WO2011042092A1 - Elektrochemische zelle - Google Patents

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WO2011042092A1
WO2011042092A1 PCT/EP2010/005043 EP2010005043W WO2011042092A1 WO 2011042092 A1 WO2011042092 A1 WO 2011042092A1 EP 2010005043 W EP2010005043 W EP 2010005043W WO 2011042092 A1 WO2011042092 A1 WO 2011042092A1
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WO
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electrochemical cell
rupture disk
cell according
pressure relief
bursting
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PCT/EP2010/005043
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English (en)
French (fr)
Inventor
Guenter Eichinger
Tim Schaefer
Original Assignee
Li-Tec Battery Gmbh
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Publication date
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Priority to EP10751803A priority patent/EP2486612A1/de
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Priority to US13/500,350 priority patent/US20120282499A1/en
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical cell and a battery arrangement with at least one such electrochemical cell.
  • a flat-type lithium-ion battery is known, on whose housing frame a bursting area is provided.
  • an overpressure protection is introduced in an opening.
  • the overpressure safety device comprises a safety diaphragm, which breaks open in critical overpressure situations in order to allow the escape of gases.
  • an electrochemical cell which has an electrode stack, which is sealed in a gas-tight and / or liquid-tight manner by an enclosure, and at least one pressure relief device, in particular in the form of a predetermined breaking point, wherein the at least one pressure relief device has a rupture disk which forms an opening the serving closes.
  • an at least partial limitation is to be understood, which delimits the electrode stack (s) to the outside.
  • the envelope is preferably gas and liquid tight, so that a material exchange with the environment can not take place.
  • the electrode stacks are disposed within the enclosure.
  • the envelope has at least one wrapping part, in particular a plurality of wrapping parts. Thus, for example, a wrapping part can be produced from a molded part.
  • a frame or a frame part represent a wrapping part.
  • At least one current conductor in particular two current conductors extend out of the enclosure and serve to connect the electrode stacks.
  • the outwardly extending current conductors preferably represent the positive pole connection and the negative pole connection of the electrochemical cell.
  • a plurality of current conductors it is also possible for a plurality of current conductors to extend out of the enclosure, in particular four current arresters. If the electrochemical cell has two electrode stacks which are connected in series with one another, two electrodes of different electrode stacks are connected to one another.
  • an electrode stack is to be understood as meaning a device which, as an assembly of an electrochemical or galvanic cell, also serves to store chemical energy and to deliver electrical energy.
  • the electrode stack has a plurality of plate-shaped elements, at least two electrodes (anode and cathode) and a separator which at least partially receives the electrolyte.
  • at least one anode, a separator and a cathode are stacked or stacked, wherein the separator is at least partially disposed between the anode and the cathode.
  • This sequence of anode, separator and cathode can be repeated as often as desired within the electrode stack.
  • the plate-shaped elements are wound into an electrode winding.
  • electrode stack will also be used for electrode windings. ⁇ br/> ⁇ br/> Prior to the release of electrical energy, stored chemical energy is converted into electrical energy Charging the electrical energy supplied to the electrode stack or the galvanic cell is converted into chemical energy and stored.
  • the electrode stack has a plurality of electrode pairs and separators. Particularly preferably, some electrodes are in particular electrically connected to one another.
  • a framework is to be understood to mean any constructional device which is suitable for mechanically stabilizing the cell against environmental influences, in particular against forces acting from the outside or inside, and which is firmly connected to the packaging of the cell during the production of the cell can be.
  • a frame is preferably a substantially frame-shaped device, the function of which is essentially to impart mechanical stability to a galvanic cell.
  • the frame can represent a cladding part.
  • a pressure relief device is in particular a device of this type which, when a specific pressure, namely a bursting pressure, occurs, in particular allows material to escape from the interior of the electrochemical cell to the outside. Further, a pressure relief device may allow leakage of material from the electrochemical cell interior to the outside when a certain temperature, namely a bursting temperature is reached or exceeded.
  • a pressure relief device can initiate a depressurization process independently of the pressure only when the bursting temperature occurs.
  • a pressure relief process is particularly present when material from the electrochemical cell interior, in particular due to an opening of the pressure relief device can escape to the outside.
  • the pressure relief device is designed in the form of a predetermined breaking point.
  • a predetermined breaking point is designed in particular such that parts of the pressure relief device are destroyed in the case of a pressure relief process.
  • the pressure relief device has a rupture disk which closes an opening of the casing.
  • the rupture disc closes the breakthrough of the enclosure only in the case where a pressure relief process is not present.
  • the closing of the breakthrough is disturbed by the rupture disk, so that the rupture disk can at least not completely prevent a passage of material through the opening. More detailed embodiments of the rupture disk and the corresponding Verschoudreungs- possibilities of breakthrough through the rupture disk are discussed in more detail below.
  • the rupture disk may be made of a plastic, in particular of a polymer.
  • the rupture disk can be designed in its geometric dimensions and / or mechanical properties such that it loses its mechanical strength when reaching the bursting pressure or the bursting temperature and thus can no longer seal the casing.
  • the plastic for the production of the rupture disk can be represented by PE, PP, PTFE, CTFE, FEP, HFP or other in particular fluorinated polymers.
  • the rupture disk is made of a film.
  • the film can be at least partially destroyed when reaching or exceeding the bursting pressure, in particular tear.
  • the film can melt even when reaching or exceeding the bursting temperature.
  • the rupture disk and the enclosure are made of a substantially identical material. In this case, first the casing can be produced completely closed and then the rupture disk can be cut out of the casing, in particular cut out or punched out. The rupture disk can then be firmly closed again with the wrapper. As a result, the costs for the production of the envelope can be reduced together with the pressure relief device.
  • the rupture disk preferably has a plurality of layers, including in particular a diffusion-reducing layer.
  • a diffusion-reducing layer may preferably be based on fluoropolymers, silicone or paraffin.
  • a layer of the rupture disk can be made of a metal, in particular of aluminum.
  • a layer may be vapor-deposited on another layer of the rupture disk, in particular the aluminum layer may be vapor-deposited onto a plastic layer.
  • Plastics based on hydrocarbons can in particular favor the diffusion of water or water vapor.
  • the diffusion-reducing layer preferably prevents the diffusion of water or water vapor through the bursting disc. This can also be achieved by a metal layer.
  • a metal layer of the cladding namely in particular a cladding part and / or the rupture disk, can be coated by means of a polymer coating. This can prevent possible corrosion of the metal layer. In particular, when the metal layer faces the interior of the electrochemical cell, this can prevent corrosion by the electrode stack and the materials located there.
  • the metal layer can by targeted oxidation to form a dense oxide layer, in particular by anodizing, pretreated. This can result in a further resistance to corrosion.
  • a metal layer can also be subjected to further pretreatments, which in particular have a corrosion-protecting effect. These are, in particular, application of a metal oxide layer, metal nitride layer or other protective layers, in particular by plasma processes, sputtering or electrolytic treatments.
