WO2010149608A2 - Batterie mit elektrodenwärmeleiter zur effizienten temperierung - Google Patents

Batterie mit elektrodenwärmeleiter zur effizienten temperierung Download PDF

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Christian Pankiewitz
Sylvain Guenon
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Sb Limotive Company Ltd.
Sb Limotive Germany Gmbh
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Definitions

  • the temperature control of the cell nucleus is realized by means of external temperature management systems, which include a heat flow from the housing surface of a cell to a heat exchanger.
  • external temperature management systems which include a heat flow from the housing surface of a cell to a heat exchanger.
  • the heat In order to avoid temperature gradients within the cell, in particular within the cell nucleus, the heat must be able to be conducted as free of resistance as possible between the housing, which is easily accessible for temperature control, and the temperature-sensitive and heat-producing cell nucleus. This has so far been insufficiently resolved.
  • the roll is formed mainly of three different thin layers wound around an axis and surrounded in the housing with liquid electrolyte.
  • the anode for example made of copper
  • the cathode made of aluminum, for example
  • the separator which forms the third layer has both electrical and thermal insulation effects.
  • the anode layer and the cathode layer are combined at respective opposite, axial ends of the coil of the cell into an electrode, the anode or the cathode, and then with the Cell poles connected, the anode is connected to the negative cell pole and the cathode to the positive cell pole.
  • the housing can be connected to one of the electrodes, one then speaks of a floating housing.
  • the housing can also be electrically isolated from the two electrodes and then has no electrical potential itself.
  • the main heat conduction path between the cell core (winding) and the housing does not extend axially over the base surfaces of the coil but radially over the side surfaces of the roll. This has significant effects on the temperature distribution in the winding. Due to the different characteristics of the various wound layers, especially the poor heat conducting properties of the separator layer, the winding conducts the heat relatively poorly in the radial direction, the direction of the main heat conduction path. As a result, large temperature gradients can occur in the cell nucleus.
  • the battery cell according to the invention is preferably a lithium-ion battery cell or a lithium-ion polymer battery cell.
  • the main heat conduction path is changed and no longer leads radially out of the winding, but extends axially along the winding axis out of the core.
  • There are no longer intermittent sections with good thermal conductivity (cathode and anode layers) and sections with poor thermal conductivity (separator layer) must be overcome in total reduces the thermal resistance of the winding inside to the housing and a temperature control by means of an external heat exchanger can take place faster and more efficient.
  • the resulting reorientation of the main heat conduction path in the axial direction of the coil results in a significant reduction of the temperature gradients in the cell nucleus due to the good thermal conductivity in this direction.
  • the battery cell according to the invention comprises a housing.
  • the housing can have a variety of shapes and designs.
  • the housing may be prismatic. No unusual requirements are placed on the housing, so that housings can be used made of materials that have already been used in the prior art as materials for battery cell housing.
  • the housing comprises or consists of aluminum.
  • the battery cell according to the invention has at least one electrode heat conductor arranged in the housing, which is connected directly to one of the two electrodes in a heat-conducting manner.
  • the electrode heat conductor is such that via the electrode heat conductor heat, which is passed from the electrode from the winding, can be effectively passed to a heat exchanger located outside the housing.
  • the electrode heat conductor may be designed such that it has a heat-conducting resistance which is not higher than the thermal resistance of the electrode connected to the electrode heat conductor.
  • the at least one electrode heat conductor can contain or be made of a material which has a thermal conductivity that corresponds at least to the thermal conductivity of the electrode connected to the electrode heat conductor.
  • the electrode heat conductor preferably consists of the same material as the electrode to which it is connected. Particularly preferably, the at least one electrode heat conductor may comprise or consist of aluminum.
  • the at least one electrode heat conductor is connected to one of the electrodes of the battery cell at a first end.
  • a battery cell with potential-charged housing of the electrode heat conductor is usually connected to the cathode.
  • the at least one electrode heat conductor can be connected to either the cathode or the anode.
  • the battery cell according to the invention can also have a plurality of electrode heat conductors, wherein both an electrode can be connected to more than one electrode heat conductor, and both electrodes can each be independently connected to one or more Elektrodenzieleiter.
  • Battery cell electrode heat conductor existing which are available for the transmission of heat from the electrode heat conductors in the direction of the heat exchanger.
  • the electrode heat conductors are designed such that at least 50% of the heat derived from the cell nucleus can be fed to the heat exchanger via the resulting heat-conducting surface.
  • the heat-conducting surface can cover at least 5% and at most 50% of the inner surface of the housing directly or indirectly and / or form at least 5% and at most 50% of the housing wall.
  • the at least one electrode heat conductor can be in direct contact with the heat exchanger via the heat-conducting surface.
  • the housing may be shaped such that in the region of the contact between the electrode heat conductor and the heat exchanger, the heat-conducting surface replaces the housing wall.
  • the transfer of heat energy from the electrode heat conductor in the heat storage can be done indirectly, wherein between the heat conduction and heat exchanger several, preferably thermally conductive layers may be present.
