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Es wird eine Batteriezelle angegeben. Des Weiteren werden ein Energiespeicher und ein Verfahren zur Entlüftung einer derartigen Batteriezelle angegeben.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Batteriezelle anzugeben, die besonders sicher ist. Des Weiteren sollen ein Energiespeicher mit derartigen Batteriezellen und ein Verfahren zur Entlüftung einer derartigen Batteriezelle angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Implementierungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Batteriezelle ein Gehäuse, das eine Deckfläche, eine Bodenfläche und zumindest eine Seitenfläche umfasst. Die Deckfläche und die Bodenfläche stehen sich beispielsweise gegenüber und erstecken sich parallel zueinander. Die Seitenfläche verbindet die Deckfläche und die Bodenfläche miteinander.
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Das Gehäuse weist beispielsweise eine zylindrische Form auf. In diesem Fall umfasst das Gehäuse eine einzelne Seitenfläche, die in Draufsicht eine Ringform aufweist. Die Batteriezelle erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsrichtung. An Enden der Batteriezelle, insbesondere des Gehäuses, sind die Deckfläche und die Bodenfläche angeordnet, die sich jeweils senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung erstrecken.
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An der Deckfläche und an der Bodenfläche kann jeweils ein Stromableiter angeordnet sein. Beispielsweise ist an der Deckfläche ein Anodenstromableiter und an der Bodenfläche ein Kathodenstromableiter angeordnet oder umgekehrt.
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Bei der Batteriezelle handelt es sich beispielsweise um einen Akkumulator. Die Batteriezelle ist damit beispielsweise ein einzelnes wieder aufladbares Speicherelement für elektrische Energie.
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Das Gehäuse umfasst beispielsweise ein Metall, wie zum Beispiel Aluminium. Eine Dicke des Gehäuses ist beispielsweise mindestens 0,1 mm und höchstens 1 mm, zum Beispiel 0,5 mm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Batteriezelle eine Hilfsvorrichtung, die zumindest teilweise auf der Seitenfläche und der Bodenfläche angeordnet ist. Die Hilfsvorrichtung steht mit der Seitenfläche und der Bodenfläche zumindest teilweise in direktem Kontakt.
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Beispielsweise ist die Hilfsvorrichtung als Streifen ausgebildet, der sich entlang der Haupterstreckungsrichtung auf der Seitenfläche erstreckt. Der Streifen weist hierbei eine Länge entlang der Haupterstreckungsrichtung und eine Breite senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung auf.
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Die Länge der Hilfsvorrichtung beträgt beispielsweise mindestens 50 %, insbesondere mindestens 80 %, einer Länge der Seitenfläche entlang der Haupterstreckungsrichtung. Beispielsweise erstreckt sich die Hilfsvorrichtung über eine gesamte Länge der Seitenfläche.
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Die Breite der Hilfsvorrichtung beträgt beispielsweise höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 %, eines Umfangs der Seitenfläche senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung. Beispielsweise erstreckt sich die Hilfsvorrichtung nicht entlang dem gesamten Umfang der Seitenfläche.
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Die Hilfsvorrichtung umfasst beispielsweise ein weiteres Metall, das verschieden von dem Metall des Gehäuses ist. Eine Dicke der Hilfsvorrichtung ist beispielsweise mindestens so groß wie die Dicke des Gehäuses.
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Weiterhin erstreckt sich die Hilfsvorrichtung entlang der Bodenfläche. Ein Teil der Hilfsvorrichtung auf der Seitenfläche und ein Teil der Hilfsvorrichtung auf der Bodenfläche sind insbesondere einstückig miteinander verbunden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle weist das Gehäuse eine Ausnehmung an der Bodenfläche auf. Die Ausnehmung erstreckt sich in dieser Ausführungsform von einer Außenfläche der Bodenfläche und/oder von einer Innenfläche der Bodenfläche entlang der Haupterstreckungsrichtung durch das Gehäuse.