  • the pressure relief device upon reaching a bursting temperature, initiates a pressure relief operation.
  • a layer of the rupture disk can be made of a material whose melting temperature is below the bursting temperature. It can thereby be achieved that the one layer whose melting temperature is below the bursting temperature melts and in particular loses the mechanical properties before the bursting temperature is reached. Due to the fact that this layer only has negligible mechanical properties when the bursting temperature is reached, the exact setting of the bursting point can only be set on the other layer.
  • bursting point is meant that operating state in which a pressure relief process is initiated by the pressure relief device. The bursting point is determined in particular by the bursting temperature and / or the bursting pressure.
  • the rupture disk is formed of a polymer layer and a paraffin layer, wherein the melting point of the paraffin layer is less than 85 ° C and in particular at about 80 ° C, and the polymer layer has a melting point, preferably above 95 ° C, in particular at about 100 ° C is located.
  • the breakthrough can have a round shape.
  • the round shape is easy to manufacture, especially by drilling.
  • the breakthrough may also have a polygonal shape.
  • the aperture has an elongate shape, ie, in a first cross-sectional direction, the aperture has an extension which is greater by a multiple, in particular at least twice, than the dimension in a second extension perpendicular thereto.
  • the rupture disk is preferably made larger than the breakthrough. It can thereby be achieved that the rupture disk covers the breakthrough and in particular rests on a shoulder on the casing. As a result, an improved sealing effect can be achieved.
  • the rupture disk is sealed or glued to the wrapper.
  • the rupture disk can be materially connected to the enclosure.
  • the type of Aufêteins or sticking can even set the bursting temperature or the bursting pressure. If the seal or bond dimensioned larger, the bursting pressure or the bursting temperature may increase. Conversely, if the seal or bond is reduced, the burst temperature or burst pressure can be reduced.
  • the rupture disk is screwed into the opening.
  • the breakthrough preferably has a thread which is mounted in the opening.
  • the thread can be made by screwing the rupture disk itself.
  • the rupture disk can have a particular self-tapping thread.
  • the rupture disk is preferably provided with means which allow a transmission of torque to the rupture disk.
  • screw heads are applicable. These can be in particular a hexagonal shape or an imbus shape.
  • the bursting disc can also be held by means of a holding part at the opening.
  • the holding part may in particular be formed separately.
  • the holding part can be firmly and / or non-positively and / or positively attached to a part of the enclosure.
  • the holding part can rupture the rupture disk firmly and / or positively and / or positively hold on breakthrough.
  • the holding part can be screwed onto a thread in the opening.
  • the bursting foil can be arranged between the holding part and a shoulder in the opening. By screwing the holding part in the direction of the paragraph, the bursting film between the holding part and paragraph is clamped and thus held.
  • the retaining member may be threaded onto a thread within the aperture. The film is applied to the thread in the opening and is screwed when screwing the holding part between the threads of the holding part and the opening.
  • the rupture disk has a base area that is larger than a cross section of the opening.
  • a separate sealing means is preferably provided between rupture disk and sheath.
  • This may in particular be a polymer seal.
  • the sealing agent may preferably be formed in disk form or in ring form.
  • the electrochemical cell preferably has a cutting means, in particular a mandrel or a blade, which can damage parts of the envelope, in particular the rupture disk.
  • the cutting means may break through portions of the enclosure.
  • the mechanical stability of the casing in particular in the area of the pressure relief device, can be reduced, which can have an effect on the bursting pressure or the bursting temperature.
  • a depressurization process is initiated because material may leak from the interior of the electrochemical cell to the outside at the broken point of the casing.
  • the cutting means can be placed on the opening from the outside. In this case, the separating agent protrude into the breakthrough.
  • the cutting means can be attached to a plate or on a disc which is placed from the outside on the breakthrough.
  • the plate or disc may be gas and / or liquid permeable.
  • the cutting means is arranged outside the rupture disk and aligned with the rupture disk.
  • Arranged outside, in particular, means that the cutting means is arranged on one side of the sheathing or rupture disk, which faces away from the interior of the electrochemical cell.
  • the rupture disk is arranged in particular between the interior of the electrochemical cell and the cutting means.
  • the electrochemical cell has sensor means that can detect a pressure relief process.
  • a sensor means that can detect a pressure relief process.
  • a central control unit can be informed that the electrochemical cell is in a state in which it no longer functions properly.
  • the electrochemical cell can then be decoupled from other uses, in particular charging or discharging.
  • Such sensor means may be formed as temperature sensors and / or pressure sensors.
  • a required pressure relief process can be detected in particular by determining by means of a pressure or temperature sensor an initially increasing pressure or an initially rising temperature. For this purpose, the gradient of the pressure or temperature change can be used.
  • the at least one pressure relief device is arranged in a region remote from a current conductor of the electrochemical cell.
  • the at least one pressure relief device is arranged in the installed state of the electrochemical cell in the lower and / or lateral region of the electrochemical cell.
  • the at least one current conductor of the electrochemical cell extends out of the first area of the enclosure and the at least one pressure relief device is arranged in a second area of the enclosure facing away from the first area and / or is at least one Pressure Relief device in the installed state of the electrochemical cell arranged in a lower portion of the enclosure.
  • the at least one pressure relief device as far as possible (far) away from the current conductors and / or arranged in the lower region of the cell.
  • the advantages are achieved in this context that at an increased internal cell pressure, the pressure reduction and the material discharge by the at least one pressure relief device neither in the area of the current arrester and the battery management system nor in the direction of the passenger compartment.
  • the invention further relates to a battery arrangement, comprising at least one, in particular a plurality of electrochemical cells of the type mentioned above.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 3 shows a section of the enclosure of an electrochemical cell 1 in an alternative embodiment
  • Fig. 5 different cross-sectional shapes of the apertures
  • FIG. 1 shows an electrochemical cell 1 according to the invention.
  • the envelope 2 surrounds an interior 14 of the electrochemical cell 1 in a gas-tight and liquid-tight manner with respect to the surroundings.
  • an electrode stack 13 is arranged in the interior 14 of the electrochemical cell 1.
  • electrochemical cells can be arranged in a battery (arrangement).
  • FIG. 2 shows a section of the envelope 2.
  • the envelope 2 is designed in several parts.
  • the casing 2 has at least one wrapping part 3.
  • the wrapping part 3 is designed as a molded part.
  • the envelope 2 has two such molded parts 3.
  • a wrapping part can also have a different shape.
  • a frame may also represent a wrapping part 3.
  • the two mold parts 3 make up the largest part of the casing 2.
  • the wrapping part 3 has an opening 6, which is closed by a rupture disk 5.
  • the rupture disk 5 forms, together with the wrapping parts 3, the wrapping 2.
  • the rupture disk 5 is adhered to the enclosure 3.