  • these additional layers may comprise or consist of the housing wall and / or an electrical insulating layer.
  • the housing of the battery cell according to the invention be designed to be potential neutral or are both electrodes, both the anode and the cathode, each independently connected to at least one Elektrodenzieleiter, it is necessary that between diceleitization the electrode heat conductor and housing wall an insulating layer is present, although is electrically insulating, but which is sufficiently thermally conductive to ensure heat transfer between the electrode heat conductor and heat exchanger.
  • the insulating layer may contain or consist of a material which has a thermal conductivity which corresponds at least to the thermal conductivity of the at least one electrode heat conductor.
  • the battery cell according to the invention is connected to a heat exchanger arranged outside the housing in such a way that a transfer of heat from the at least one electrode heat conductor to the heat exchanger is possible.
  • No special requirements are made on the heat exchanger for the purposes of the invention, so that in principle any known heat exchanger can be used, provided that the heat exchanger has a capacity which is large enough to absorb the expected waste heat quantity of the relevant battery cell according to the invention.
  • a battery cell according to the invention is connected to one or more heat exchangers.
  • one or more battery cells according to the invention to be connected to a heat exchanger in a heat-conducting manner.
  • active heat exchangers are used, which are operated with a coolant or refrigerant. It is also possible to use latent heat storage as a heat exchanger.
  • the present invention also relates to a battery containing one or more battery cells according to the invention.
  • the battery has a plurality of series-connected battery cells of the same type.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a battery cell with a temperature control according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a battery cell according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a second embodiment of a battery cell according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional representation of a third embodiment of a battery cell according to the invention.
  • FIG. 5 shows, in a schematic sectional view in FIG. 5A, B, C, D, E, F, five different profiles of electrode heat conductors according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic section through a prismatic battery cell of the prior art, in which the main heat conduction path runs radially to the winding axis.
  • the battery cell has a housing 1 in which a winding 3 is arranged.
  • the coil 3 comprises three layers, an anode layer, a separator layer and a cathode layer, which are wound together about an axis of the coil 3.
  • the battery cell On the outside of the housing 1, the battery cell on langeleitbleche 2, which receive the radially derived from the winding and delivered to the exterior of the housing heat and can conduct to a outside of the battery cell mounted active heat exchanger 4 on.
  • Parallel to the winding axis of the coil 3, a cutting plane 5 extends through the battery cell.
  • the known battery cell according to the sectional plane 5 is shown.
  • the anode layer 6 is combined at one axial end of the coil 3 to form an electrode 7, the anode, and is connected to a negative cell pole 8.
  • the cathode layer 9 is at the opposite axial end of the coil 3 to a E- lektrode 10, the cathode, summarized and connected to a positive cell pole 1 1.
  • the heat transfer from the winding 3 to the active heat exchanger 4 is indicated by arrows. It becomes clear that in this type of heat conduction, the heat must occur over many layer boundaries of the coil 3.
  • FIG. 2 is a schematic section through a first embodiment of a battery cell according to the invention.
  • the structure of the embodiment essentially follows the structure of the previously shown in FIG. 1 described above, in particular the differences between the battery cell of FIG. 1 and the battery cell of FIG. 2 is received.
  • the in FIG. 2A and 2B illustrated battery cell according to the invention has no, on the outside of the housing 1 arranged bathleitbleche 2 on.
  • the electrode 10 the cathode
  • FIG. 2B is connected directly to a heat conductor 12 with a Elektrodenzieleiter.
  • This connection is shown in FIG. 2B as a direct contact 13 between the electrode heat conductor 12 and the
  • the electrode heat conductor 12 is configured with a T-shaped profile, wherein the contact 13 between a vertical extension of the electrode heat conductor 12 and the electrode 10 is formed.
  • the horizontal region of the T-profile of the electrode heat conductor 12 replaces and / or forms part of the wall of the housing 1. This results in the open contacts 14a and 14b, where the electrode heat conductor 12 is connected to the housing 1 such that at least a part of a Outside surface of the battery cell is not formed by a wall of the housing 1, but by a surface of the electrode heat conductor 12.
  • the horizontal region of the T-profile of the electrode heat conductor 12 also forms the heat-conducting surface 15 of the battery cell according to the invention. As shown in FIG.
  • the electrode heat conductor 12 is in direct contact with an active heat exchanger 4 via the heat-conducting surface 15 such that at least 50% of the heat derived from the coil 3 or from the cell nucleus is supplied to the heat exchanger.
  • the main heat conduction path is shown in FIG. 2B again indicated by arrows.
  • FIG. 3 a second embodiment of a battery cell according to the invention is shown in schematic section. This second embodiment differs from the first one in FIG. 2 shown in that now not only the electrode 10, the cathode, is connected to a Elektroden Knoxleiter 12, but also the electrode 7, the anode of the battery cell according to the invention, is connected to a separate electrode heat conductor 12.
  • each electrode heat conductor 12 derives the heat in each case to a separate heat exchanger 4.
  • the electrical insulating layer consists of a material which is electrically insulating, but remains thermally conductive and heat from the electrode connected to the electrode 7 heat conductor 12 can pass in the direction of a heat exchanger 4.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a battery cell according to the invention.
