist, beispielsweise einen Behälter aus flexibler Folie, in dem ein Elektrolyt und Elektroden angeordnet sind. Der Elektrolyt kann ein Lithiumsalz in einer Lösung sein oder in einem Festkörper, beispielsweise einem Polymer. Folienanschlüsse sind elektrisch an die Elektroden angeschlossen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, und abgedichtet nach außen geführt.
Mehrere Zellen können verbunden werden, um eine Batterie oder einen Lithiumionenakkumulator zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0082893 A1 [0002]

Claims

Lithiumionenbatterie mit mehreren Zellen, wobei jede Zelle jeweils eine positive Elektrode (1), eine negative Elektrode (2) und einen Elektrolyten enthält, wobei der Elektrolyt ein Lithiumsalz enthält und sowohl die positive Elektrode (1) als auch die negative Elektrode (2) kontaktiert, und einer Heizschicht (4) aus einem PTC Polymermaterial.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC Polymermaterial eine Mischung aus Kohlenstoffpartikeln und einem Polymer ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein thermoplastisches Polymer ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polyethylen oder Polyvinyliden ist.
Lithiumionenbatterie nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (4) auf jeder Zelle angeordnet ist.
Lithiumionenbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Seite an jeder Zelle von der Heizschicht (4) bedeckt ist und eine zweite Seite jeder Zelle von der Heizschicht (4) frei bleibt.
Lithiumionenbatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle einen Behälter aufweist, in dem der Elektrolyt angeordnet ist, wobei die Heizschicht (4) auf einer Oberfläche des Behälters angeordnet ist.
Lithiumionenbatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC Polymermaterial auf wenigstens einer der Elektroden (1, 2) jeder Zelle angeordnet ist.
Lithiumionenbatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zellen in einem Gehäuse (3) angeordnet sind und die Heizschicht (4) auf einer Fläche des Gehäuses (3) angeordnet ist.
Lithiumionenbatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC Polymermaterial einen Niedertemperaturzustand und einen Hochtemperaturzustand aufweist, wobei das PTC Polymer in einem Temperaturbereich zwischen 40°C und 100°C von dem Niedertemperaturzustand in den Hochtemperaturzustand übergeht.
Lithiumionenbatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse zum Anlegen einer Spannung an die Heizschicht (4) in das PTC Polymermaterial eingebettet sind.
Lithiumionenzelle, mit einem Elektrolyten, der ein Lithiumsalz enthält einer positiven Elektrode (1), die den Elektrolyten kontaktiert, einer negativen Elektroden (2), die den Elektrolyten kontaktiert, und einer Heizschicht (4) aus einem PTC Polymermaterial.
Lithiumionenzelle nach Anspruch 12, wobei die Zelle eine Beutelzelle ist und die Heizschicht (4) auf dem Beutel angebracht ist.