  • the rupture disk 5 can be sealed onto the wrapping part 3.
  • the opening 6 is formed in stages and has an outer portion 15 and an inner portion 16.
  • the outer portion 15 has a smaller diameter than the inner portion 16.
  • a shoulder 17 is formed on which rupture disc 5 rests.
  • the rupture disk 5 is placed on the shoulder 17 from the inside.
  • the rupture disk 5 is glued on the shoulder 17.
  • the rupture disk 5 is made of a single-layer plastic film.
  • FIG. 3 shows a section of the envelope of an electrochemical cell 1 in an alternative embodiment, which largely corresponds to the envelope according to FIG. In this respect, only the differences from FIG. 2 will be discussed below.
  • the rupture disk 5 is designed as a multi-layer bursting foil.
  • the rupture disk 5 has a first layer 7 and a second layer 8.
  • the first layer 7 is made of a polymer.
  • the second layer 8 is made of aluminum.
  • the aluminum layer 8 has over the polymer layer on an improved water vapor impermeability and is insofar formed diffusion-reducing.
  • the aluminum layer 8 has an improved tear strength.
  • the wrapping part 3, which is a molded article is also constructed of a multilayer material, wherein an outer layer of aluminum and an inner layer of a polymer are made. The two layers of the bursting foil 5 as well as the two layers of the molded part 3 can be reversed.
  • the layer of aluminum may also be replaced by a layer based on a fluoropolymer, silicone or paraffin.
  • the second layer 8, which represents the inner layer of the bursting foil 5 may be made of a paraffin-based material.
  • the paraffin-based material melts at about 80 ° C. However, only at 100 ° C is the bursting temperature. In this respect, the second layer is melted away before reaching the bursting temperature and therefore without mechanical strength.
  • This has the advantage that for sizing the Pressure relief device 4 only the first layer 7 can be used.
  • the second layer 8 does not change the bursting properties of the pressure relief device 4, in particular with regard to the bursting temperature.
  • the bursting film 5 is placed on the paragraph 17.
  • the bursting film 5 is not glued directly to the shoulder 17 or otherwise materially connected. It is provided an annular holding part 9, which is placed on the bursting film 5 from the inside.
  • the holding part 9 is firmly held in the opening 6, in particular in the second portion 16 of the opening 6.
  • the holding part 9 can be used with oversize in the wrapping part 3.
  • the holding member 9 can be firmly bonded in the opening 6, in particular by means of gluing.
  • the holding part 9 may have an external thread, which is screwed into an internal thread of the opening 6.
  • the rupture disk can in particular be designed as a bursting foil and screwed in between the internal thread of the opening 6 and the external thread of the holding part 9.
  • FIG. 4 shows a detail of the envelope of an electrochemical cell 1 in a further alternative embodiment, which largely corresponds to the envelope according to FIG. In this respect, only the differences from FIG. 3 will be discussed below, and single-layer bursting films according to FIG. 1 may also be used. Between bursting film 5 and the paragraph 17, a separate sealing washer 10 is provided, which improves the sealing effect in normal operation.
  • a disc 18 is placed from the outside, which has a centrally disposed mandrel 11 on an inner surface.
  • the mandrel 11 is aligned with the rupture disk 5.
  • the bursting foil 5 expands in the direction of the dome 11.
  • the disc 18, which carries the mandrel is not sealingly connected to the enclosure 2.
  • the disc 18 may have apertures that allow passage of material through the disc 18 therethrough.
  • FIG. 5 shows various cross-sectional shapes which the apertures 6 can have.
  • Figure 5a) shows an oval shape.
  • FIG. 5b) shows a circular shape.
  • FIG. 5c) shows a rectangular shape in which the corners are rounded off.
  • Figure 5d) shows a regular polygon, namely a hexagon, wherein the internal angles of the regular polygon are all identical to each other. Only two opposite sides of the regular polygon are formed extended compared to the other sides.
  • FIG. 5 e) shows the shape of a regular octagon.
  • Figure 5f) is similar to the cross-section as shown in Figure 5c). However, the ratio of the large side lengths to the small side lengths is greater than in the cross section of Figure 5c).
  • FIG. 6 a shows the pressure curve in the interior 14 of the electrochemical cell 1.
  • the pressure relief device 4 is closed so that there is no pressure relief process. There can be no material from the interior 14 through the enclosure 2 to the outside.
  • the pressure P in the interior 14 increases.
  • the pressure P reaches the bursting pressure PB.
  • the pressure relief device opens and material can pass from the interior 14 to the outside.
  • the pressure P in the interior 14 can be reduced, so that subsequently in the time t> t B, the pressure P decreases again.
  • FIG. 6 b shows the temperature profile in the interior 14 of the electrochemical cell 1.
  • the pressure relief device is closed.
  • the temperature T in the interior 14 increases.
  • the temperature T reaches the bursting temperature T B.
  • the pressure in the interior 14 can be reduced, as a result of which the temperature in the interior can also be reduced.
  • a pressure relief process can be detected by means of a sensor 12, which is arranged in the interior of the electrochemical cell.
  • a central control unit which is connected to the sensor means 12, subsequently switches off the electrochemical cell from further charging and discharging operations.
  • the at least one pressure relief device 4 is preferably provided in an area facing away from the current conductors of the electrochemical cell at the bottom or side of the enclosure 2 or the cell 1, so that the at least one pressure relief device 4 as far as possible ) is removed from the current conductors and arranged in the lower and / or lateral region of the cell 1.

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Abstract

Eine elektrochemische Zelle (1) weist einen Elektrodenstapel (13), der von einer Umhüllung (2) insbesondere gas- und/oder flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, und wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung (4) insbesondere in Form einer Sollbruchstelle auf, wobei die Druckentlastungsvorrichtung (4) eine Berstscheibe (5) aufweist, welche einen Durchbruch (6) der Umhüllung (2) verschließt.

Description

Elektrochemische Zelle
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle und eine Batterie- anordnung mit mindestens einer solchen elektrochemischen Zelle.
