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DE102008000834A1 - Akkupack mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur angeordneten elektrochemischen Zelle - Google Patents

Akkupack mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur angeordneten elektrochemischen Zelle Download PDF

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DE102008000834A1
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Akkupack (10) mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur (20) angeordneten elektrochemischen Zelle (12). Es wird vorgeschlagen, dass die Gehäusestruktur (20) wenigstens bereichsweise ein Speichermaterial (24) aufweist, das unter Wärmeaufnahme plastifizierbar ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Akkupack mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur angeordneten elektrochemischen Zelle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
  • Akkupacks sind in der Regel von einem Kunststoffgehäuse umgeben, das die elektrochemischen Zellen im Inneren vor Außeneinflüssen schützt. Moderne Akkupacks, insbesondere Lithium-Ionenpacks, werden im Anwendungsfall häufig an ihrer thermischen Grenze betrieben. Durch eine ohnehin vorhandene definierte thermische Abschaltgrenze wird im Falle einer drohenden Überhitzung der Stromfluss von einer Schutzelektronik unterbrochen.
  • In extremen Fällen kann sich der Akkupack in einer elektronisch nicht kontrollierbaren Umgebung befinden, etwa auf einer heißen Platte, in Ofennähe und dergleichen. Dabei kann die Temperatur innerhalb des Akkupacks einen kritischen Grenzwert überschreiten und als Folge der Akkupack zerstört werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem Akkupack mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur angeordneten elektrochemischen Zelle.
  • Es wird vorgeschlagen, dass die Gehäusestruktur wenigstens bereichsweise ein Speichermaterial aufweist, das unter Wärmeaufnahme plastifizierbar ist.
  • Günstigerweise ist das Speichermaterial ein teilkristallines Material, vorzugsweise ein teilkristalliner Kunststoff. Einen Festkörper welcher sowohl amorphe als kristalline auch Bereiche (Domänen) aufweist, wird als teilkristallin bezeichnet. Kühlt man z. B. die Schmelze eines Polymers ab, so beginnen kristallisieren die Polymerketten in regelmäßiger Anordnung. Da die Polymerketten jedoch ineinander verknäult sind, kann dieser Prozess nicht in dem ganzen Volumen stattfinden, sondern nur in Domänen. Im Rest der Probe erstarren die Ketten ungeordnet, d. h. amorph.
  • Polymere kristallisieren umso besser, je langsamer die Schmelze abgekühlt wird. Es kristallisieren isotaktische oder syndiotaktische Polymere. Ataktische Polymere kristallisieren nur dann, wenn die Substituenten sehr klein sind, wie etwa beim Polyvinylchlorid. Polymere mit kleinen Seitenketten kristallisieren besser als solche mit großen Seitenketten. Vernetzte oder verzweigte Polymere kristallisieren in der Regel nicht.
  • Beginnt das Speichermaterial durch Erwärmung zu plastifizieren, schmelzen die kristallisierten Bereiche unter Aufnahme von Wärme und nehmen so über einen gewissen Zeitraum eine relativ große Wärmemenge auf. Der erhitzte Akkupack würde in diesem Zeitraum durch das Weichwerden des Speichermaterials allenfalls deformiert. Die von der Gehäusestruktur aufgenommene Wärme kann jedoch erst dann zu den elektrochemischen Zellen durchdringen, wenn alle teilkristallinen Bereiche geschmolzen sind. Diese Zeitverzögerung bietet eine Sicherheitsreserve des Akkupacks.
  • Vorteilhaft kann die Gehäusestruktur bezüglich ihrer Eigenschaften auf die elektrochemischen Zellen und/oder den Einsatzzweck des Akkupacks abgestimmt werden. Dies kann durch die Materialauswahl erreicht werden und/oder durch den inneren Aufbau der Gehäusestruktur. Die wenigstens eine elektrochemische Zelle im Inneren der Gehäusestruktur erfährt vorteilhaft einen erhöhten Schutz gegen thermische Überlast, und kann zumindest über eine Zeitspanne, bis alle teilkristallinen Bereiche geschmolzen sind, eine Zerstörung des Akkupacks vermeiden.
  • Die Gehäusestruktur kann aus dem thermischen Speichermaterial gebildet sein. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung und Ausgestaltung der Gehäusestruktur. Vorzugsweise ist das Speichermaterial aus einem teilkristallinen Werkstoff gebildet.
  • Die Gehäusestruktur kann eine erste Komponente, welche einen überwiegend mechanischen Schutz bietet, aufweisen und als zweite Komponente das thermische Speichermaterial. Bevorzugt kann die erste Komponente an einer Gehäuseaußenseite und die zweite Komponente an einer Gehäuseinnenseite angeordnet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Komponente eine Gehäuseaußenseite bilden. Einer zweckmäßigen Weiterbildung kann die zweite Komponente eine Gehäuseinnenseite bilden. In diesem Falle stellt das Gehäusestruktur einen Werkstoffverbund dar. Die Außenschicht bestimmt günstigerweise im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften der Gehäusestruktur, während die Innenschicht im Wesentlichen die thermischen Eigenschaften der Gehäusestruktur bestimmt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Gehäusestruktur wenigstens bereichsweise durch ein Gemisch der ersten und zweiten Komponente gebildet sein, entsprechend einem Verbundwerkstoffs oder Elends, bei dem in eine kohärente Matrix, welche vorzugsweise die mechanischen Eigenschaften der Gehäusestruktur bestimmt und die der ersten Komponente entspricht, als eine disperse Phase die zweite Komponente Beigemischt ist.
  • Bevorzugt kann die Gehäusestruktur wenigstens bereichsweise aus Kunststoff gebildet sein.
  • Besonders bevorzugt kann die zweite Komponente ein teilkristalliner Kunststoff sein.
  • Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen innerhalb der Gehäusestruktur angeordnet sein, wobei zwischen den elektrochemischen Zellen ein oder mehrere Innenkerne angeordnet sind.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
  • 1a, b einen Querschnitt durch einen Akkupack mit vier elektrochemischen Zellen im Inneren einer Gehäusestruktur; und
  • 2a–2c Detailansichten von Ausschnitten aus Akkupacks nach 1 in einer Ausgestaltung als Werkstoffverbund (2a), als Blend (2b) und als monolithischer Werkstoff (2c).
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
  • 1 zeigt zur Erläuterung der Erfindung einen Akkupack 10 mit vier in einer Gehäusestruktur 20 angeordneten elektrochemischen Zellen 12. Im Inneren 14 der Gehäusestruktur 20 ist ein Innenkern 16 angeordnet, der von den vier elektrochemischen Zellen 12 umgeben ist. Die Gehäusestruktur weist wenigstens bereichsweise ein Speichermaterial 24 auf, das unter Wärmeaufnahme plastifizierbar ist. Im plastifizierten Zustand wird das Speichermaterial 24 weich, jedoch noch nicht flüssig.
  • Vorzugsweise ist das Speichermaterial 24 aus einem teilkristallinen Kunststoffmaterial gebildet. So kann eine mittelgroße Gehäusestruktur 20 gemäß der Erfindung, die z. B. vier elektrochemische Zellen 12 beinhaltet, bei einer Umgebungstemperatur um 150°C einen thermischen Schutz der elektrochemischen Zellen 12 für rund 90 min bieten.
  • Die 2a–2c illustrieren einige mögliche bevorzugte Ausgestaltungen der Gehäusestruktur 20 der 1.
  • Gemäß 2a kann die Gehäusestruktur 20 aus einer ersten Komponente 22 und einer zweiten Komponente 26 gebildet sein, wobei die erste Komponente 22 eine Gehäuseaußenseite 28 und die zweite Komponente 24 eine Gehäuseinnenseite 30 der Gehäusestruktur 20 bildet. Die elektrochemischen Zellen 12 können dabei beabstandet von oder mit der Gehäusesinnenseite 30 in Kontakt sein. Ist die Gehäuseinnenseite 30 beabstandet von den elektrochemischen Zellen 12, kann der Spalt zwischen elektrochemischer Zelle 12 und Gehäuseinnenseite 30 optional mit einem thermisch isolierenden Material gefüllt sein.
  • Insbesondere kann die Gehäuseinnenseite 30 im Kontaktbereich der Außenkontur der elektrochemischen Zellen 12 nachgeformt sein. Die Gehäuseaußenseite 28 dient dem mechanischen Schutz der elektrochemischen Zellen 12, die Gehäuseinnenseite 30 dem thermischen Schutz vor Überhitzung vorzugsweise von außen.
  • 2b zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Gehäusestruktur 20 durch einen Verbundwerkstoff (Elend) gebildet ist. Die erste Komponente 22 bildet eine Matrix, welche einen überwiegend mechanischen Schutz bietet. In die kohärente Phase der Matrix ist die zweite Komponente 26, die durch das Speichermaterial 24 gebildet ist, als disperse Phase eingelagert, und die dem thermischen Schutz der elektrochemischen Zellen 12 dient.
  • In 2c ist eine Ausgestaltung dargestellt, bei der die Gehäusestruktur 20 durch einen monolithischen Körper aus dem thermischen Speichermaterial 24 gebildet ist, das vorzugsweise aus einem teilkristallinen Thermoplast gebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel vereint das thermische Speichermaterial 24 die schützenden mechanischen und thermischen Eigenschaften in sich.
  • Selbstverständlich sind auch Kombinationen der verschiedenen Ausgestaltungen in einer Gehäusekombination 20 denkbar.

