EP4226448A1 - Batteriezelle mit mehreren elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen batteriezellgehäuse - Google Patents

Batteriezelle mit mehreren elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen batteriezellgehäuse

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EP4226448A1
EP4226448A1 EP21769347.2A EP21769347A EP4226448A1 EP 4226448 A1 EP4226448 A1 EP 4226448A1 EP 21769347 A EP21769347 A EP 21769347A EP 4226448 A1 EP4226448 A1 EP 4226448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery cell
protective film
electrode units
inner layer
battery
Prior art date
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Pending
Application number
EP21769347.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon LUX
Sebastian Scharner
Sonia Dandl
Franz Fuchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell with a plurality of electrode units which are arranged in a common battery cell housing.
  • lithium-ion battery cell is used synonymously for all terms commonly used in the prior art for lithium-containing galvanic elements and cells, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell and lithium ion battery.
  • rechargeable batteries secondary batteries
  • the lithium-ion battery cell can also be a solid-state battery cell, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery cell.
  • the thermal runaway of a battery cell can lead to overheating spreading to the neighboring battery cells, so that there can be a risk of damaging the entire battery module or even the entire high-voltage battery if this is not prevented by suitable safety measures.
  • a battery cell with a hard-shell battery cell housing is known from publication 10 2012 205 810 A1, in which a plurality of electrode units, each designed as a cell coil, are arranged in the hard-shell battery cell housing. With one like this If several electrode units are arranged in a common housing, there may be a risk that a thermal runaway of one electrode unit will spread to the other electrode units arranged in the common housing in a very short time.
  • the battery cell includes a plurality of electrode units in a common battery cell housing.
  • the electrode units are, for example, electrode stacks or electrode coils.
  • the electrode stacks or electrode coils each contain, in particular, a layer sequence made up of anode and cathode layers, which are each separated from one another by a separator.
  • the battery cell can in particular be a lithium-ion battery cell.
  • the battery cell is preferably a prismatic battery cell which has a fixed battery cell housing in which the plurality of electrode units are arranged.
  • the battery cell housing can, for example, have a rectangular base area and be essentially cuboid.
  • prismatic battery cells can easily be stacked and assembled into a battery module.
  • the battery cell housing can have, for example, a housing base body, which has a bottom wall and side walls, and a cover.
  • the electrode units are each provided with a protective film.
  • the protective film has at least one inner layer and one outer layer.
  • the inner layer is placed on the electrode assembly and the outer layer is placed on the inner layer.
  • the outer layer advantageously has a higher melting point than the inner layer.
  • the protective film is made of at least two layers, with the outer layer having a greater thermal has durability than the inner layer. It is also possible for the protective film to have more than two layers, for example three layers.
  • the invention is based in particular on the considerations presented below:
  • a large amount of energy can be released within seconds. This can cause electrolyte to evaporate and/or degrade the active materials of the electrodes.
  • the separator between the electrodes can be damaged by the increased temperature, which can lead to a large-area short circuit of the electrodes and the entire energy of the electrode unit is discharged. This leads to a very strong increase in pressure and the release of high energies in a very short time. This energy heats the environment and can lead to the reaching of a critical temperature of adjacent electrode units.
  • a thermal runaway of the adjacent electrode unit can occur, whereby further energy is released.
  • the energy can be delivered to other battery cells via the side walls of the battery cell housing and thus possibly damage other battery cells in a chain reaction.
  • such a chain reaction is prevented or at least slowed down by the protective film of the electrode units.
  • a lower thermal conductivity of the protective film delays the release of energy from the electrode unit to adjacent electrode units. The total energy emitted by the electrode assembly during the thermal runaway does not change significantly as a result, but the total energy is released to the environment at a slower rate.
  • the preferred at least two-layer design of the protective film from an inner layer and an outer layer has the advantage that the outer layer can ensure the thermal resistance of the protective film up to higher temperatures than if only the inner layer would be present. By melting the inner layer, some of the energy can be absorbed while the outer layer is still thermally stable.
  • the additional inner layer can also be advantageous for the mechanical properties of the protective film.
  • the inner layer can have a material with a lower hardness than the outer layer.
  • the softer inner layer can better distribute the pressure on the electrode unit and thus reduce the risk of the electrode unit being damaged by the harder outer layer of the protective film in the event of external pressure.
  • the inner layer comprises polypropylene (PP) or polyethylene (PP).