Aus der DE 10 2007 063 193 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie in Flachbauweise bekannt, an deren Gehäuserahmen ein Berstbereich vorgesehen ist. Dabei ist in einer Öffnung eine Überdrucksicherung eingebracht. Die Über- drucksicherung umfasst eine Sicherungsmembran, die in kritischen Überdrucksituationen definiert aufbricht, um ein Ausströmen von Gasen zu ermöglichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte elektrochemische Zelle bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrochemische Zelle mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine elektrochemische Zelle vorgesehen, die einen Elektrodenstapel, der von einer Umhüllung insbesondere gas- und/oder flüssig- keitsdicht abgedichtet ist, und wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung insbesondere in Form einer Sollbruchstelle aufweist, wobei die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung eine Berstscheibe aufweist, die einen Durchbruch der Umhüllung verschließt. Unter Umhüllung ist im Rahmen der Erfindung eine zumindest teilweise Begrenzung zu verstehen, welche den oder die Elektrodenstapel nach außen hin abgrenzt. Die Umhüllung ist vorzugsweise gas- und flüssigkeitsdicht, sodass ein Materialaustausch mit der Umgebung nicht stattfinden kann. Die Elektroden- Stapel sind innerhalb der Umhüllung angeordnet. Die Umhüllung weist zumindest ein Umhüllungsteil, insbesondere mehrere Umhüllungsteile auf. So kann beispielsweise ein Umhüllungsteil aus einem Formteil hergestellt sein. Es können zwei Formteile verwendet werden. Ferner kann ein Rahmen oder auch ein Rahmenteil ein Umhüllungsteil darstellen. Wenigstens ein Stromableiter, insbesondere zwei Stromableiter erstrecken sich aus der Umhüllung hinaus und dienen zum Anschließen der Elektrodenstapel. Die sich nach außen erstreckenden Stromableiter stellen dabei vorzugsweise den Pluspolanschluss und den Minuspolanschluss der elektrochemischen Zelle dar. Jedoch können sich auch mehrere Stromableiter aus der Umhüllung erstrecken, insbesondere vier Stromableiter. Wenn die elektrochemische Zelle dabei zwei Elektrodenstapel aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, so sind zwei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstapel miteinander verbunden.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer elektrochemischen bzw. galvanischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere plattenförmige Elemente auf, wenigstens zwei Elektroden (Anode und Kathode) und einen Separator, welcher den Elektrolyt wenigstens teilweise aufnimmt. Vorzugsweise sind wenigstens eine Anode, ein Separator und eine Kathode übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei der Separator wenigstens teilweise zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Diese Abfolge von Anode, Separator und Kathode kann sich innerhalb des Elektrodenstapels beliebig oft wiederholen. Vorzugsweise sind die plattenförmigen Elemente zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff „Elektrodenstapel" auch für Elektrodenwickel verwendet. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenstapel bzw. der galvanischen Zelle zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere Elektrodenpaare und Separatoren auf. Besonders bevorzugt sind einige Elektroden untereinander insbesondere elektrisch verbunden.
Unter einem Rahmen im Sinne der vorliegenden Erfindung soll jede konstruktive Einrichtung verstanden werden, die geeignet ist, die Zelle mechanisch gegen Umwelteinflüsse zu stabilisieren, insbesondere gegen von außen oder innen angreifende Kräfte, und die bei der Herstellung der Zelle mit der Verpackung der Zelle fest verbunden werden kann. Wie die Wortwahl bereits andeutet, ist ein Rahmen vorzugsweise eine im Wesentlichen rahmenförmige Einrichtung, deren Funktion im Wesentlichen darin besteht, einer galvanischen Zelle mechanische Stabilität zu verleihen. Der Rahmen kann ein Umhüllungsteil darstellen.
Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere Überladung, Kurzschluss oder Überhitzung kann sich in elektrochemischen Zellen ein Überdruck entwickeln. Im Extremfall kann ein solcher Überdruck zum Bersten der Umhüllung und/oder zu einem Brand führen. Dabei können auch benachbarte elektrochemische Zellen in Mitleidenschaft gezogen werden. Das Vorsehen einer Druckentlastungsvorrichtung kann dazu beitragen, dass die Folgen der oben genannten Bedingungen entschärft werden. Eine Druckentlastungsvorrichtung ist dabei insbesondere eine derartige Vorrichtung, welche bei Auftreten eines bestimmten Drucks, nämlich eines Berstdrucks, insbesondere ein Austreten von Material aus dem Innenraum der elektrochemischen Zelle nach außen ermöglicht. Ferner kann eine Druckentlastungsvorrichtung ein Austreten von Material aus dem elektrochemischen Zelleninneren nach außen ermöglichen, wenn eine bestimmte Temperatur, nämlich eine Bersttemperatur erreicht oder überschritten wird. Insofern kann eine Druckentlastungsvorrichtung auch unabhängig vom Druck nur bei Auftreten der Bersttemperatur einen Druckentlastungsvorgang einleiten. Ein Druckentlastungsvorgang ist insbesondere dann vorhanden, wenn Material vom elektrochemischen Zelleninneren insbesondere aufgrund eines Öffnens der Druckentlastungsvorrichtung nach außen treten kann. Dabei ist die Druckentlastungsvorrichtung in Form einer Sollbruchstelle ausgestaltet. Eine Soll- bruchstelle ist dabei insbesondere derart gestaltet, dass Teile der Druckentlastungsvorrichtung im Falle eines Druckentlastungsvorgangs zerstört werden.
Die Druckentlastungsvorrichtung weist erfindungsgemäß eine Berstscheibe auf, die einen Durchbruch der Umhüllung verschließt. Dabei verschließt die Berstscheibe den Durchbruch der Umhüllung lediglich in dem Fall, in dem ein Druckentlastungsvorgang nicht vorliegt. Im Falle eines Druckentlastungsvorgangs selbst ist das Verschließen des Durchbruchs durch die Berstscheibe gestört, sodass die Berstscheibe ein Hindurchtreten von Material durch den Durchbruch zumindest nicht vollständig verhindern kann. Genauere Ausgestaltungen der Berstscheibe und der entsprechenden Verschließungs- möglichkeiten des Durchbruchs durch die Berstscheibe werden nachfolgend näher erörtert. Die Berstscheibe kann aus einem Kunststoff hergestellt sein, insbesondere aus einem Polymer. Die Berstscheibe kann in ihren geometrischen Ausmaßen und/oder mechanischen Eigenschaften derart gestaltet sein, dass sie bei Erreichen des Berstdrucks oder der Bersttemperatur ihre mechanische Festigkeit verliert und somit die Umhüllung nicht mehr verschließen kann. Der Kunststoff zur Herstellung der Berstscheibe kann dargestellt sein aus PE, PP, PTFE, CTFE, FEP, HFP oder anderen insbesondere fluorierten Polymeren.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe aus einer Folie hergestellt. Die Folie kann bei Erreichen oder Überschreiten des Berstdrucks zumindest teilweise zerstört werden, insbesondere reißen. Die Folie kann auch bei Erreichen oder Überschreiten der Bersttemperatur schmelzen. Vorzugsweise sind die Berstscheibe und die Umhüllung aus einem im Wesentlichen identischen Material hergestellt. Dabei kann zunächst die Umhüllung vollständig geschlossen hergestellt werden und anschließend die Berstscheibe aus der Umhüllung herausgetrennt werden, insbesondere heraus- geschnitten oder herausgestanzt werden. Die Berstscheibe kann anschließend wieder fest mit der Umhüllung verschlossen werden. Hierdurch können die Kosten für die Herstellung der Umhüllung mitsamt der Druckentlastungsvorrichtung verringert werden. Vorzugsweise weist die Berstscheibe mehrere Schichten auf, darunter insbesondere eine diffusionsmindernde Schicht. Eine diffusionsmindernde Schicht kann vorzugsweise basieren auf Flourpolymeren, Silikon oder Paraffin. Ferner kann eine Schicht der Berstscheibe aus einem Metall hergestellt sein, insbesondere aus Aluminium. Eine Schicht kann auf eine andere Schicht der Berstscheibe aufgedampft sein, insbesondere kann die Aluminiumschicht auf eine Kunststoffschicht aufgedampft sein. Kunststoffe, die auf Kohlenwasserstoffen basieren, können insbesondere die Diffusion von Wasser bzw. Wasserdampf begünstigen. Die diffusionsmindernde Schicht verhindert dabei vorzugsweise die Diffusion von Wasser bzw. Wasserdampf durch die Berst- scheibe. Dies kann ebenfalls durch eine Metallschicht erreicht werden. Diese Ausführungen gelten auch für Umhüllungsteile allgemein. Damit eine der beiden Schichten lediglich einen zu vernachlässigenden mechanischen Einfluss auf die Bersteigenschaften der Berstscheibe ausüben kann, kann diejenige Schicht perforiert sein.