Claims (10)

  1. Akkupack (10) mit wenigstens einer in einer Gehäusestruktur (20) angeordneten elektrochemischen Zelle (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur (20) wenigstens bereichsweise ein Speichermaterial (24) aufweist, das unter Wärmeaufnahme plastifizierbar ist.
  2. Akkupack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur (20) aus dem thermischen Speichermaterial (24) gebildet ist.
  3. Akkupack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur (20) eine erste Komponente (22), welche einen überwiegend mechanischen Schutz bietet, aufweist und als zweite Komponente (26) das thermische Speichermaterial (24).
  4. Akkupack nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (22) an einer Gehäuseaußenseite (28) und die zweite Komponente (26) an einer Gehäuseinnenseite (30) angeordnet st.
  5. Akkupack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (22) eine Gehäuseaußenseite (28) bildet.
  6. Akkupack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (24) eine Gehäuseinnenseite (30) bildet.
  7. Akkupack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur (20) wenigstens bereichsweise durch ein Gemisch der ersten und zweiten Komponente (22, 24) gebildet ist.
  8. Akkupack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur (20) wenigstens bereichsweise aus Kunststoff gebildet ist.
  9. Akkupack nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (24) ein teilkristalliner Kunststoff ist.
  10. Akkupack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (12) innerhalb der Gehäusestruktur (20) angeordnet sind, wobei zwischen den elektrochemischen Zellen (12) ein oder mehrere Innenkerne (16) angeordnet sind.
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