  • the outer layer preferably comprises a polyethylene terephthalate (PET), e.g. Mylar, or a polyimide, e.g. Kapton.
  • the protective film is preferably between 20 ⁇ m and 200 ⁇ m thick inclusive.
  • the thickness of the protective film is to be understood as the total thickness of the layers.
  • the protective film has a number of openings.
  • the openings facilitate the penetration of the electrolyte into the electrode units.
  • the openings in the protective film preferably face the bottom surface of the battery cell housing.
  • the number of openings is preferably about 10 to 20.
  • the battery cell is preferably a lithium ion battery cell.
  • Lithium-ion battery cells are characterized by a high energy density and are therefore particularly suitable for use in high-voltage batteries in motor vehicles.
  • a lithium-ion battery with several of the battery cells described herein and a motor vehicle with the lithium-ion battery are also proposed. Due to the improved safety, the battery cell described herein can advantageously be used in a lithium-ion battery, which can be used in particular as a traction battery in an electrically driven motor vehicle.
  • a preferred exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and developments of the invention. Specifically show schematic
  • FIG. 1 shows an exploded view of a battery cell according to an exemplary embodiment
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of the electrode units
  • FIG. 3 shows a plan view of the protective film on the underside of an electrode unit
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an electrode unit.
  • the battery cell 20 shown schematically in an exploded view in FIG. 1 is a prismatic battery cell 20.
  • the battery cell 20 has a battery cell housing which is formed by a housing base body 9 and a cover 4.
  • the battery cell housing forms a mechanically strong casing for the electrode units 10a, 10b arranged therein.
  • two electrode units 10a, 10b are arranged in the battery cell housing in the battery cell.
  • the electrode layers can be present, for example, as a stack (stack) or roll (jelly roll).
  • the battery cell housing has a rectangular base area and is essentially cuboid.
  • the case main body 9 and the cover 4 of the battery cell case may be formed of a metal such as aluminum. It is possible for the battery cell housing to have an electrically insulating coating at least in regions.
  • the battery cell 20 has a first terminal 1 and a second terminal 2, with the terminals 1, 2 being arranged on the cover 4 of the battery cell housing.
  • the terminals 1 , 2 are provided for making electrical contact with the poles of the battery cell 20 and can each be electrically insulated from the cover 4 by an insulating plate 3 .
  • the terminals 1, 2 are each secured by a rivet 6 that is passed through the cover 4. connected to current collectors 8 of the electrode unit 10.
  • seals 5 are provided.
  • the electrode units 10a, 10b can be fixed in the battery cell housing by a holder 7, which is arranged between the electrode units 10 and the cover 4, and lateral holders 11.
  • An emergency ventilation opening 13 is arranged on the cover 4 of the battery cell housing.
  • the emergency ventilation opening 13 is closed during normal operation of the battery cell 20, for example by a bursting membrane. If the internal pressure in the battery cell 20 rises above a critical limit (typically between 6 bar and 15 bar), the bursting membrane opens so that the pressure can escape.
  • the bursting membrane (not shown) can be fastened in the emergency vent opening 13 by laser welding, for example.
  • the bursting membrane can, for example, have a thickness of 80 ⁇ m to 400 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the electrode units 10a, 10b arranged in the battery cell each have a protective film 12.
  • the protective film 12 advantageously covers the electrode units 10a, 10b essentially completely. “Essentially completely” can mean in particular that the foil covers the electrode units apart from any openings for electrical feedthroughs and/or openings for the penetration of a liquid electrolyte.
  • FIG. 10 A schematic view of the electrode units 10a, 10b in cross section is shown in FIG.
  • two electrode units 10a, 10b are arranged next to one another.
  • the protective film 12 on the electrode units 10a, 10b is advantageously designed in two layers.
  • the protective film has an inner layer 12a and an outer layer 12b.
  • the outer layer 12b has a melting point that is as high as possible, preferably higher than 150°C or even higher than 200°C.
  • the outer layer 12b is intended in particular to ensure the thermal resistance of the protective film 12 in the event of a thermal runaway of an electrode unit 10a, 10b.
  • the outer layer 12b comprises a polyethylene terephthalate such as Mylar or a polyimide such as Kapton.
  • the inner layer 12a may have a lower melting point than the outer layer 12b. When the melting point of the inner layer 12a is exceeded in the event of a thermal runaway of an electrode unit and the inner layer 12a thereby is damaged, the outer layer 12b advantageously remains intact for longer.