Eine Metallschicht der Umhüllung, nämlich insbesondere eines Umhüllungsteils und/oder der Berstscheibe, kann mittels eines Polymerüberzugs beschichtet werden. Dies kann einer möglichen Korrosion der Metallschicht vorbeugen. Insbesondere wenn die Metallschicht dem Innenraum der elektrochemischen Zelle zugewandt ist, kann dies einer Korrosion durch den Elektrodenstapel und der dort befindlichen Materialien vorbeugen. Die Metallschicht kann durch gezielte Oxidation unter Ausbildung einer dichten Oxidschicht, insbesondere durch Eloxieren, vorbehandelt sein. Hierdurch kann sich eine weitere Beständigkeit gegenüber Korrosion ergeben. Ferner kann eine Metallschicht auch weiteren Vorbehandlungen unterzogen werden, die insbesondere einen korrosionsschützenden Effekt haben. Diese sind insbesondere Aufbringen einer Metalloxidschicht, Metallnitritschicht oder anderweitigen Schutzschichten durch insbesondere Plasma-Verfahren, Aufsputtern oder elektrolytische Behandlungen.
Vorzugsweise leitet die Druckentlastungsvorrichtung bei Erreichen einer Bersttemperatur einen Druckentlastungsvorgang ein. Eine Schicht der Berstscheibe kann aus einem Stoff hergestellt sein, deren Schmelztemperatur unterhalb der Bersttemperatur liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die eine Schicht, deren Schmelztemperatur unterhalb der Bersttemperatur liegt, schmilzt und dabei insbesondere die mechanischen Eigenschaften verliert, bevor die Bersttemperatur erreicht wird. Dadurch, dass diese Schicht bei Erreichen der Bersttemperatur nur zu vernachlässigende mechanische Eigenschaften besitzt, kann lediglich an der anderen Schicht die exakte Einstellung des Berstpunktes eingestellt werden. Unter Berstpunkt ist dabei derjenige Betriebzustand gemeint, bei dem durch die Druckentlastungsvorrichtung ein Druckentlastungsvorgang eingeleitet wird. Der Berstpunkt wird insbesondere durch die Bersttemperatur und/oder den Berstdruck festgelegt.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe aus einer Polymerschicht und einer Paraffinschicht ausgebildet, wobei der Schmelzpunkt der Paraffinschicht kleiner als 85°C ist und insbesondere bei in etwa 80°C liegt, und die Polymerschicht einen Schmelzpunkt hat, der vorzugsweise über 95°C, insbesondere bei etwa 100°C liegt.
Der Durchbruch kann eine runde Form aufweisen. Die runde Form ist dabei insbesondere mittels Bohren einfach herzustellen. Alternativ kann der Durchbruch auch eine eckige Form aufweisen. Insbesondere wenn sich der Durchbruch an einer schmalen Seite der Umhüllung befindet ist es vorteilhaft, wenn der Durchbruch eine längliche Form aufweist, d.h. in einer ersten Querschnittsrichtung weist der Durchbruch eine Ausdehnung auf, die um ein Vielfaches, insbesondere zumindest 2-faches, größer ist als die Ausdehnung in einer hierzu senkrechten zweiten Ausdehnung.
Die Berstscheibe ist vorzugsweise größer gestaltet als der Durchbruch. Dadurch kann erreicht werden, dass die Berstscheibe den Durchbruch überdeckt und dabei insbesondere auf einem Absatz auf der Umhüllung aufliegt. Hierdurch kann eine verbesserte Dichtwirkung erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe auf die Umhüllung aufgesiegelt oder aufgeklebt. Dadurch kann die Berstscheibe stoffschlüssig mit der Umhüllung verbunden werden. Die Art des Aufsiegeins oder Aufklebens kann dabei selbst die Bersttemperatur oder den Berstdruck festlegen. Wird dabei die Siegelung oder die Klebung größer dimensioniert, kann sich der Berstdruck oder die Bersttemperatur erhöhen. Im umgekehrten Fall kann bei verringerter Siegelung oder Klebung die Bersttemperatur oder der Berstdruck verringert werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Berstscheibe in den Durchbruch eingeschraubt. Dafür weist der Durchbruch vorzugsweise ein Gewinde auf, welches in dem Durchbruch angebracht ist. Alternativ kann das Gewinde durch das Eindrehen der Berstscheibe selbst erfolgen. Dafür kann die Berstscheibe ein insbesondere selbstschneidendes Gewinde aufweisen. Die Berstscheibe ist vorzugsweise mit Mitteln versehen, welche eine Übertragung von Drehmoment auf die Berstscheibe ermöglichen. Hierfür sind insbesondere bekannte Formen aus Schraubenköpfen anwendbar. Diese können insbesondere eine Sechskantform oder eine Imbusform sein.
Die Berstscheibe kann auch mittels eines Halteteils am Durchbruch festgehalten sein. Das Halteteil kann insbesondere separat ausgebildet sein. Das Halteteil kann stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig an einem Teil der Umhüllung befestigt sein. Das Halteteil kann die Berstscheibe Stoff- schlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Durchbruch festhalten. Alternativ kann das Halteteil auf ein Gewinde in den Durchbruch aufgeschraubt werden. Die Berstfolie kann dabei zwischen dem Halteteil und einem Absatz in dem Durchbruch angeordnet sein. Durch das Aufschrauben des Halteteils in Richtung des Absatzes wird die Berstfolie zwischen Halteteil und Absatz eingeklemmt und damit festgehalten. In einer Ausführungsform, in der ein Absatz nicht notwendigerweise vorgesehen ist, kann das Halteteil auf ein Gewinde innerhalb des Durchbruchs aufgeschraubt werden. Die Folie ist dabei auf das Gewinde in dem Durchbruch angelegt und wird bei Aufschrauben des Halteteils zwischen den Gewinden des Halteteils und des Durchbruchs eingeschraubt.