  • This battery cell has a heat-conducting electrical insulating layer 16 between both the electrode heat conductor 12 connected to the anode (electrode 7) and the electrode heat conductor 12 connected to the cathode (electrode 10) and the housing 1.
  • the housing 1 can be designed to be potential-neutral.
  • FIG. 5 different profiles of the electrode heat conductor 12 are shown.
  • the profiles in FIG. FIGS. 5A and 5B show T-profiles which have open contacts 14a and 14b with the housing 1, so that a heat transfer from the electrode heat conductor 12 via the heat-conducting surface 15 to a heat exchanger 4 Thus, not via a housing wall layer takes place but a direct contact between the heat conduction surface 15 of the electrode heat conductor 12 with a heat exchanger 4 is possible.
  • 5C, 5D, 5E and 5F illustrate T and L profiles that have no open contacts 14a and 14b and are in contact with a portion of the wall of the housing 1 via their heat-conducting surface 15 such that heat transfer from the electrode heat conductor 12 over the heat exchanger 12 is accomplished Heat conducting surface 15 towards a heat exchanger 4 is not possible via a direct contact between the heat conducting surface 15 with a heat exchanger 4, but indirectly takes place at least over a housing wall layer away.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle umfassend ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Zellkern, wobei der Zellkern einen Wickel enthält, der eine achsiale Wicklung von mindestens drei Schichten aufweist, einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Separatorschicht, wobei die Anodenschicht an einem achsialen Ende des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem negativen Zellpol verbunden ist und die Kathodenschicht am gegenüberleigenden achsialen Enden des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem positiven Zellpol verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass i) eine der Elektroden mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Elektrodenwärmeleiter direkt wärmeleitend verbunden ist; und ii) der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter wärmeleitend mit einem ausserhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher verbunden ist; so dass Wärme in achsialer Richtung des Wickels aus dem Zellkern ableitbar und anschließend dem Wärmetauscher zuführbar ist, wobei alle Elektrodenwärmeleiter der Batteriezelle zusammengenommen eine Wärmeleitfläche bilden über die mindestens 50% der aus dem Zellkern abgegeleiteten Wärme dem Wärmetauscher zuführbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Batterie mit Elektrodenwärmeleiter zur effizienten Temperierung
Stand der Technik
Sowohl aus Sicherheitsgründen als auch um die Bereitstellung einer spezifizierten elektrischen Leistung über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, ist beim Einsatz von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien für Kraftfahrzeuganwen- düngen, eine strenge Temperierung der Lithium-Ionen-Zellen erforderlich.
Die Temperierung des Zellkerns wird mithilfe von äußeren Temperaturmanagementsystemen realisiert, die einen Wärmefluss von der Gehäuseoberfläche einer Zelle hin zu einem Wärmetauscher umfassen. Um Temperaturgradienten innerhalb der Zelle, insbesondere innerhalb des Zellkerns, zu vermeiden, muss die Wärme zwischen dem für eine Temperierung gut zugänglichen Gehäuse und dem temperaturempfindlichen und Wärme produzierenden Zellkern möglichst widerstandsfrei geleitet werden können. Dies ist bislang nur unzureichend gelöst.
Batteriezellen umfassen ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Zellkern. Der Kern von Batteriezellen, beispielsweise von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen besteht im Wesentlichen aus einem von flüssigem Elektrolyt umgebenem Wickel.
Der Wickel wird hauptsächlich aus drei unterschiedlichen, dünnen Schichten gebildet, die um eine Achse aufeinander gewickelt sind und im Gehäuse mit flüssigem Elektrolyt umgegeben werden. Die Anode ( beispielsweise aus Kupfer) und die Kathode (beispielsweise aus Aluminium) besitzen hohe Strom- und Wärmeleitfähigkei- ten, während der Separator, der die dritte Schicht bildet, sowohl elektrisch als auch thermisch isolierend wirkt. Die Anodenschicht und die Kathodenschicht werden an jeweils gegenüberliegenden, achsialen Enden des Wickels der Zelle zu einer Elektrode zusammengefasst, der Anode bzw. der Kathode, und anschließend mit den Zellpolen verbunden, wobei die Anode mit dem negativen Zellpol verbunden ist und die Kathode mit dem positiven Zellpol. Das Gehäuse kann mit einer der Elektroden verbunden sein, man spricht dann von einem potenzialgebundenen Gehäuse. Das Gehäuse kann aber auch von den beiden elektroden elektrisch isoliert vorliegen und besitzt dann selbst kein elektrisches Potenzial.
Da der umgebende Elektrolyt eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt und die Kontakte zwischen Elektroden bzw. Zellpolen und Gehäuse elektrisch und thermisch isoliert sind, verläuft der Hauptwärmeleitpfad zwischen dem Zellkern (Wickel) und dem Gehäuse nicht axial über die Grundflächen des Wickels, sondern radial über die Seitenflächen des Wickels. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf der Temperaturverteilung im Wickel. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen gewickelten Schichten, insbesondere den schlechten Wärmeleiteigenschaften der Separatorschicht, leitet der Wickel die Wärme relativ schlecht in der radialen Richtung, der Richtung des Hauptwärmeleitpfad. Dies hat zur Folge, dass im ZeII- kern große Temperaturgradienten entstehen können.