  • the inner layer 12a is advantageously made of a softer plastic than the outer layer 12b.
  • the inner layer 12a can in particular improve the pressure distribution on the electrode units 10a, 10b.
  • inner layer 12a comprises polypropylene or polyethylene.
  • the two-layer protective film 12 advantageously has low thermal conductivity.
  • the protective film reduces the heat transport between the adjacent electrode units 10a, 10b.
  • a thermal runaway of an electrode unit for example the electrode unit 10a
  • a thermal runaway of the adjacent electrode unit 10b is thus prevented or at least delayed.
  • the heat generated in the battery cell is released more slowly so that the heat can be better dissipated, for example via the cover of the battery cell housing or a cooling system. If several battery cells are arranged in one battery, this counteracts damage to the entire battery.
  • FIG. 3 shows a top view of an exemplary embodiment of the protective film 12 on a surface facing the bottom of the housing base body 9 .
  • the protective film 12 is advantageously perforated in this area.
  • the protective film 12 has about 10 to 20 openings 14 in this area.
  • the electrolyte can advantageously penetrate into the electrode units 10a, 10b through the openings 14 in the protective film 12 when the battery cell is filled with a liquid electrolyte.
  • FIG. 4 shows an example of the layer stack in an electrode unit 10a.
  • the electrode unit 10a comprises copper foils 15 coated with an anode active material 16 and aluminum foils 19 coated with a cathode active material 18 .
  • the anode active material 16 is, for example, a material from the group consisting of carbonaceous materials, silicon, silicon suboxide, silicon alloys, aluminum alloys, indium, indium alloys, tin, tin alloys, cobalt alloys and mixtures thereof.
  • the anode active material is preferably selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composite, silicon, surface coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, lithium, aluminum alloys, indium, tin alloys, cobalt alloys and mixtures thereof.
  • the cathode active material 18 can be a layered oxide such as a lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), a lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA), a lithium cobalt oxide (LCO) or a lithium nickel -Cobalt oxide (LNCO).
  • the layered oxide can in particular be an overlithiated layered oxide (OLO, overlithiated layered oxide).
  • Other suitable cathode active materials are compounds with a spinel structure such as lithium manganese oxide (LMO) or lithium manganese nickel oxide (LMNO), or compounds with an olivine structure such as lithium iron phosphate (LFP) or lithium manganese iron phosphate (LMFP).
  • the anode active material 16 is separated from the cathode active material 18 by a separator 17 in each case.
  • the separator 17 is in particular a film and has a material that is permeable to lithium ions but impermeable to electrons.
  • Polymers can be used as separators, in particular a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene and/or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, aramid, polyether, polyetherketone, synthetic spider silk or mixtures thereof.
  • the separator can optionally also be coated with ceramic material and a binder, for example based on Al2O3.
  • a layer sequence S which has a copper foil 15 coated on both sides with the anode active material 16, an aluminum foil 19 coated on both sides with the cathode active material 18 and separators 17, can be repeated several times in the electrode unit 10a (indicated as N*S in the drawing).
  • a copper foil 15 coated with the anode active material 16 forms the end of the electrode unit 10a on both sides.

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Abstract

Es wird eine Batteriezelle beschrieben, umfassend mehrere Elektrodeneinheiten (10a, 10b) in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse, wobei - die Elektrodeneinheiten (10a, 10b) jeweils mit einer Schutzfolie (12) versehen sind, - die Schutzfolie (12) eine innere Schicht (12a) und eine äußere Schicht (12b) aufweist, - die innere Schicht (12a) auf der Elektrodeneinheit (10a, 10b) und die äußere Schicht (12b) auf der inneren Schicht (12a) angeordnet ist, und - die äußere Schicht (12b) einen höheren Schmelzpunkt als die innere Schicht (12a) aufweist.

Description

Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten, die in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse angeordnet sind.
In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In- Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batteriezelle“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Die Lithiumionen-Batteriezelle kann auch eine Festkörper-Batteriezelle sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörper- Batteriezelle.