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Die Ausnehmung weist senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung eine runde, ovale oder vieleckige Form auf. Eine maximale Ausdehnung der Ausnehmung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung ist kleiner als ein Durchmesser des Gehäuses. Zum Beispiel ist die maximale Ausdehnung höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 %, so groß wie der Durchmesser des Gehäuses.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle bedeckt die Hilfsvorrichtung die Ausnehmung vollständig. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die Hilfsvorrichtung bis zu der Ausnehmung und bedeckt diese vollständig. Das heißt, in Draufsicht überlappen die Hilfsvorrichtung und die Ausnehmung insbesondere vollständig.
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Eine Idee der vorliegenden Batteriezelle ist unter anderem, dass die Ausnehmung nicht in der Seitenfläche, sondern in der Bodenfläche angeordnet ist und mittels einer Hilfsvorrichtung vollständig bedeckt ist. Bei einer Fehlfunktion der Batteriezelle führt in der Batteriezelle entstehendes Gas insbesondere zu einem Ausdehnen der Seitenfläche. Durch eine derartige Verformung ist die Ausnehmung nicht mehr von der Hilfsvorrichtung bedeckt und das Gas kann austreten. Damit kann ein Aufplatzen der Seitenfläche des Gehäuses mit Vorteil verhindert werden und somit eine Beschädigung der benachbarten Batteriezelle mit Vorteil reduziert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle schließt das Gehäuse eine Kavität ein, in der ein funktionelles Batterieelement angeordnet ist. Beispielsweise umfasst das funktionelle Batterieelement mindestens eine erste Elektrodenschicht, mindestens eine Separatorschicht und mindestens eine zweite Elektrodenschicht.
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Die erste Elektrodenschicht wird beispielsweise durch die Separatorschicht von der zweiten Elektrodenschicht getrennt. Die erste Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die erste Elektrodenschicht mit einem aktiven Kathodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der ersten Elektrodenschicht um eine Kathodenschicht der Batteriezelle.
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Die zweite Elektrodenschicht ist beispielsweise mit einem aktiven Elektrodenmaterial gebildet oder ist daraus geformt. Insbesondere ist die zweite Elektrodenschicht mit einem aktiven Anodenmaterial geformt oder ist daraus gebildet. In diesem Fall handelt es sich bei der zweiten Elektrodenschicht um eine Anodenschicht der Batteriezelle.
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Die Separatorschicht weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Die Batteriezelle umfasst beispielsweise eine weitere Separatorschicht.
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Das funktionelle Batterieelement ist beispielsweise aufgewickelt. Das aufgewickelte funktionelle Batterieelement ist in der Kavität angeordnet. Das Gehäuse und das funktionelle Batterieelement bilden die Batteriezelle.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle durchdringt die Ausnehmung die Bodenfläche zumindest teilweise. Beispielsweise ist eine Dicke des Gehäuses in der Ausnehmung um mindestens 50 % kleiner als die Dicke des Gehäuses ohne Ausnehmung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle durchdringt die Ausnehmung die Bodenfläche vollständig.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle ist die Kavität durch das Gehäuse und die Hilfsvorrichtung vollständig eingekapselt. Das heißt, die Kavität ist dreidimensional von dem Gehäuse und der Hilfsvorrichtung vollständig umgeben. In diesem Fall versiegelt die Hilfsvorrichtung die Kavität im Bereich der Ausnehmung.
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Insbesondere ist die Kavität durch die Hilfsvorrichtung derart versiegelt, dass das funktionelle Batterieelement vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, geschützt ist.
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Beispielsweise steht die Hilfsvorrichtung im Bereich der Ausnehmung mit der Bodenfläche in direktem Kontakt und verschließt die Ausnehmung formschlüssig. Die Hilfsvorrichtung weist beispielsweise einen Versiegelungsteil auf, der sich in die Ausnehmung erstreckt. Der Versiegelungsteil füllt die Ausnehmung zumindest teilweise oder vollständig.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Batteriezelle weist ein Material der Hilfsvorrichtung einen kleineren Ausdehnungskoeffizient auf als ein Material des Gehäuses. Beispielsweise ist der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Hilfsvorrichtung kleiner als der Ausdehnungskoeffizient des Materials des Gehäuses für einen gleichen Temperaturbereich. Bei dem Ausdehnungskoeffizient handelt es sich insbesondere um einen Längenausdehnungskoeffizienten.
