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DE102009051315A1 - Batteriezelle mit Gasreservoir - Google Patents

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DE102009051315A1
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Peter Dr. 16548 Birke
Nevzat 12107 Guener
Michael 76534 Keller
Michael 12277 Schiemann
Hans-Georg 13127 Schweiger
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Continental Automotive GmbH
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Continental Automotive GmbH
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Abstract

Es wird eine Batteriezelle (1) vorgeschlagen, mit zumindest zwei Elektroden (6, 7), zumindest einem elektrisch isolierenden Separator (9), welcher zwischen den Elektroden (6, 7) angeordnet ist, einem Elektrolyt (8), und einem Gehäuse (2), welches in einem ersten Bereich (4) die Elektroden (6, 7), den Separator (9) und den Elektrolyt (8) aufnimmt. Das Gehäuse (2) weist ferner einen zweiten Bereich (5) auf, welcher derart ausgebildet ist, dass bei einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich (4) ein im ersten Bereich (4) befindliches Fluid in den zweiten Bereich (5) strömen kann. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Batteriezelle verbessert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit Gasreservoir und eine Batteriezellenanordnung.
  • Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden zeitweise oder ganz durch elektrische Energie angetrieben. Während bei einem Elektrofahrzeug der Vortrieb ausnahmslos durch einen Elektromotor bewerkstelligt wird, ist bei einem Hybridfahrzeug neben dem Elektroantrieb zusätzlich noch ein Verbrennungsmotor vorgesehen. Beide Systeme verfügen jedoch über einen Energiespeicher zur Bereitstellung elektrischer Energie für den Elektroantrieb. Als Energiespeicher kommen neben Bleibatterien, Doppelschichtkondensatoren in zunehmendem Maße Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Zink- oder Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz. Die zuletzt genannten Energiespeicher weisen meist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen auf. Bei den Batteriezellen werden die elektrochemisch aktiven Bestandteile (Elektroden mit aktiver Beschichtung, Separator, Elektrolyt) von einem gasdichten Metallgehäuse umschlossen. In einer speziellen Ausgestaltung dieses Metallgehäuses besteht dieses aus einer flexiblen Metallfolie, typischerweise einer Aluminiumverbundfolie, welche die elektrochemisch aktiven Bestandteile eng umschließt und nach Außen hermetisch abdichtet. Während des Herstellungsprozesses werden die elektrochemisch aktiven Bestandteile von der Metallfolie eng umschlossen, evakuiert und die Metallfolie an den Randbereichen durch Verschweißung oder Verklebung gasdicht versiegelt. Um den Bauraum der Zellen möglichst gering zu halten, liegen diese versiegelten Randbereiche unmittelbar, dass heißt so eng wie möglich an den elektrochemisch aktiven Bestandteilen an.
  • Unter bestimmten Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei intensiver Sonneneinstrahlung und sehr hohen Umgebungstemperaturen, und ungünstigen Betriebsbedingungen, kann es vorkommen, dass sich innerhalb der Batteriezelle gasförmige Zersetzungsprodukte bilden, was zu einem allmählichen Anstieg des Innendrucks in der Batteriezelle führt. Neben einer Verminderung der Batterieleistung, einer Schädigung der Komponenten, kann es im schlimmsten Fall zu einem Aufplatzen der flexiblen Metallfolie kommen. Neben dem Ausfall der Batterie kann es dabei zum Austritt unter Umständen sogar umweltschädlicher Stoffe, wie organischer Lösungsmittel und Säuren, kommen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batteriezelle und eine Batteriezellenanordnung bereitzustellen, welche sich durch eine höhere Betriebssicherheit auszeichnen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Batteriezelle und die Batteriezellenanordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Eine Batteriezelle gemäß dem Anspruch 1 umfasst zumindest zwei Elektroden, zumindest einen Separator, welcher zwischen den Elektroden angeordnet ist, einen Elektrolyt und ein Gehäuse, welches in einem ersten Bereich die Elektroden, den Separator und den Elektrolyt umschließt. Daneben weist das Gehäuse einen zweiten Bereich auf, welcher derart ausgebildet ist, dass bei einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich ein im ersten Bereich befindliches Fluid in den zweiten Bereich strömt und dort aufgenommen wird.