Im Falle eines mechanischen Aufpralls auf die Batteriezelle, der beispielsweise eine Deformation und/oder das Eindringen eines spitzen Gegenstands in die Batteriezelle bewirkt, oder bei einer Überladung der Batteriezelle, kann das Risiko einer Überhitzung der Batteriezelle bestehen. Durch exotherme Elektrodenreaktionen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses der Elektroden, kann es zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) der Batteriezelle kommen. Bei hohen Temperaturen kann es insbesondere zu einem Verdampfen des in der Batteriezelle enthalten Elektrolyten kommen, wodurch in der Batteriezelle ein kritischer Überdruck entsteht. In einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen kann das thermische Durchgehen einer Batteriezelle zu einer Ausbreitung der Überhitzung auf die benachbarten Batteriezellen führen, so dass ein Risiko der Schädigung des gesamten Batteriemoduls oder sogar der gesamten Hochvoltbatterie bestehen kann, wenn dies nicht durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen verhindert wird.
Aus der Druckschrift 10 2012 205 810 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Hartschalen- Batteriezellgehäuse bekannt, bei dem mehrere Elektrodeneinheiten, die jeweils als Zellwickel ausgebildet sind, in dem Hartschalen-Batteriezellgehäuse angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung mehrerer Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse kann das Risiko bestehen, dass sich ein thermisches Durchgehen einer Elektrodeneinheit in sehr kurzer Zeit auf die weiteren in dem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Elektrodeneinheiten ausbreitet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse anzugeben, bei der das Ausbreiten eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit auf benachbarte Elektrodeneinheiten verhindert oder zumindest verlangsamt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriezelle mehrere Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse. Die Elektrodeneinheiten sind beispielsweise Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel. Die Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel enthalten insbesondere jeweils eine Schichtfolge aus Anoden- und Kathodenschichten, die jeweils durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Batteriezelle kann insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle sein.
Die Batteriezelle ist vorzugsweise eine prismatische Batteriezelle, die ein festes Batteriezellgehäuse aufweist, in dem die mehreren Elektrodeneinheiten angeordnet sind. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen und im Wesentlichen quaderförmig sein. Prismatische Batteriezellen können vorteilhaft leicht gestapelt und zu einem Batteriemodul zusammengesetzt werden. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise einen Gehäusegrundkörper, der eine Bodenwand und Seitenwände aufweist, sowie einen Deckel aufweisen.
Die Elektrodeneinheiten sind bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle jeweils mit einer Schutzfolie versehen. Die Schutzfolie weist gemäß einer Ausführungsform mindestens eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf. Die innere Schicht ist auf der Elektrodeneinheit und die äußere Schicht auf der inneren Schicht angeordnet. Die äußere Schicht weist vorteilhaft einen höheren Schmelzpunkt auf als die innere Schicht. Anders ausgedrückt ist die Schutzfolie mindestens zweilagig ausgeführt, wobei die äußere Schicht eine größere thermische Beständigkeit aufweist als die innere Schicht. Es ist auch möglich, dass die Schutzfolie mehr als zwei Schichten aufweist, beispielsweise drei Schichten.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Im Fall eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit kann binnen Sekunden eine große Energie frei werden. Dies kann dazu führen, dass Elektrolyt verdampft und/oder sich die Aktivmaterialen der Elektroden zersetzen. Weiterhin kann durch die erhöhte Temperatur der Separator zwischen den Elektroden geschädigt werden, wodurch es zu einem großflächigen Kurzschluss der Elektroden kommen kann und sich die gesamte Energie der Elektrodeneinheit entlädt. Dies führt zu einem sehr starken Druckanstieg und der Freisetzung hoher Energien in sehr kurzer Zeit. Diese Energie erwärmt die Umgebung und kann zur Erreichung einer kritischen Temperatur benachbarter Elektrodeneinheiten führen. Bei der kritischen Temperatur, etwa bei Tcrit > 150 °C - 180 °C, kann ein thermisches Durchgehen der benachbarten Elektrodeneinheit erfolgen, wodurch weitere Energie frei wird. Die Energie kann über Seitenwände des Batteriezellgehäuses an weitere Batteriezellen abgegeben werden und so möglicherweise weitere Batteriezellen in einer Kettenreaktion schädigen. Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle wird eine solche Kettenreaktion durch die Schutzfolie der Elektrodeneinheiten verhindert oder zumindest verlangsamt. Insbesondere eine geringere Wärmeleitfähigkeit der Schutzfolie verzögert die Energieabgabe der Elektrodeneinheit an benachbarte Elektrodeneinheiten. Die von der Elektrodeneinheit beim thermischen Durchgehen abgegebene Gesamtenergie ändert sich dadurch zwar nicht wesentlich, aber die Gesamtenergie wird verlangsamt an die Umgebung abgegeben. Dies ermöglicht die Wärmeabfuhr über andere Pfade, z.B. durch eine Kühlung, über den Deckel, Zuganker, etc. und verringert somit die Wärmemenge, die über die Seitenwände der Batteriezelle abgegeben wird. Im besten Fall ist der Effekt so stark, dass benachbarte Batteriezellen unter der kritischen Temperatur bleiben und somit eine Propagation des thermischen Durchgehens gestoppt wird. Auch wenn die benachbarte Batteriezelle die kritische Temperatur erreicht, geschieht dies jedoch verlangsamt. Bei einer mehrere Batteriezellen umfassenden Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs wird so das Risiko einer Schädigung der gesamten Hochvoltbatterie vermindert.