Insbesondere bei energieoptimierten Zellen, die deutlich dicker als leistungsoptimier- te Zellen sind, besteht die Gefahr, dass inhomogene Temperaturverteilungen innerhalb der Zelle auftreten.
Ein aktuelles Konzept von Temperaturmanagementsystemen setzt auf die Kombina- tion von passiver Wärmeleitung und aktivem Wärmeaustausch mit einem Kühl- oder
Kältemittel. Dem radialen Hauptwärmeleitpfad folgend, wird die Wärme aussen über die Seitenflächen der Batteriezelle, beispielsweise mittels aussen an dem Gehäuse angeordneten Wärmeleitblechen, z.B. Aluminiumblechen, passiv nach nach einer Seite der Batteriezelle geführt, beispielsweise Richtung Zellboden. Diese Lösung beinhal- tet die Verwendung von großen Mengen zusätzlichen Materials, den Wärmeleitblechen, was sich negativ auf die Gesamtmasse und das Gesamtvolumen der Batteriezelle bzw. der Batterie auswirkt. Am Zellboden findet ein aktiver Wärmeaustausch mit einer mit Kühlmittel durchströmten Kühlplatte statt. Ein weiteres Problem dieser Lösung ist es, dass der abgeführte Wärmefluss sich kaum über die Gestaltung der passiv wärmeleitenden Aluminiumbleche erhöhen lässt und somit die Temperaturgradienten in der Batteriezelle bei steigender thermischer Leistung steigen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen oder mehrere der Nachteile des Standes der technik zu vermindern oder zu vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Batteriezelle bereitzustellen, bei der Wärme aus dem Zellkern schneller und/oder gleichmäßiger aus der Batteriezelle ausgeführt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Batteriezelle umfassend ein
Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Zellkern, wobei der Zellkern einen Wickel enthält, der eine achsiale Wicklung von mindestens drei Schichten aufweist, einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Separatorschicht, wobei die Anodenschicht an einem achsialen Ende des Wickels zu ei- ner Elektrode zusammengefasst und mit einem negativen Zellpol verbunden ist und die Kathodenschicht am gegenüberliegenden achsialen Enden des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem positiven Zellpol verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass i) eine der Elektroden mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Elektrodenwärmeleiter direkt wärmeleitend verbunden ist; und ii) der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter wärmeleitend mit einem ausser- halb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher verbunden ist; so dass Wärme in achsialer Richtung des Wickels aus dem Zellkern ableitbar und anschließend dem Wärmetauscher zuführbar ist, wobei alle Elektrodenwärmeleiter der Batteriezelle zusammengenommen eine Wärmeleitfläche bilden über die mindestens 50% der aus dem Zellkern abgege- leiteten Wärme dem Wärmetauscher zuführbar ist.
Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle um eine Li- thium-lonen-Batteriezelle oder um eine Lithium-Ionen-Polymer-Batteriezelle.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist der Hauptwärmeleitpfad verändert und führt jetzt nicht mehr radial aus dem Wickel, sondern verläuft axial entlang der Wi- ckelachse aus dem Kern. Da nun nicht mehr intermittierende Abschnitte mit guter thermischer Leitfähigkeit (Kathoden- und Anodenschichten) und Abschnitte mit schlechter thermischer Leitfähigkeit (Separatorschicht) überwunden werden müssen verringert sich insgesamt der Wärmeleitwiderstand aus dem Wickelinneren zum Gehäuse und eine Temperierung mittels eines aussen gelegenen Wärmetauschers kann schneller und effizienter stattfinden. Die resultierende Umorientierung des Haupt- wärmeleitpfads in der axialen Richtung des Wickels hat aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit in diese Richtung eine erhebliche Verringerung der Temperaturgradienten im Zellkern zur Folge. Insbesondere bei dicken energieoptimierten Zellen ist es von Vorteil die Wärmeflüsse mit der Umgebung über die Elektroden zu führen. Bei diese Lösung ist eine passive Wärmeleitung auf der Aussenseite der Batteriezelle überflüssig, was eine Volumen-und Gewichtsreduzierung der Batteriezelle ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse kann verschiedenste Formen und Gestaltungen aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse prismenförmig sein. An das Gehäuse werden keine unüblichen Anforderungen gestellt, so dass Gehäuse aus Materialien verwendet werden können, die bereits im Stand der Technik als Materialien für Batteriezellengehäuse eingesetzt worden sind. Bevorzugt weist das Gehäuse Aluminium auf oder besteht daraus.