  • Die unter bestimmten Umgebungsbedingungen innerhalb der Batteriezelle entstehenden Zersetzungsgase bewirken einen Anstieg des Innendrucks in der Batteriezelle. Erfindungsgemäß weist das Gehäuse der Batteriezelle einen zweiten Bereich auf, in welchen bei einem Anstieg des Innendrucks im ersten Bereich ein sich dort befindliches Fluid strömen kann. Unter dem Begriff Fluid sind dabei alle fließfähigen Medien, also Flüssigkeiten und Gase zu verstehen. Im Falle der Batteriezelle kommen beispielsweise flüssiger oder dampfförmiger Elektrolyt oder Zersetzungsgase in Frage. Bei einem Druckanstieg im ersten bereich des Gehäuses wird also im zweiten Bereich des Gehäuses ein zusätzliches Volumen (Reservoir) freigegeben oder gebildet, in welches das im ersten Bereich befindliche Fluid strömen kann. Die Ausbildung des zusätzlichen Volumens im zweiten Bereich des Gehäuses bewirkt eine Druckentlastung innerhalb der Batteriezelle, d. h. der Innendruck steigt nicht auf kritische Werte an. So kann ein Bersten der Batteriezelle aufgrund eines zu hohen Innendrucks sicher vermieden werden. Dem Austreten umweltschädlicher Substanzen, sowie dem Ausfall der Batteriezelle wird so wirkungsvoll vorgebeugt.
  • In einer Ausgestaltung der Batteriezelle nach Anspruch 2 ist der zweite Bereich des Gehäuses evakuiert.
  • Bei dieser Ausgestaltung nimmt der zweite Bereich des Gehäuses nur einen sehr geringen Bauraum ein. Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus einer geeigneten Folie (Metallverbundfolie), so dass im ersten Bereich des evakuierten Gehäuses die Folien unmittelbar aufeinander liegen und kein Innenvolumen bilden. Erst im Falle der Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich des Gehäuses bildet sich im zweiten Bereich des Gehäuses ein zusätzliches Volumen aus, in welches das zunächst im ersten Bereich befindliche Fluid strömen kann. Die Evakuierung erfolgt während des Herstellungsprozesses der Batteriezelle.
  • In einer Ausgestaltung der Batteriezellen nach Anspruch 3 ist der zweite Bereich des Gehäuses in einem Randabschnitt des Gehäuses angeordnet.
  • Diese Ausgestaltung erlaubt eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung des Gehäuses.
  • In einer Ausgestaltung der Batteriezelle nach Anspruch 4 ragen die zumindest zwei Elektroden jeweils teilweise aus dem Gehäuse, wobei der zweite Bereich zwischen den Elektroden angeordnet ist.
  • Auf diese Weise kann der Bauraum im Randbereich der Batteriezelle zwischen den Elektroden genutzt werden, ohne den von der Batteriezelle beanspruchten Bauraum zur parallelen und/oder seriellen Verschaltung zu vergrößern.
  • Eine Batteriezellenanordnung gemäß dem Anspruch 5 umfasst zumindest zwei Batteriezellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in Reihe und/oder parallel nebeneinander angeordnet sind, sowie zumindest ein Kühlelement. Dabei ist zwischen zwei benachbarten Batteriezellen zumindest ein Kühlelement derart angeordnet, dass die Batteriezellen jeweils nur am ersten Bereich des Gehäuses mit dem jeweils zugeordneten Kühlelement im Kontakt stehen.
  • Bei dieser Batteriezellenanordnung wird ein effektiver Wärmeabtransport über die Kühlelemente gewährleistet. Dadurch, dass die Kühlelemente mit den zugeordneten Batteriezellen jeweils nur im ersten Bereich des Gehäuses in Kontakt stehen, ist eine freie Volumenausbildung im zweiten Bereich der Batteriezelle gewährleistet.
  • Eine Ausgestaltung der Batteriezellenanordnung nach Anspruch 6 weist eine Verspanneinrichtung auf, mittels der die Batteriezellen und die Kühlelemente miteinander verspannt bzw. gegeneinander verpresst werden.