Die bevorzugte mindestens zweilagige Ausführung der Schutzfolie aus einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht hat den Vorteil, dass die äußere Schicht die thermische Beständigkeit der Schutzfolie bis zu höheren Temperaturen sichern kann, als wenn nur die innere Schicht vorhanden wäre. Durch ein Aufschmelzen der inneren Schicht kann ein Teil der Energie absorbiert werden, während die äußere Schicht noch thermisch beständig ist.
Die zusätzlich vorhandene innere Schicht kann außerdem vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften der Schutzfolie sein. Insbesondere kann die innere Schicht ein Material mit einer geringeren Härte aufweisen als die äußere Schicht. Die weichere innere Schicht kann in diesem Fall den Druck auf die Elektrodeneinheit besser verteilen und so das Risiko vermindern, dass die Elektrodeneinheit bei äußerem Druck durch die härtere äußere Schicht der Schutzfolie geschädigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die innere Schicht Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PP) auf. Die äußere Schicht weist bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET), beispielsweise Mylar, oder ein Polyimid, beispielsweise Kapton, auf.
Die Schutzfolie ist vorzugsweise zwischen einschließlich 20 pm und einschließlich 200 pm dick. Unter der Dicke der Schutzfolie ist bei einer mehrlagigen Schutzfolie die Gesamtdicke der Schichten zu verstehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schutzfolie mehrere Öffnungen auf. Die Öffnungen erleichtern das Eindringen des Elektrolyten in die Elektrodeneinheiten. Die Öffnungen in der Schutzfolie sind vorzugsweise der Bodenfläche des Batteriezellgehäuses zugewandt. Die Anzahl der Öffnungen beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 20.
Die Batteriezelle ist vorzugsweise eine Lithiumionen-Batteriezelle. Lithiumionen-Batteriezellen zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und sind deshalb insbesondere für die Verwendung in Hochvolt-Batterien in Kraftfahrzeugen geeignet.
Es werden weiterhin eine Lithium-Ionenbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit der Lithiumionen-Batterie vorgeschlagen. Die hierin beschriebene Batteriezelle kann aufgrund der verbesserten Sicherheit vorteilhaft in einer Lithiumionen-Batterie verwendet werden, die insbesondere als Traktionsbatterie in einem elektrisch angetrieben Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Elektrodeneinheiten,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Schutzfolie an der Unterseite einer Elektrodeneinheit und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Elektrodeneinheit.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Die in Figur 1 schematisch in einer Explosionsdarstellung dargestellte Batteriezelle 20 ist eine prismatische Batteriezelle 20. Die Batteriezelle 20 weist ein Batteriezellgehäuse auf, das durch einen Gehäusegrundkörper 9 und einen Deckel 4 gebildet wird. Das Batteriezellgehäuse bildet einen mechanisch festen Mantel für die darin angeordneten Elektrodeneinheiten 10a, 10b aus. In der Batteriezelle sind bei dem gezeigten Beispiel zwei Elektrodeneinheiten 10a, 10b in dem Batteriezellgehäuse angeordnet. In den Elektrodeneinheiten 10a, 10b können die Elektrodenschichten beispielsweise als Stapel (Stack) oder Wickel (Jelly Roll) vorliegen. Das Batteriezellgehäuse weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Der Gehäusegrundkörper 9 und der Deckel 4 des Batteriezellgehäuses können aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium gebildet sein. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.