Im Inneren des Gehäuses ist der Zellkern angeordnet. Der Zellkern umfasst einen, ggf. von flüssiger Elektrolytlösung umgebenen, Wickel. Der Wickel weist eine Wicklung von unterschiedlichen Schichten um eine Wickelachse auf. Der Wickel umfasst mindestens drei unterschiedliche Schichten, eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine dazwischen liegende Separatorschicht. Der Wickel kann weitere zusätzliche Schichten aufweisen. An einem axialen Ende des Wickels wird die Anodenschicht zu einer Elektrode zusammengefasst, die mit dem negativen Zellpol der Batteriezelle verbunden ist. Am gegenüberliegenden axialen Ende des Wickels ist die Kathodenschicht zu einer Elektrode zusammengefasst, die mit dem positiven Zellpol verbunden ist. An den Aufbau des Wickels werden keine unüblichen Anfor- derungen gestellt, so dass hier je nach Batteriezelltyp übliche Anoden-, Separator-,
Kathodenschichten sowie ggf. Elektrolytlösungen in allen möglichen , Zusammensetzungen, Schichtdicken und Dimensionierungen verwendet werden können. Insbesondere können übliche Elektrolyt-Anoden-Kathoden-Separator-Kombinationen eingesetzt werden, wie sie in Lithium-Ionen- oder Lithium-Ionen-Polymer-Zellen Verwendung finden. Bevorzugt kann die Anodenschicht und die daraus gebildete Elektrode Kupfer aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere kann die Kathodenschicht und die daraus gebildete Elektrode Aluminium aufweisen oder daraus bestehen.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist mindestens einen im Gehäuse angeordneten Elektrodenwärmeleiter auf, der mit einer der beiden Elektroden direkt wärmeleitend verbunden ist. Dabei ist der Elektrodenwärmeleiter so beschaffen, dass über den Elektrodenwärmeleiter Wärme, die von der Elektrode aus dem Wickel geleitet wird, effektiv an einen ausserhalb des Gehäuses befindlichen Wärmetauscher weitergegeben werden kann. Dazu kann der Elektrodenwärmeleiter derart gestaltet sein, dass er einen Wärmeleitwiderstand aufweist, der nicht höher ist als der Wärmeleitwiderstand der mit dem Elektrodenwärmeleiter verbundenen Elektrode. Der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter kann ein Material enthalten oder daraus be- stehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die mindestens der Wärmeleitfähigkeit der mit dem Elektrodenwärmeleiter verbundenen Elektrode entspricht. Bevorzugt besteht der elektrodenwärmeleiter aus dem selben Material wie die elektrode mit der er verbunden ist. Besonders bevorzugt kann der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter Aluminium aufweisen oder daraus bestehen.
Der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter ist an einem ersten Ende mit einer der Elektrode der Batteriezelle verbunden. In einer Batteriezelle mit potentialgeladenem Gehäuse ist der Elektrodenwärmeleiter in der Regel mit der Kathode verbunden. In einer Batteriezelle mit potentialneutralem Gehäuse kann der mindestens eine Elekt- rodenwärmeleiter entweder mit der Kathode oder der Anode verbunden vorliegen.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle kann auch mehrere Elektrodenwärmeleiter aufweist, wobei sowohl eine Elektrode mit mehr als einem Elektrodenwärmeleiter verbunden sein kann, als auch beide Elektroden jeweils unabhängig voneinander mit einem oder mehreren Elektrodenwärmeleiter verbunden sein können.
An einem zweiten Ende ist der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter derart ausgestaltet, dass er mit einem ausserhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher wärmeleitend verbindbar ist, so dass Wärme in axialer Richtung des Wickels aus dem Zellkern ableitbar und anschließend dem Wärmetauscher zuführbar ist. Dazu kann der Elektrodenwärmeleiter in einem L- oder T-Profil ausgebildet sein, wobei der vertikale Teil des Profils mit der Elektrode verbunden ist und der horizontal ausgeprägte Teil des Profils der Wärmeübertragung in Richtung des Wärmetauschers dient. Der Wärmeübertrag aus dem Elektrodenwärmeleiter in Richtung des Wärmetauschers er- folgt über eine Wärmeleitfläche. Diese Wärmeleitfläche umfasst die Fläche aller in der
Batteriezelle vorhandenen Elektrodenwärmeleiter, die für die Weiterleitung der Wärme aus den Elektrodenwärmeleitern in Richtung auf den Wärmetauscher zur Verfügung stehen. Dabei sind die Elektrodenwärmeleiter derart ausgestaltet, dass über die resultierende Wärmeleitfläche mindestens 50% der aus dem Zellkern abgeleiteten Wärme dem Wärmetauscher zuführbar ist. Die Wärmeleitfläche kann mindestens 5% und höchstens 50% der inneren Oberfläche des Gehäuses direkt oder indirekt bedecken und/oder mindestens 5% und höchstens 50% der Gehäusewand bilden.