  • Durch die Verspanneinrichtung werden die Batteriezellen und die zwischen den Batteriezellen angeordneten Kühlelemente gegeneinander verpresst, sodass ein sehr effektiver Wärmeübergang von den Batteriezellen auf die Kühlelemente und damit eine gute Kühlung gewährleistet ist. Da die zweiten Bereiche der Gehäuse der Batteriezellen mit den jeweils zugehörigen Kühlelementen nicht in Kontakt stehen und so auf die zweiten Bereiche kein Druck durch die Verspanneinrichtung ausgeübt wird, wird eine freie Volumenausbildung der zweiten Bereiche sichergestellt. Ferner wird der Elektrodenkontakt in den Batteriezellen deutlich verbessert, was die Funktionsfähigkeit und die Leistungsfähigkeit der Batteriezellen verlängert. Ferner ergibt sich eine kompaktere Bauweise.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
  • In den Figuren sind:
  • 1A, 1B schematische Querschnittsansichten einer Batteriezelle;
  • 2A, 2B vergrößerte Darstellungen eines Ausschnitts der Batteriezelle
  • 3 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung.
  • In den 1A und 1B sind schematische Querschnittsansichten einer Batteriezelle 1 dargestellt. 1A ist dabei eine Querschnittsansicht in Pfeilrichtung der in 1B strichpunktiert dargestellten Schnittlinie A-A.
  • In 1A ist der innere Aufbau der Batteriezelle 1 schematisch dargestellt. Die Batteriezelle 1 umfasst ein flexibles Gehäuse 2, welches beispielsweise aus einer oder mehreren in den Randbereichen gasdicht versiegelten Folien (vorzugsweise Metallverbundfolien, wie beispielsweise Aluminiumverbundfolien) ausgestaltet sein kann. Die gasdicht verbundenen Randabschnitte 3 der Folien sind vollschwarz dargestellt. Wie aus 1B hervorgeht, ist der gasdicht verbundene Randabschnitt 3 der Folien umlaufend, so dass der Innenraum des Gehäuses 2 von der Umwelt hermetisch getrennt ist. Die gasdichte Verbindung der Folien kann beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben realisiert werden.
  • In den 1A und 1B ist erkennbar, dass sich der Innenraum des Gehäuses 2 in zwei Bereiche 4, 5 unterteilt.
  • In einem ersten Bereich 4 des Gehäuses 2 sind zwei mit aktivem Material beschichtete Elektroden 6, 7 (in 1A schräg schraffiert), ein Elektrolyt 8 (in 1A gepunktet) und ein Separator 9 (in 1A gekreuzt) angeordnet. Der Separator 9 ist derart ausgebildet, dass er zwar trocken elektrisch isoliert, jedoch einen Ionenaustausch zwischen den Elektroden 6, 7 ermöglicht, der durch den in den Poren des Separators 9 aufgenommenen flüssigen Elektrolyten 8 gewährleistet wird. Die Elektroden 6, 7 sind von unterschiedlicher Polarität. Auf den Elektrodenoberflächen befindet sich das aktive Material, welches der Einlagerung (Interkalation) und Auslagerung von Ionen (z. B. Lithium-Ionen) dient und an den in der Batteriezelle 1 ablaufenden Redoxreaktionen aktiv teilnimmt. Die beiden Elektroden 6, 7 sind durch den dazwischen angeordneten Separator 9 zunächst elektrisch voneinander isoliert.
  • Der Innenraum des Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 weist ferner einen zweiten Bereich 5 auf, welcher derart ausgebildet ist, dass bei einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich 4, ein im ersten Bereich befindliches Fluid (beispielsweise ein Zersetzungsgas) in diesen zweiten Bereich 5 strömen kann und dort aufgenommen wird. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt mit Bezug auf die 2A und 2B.
  • Wie in 1B zu sehen ist, ragen die zumindest zwei Elektroden 6, 7 jeweils teilweise aus dem Gehäuse 2 heraus. Die im ersten Bereich 4 des Gehäuses 2 befindlichen Teile der Elektroden 6, 7 sind mit dem oben genannten aktiven Material beschichtet. Die aus dem Gehäuse 2 herausragenden Teile der Elektroden 6, 7 weisen kein aktives Material auf und diesen nur zur Ableitung des Stroms aus der Batteriezelle. Diese Teile der Elektroden werden auch als Ableitelektroden bezeichnet. Die negative Ableitelektrode kann beispielsweise aus Kupfer, die positive Ableitelektrode aus Aluminium gebildet sein. Durch entsprechende Verbindungstechnik (Schweißen oder Kleben) kann auch in dem Bereich, in dem die Elektroden 6, 7 aus dem Gehäuse 2 heraus ragen, eine gasdichte Versiegelung realisiert werden. Vorzugsweise ist der zweite Bereich 5 des Gehäuses 2 zwischen den beiden aus dem Gehäuse 2 ragenden Elektrodenabschnitten angeordnet. So wird der zwischen den aus dem Gehäuse herausragenden Elektrodenabschnitten (Ableitelektroden) vorhandene Raum genutzt, ohne den Bauraum der Batteriezelle 1 zu vergrößern. Es ist jedoch auch möglich, alternativ oder zusätzlich den zweiten Bereich 5 an einer anderen Außenseite des Gehäuses 2 vorzusehen (in 1 nicht dargestellt).