Die Batteriezelle 20 weist ein erstes Terminal 1 und ein zweites Terminal 2 auf, wobei die Terminals 1 , 2 an dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses angeordnet sind. Die Terminals 1 , 2 sind zur elektrischen Kontaktierung der Pole der Batteriezelle 20 vorgesehen und können jeweils durch eine isolierende Platte 3 von dem Deckel 4 elektrisch isoliert sein. Die Terminals 1 , 2 sind bei dem gezeigten Beispiel jeweils durch ein Niet 6, der durch den Deckel 4 geführt ist, mit Stromkollektoren 8 der Elektrodeneinheit 10 verbunden. Zur Abdichtung der Durchführungen durch den Deckel 4 sind Dichtungen 5 vorgesehen. Die Elektrodeneinheiten 10a, 10b können durch eine Halterung 7, die zwischen den Elektrodeneinheiten 10 und dem Deckel 4 angeordnet ist, und seitliche Halterungen 11 in dem Batteriezellgehäuse fixiert sein.
An dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses ist eine Notentlüftungsöffnung 13 angeordnet. Die Notentlüftungsöffnung 13 ist beim normalen Betrieb der Batteriezelle 20 verschlossen, beispielsweise durch eine Berstmembran. Wenn der Innendruck in der Batteriezelle 20 über eine kritische Grenze steigt (typischerweise zwischen 6 bar und 15 bar), öffnet die Berstmembran, so dass der Druck entweichen kann. Die Berstmembran (nicht dargestellt) kann beispielsweise durch Laserschweißen in der Notentlüftungsöffnung 13 befestigt sein. Die Berstmembran kann beispielsweise eine Dicke von 80 pm bis 400 pm, vorzugsweise von 100 pm bis 300 pm, aufweisen.
Die in der Batteriezelle angeordneten Elektrodeneinheiten 10a, 10b weisen jeweils eine Schutzfolie 12 auf. Die Schutzfolie 12 bedeckt die Elektrodeneinheiten 10a, 10b vorteilhaft im Wesentlichen vollständig. „Im Wesentlichen vollständig“ kann insbesondere bedeuten, dass die Folie die Elektrodeneinheiten abgesehen von eventuellen Öffnungen für elektrische Durchführungen und/oder Öffnungen für das Eindringen eines flüssigen Elektrolyten bedeckt.
Eine schematische Ansicht der Elektrodeneinheiten 10a, 10b im Querschnitt ist in Figur 2 gezeigt. Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Elektrodeneinheiten 10a, 10b nebeneinander angeordnet. Es ist aber möglich, dass die Batteriezelle mehr als zwei Elektrodeneinheiten aufweist, wobei die mehreren Elektrodeneinheiten seriell oder parallel verschaltet sein können. Die Schutzfolie 12 auf den Elektrodeneinheiten 10a, 10b ist vorteilhaft zweilagig ausgeführt. Die Schutzfolie weist eine innere Schicht 12a und eine äußere Schicht 12b auf. Die äußere Schicht 12b weist einen möglichst hohen Schmelzpunkt auf, vorzugsweise von mehr als 150 °C oder sogar mehr als 200 °C. Die äußere Schicht 12b ist insbesondere dazu vorgesehen, die thermische Beständigkeit der Schutzfolie 12 bei einem thermischen Durchgehen einer Elektrodeneinheit 10a, 10b sicherzustellen. Vorzugsweise weist die äußere Schicht 12b ein Polyethylenterephthalat, beispielsweise Mylar, oder ein Polyimid, beispielsweise Kapton, auf. Die innere Schicht 12a kann einen niedrigeren Schmelzpunkt als die äußere Schicht 12b aufweisen. Wenn der Schmelzpunkt der inneren Schicht 12a im Fall eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit überschritten ist und die innere Schicht 12a dadurch geschädigt wird, bleibt die äußere Schicht 12b vorteilhaft noch länger intakt. Die innere Schicht 12a ist vorteilhaft aus einem weicheren Kunststoff als die äußere Schicht 12b gebildet. Die innere Schicht 12a kann insbesondere die Druckverteilung auf die Elektrodeneinheiten 10a, 10b verbessern. Vorzugsweise weist die innere Schicht 12a Polypropylen oder Polyethylen auf. Die zweilagige Schutzfolie 12 weist vorteilhaft eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Schutzfolie vermindert den Wärmetransport zwischen den benachbarten Elektrodeneinheiten 10a, 10b. Bei einem thermischen Durchgehen einer Elektrodeneinheit, beispielsweise der Elektrodeneinheit 10a, wird so ein thermisches Durchgehen der benachbarten Elektrodeneinheit 10b verhindert oder zumindest verzögert. Die in der Batteriezelle entstehende Wärme wird so langsamer frei, so dass die Wärme besser abgeführt werden kann, beispielsweise über den Deckel des Batteriezellgehäuses oder eine Kühlung. Wenn mehrere Batteriezellen in einer Batterie angeordnet sind, wird so einer Schädigung der gesamten Batterie entgegengewirkt.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Schutzfolie 12 an einer dem Boden des Gehäusegrundkörpers 9 zugewandten Fläche. In diesem Bereich ist die Schutzfolie 12 vorteilhaft perforiert. Beispielsweise weist die Schutzfolie 12 in diesem Bereich etwa 10 bis 20 Öffnungen 14 auf. Durch die Öffnungen 14 in der Schutzfolie 12 kann vorteilhaft der Elektrolyt in die Elektrodeneinheiten 10a, 10b eindringen, wenn die Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird.