Vorzugsweise weist die Berstscheibe eine Grundfläche auf, die größer ist als ein Querschnitt des Durchbruchs.
Zwischen Berstscheibe und Umhüllung ist vorzugsweise ein separates Siegelmittel vorgesehen. Dies kann insbesondere eine Polymerdichtung sein. Das Siegelmittel kann vorzugsweise in Scheibenform oder in Ringform ausgebildet sein.
Die elektrochemische Zelle weist vorzugsweise ein Schneidmittel, insbesondere einen Dorn oder eine Klinge, auf, welches Teile der Umhüllung, insbesondere die Berstscheibe, beschädigen kann. Insbesondere kann das Schneidmittel Teile der Umhüllung durchbrechen. Durch das Beschädigen der Umhüllung kann die mechanische Stabilität der Umhüllung, insbesondere im Bereich der Druckentlastungsvorrichtung verringert werden, was Auswirkungen auf den Berstdruck bzw. die Bersttemperatur haben kann. Wenn durch das Schneidmittel Teile der Umhüllung durchbrochen werden, wird dabei ein Druckentlastungsvorgang eingeleitet, da an der durchbrochenen Stelle der Umhüllung Material vom Innenraum der elektrochemischen Zelle nach außen geraten kann. Das Schneidmittel kann von außen auf den Durchbruch aufgesetzt sein. Dabei kann das Scheidmittel in den Durchbruch hineinragen. Das Schneidmittel kann an einer Platte oder an einer Scheibe befestigt sein, welche von außen auf den Durchbruch aufgesetzt ist. Die Platte oder Scheibe kann gas- und/oder flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Schneidmittel außerhalb der Berstscheibe angeordnet und auf die Berstscheibe ausgerichtet. Außerhalb angeordnet bedeutet insbesondere, dass das Schneidmittel auf einer Seite der Umhüllung bzw. der Berstscheibe angeordnet ist, welche dem Innenraum der elektrochemischen Zelle abgewandt ist. Anders ausgedrückt ist die Berstscheibe insbesondere zwischen dem Innenraum der elektrochemischen Zelle und dem Schneidmittel angeordnet. Durch den Abstand des Schneidmittels von der Berstscheibe kann der Berstdruck eingestellt werden.
Vorzugsweise weist die elektrochemische Zelle Sensormittel auf, die einen Druckentlastungsvorgang erkennen können. Durch ein derartiges Sensormittel kann während und/oder nach einem Druckbelastungsvorgang insbesondere einer zentralen Steuereinheit mitgeteilt werden, dass die elektrochemische Zelle sich in einem Zustand befindet, in dem diese nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Die elektrochemische Zelle kann sodann von weiteren Benutzungen, insbesondere Lade- oder Entladevorgängen abgekoppelt werden. Derartige Sensormittel können als Temperatursensoren und/oder Drucksensoren ausgebildet sein. Ein erforderlicher Druckentlastungsvorgang kann insbesondere dadurch erkannt werden, indem mittels eines Druck- oder Temperatursensors ein zunächst ansteigender Druck bzw. eine zunächst ansteigende Temperatur festgestellt wird. Hierfür kann auch der Gradient der Druck- bzw. Temperaturänderung herangezogen werden. Fällt nach Erreichen oder Überschreiten des Berstdrucks bzw. der Bersttemperatur der Druck bzw. die Temperatur im Innenraum der elektrochemischen Zelle ab, kann dies als ein Indiz für das Vorliegen eines Druckentlastungsvorgangs gelten. Ein derartiges Erkennen kann mittels Berücksichtigung des Drucks allein oder der Temperatur allein vorgenommen werden. Ferner kann die Erkennung auch mittels der Berücksichtigung von Druck und Temperatur gemeinsam vorgenommen werden.
Vorteilhaft ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung in einem einem Stromableiter der elektrochemischen Zelle abgewandten Bereich angeordnet.
Ebenso vorteilhaft ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung im eingebauten Zustand der elektrochemischen Zelle im unteren und/oder seitlichen Bereich der elektrochemischen Zelle angeordnet.
Gemäß den beiden letztgenannten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung erstreckt sich der wenigstens eine Stromableiter der elektrochemischen Zelle in einem ersten Bereich der Umhüllung aus dieser heraus und ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung in einem dem ersten Bereich abgewandten zweiten Bereich der Umhüllung angeordnet und/oder ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung im eingebauten Zustand der elektrochemischen Zelle in einem unteren Bereich der Umhüllung angeordnet. Mit anderen Worten ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung möglichst (weit) von den Stromableitern entfernt und/oder im unteren Bereich der Zelle angeordnet.
Speziell bei Lithium-Ionen-Batterien im Kraftfahrzeugbereich besteht die Problematik, dass im Batteriegehäuse im Bereich der Stromableiter der Zellen zudem ein Batteriemanagementsystem und/oder weitere elektronische Komponenten untergebracht sind und die Batterie häufig unterhalb eines Fahrgastraums bzw. unterhalb eines Fahrgastsitzes im Kraftfahrzeug montiert ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass üblicherweise die Zellen so in das Batteriegehäuse eingebaut werden und die Batterie so im Kraftfahrzeug montiert wird, dass die Stromableiter in einem oberen Bereich der Zelle aus der Zell- Umhüllung heraus ragen. Mit den genannten vorteilhaften Ausführungsformen der elektrochemischen Zelle werden in diesem Zusammenhang die Vorteile erreicht, dass bei einem erhöhten Zelleninnendruck der Druckabbau und der Materialaustrag durch die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung weder im Bereich der Strom- ableiter und des Batteriemanagementsystems noch in Richtung zum Fahrgastraum erfolgen. Auf diese Weise können die Betriebssicherheit der Batterie und die Sicherheit der Fahrgäste bei Auftreten eines kritischen Druckzustandes im Innern einer elektrochemischen Zelle erhöht werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Batterieanordnung, umfassend zumindest eine, insbesondere mehrere elektrochemische Zellen der oben genannten Art.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen: eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle in schematischer Darstellung; Fig. 2 einen Ausschnitt der Umhüllung der elektrochemischen Zelle nach
Figur 1 ;
Fig. 3 einen Ausschnitt der Umhüllung einer elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform;
Fig. 4 einen Ausschnitt der Umhüllung einer elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform;
Fig. 5 verschiedene Querschnittsformen der Durchbrüche; und
Fig. 6 Verlaufskurven des Drucks sowie der Temperatur. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 1. Die Umhüllung 2 umschließt im normalen Betriebszustand einen Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1 gas- und flüssigkeitsdicht gegenüber der Umgebung. In dem Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1 ist ein Elektrodenstapel 13 ange- ordnet. Es können mehrere elektrochemische Zellen in einer Batterie- (anordnung) angeordnet sein.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung 2. Es ist zu erkennen, dass die Umhüllung 2 mehrteilig ausgebildet ist. Dabei weist die Umhüllung 2 zumindest ein Umhüllungsteil 3 auf. Das Umhüllungsteil 3 ist als Formteil ausgestaltet. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Umhüllung 2 zwei solche Formteile 3 auf. Ein Umhüllungsteil kann aber auch eine andere Form aufweisen. Insbesondere kann ein Rahmen ebenfalls ein Umhüllungsteil 3 darstellen. Im vorliegenden Fall machen die beiden Formteile 3 den größten Anteil der Um- hüllung 2 aus.