  • In den 2A und 2B sind vergrößerte Detailansichten des in 1A mit dem Bezugszeichen B gekennzeichneten Ausschnitts dargestellt.
  • Dabei ist in 2A eine Situation dargestellt, in welcher der Innendruck im ersten Bereich 4 des flexiblen Gehäuses 2 noch nicht angestiegen ist, was bedeutet, dass in dem Gehäuse 2 noch Vakuum herrscht. In diesem Zustand ist auch der zweite Bereich 5 des Gehäuses 2 voll evakuiert, so dass die beiden den zweiten Bereich 5 begrenzenden Folienabschnitte unmittelbar aufeinander liegen. Die beiden Folien sind in dem äußersten Randabschnitt 3 gasdicht verbunden. Der zweite Abschnitt 5 des Gehäuses 2 kann bei der Herstellung der Batteriezelle 1 dadurch erzeugt werden, dass von den das Gehäuse bildenden Folien im Randabschnitt ein bestimmter überlappender Überstand vorgesehen wird, wobei der zweite Bereich 5 zusammen mit dem ersten Bereich 4 evakuiert wird und die äußersten Randabschnitte 3 des zweiten Bereichs 5 miteinander gasdicht verschweißt oder verklebt werden. Die gasdichte Versiegelung 3 ist in den 2A und 2B als schwarz ausgefüllte Fläche gekennzeichnet.
  • In 2A ist ferner ein Teil des ersten Bereichs 4 des flexiblen Gehäuses 2 der Batteriezelle 1 erkennbar, welcher die Elektroden 6, 7, den Separator 9 und den Elektrolyt 8 aufnimmt. Davon abgesetzt ist der zweite Bereich 5 des Gehäuses 2 erkennbar, welcher sich zwischen dem ersten Bereich 4 und dem gasdicht versiegelten Randabschnitt 3 der beiden Folien erstreckt. Im zweiten Bereich 5 des Gehäuses 2 wird im „Normalzustand” (voll evakuierter Zustand) kein Volumen ausgebildet. Wie im Folgenden anhand von 2B noch deutlich wird, ist der zweite Bereich 5 derart ausgebildet, dass unter Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich 4 des Gehäuses 2 der zweite Bereich ein freies Volumen ausbilden kann, in welches ein im ersten Bereich 4 befindliches Fluid (beispielsweise Zersetzungsgas) strömen kann. Um dies zu ermöglichen, ist der den zweiten Bereich 5 umschließende Folienabschnitt beispielsweise gefaltet (in 2A durch die gewellte Form der Folie angedeutet).
  • In 2B ist der zweite Bereich 5 des Gehäuses 2 dargestellt, wie er sich bei einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich 4 des Gehäuses 2 darstellt. So kann es beispielsweise vorkommen, dass sich im ersten Bereich 4 des Gehäuses 2 aufgrund sehr hoher Umgebungstemperaturen Gase bilden, welche zunächst zu einem Anstieg des Innendrucks im ersten Bereich 4 führen. Durch die Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich 4 kommt es zu einer Entfaltung bzw. zu einer Aufblähung der den zweiten Bereich 5 begrenzenden Folienabschnitte unter Ausbildung eines zusätzlichen Volumens, in welches ein im ersten Bereich 4 befindliches Fluid (Gas, Elektrolyt) strömen kann und dort aufgenommen wird. Durch diese Druckentlastung werden gasdicht versiegelten Randabschnitte 3 stark entlastet und bleiben so unversehrt. Auf diese Weise wird eine zu starke Zunahme des Innendrucks in der Batteriezelle 1 und damit eine Beschädigung oder, im schlimmsten Fall, eine Leckage der Batteriezelle 1 sicher vermieden. Einem Ausfall der Batteriezelle 1 und dem Entweichen umweltgefährdender Stoffe wird dadurch sicher vorgebeugt.