Für den Übertrag von Wärmeenergie aus dem Elektrodenwärmeleiter in den Wärme- tauscher kann der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter über die Wärmeleitfläche direkt mit dem Wärmetauscher in Kontakt stehen. Dazu kann das Gehäuse derart geformt sein, dass im Bereich des Kontakt zwischen dem Elektrodenwärmeleiter und dem Wärmetauscher die Wärmeleitfläche die Gehäusewand ersetzt. Alternativ kann die Überleitung von Wärmeenergie aus dem Elektrodenwärmeleiter in den Wärme- Speicher indirekt erfolgen, wobei zwischen Wärmeleitfläche und Wärmetauscher mehrere, bevorzugt wärmeleitende Schichten vorhanden sein können. Beispielsweise können diese zusätzlichen Schichten die Gehäusewand und/oder eine elektrische I- solierschicht umfassen oder daraus bestehen.
Soll das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batteriezelle potentialneutral ausgestaltet sein oder sind beide Elektroden, sowohl die Anode als auch die Kathode, jeweils unabhängig voneinander mit mindestens einem Elektrodenwärmeleiter verbunden, so ist es notwendig, dass zwischen Wärmeleitfläche der Elektrodenwärmeleiter und Gehäusewand eine Isolierschicht vorhanden ist, die zwar elektrisch isolierend ist, die aber ausreichend wärmeleitfähig ist, um einen Wärmeübertrag zwischen Elektrodenwärmeleiter und Wärmetauscher zu gewährleisten. Dazu kann die Isolierschicht ein Material enthalten oder daraus bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die mindestens der Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Elektrodenwärmeleiters entspricht. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist derart mit einem ausserhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher verbunden, dass ein Wämreübertrag vom mindestens einen Elektrodenwärmeleiter zum Wärmetauscher möglich ist. An den Wärmetauscher werden für die Zwecke der Erfindung keine besonderen Anforderungen gestellt, so dass grundsätzlich jeder bekannte Wärmetauscher verwendet werden kann, vorausgesetzt der Wärmetauscher weist eine Kapazität auf, die groß genug ist die zu erwartende Abwärmemenge der betreffenden erfindungsgemäßen Batteriezelle aufzunehmen. Es ist möglich, dass eine erfin- dungsgemäße Batteriezelle mit einem oder mehreren Wärmetauschern verbunden ist. Es ist auch möglich, dass eine oder mehr als eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einem Wärmetauscher wärmeleitend verbunden sind. Bevorzugt werden aktive Wärmetauscher eingesetzt, die mit einem Kühl- oder Kältemittel betrieben werden. Es ist auch möglich Latentwärmespeicher als Wärmeaustau- scher einzusetzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterie enthaltend eine oder mehrere erfindungsgemäße Batteriezellen. Bevorzugt weist die Batterie mehrere in Reihe geschaltete erfindungsgemäße Batteriezellen desselben Typs auf.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.
Figuren
FIG. 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Batteriezelle mit einer Temperierung nach Stand der Technik.
FIG. 2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
FIG. 3 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle. FIG. 4 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle.
FIG. 5 zeigt in schematischer Schnittdarstellung in 5A, B, C, D, E, F fünf verschiedene Profile erfindungsgemäßer Elektrodenwärmeleiter.
In FIG. 1 ist eine schematischer Schnitt durch eine prismatische Batteriezelle aus dem Stand der Technik gezeigt, bei der der Hauptwärmeleitpfad radial zur Wi- ckelachse verläuft. Wie in FIG. 1A gezeigt, weist die Batteriezelle ein Gehäuse 1 auf in dem ein Wickel 3 angeordnet ist. Der Wickel 3 umfasst drei Schichten, eine Anodenschicht, eine Separatorschicht und eine Kathodenschicht, die gemeinsam um eine Achse des Wickels 3 gewickelt sind. Auf der Aussenseite des Gehäuses 1 weist die Batteriezelle Wärmeleitbleche 2 auf, die die radial aus dem Wickel abgeleitete und an das Gehäuseäußere abgegebene Wärme aufnehmen und zu einem an einer Seite der Batteriezelle aussen angebrachten aktiven Wärmetauscher 4 weiter leiten können. Parallel zur Wickelachse des Wickels 3 verläuft eine Schnittebene 5 durch die Batteriezelle. In FIG. 1 B ist die bekannte Batteriezelle gemäß der Schnittebene 5 dargestellt. Hier ist gezeigt, wie die Anodenschicht 6 an einem axialen Ende des Wickels 3 zu einer Elektrode 7, der Anode, zu- sammengefasst ist und mit einem negativen Zellpol 8 verbunden ist. Die Kathodenschicht 9 ist am gegenüberliegenden axialen Ende des Wickels 3 zu einer E- lektrode 10, der Kathode, zusammengefasst und mit einem positiven Zellpol 1 1 verbunden. Zur Verdeutlichung des Hauptwärmeleitpfades ist der Wärmetrans- port aus dem Wickel 3 zum aktiven Wärmetauscher 4 durch Pfeile gekennzeichnet. Es wird deutlich, dass bei dieser Art von Wärmeleitung die Wärme über viele Schichtgrenzen des Wickels 3 erfolgen muss. Da die unterschiedlichen Schichten unterschiedlich gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen, entsteht ein großer Temperaturgradient zwischen dem Kern des Wickels 3 und den äußeren Schich- ten des Wickels 3. Diese Form des Wärmetransports ist ineffizient und kann dazu führen, dass sich bei Betrieb der Batteriezelle nur ein Teil des Wickels 3 im optimalen Temperaturbereich befindet und somit die optimale Leistung der Batteriezelle nicht abrufbar ist. In FIG. 