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In dieser Ausführungsform ist das Material der Hilfsvorrichtung insbesondere mit Vorteil ein thermisch stabiles Material und ändert sich nur wenig aufgrund äußerer Einflüsse, beispielsweise weniger als das Material des Gehäuses.
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Des Weiteren wird ein Energiespeicher angegeben, der eine Vielzahl der hier beschriebenen Batteriezellen umfasst. Demzufolge sind auch die Merkmale der Batteriezelle in Verbindung mit dem Energiespeicher offenbart und umgekehrt.
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Die Batteriezellen sind beispielsweise an Gitterpunkten eines zweidimensionalen Gitters angeordnet. Insbesondere sind die Bodenflächen und die Deckflächen an den Gitterpunkten angeordnet. Bei dem Gitter handelt es sich beispielsweise um ein Dreieckgitter, ein Viereckgitter oder um ein hexagonales Gitter.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Energiespeichers liegen sich die Seitenflächen direkt benachbarter Batteriezellen jeweils gegenüber. Die Seitenflächen der Batteriezellen erstrecken sich alle parallel zueinander. Die Seitenflächen können in direktem Kontakt mit direkt benachbarten Seitenflächen stehen. Alternativ ist ein Zwischenraum zwischen direkt benachbarten Seitenflächen angeordnet.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Entlüftung einer hier beschriebenen Batteriezelle bei einer Fehlfunktion der Batteriezelle angegeben. Damit sind auch die Merkmale der Batteriezelle in Verbindung mit dem Verfahren offenbart und umgekehrt.
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Bei einer Fehlfunktion der Batteriezelle kann die in der Batteriezelle gespeicherte Energie in einem Zeitintervall freigesetzt werden. Das Zeitintervall beträgt beispielsweise höchstens 100 ms, insbesondere höchstens 10 ms. Bei der Fehlfunktion entstehen beispielsweise Temperaturen von mindestens 100 °C, beispielsweise in etwa 400 °C. Bei einer solchen Fehlfunktion kann in der Batteriezelle Gas entstehen, beispielsweise durch zumindest teilweise Verdampfung eines in der Batteriezelle enthaltenen Elektrolyten.
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Die Seitenfläche des Gehäuses kann sich insbesondere durch die Gasentwicklung bei der Fehlfunktion in laterale Richtungen ausdehnen. Durch das entstehende Gas erhöht sich beispielsweise die Temperatur in der Kavität und der Gasdruck führt zu einem Aufblähen des Gehäuses. Insbesondere wird die Seitenfläche durch den Gasdruck und die erhöhte Temperatur in laterale Richtungen nach außen gebogen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens verschiebt sich die Hilfsvorrichtung auf der Bodenfläche derart, dass die Ausnehmung nicht mehr vollständig von der Hilfsvorrichtung bedeckt wird. Da die Hilfsvorrichtung vorteilhafterweise ein Material umfasst, das einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses umfasst, dehnt sich die Hilfsvorrichtung nicht wie das Gehäuse aus. Durch diese unterschiedliche Ausdehnung wird der Teil der Hilfsvorrichtung auf der Bodenfläche verschoben, sodass die Ausnehmung nicht mehr vollständig von der Hilfsvorrichtung bedeckt ist. Damit kann mit Vorteil Gas über die Ausnehmung entweichen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kavität des Gehäuses beim Ausdehnen vergrößert. Die Kavität weist vor dem Ausdehnen beispielsweise die Form einer zylindrischen Form auf. Diese zylindrische Form ändert sich beim Ausdehnen zu einer konvexen Form der Seitenflächen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Fehlfunktion Gas in der Kavität erzeugt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens entweicht das Gas über die Ausnehmung aus der Kavität.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 2 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Entlüftung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die Batteriezelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst ein Gehäuse 2, das eine Deckfläche 3, eine Bodenfläche 4 und eine Seitenfläche 5, insbesondere eine einzelne zylindrische Seitenfläche 5, umfasst. Das Gehäuse 2 weist eine zylindrische Form auf und erstreckt sich entlang einer Haupterstreckungsrichtung. Die Deckfläche 3, die Bodenfläche 4 und die Seitenfläche 5 formen eine Kavität 8. In der Kavität 8 ist ein funktionelles Batterieelement 9 angeordnet. Das funktionelle Batterieelement 9 kann beispielsweise als Elektrodenwickel (Jelly Roll) ausgebildet sein.