  • In 3 ist eine Batteriezellenanordnung 10 mit mehreren in Reihe angeordneten Batteriezellen 1 der zuvor beschriebenen Art dargestellt. Zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 1 ist jeweils beidseitig ein Kühlelement 11 angeordnet. Dabei kann es sich um metallische oder aus einem anderen wärmeleitenden Werkstoff hergestellten Kühlfinnen oder Kühlplatten handeln, welche mit einer, hier nicht dargestellten Wärmetauschereinrichtung verbunden sind. Die Batteriezellen 1 sind dabei mit den in 1B dargestellten flächigen Seiten mit den Kühlelementen 11 verbunden. Die Batteriezellen 1 stehen jeweils nur mit dem ersten Bereich 4 ihres Gehäuses mit dem jeweils zugeordneten Kühlelement 11 in Kontakt. Der zweite Bereich 5 des Gehäuses 2 steht mit den Kühlelementen 11 nicht in Kontakt. Dadurch kann sich das im Falle einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich gebildete zusätzliche Volumen im zweiten Bereich 5 des Gehäuses frei entfalten, ohne durch die Kühlplatten eingeschränkt zu werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Ausbildung des zusätzlichen Volumens im zweiten Bereich 5 des Gehäuses 2 durch die Kühlelemente 11 beeinträchtigt wird.
  • Die Batteriezellenanordnung weist ferner eine Verspanneinrichtung 12 (in 3 nur schematisch dargestellt) auf, mittels der die Batteriezellen und die Kühlelemente gegeneinander verspannt bzw. verpresst sind. Dadurch werden ein sehr enger Kontakt und eine verbesserte Wärmeableitung von den Batteriezellen über die Kühlelemente gewährleistet. Ferner wird die Kontaktierung der Elektroden 6, 7 in den Batteriezellen deutlich verbessert. Die Verspanneinrichtung 12 kann beispielsweise als ein die Batteriezellen 1 und die Kühlelemente 11 umfassenden Rahmen realisiert werden, welcher durch Verschraubungen eine entsprechende Druckkraft (in 3 als Pfeile F dargestellt) ausübt.
  • Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse vollständig aus einem flexiblen Material (Metallfolie) gefertigt. Alternativ kann der erste Bereich des Gehäuses als fester, starrer, unflexibler Container (beispielsweise mit zylindrischer oder prismatischer Form) und der zweite Bereich aus einem flexiblen Material gebildet sein.

Claims (6)

  1. Batteriezelle (1) mit – zumindest zwei Elektroden (6, 7), – zumindest einem Separator (9), welcher zwischen den Elektroden (6, 7) angeordnet ist, – einem Elektrolyt (8), und – einem Gehäuse (2), welches in einem ersten Bereich (4) die Elektroden (6, 7), den Separator (9) und den Elektrolyt (8) aufnimmt, wobei das Gehäuse (2) einen zweiten Bereich (5) aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass bei einer Zunahme des Innendrucks im ersten Bereich (4) ein im ersten Bereich (4) befindliches Fluid in den zweiten Bereich (5) strömen kann.
  2. Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich (5) des Gehäuses (2) evakuiert ist.
  3. Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der zweite Bereich (5) in einem Randbereich des Gehäuses (2) angeordnet ist.
  4. Batteriezelle (1) nach Anspruch 3, wobei die zumindest zwei Elektroden (6, 7) jeweils teilweise aus dem Gehäuse (2) ragen und der zweite Bereich (5) zwischen den beiden Elektroden (6, 7) angeordnet ist.
  5. Batteriezellenanordnung (10) mit – zumindest zwei Batteriezellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche in Reihe und/oder parallel nebeneinander angeordnet sind, – zumindest einem Kühlelement (11), wobei – zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (1) zumindest ein Kühlelement (11) angeordnet ist, und – die Batteriezellen (1) jeweils nur am ersten Bereich (4) des Gehäuses (2) mit dem jeweils zugeordneten Kühlelement (11) in Kontakt stehen.
  6. Batteriezellenanordnung nach Anspruch 5, mit einer Verspanneinrichtung (12), mittels der die Batteriezellen und die Kühlelemente gegeneinander verpresst werden können.
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