Das Umhüllungsteil 3 weist einen Durchbruch 6 auf, welcher von einer Berstscheibe 5 verschlossen ist. Die Berstscheibe 5 bildet zusammen mit den Umhüllungsteilen 3 die Umhüllung 2.
Der Durchbruch 6 stellt zusammen mit der Berstscheibe 5 wesentliche Bestandteile einer Druckentlastungsvorrichtung 4 dar. Die Berstscheibe 5 ist dabei auf die Umhüllung 3 aufgeklebt. Alternativ kann die Berstscheibe 5 auf das Umhüllungsteil 3 aufgesiegelt sein.
Der Durchbruch 6 ist stufig ausgebildet und weist einen äußeren Abschnitt 15 und einen inneren Abschnitt 16 auf. Der äußere Abschnitt 15 weist einen geringeren Durchmesser auf als der innere Abschnitt 16. Es ist innerhalb des Durchbruchs 6 ein Absatz 17 gebildet, auf dem die Berstscheibe 5 aufliegt. Die Berstscheibe 5 ist von innen auf den Absatz 17 aufgesetzt. Die Berstscheibe 5 ist auf dem Absatz 17 aufgeklebt. Die Berstscheibe 5 ist aus einer einschichtigen Kunststofffolie hergestellt. Bei ansteigendem Innendruck P im Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1 wird die Berstfolie 5 nach außen gewölbt, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Bei Erreichen des Berstdrucks wird die Berstfolie 5 derart weit gewölbt und dadurch gestreckt, dass sie reißt. Dadurch wird die Umhüllung 2 undicht, sodass Material vom Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1 nach außen treten kann. Hierbei kann der Innendruck P abgebaut werden. Zugleich kann eine Temperatur T im Innenraum 14 verringert werden.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung einer elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform, welche weitgehend der Umhüllung nach Figur 2 entspricht. Insofern wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zu Figur 2 eingegangen. Die Berstscheibe 5 ist als mehrschichtige Berstfolie ausgestaltet. Die Berstscheibe 5 weist dabei eine erste Schicht 7 und eine zweite Schicht 8 auf. Die erste Schicht 7 ist aus einem Polymer hergestellt. Die zweite Schicht 8 ist aus Aluminium hergestellt. Die Aluminiumschicht 8 weist gegenüber der Polymerschicht eine verbesserte Wasserdampfundurchlässigkeit auf und ist insofern diffusionsmindernd ausgebildet. Ferner weist die Aluminiumschicht 8 eine verbesserte Reißfestigkeit auf. Ferner ist auch das Umhüllungsteil 3, welches ein Formteil ist, aus einem mehrschichtigen Material aufgebaut, wobei eine äußere Schicht aus Aluminium und eine innere Schicht aus einem Polymer hergestellt sind. Die beiden Schichten der Berstfolie 5 als auch die beiden Schichten des Formteils 3 können vertauscht sein.
Die Schicht aus Aluminium kann jeweils auch durch eine Schicht basierend auf einem Fluorpolymer, Silikon oder Paraffin ersetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann dabei die zweite Schicht 8, welche die innere Schicht der Berstfolie 5 darstellt, aus einem Material auf Paraffinbasis hergestellt sein. Das Material auf Paraffinbasis schmilzt bei etwa 80°C. Jedoch erst bei 100°C liegt die Bersttemperatur. Insofern ist bereits vor Erreichen der Bersttemperatur die zweite Schicht weggeschmolzen und daher ohne mechanische Festigkeit. Dies hat den Vorteil, dass zur Dimensionierung der Druckentlastungsvorrichtung 4 ausschließlich die erste Schicht 7 herangezogen werden kann. Die zweite Schicht 8 verändert dabei die Bersteigenschaften der Druckentlastungsvorrichtung 4 insbesondere hinsichtlich der Bersttemperatur nicht.
Die Berstfolie 5 ist auf den Absatz 17 aufgelegt. Die Berstfolie 5 ist nicht unmittelbar mit dem Absatz 17 verklebt oder anderweitig stoffschlüssig verbunden. Es ist ein ringförmiges Halteteil 9 vorgesehen, welches auf die Berstfolie 5 von innen aufgesetzt ist. Das Halteteil 9 ist fest in dem Durchbruch 6, insbesondere in dem zweiten Abschnitt 16 des Durchbruchs 6 gehalten. Zur festen Verbindung des Halteteils 9 im Durchbruch 6 kann das Halteteil 9 mit Übermaßpassung in das Umhüllungsteil 3 eingesetzt werden. Alternativ kann das Halteteil 9 in dem Durchbruch 6 stoffschlüssig befestigt werden, insbesondere mittels Verkleben. Alternativ kann das Halteteil 9 ein Außengewinde aufweisen, welches in ein Innengewinde des Durchbruchs 6 aufgeschraubt ist. Die Berstscheibe kann insbesondere als Berstfolie ausgestaltet sein und zwischen dem Innengewinde des Durchbruchs 6 und dem Außengewinde des Halteteils 9 eingeschraubt sein. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung einer elektrochemischen Zelle 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform, welche weitgehend der Umhüllung nach Figur 3 entspricht. Insofern wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zur Figur 3 eingegangen, wobei auch einschichtige Berstfolien gemäß Figur 1 Verwendung finden können. Zwischen Berstfolie 5 und dem Absatz 17 ist eine separate Dichtscheibe 10 vorgesehen, welche die Dichtwirkung im Normalbetrieb verbessert.
Ferner und unabhängig von dem vorgenannten Merkmal ist von außen eine Scheibe 18 aufgesetzt, welche an einer Innenfläche einen zentral angeordneten Dorn 11 aufweist. Der Dorn 11 ist auf die Berstscheibe 5 ausgerichtet. Im Falle des Druckanstiegs, wie er bereits zu Figur 1 beschrieben wurde, dehnt sich die Berstfolie 5 in Richtung des Doms 11 aus. Bei Erreichen eines Berstdrucks PB gerät die Berstfolie 5 in Kontakt zu dem Dorn 11 und wird aufgrund des Innendrucks von dem Dom 11 beschädigt, wodurch die Umhüllung 2 undicht wird. Damit Material vom Innenraum 14 nach außen gelangen kann ist die Scheibe 18, welche den Dorn trägt, nicht dichtend mit der Umhüllung 2 ver- bunden. Die Scheibe 18 kann Durchbrüche aufweisen, welche ein Durchtreten von Material durch die Scheibe 18 hindurch ermöglichen.