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gezeigt. Der Aufbau der Ausführungsform folgt im Wesentlichen dem Aufbau der zuvor in FIG. 1 beschriebenen Batteriezelle des Standes der Technik, so dass im folgenden insbesondere auf die Unter- schiede zwischen der Batteriezelle aus FIG. 1 und der erfindungsgemäßen Batteriezelle aus FIG. 2 eingegangen wird. Die in FIG. 2A und 2B dargestellte erfindungsgemäße Batteriezelle weist keine, aussen am Gehäuse 1 angeordneten Wärmeleitbleche 2 auf. Dafür ist die Elektrode 10, die Kathode, mit einem Elektrodenwärmeleiter 12 direkt wärmeleitend verbunden. Diese Verbindung ist in FIG. 2B als direkter Kontakt 13 zwischen dem Elektrodenwärmeleiter 12 und der
Elektrode 10 hervorgehoben. Der Elektrodenwärmeleiter 12 ist mit einem T- förmigen Profil ausgestaltet, wobei der Kontakt 13 zwischen einer vertikalen Ausdehnung des Elektrodenwärmeleiters 12 und der Elektrode 10 ausgebildet ist. Der horizontale Bereich des T-Profils des Elektrodenwärmeleiters 12 ersetzt und/oder bildet einen Teil der Wand des Gehäuses 1. Dabei entstehen die offenen Kontakte 14a und 14b, an denen der Elektrodenwärmeleiter 12 mit dem Gehäuse 1 derart verbunden ist, dass mindestens ein Teil einer Aussenfläche der Batteriezelle nicht von einer Wand des Gehäuses 1 gebildet wird, sondern von einer Oberfläche des Elektrodenwärmeleiters 12. Der horizontale Bereich des T- Profils des Elektrodenwärmeleiters 12 bildet auch die Wärmeleitfläche 15 der erfindungsgemäßen Batteriezelle. Wie in FIG. 2B gezeigt steht der Elektrodenwärmeleiter 12 über die Wärmeleitfläche 15 direkt mit einem aktiven Wärmetauscher 4 derart in Kontakt, dass mindestens 50% der aus dem Wickel 3 bzw. aus dem Zellkern abgeleiteten Wärme dem Wärmetauscher darüber zugeführt wird. Der Hauptwärmeleitpfad ist in FIG. 2B wieder durch Pfeile gekennzeichnet. Der
Wärmetransport aus dem Wickelinneren erfolgt nun entlang der Elektrodenschicht und somit in axialer Richtung des Wickels hin zur Elektrode 10. Dort erfolgt ein Wärmeübertrag von der Elektrode 10 an den Elektrodenwärmeleiter 12 und schließlich wird die Wärme aus dem Gehäuse der Batteriezelle direkt an ei- nen Wärmetauscher 4 abgeleitet. Der Wärmefluss aus dem Wickel 3 bzw. dem
Zellkern erfolgt also nicht mehr in radialer Richtung sondern in axialer Richtung parallel zur Wickelachse des Wickels 3. Abgegeben wird die Wärme dann direkt an einen Wärmetauscher 4 über eine Wärmeleitfläche 15. Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle erfolgt der Wärmetransport aus dem Kern des Wickels 3 ef- fizienter, weil nicht mehr so viele Schichtgrenzen überwunden werden müssen, insbeondere muss die Wärme nicht über so viele schlecht wärmeleitende Separatorschichten transportiert werden. Der Wärmetransport kann somit schneller erfolgen und sorgt insgesamt für einen geringeren Temperaturgrandienten über den Wickel 3, so dass bei Betrieb der Batteriezelle größere Teile des Wickels 3 im optimalen Temperaturbereich gehalten werden können und somit höhere Spitzenleistungen der Batteriezelle abrufbar sind.
In FIG. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle im schematischen Schnitt dargestellt. Diese zweite Ausführungsform unterschei- det sich von der ersten in FIG. 2 gezeigten dadurch, dass nun nicht nur die Elektrode 10, die Kathode, mit einem Elektrodenwärmeleiter 12 verbunden ist, sondern auch die Elektrode 7, die Anode der erfindungsgemäßen Batteriezelle, mit einem eigenen Elektrodenwärmeleiter 12 verbunden ist. In der Ausführungsform in FIG. 3 leitet jeder Elektrodenwärmeleiter 12 die Wärme jeweils an einen sepa- raten Wärmetauscher 4 ab. Da bei dieser Batteriezelle die Kathode bereits mit dem Gehäuse 1 verbunden ist und somit ein potentialgeladenes Gehäuse aufweist, ist es erforderlich zwischen den mit der Anode, der Elektrode 7, verbundenen Elektrodenwärmeleiter 12 und dem Gehäuse 1 eine elektrische Isolierschicht 16 einzuführen, so dass die Elektrode 7 nicht elektrisch leitend mit dem Gehäuse 1 verbunden ist. Die elektrische Isolierschicht besteht dabei aus einem Material, welches zwar elektrisch isolierend ist, aber dabei wärmeleitend bleibt und Wärme vom mit der Elektrode 7 verbundenen Elektrodenwärmeleiter 12 in Richtung eines Wärmetauschers 4 weiterleiten kann.