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Zwischen dem funktionellen Batterieelement 9 und der Deckfläche 3 kann ein Anodenstromableiter 10 der Batteriezelle 1 angeordnet sein. Der Anodenstromableiter 10 ist mittels eines Pins, der die Deckfläche 3 vollständig durchdringt, von außen elektrisch leitend kontaktierbar. Das heißt, die Deckfläche 3 umfasst eine Öffnung, durch die der Pin zu den Anodenstromableiter10 geführt ist.
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Weiterhin kann zwischen dem funktionellen Batterieelement 9 und der Bodenfläche 4 ein Kathodenstromableiter 11 der Batteriezelle 1 angeordnet sein. Der Kathodenstromableiter 11 ist beispielsweise mittels dem Gehäuse 2 von außen elektrisch leitend kontaktierbar. Alternativ sind andere Anordnungen der Stromableiter möglich, beispielsweise können sowohl der Anodenstromableiter als auch der Kathodenstromableiter an der Deckfläche angeordnet sein.
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Das Gehäuse 2 weist eine Ausnehmung 7 an der Bodenfläche 4 auf, die die Bodenfläche 4 vollständig durchdringt. Die Ausnehmung 7 bildet hierbei ein Entlüftungsventil.
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Weiterhin ist eine Hilfsvorrichtung 6 auf der Seitenfläche 5 und auf der Bodenfläche 4 des Gehäuses 2 angeordnet. Die Hilfsvorrichtung 6 ist in Form eines Streifens auf der Seitenfläche 5 und der Bodenfläche 4 auf dem Gehäuse 2 angeordnet. Der Streifen erstreckt sich vollständig entlang der Seitenfläche 5 entlang der Haupterstreckungsrichtung.
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Weiterhin bedeckt die Hilfsvorrichtung 6 die Ausnehmung 7 vollständig. Die Ausnehmung 7 ist weiterhin vollständig mit einem Material der Hilfsvorrichtung 6 gefül lt.
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Durch die Hilfsvorrichtung 6, die Deckfläche 3, die Bodenfläche 4 und die Seitenfläche 5 ist die Kavität 8 vollständig versiegelt. Das heißt, das funktionelle Batterieelement 9 ist mit Vorteil von einer die Batteriezelle 1 umgebenden Umgebung geschützt.
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Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 weist die Batteriezelle 1 eine Fehlfunktion auf. Bei einer Fehlfunktion der Batteriezelle 1 kann die in der Batteriezelle 1 gespeicherte Energie freigesetzt werden, sodass Temperaturen über 400 °C entstehen. Ein in der Kavität 8 der Batteriezelle enthaltener Elektrolyt und/oder das funktionelle Batterieelement 9 der Batteriezelle 1 können bei solchen Temperaturen zumindest teilweise gasförmig werden.
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Durch ein derartiges Gas und derartige Temperaturen wird die Kavität 8 vergrößert. Insbesondere dehnt sich die Seitenfläche 5 des Gehäuses 2 in laterale Richtungen nach außen. Die Seitenfläche 5 dehnt sich damit aus.
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Die Hilfsvorrichtung 6 umfasst ein Material, das einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses 2 umfasst. Damit dehnt sich die Hilfsvorrichtung 6 nicht in gleichem Maße wie das Gehäuse 2 aus.
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Durch dieses verschiedene Dehnen verschiebt sich die Hilfsvorrichtung 6 auf der Bodenfläche 4 derart, dass die Ausnehmung 7 nicht mehr vollständig von der Hilfsvorrichtung 6 bedeckt wird. Damit kann mit Vorteil Gas über die Ausnehmung 7 entweichen. Das Gas ist in 2 symbolisch als Wolke dargestellt. Die Pfeile entsprechen einer Verschiebung der Hilfsvorrichtung 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezelle
- 2
- Gehäuse
- 3
- Deckfläche
- 4
- Bodenfläche
- 5
- Seitenfläche
- 6
- Hilfsvorrichtung
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Kavität
- 9
- funktionelles Batterieelement
- 10
- Anodenstromableiter
- 11
- Kathodenstromableiter