Figur 5 zeigt verschiedene Querschnittsformen, welche die Durchbrüche 6 aufweisen können. Figur 5a) zeigt eine ovale Form. Figur 5b) zeigt eine Kreis- form. Figur 5c) zeigt eine Rechteckform, bei der die Ecken abgerundet sind. Figur 5d) zeigt ein regelmäßiges Vieleck, nämlich ein Sechseck, wobei die Innenwinkel des regelmäßigen Vielecks alle identisch zueinander sind. Lediglich zwei gegenüberliegende Seiten des regelmäßigen Vielecks sind gegenüber den übrigen Seiten verlängert ausgebildet. Figur 5e) zeigt die Form eines regel- mäßigen Achtecks. Figur 5f) ähnelt dem Querschnitt wie er in Figur 5c) gezeigt ist. Jedoch ist das Verhältnis der großen Seitenlängen zu den kleinen Seitenlängen größer als im Querschnitt der Figur 5c).
Figur 6a) zeigt den Druckverlauf im Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1. Während des Zeitraumes t < tB ist die Druckentlastungsvorrichtung 4 geschlossen, so dass kein Druckentlastungsvorgang vorliegt. Es kann kein Material vom Innenraum 14 durch die Umhüllung 2 nach außen gelangen. Mit zunehmender Zeit t steigt der Druck P im Innenraum 14 an. Zum Berstzeitpunkt tB erreicht der Druck P den Berstdruck PB. In diesem Moment öffnet die Druckentlastungsvorrichtung und Material kann vom Innenraum 14 nach außen treten. Hierdurch kann sich der Druck P im Innenraum 14 verringern, sodass nachfolgend in der Zeit t > tB der Druck P wieder absinkt.
Figur 6b) zeigt den Temperaturverlauf im Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1. während des Zeitraums t < tB ist die Druckentlastungsvorrichtung geschlossen. Mit zunehmender Zeit t nimmt die Temperatur T im Innenraum 14 zu. Zum Berstzeitpunkt tB erreicht die Temperatur T die Bersttemperatur TB. In diesem Moment öffnet die Druckentlastungsvorrichtung und Material kann vom Innenraum 14 nach außen treten. Hierdurch kann sich zum einen der Druck im Innenraum 14 verringern, wodurch sich auch die Temperatur im Innenraum verringern kann.
Durch den Verlauf der Druckkurve und/oder durch den Verlauf der Temperaturkurve kann mittels eines Sensors 12, welcher im Innenraum der elektrochemischen Zelle angeordnet ist, ein Druckentlastungsvorgang erkannt werden. Eine zentrale Steuereinheit, welche mit dem Sensormittel 12 verbunden ist, schaltet in der Folge die elektrochemische Zelle von weiteren Lade- und Entladevorgängen ab.
Auch wenn dies in den Figuren nicht ausdrücklich dargestellt ist, ist die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung 4 vorzugsweise in einem den Stromableitern der elektrochemischen Zelle abgewandten Bereich unten oder seitliche an der Umhüllung 2 bzw. der Zelle 1 vorgesehen, sodass die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung 4 möglichst (weit) von den Stromableitern entfernt und im unteren und/oder seitlichen Bereich der Zelle 1 angeordnet ist.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einem erhöhten Druck oder einer erhöhten Temperatur im Innenraum 14 der Zelle 1 der Druckabbau und der Materialaustrag bei einem Druckentlastungsvorgang durch die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung 4 weder im Bereich der Stromableiter und eines Batteriemanagementsystems noch in Richtung z.B. zu einem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges erfolgen. So können die Betriebssicherheit der Batterie und die Sicherheit der Fahrgäste bei Auftreten eines kritischen Druckbzw. Temperaturzustandes im Innenraum 14 der elektrochemischen Zelle 1 erhöht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle (1 ), mit einem Elektrodenstapel (13), der von einer Umhüllung (2) insbesondere gas- und/oder flüssigkeitsdicht abge- dichtet ist, und wenigstens einer Druckentlastungsvorrichtung (4) insbesondere in Form einer Sollbruchstelle,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung (4) eine Berstscheibe (5) aufweist, die einen Durchbruch (6) der Umhüllung (2) verschließt.
Elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 1„
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) aus Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus einem Polymer.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) aus einer Folie hergestellt ist.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) und die Umhüllung (2) aus einem im Wesentlichen identischen Material hergestellt sind.
5. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) mehrere Schichten (7, 8) aufweist, darunter insbesondere eine diffusionsmindernde Schicht.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckentlastungsvorrichtung (4) ausgebildet ist, um bei Erreichen einer Bersttemperatur (TB) einen Druckentlastungsvorgang einzuleiten, wobei wenigstens eine Schicht der Berstscheibe (5) aus einem Stoff hergestellt ist, dessen Schmelztemperatur (Ts) unterhalb der Bersttemperatur (TB) liegt.
7. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) mit Paraffin beschichtet ist.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) wenigstens eine Schicht aus Metall aufweist, insbesondere aus Aluminium, welche vorzugsweise auf die Berstscheibe (5) aufgedampft ist.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchbruch (6) der Umhüllung (2) eine runde Form oder eine eckige Form aufweist.
10. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) auf den Durchbruch (6) aufgesiegelt oder aufgeklebt ist, in den Durchbruch (6) eingeschraubt ist und/oder mittels eines Halteteils (9) am Durchbruch (6) festgehalten ist.
1 1. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Berstscheibe (5) eine Grundfläche aufweist, die größer ist als der
Durchbruch (6) der Umhüllung (2).
12. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Berstscheibe (5) und der Umhüllung (2) ein separates
Siegelmittel (10) vorgesehen ist, insbesondere eine Polymerdichtung in insbesondere Scheibenform oder Ringform.
13. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie wenigstens ein Schneidmittel (11) aufweist, insbesondere einen Dorn oder eine Klinge, welches Teile der Umhüllung (2) beschädigen kann, insbesondere Teile der Umhüllung (2) durchbrechen kann.
14. Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie Sensormittel (12) aufweist, die ausgebildet sind, um einen erforderlichen Druckentlastungsvorgang erkennen zu können.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung (4) in einem einem Stromableiter der elektrochemischen Zelle (1) abgewandten Bereich angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Druckentlastungsvorrichtung (4) im eingebauten Zustand der elektrochemischen Zelle (1) im unteren und/oder seitlichen Bereich der elektrochemischen Zelle (1 ) angeordnet ist.
17. Batterieanordnung, mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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