In FIG. 4 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gezeigt. Diese Batteriezelle weist sowohl zwischen dem Elektrodenwärmeleiter 12, der mit der Anode (Elektrode 7) verbunden ist, als auch dem Elektrodenwärmeleiter 12, der mit der Kathode (Elektrode 10) verbunden ist, und dem Gehäuse 1 jeweils eine wärmeleitende elektrische Isolierschicht 16 auf. Bei dieser Ausfüh- rungsform kann das Gehäuse 1 potentialneutral ausgestaltet sein.
In FIG. 5 sind unterschiedliche Profile des Elektrodenwärmeleiters 12 dargestellt. Die Profile in FIG. 5A und 5B stellen T-Profile dar, die offene Kontakte 14a und 14b mit dem Gehäuse 1 aufweisen, so dass ein Wärmetransport vom Elektro- denwärmeleiter 12 über die Wärmeleitfläche 15 hin zu einem Wärmetauscher 4 also nicht über eine Gehäusewandschicht erfolgt sondern ein direkter Kontakt zwischen Wärmeleitfläche 15 des Elektrodenwärmeleiter 12 mit einem Wärmetauscher 4 möglich ist. Die Profile in FIG. 5C, 5D, 5E und 5F stellen T- und L- Profile dar, die keine offenen Kontakte 14a und 14b aufweisen und über ihre Wärmeleitfläche 15 mit einem Teil der Wand des Gehäuses 1 in Kontakt stehen, so dass ein Wärmetransport vom Elektrodenwärmeleiter 12 über die Wärmeleitfläche 15 hin zu einem Wärmetauscher 4 nicht über einen direkter Kontakt zwischen Wärmeleitfläche 15 mit einem Wärmetauscher 4 möglich ist, sondern indirekt erfolgt mindestens über eine Gehäusewandschicht hinweg.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriezelle umfassend ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Zellkern, wobei der Zellkern einen Wickel enthält, der eine achsiale Wicklung von mindestens drei Schichten aufweist, einer Anodenschicht, einer Katho- denschicht und einer Separatorschicht, wobei die Anodenschicht an einem achsialen Ende des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem negativen Zellpol verbunden ist und die Kathodenschicht am gegenü- berleigenden achsialen Enden des Wickels zu einer Elektrode zusammengefasst und mit einem positiven Zellpol verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass i) eine der Elektroden mit mindestens einem im Gehäuse angeordneten Elektrodenwärmeleiter direkt wärmeleitend verbunden ist; und ii) der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter wärmeleitend mit einem aus- serhalb des Gehäuses angeordneten Wärmetauscher verbunden ist; so dass Wärme in achsialer Richtung des Wickels aus dem Zellkern ableitbar und anschließend dem Wärmetauscher zuführbar ist, wobei alle Elektrodenwärmeleiter der Batteriezelle zusammengenommen eine Wärmeleitfläche bilden über die mindestens 50% der aus dem Zellkern abgegeleiteten Wärme dem Wärmetauscher zuführbar ist.
2. Batteriezelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeleitfläche und Wärmetauscher direkt miteinander in Kontakt stehen oder nur durch eine Gehäusewand und/oder eine elektrische Isolierschicht voneinander getrennt vorliegen.
3. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfläche mindestens 5% und höchstens 50% der inneren Oberfläche des Gehäuses direkt oder indirekt bedeckt und/oder mindestens 5% und höchstens 50% der Gehäusewand bildet.
4. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle mehrere Elektrodenwärmeleiter aufweist, wobei eine Elektrode mit mehr als einem Elektrodenwärmeleiter verbunden sein kann und/oder beide Elektroden jeweils unabhängig voneinander mit ei- nem oder mehreren Elektrodenwärmeleiter verbunden sein können.
5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter ein Material enthält oder daraus besteht, welches eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die min- destens der Wärmeleitfähigkeit der mit dem Elektrodenwärmeleiter verbundenen Elektrode entspricht.
6. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wärmeleitfläche und Gehäuse eine elektrische Iso- lierschicht ausgebildet ist, die wärmeleitend ist.
7. Batteriezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht ein Material enthält oder daraus besteht mit einer Wärmeleitfähigkeit, die mindestens der Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Elektroden- Wärmeleiters entspricht.
8. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht Aluminium aufweist oder daraus besteht und mit mindestens einem Elektrodenwärmeleiter verbunden ist.
9. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter Aluminium aufweist oder daraus besteht.
10. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektrodenwärmeleiter mit einem L- oder T-Profil ausgebildet ist.
1 1 . Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass es sich um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder um eine Li- thium-lonen-Polymer-Batteriezelle handelt.
12. Batterie umfassend eine oder mehrere Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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