Die Figur 4 zeigt ein Beispiel des Schichtstapels in einer Elektrodeneinheit 10a. Die Elektrodeneinheit 10a umfasst Kupferfolien 15, die mit einem Anodenaktivmaterial 16 beschichtet sind, und Aluminiumfolien 19, die mit einem Kathodenaktivmaterial 18 beschichtet sind.
Das Anodenaktivmaterial 16 ist beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.
Das Kathodenaktivmaterial 18 kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel- Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium- Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).
Das Anodenaktivmaterial 16 ist jeweils durch einen Separator 17 von dem Kathodenaktivmaterial 18 getrennt. Der Separator 17 ist insbesondere eine Folie und weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Der Separator kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf AI2O3.
In der Elektrodeneinheit 10a kann sich eine Schichtenfolge S, die eine beidseitig mit dem Anodenaktivmaterial 16 beschichtete Kupferfolie 15, eine beidseitig mit dem Kathodenaktivmaterial 18 beschichtete Aluminiumfolie 19 und Separatoren 17 aufweist, mehrfach wiederholen (in der Zeichnung angedeutet als N * S). Den Abschluss der Elektrodeneinheit 10a bildet auf beiden Seiten eine mit dem Anodenaktivmaterial 16 beschichtete Kupferfolie 15.
Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 erstes Terminal
2 zweites Terminal
3 isolierende Platte
4 Deckel
5 Dichtung
6 Niet
7 Halterung
8 Stromkollektor
9 Gehäusegrundkörper
10 Elektrodeneinheit
11 seitliche Halterung
12 Schutzfolie
12a innere Schicht
12b äußere Schicht
13 Notentlüftungsöffnung
14 Öffnung
15 Kupferfolie
16 Anodenaktivmaterial
17 Separator
18 Kathodenaktivmaterial
19 Aluminiumfolie
20 Batteriezelle

Claims

Patentansprüche
1 . Batteriezelle, umfassend mehrere Elektrodeneinheiten (10a, 10b) in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse, wobei
- die Elektrodeneinheiten (10a, 10b) jeweils mit einer Schutzfolie (12) versehen sind,
- die Schutzfolie (12) eine innere Schicht (12a) und eine äußere Schicht (12b) aufweist,
- die innere Schicht (12a) auf der Elektrodeneinheit (10a, 10b) und die äußere Schicht (12b) auf der inneren Schicht (12a) angeordnet ist, und
- die äußere Schicht (12b) einen höheren Schmelzpunkt als die innere Schicht (12a) aufweist.
2. Batteriezelle nach Anspruch 1 , wobei die die innere Schicht (12a) eine geringere Härte als die äußere Schicht (12b) aufweist.
3. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Schicht (12a) Polyethylen oder Polypropylen aufweist.
4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Schicht (12b) Polyethylenterephthalat oder Polyimid aufweist.
5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzfolie (12) zwischen einschließlich 20 pm und einschließlich 200 pm dick ist.
6. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzfolie (12) in einem Bereich, der einem Boden des Batteriezellgehäuses zugewandt ist, mehrere Öffnungen (14) aufweist.
7. Batteriezelle nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der Öffnungen (14) zwischen einschließlich 10 und einschließlich 20 beträgt. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle (20) eine Lithiumionen-Batteriezelle ist. Lithium-Ionenbatterie, umfassend mehrere Batteriezellen (20) nach Anspruch 8. Kraftfahrzeug, umfassend eine Lithium-Ionenbatterie nach Anspruch 9.
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