DE102011078297A1

DE102011078297A1 - Battery cell e.g. lithium ion battery cell for battery used in e.g. electromotive propelled motor vehicle, has break section surface that is extended from space coordinate axis to opposite side of inner space of housing

Info

Publication number: DE102011078297A1
Application number: DE102011078297A
Authority: DE
Inventors: Michael Gless; Ralf Angerbauer
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (1), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben, welche ein Gehäuse (10) sowie eine Entgasungseinrichtung (22) umfasst, mit der Gas aus dem Gehäuse (10) in die Umgebung (12) entlassen werden kann, wobei die Entgasungseinrichtung (22) eine Sollbruchstelle (24) aufweist, die an einer durch zwei Raumkoordinatenachsen definierten Befestigungsebene (23) angeschlossen ist und im Fall eines Bruchs eine Entgasungsöffnung erzeugt, und wobei die Sollbruchstelle (24) wenigstens eine Fläche umfasst, die sich ausgehend von der Befestigungsebene (23) in einer dritten Raumkoordinatenachse (z) zu der vom Innenraum des Gehäuses (10) abgewandten Seite erstreckt. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle sowie eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul, welche mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfassen, und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen.The invention relates to a battery cell (1), in particular a lithium-ion battery cell, which comprises a housing (10) and a degassing device (22) with which gas can be released from the housing (10) into the environment (12) wherein the degassing device (22) has a predetermined breaking point (24) which is connected to a fixing plane (23) defined by two space coordinate axes and generates a degassing opening in the event of breakage, and wherein the predetermined breaking point (24) comprises at least one surface which extends starting from the mounting plane (23) in a third space coordinate axis (z) to the side remote from the interior of the housing (10) side extends. Furthermore, a method for producing a battery cell and a battery or a battery cell module, which comprise a plurality of battery cells according to the invention, and a motor vehicle proposed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle sowie eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul, welche mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfassen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to a battery cell, a method for producing a battery cell and a battery or a battery cell module, which comprise a plurality of the battery cells according to the invention. Furthermore, the present invention relates to a motor vehicle.

Dabei ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf Lithium-Ionen-Batteriezellen bzw. Lithium-Ionen-Batterien oder entsprechende Batteriezellenmodule bezogen.In this case, the present invention is particularly related to lithium-ion battery cells or lithium-ion batteries or corresponding battery cell modules.

Stand der TechnikState of the art

Derartige Lithium-Ionen-Zellen umfassen üblicherweise eine Elektrode, die Lithium-Ionen im Zuge der sogenannten Interkalation reversibel einlagern kann oder im Zuge der sogenannten Deinterkalation wieder auslagern kann. Die Interkalation erfolgt beim Ladeprozess der Batteriezelle, und die Deinterkalation erfolgt bei der Entladung der Batteriezelle zur Stromversorgung von elektrischen Aggregaten.Such lithium-ion cells usually comprise an electrode, which can store reversibly lithium ions in the course of the so-called intercalation or can outsource again in the course of so-called deintercalation. The intercalation takes place during the charging process of the battery cell, and deintercalation takes place during the discharge of the battery cell for the power supply of electrical units.

Zur Interkalation sowie Deinterkalation ist die Anwesenheit eines sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalzes notwendig. Sowohl für Batteriezellen geringerer Ladung, wie sie zum Beispiel in tragbaren elektronischen Geräten Anwendung finden, als auch in Batteriezellen für den automotiven Bereich wird als Lithium-Leitsalz Lithium-hexa-Fluorophosphat (LiPF₆) eingesetzt. Dieses Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, so dass Hydrolyse erfolgen kann, bis zur Entstehung von Fluorwasserstoff (HF). Zum Schutz vor diesem aggressiven Medium sowie allgemein vor äußeren Einflüssen wie Luft oder Feuchtigkeit wird daher üblicherweise für alle Lithium-Ionen-Zellen ein Batteriezellengehäuse mit einem metallischen Anteil verwendet, wobei der metallische Anteil üblicherweise durch eine Folie bzw. durch ein Blech ausgebildet ist, welche die eigentlichen Sperren für die Luftfeuchte zur Verhinderung von Fluorwasserstoff-Bildung sind. Üblicherweise wird dieses das Gehäuse zumindest teilweise ausbildende Blech (sogenannte "can") mit einem Deckel (sogenannter "cap plate") luftdicht verschweißt.For intercalation and Deinterkalation the presence of a so-called lithium-ion conducting salt is necessary. Lithium-hexa-fluorophosphate (LiPF ₆ ) is used as the lithium conducting salt both for battery cells of lower charge, as used, for example, in portable electronic devices, and in battery cells for the automotive sector. This conductive salt is extremely reactive to moisture, so that hydrolysis can take place until the formation of hydrogen fluoride (HF). For protection against this aggressive medium and generally against external influences such as air or moisture, therefore, a battery cell housing with a metallic portion is usually used for all lithium-ion cells, wherein the metallic portion is usually formed by a foil or by a metal sheet, which the actual air humidity barriers are to prevent hydrogen fluoride formation. Typically, this at least partially forming sheet metal (so-called "can") with a lid (so-called "cap plate") is airtight welded.

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie z. B. bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen wie z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als auch im Verbraucher-Bereich, hier z. B. in Laptops und Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications such. B. in wind turbines, in vehicles such. B. in hybrid and electric vehicles as well as in the consumer area, here z. As in laptops and mobile phones, new battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, performance and service life.

Ein kritischer Punkt bei der Lithium-Ionen-Technologie ist das Verhalten der jeweiligen Zelle bzw. der daraus assemblierten Batterie bei Überladung. Dabei kann es zu einer Katodenzersetzung unter Freisetzung von starken Oxidationsmitteln kommen. Das kann zu einer starken exothermen Reaktion im Elektrolyten führen. Dabei werden heiße Gase entwickelt, die den Druck im Batteriezelleninnenraum erhöhen.A critical point in lithium-ion technology is the behavior of the respective cell or the battery assembled therefrom in the event of overcharging. This can lead to a Katodenzersetzung with the release of strong oxidants. This can lead to a strong exothermic reaction in the electrolyte. This hot gases are developed, which increase the pressure in the battery cell interior.

Dieser Druck kann ein eine unkontrollierbare Temperaturerhöhung in der Zelle (thermisches Durchgehen, sogenannter "thermal runaway") bewirken, sowie eine druckbedingte Öffnung einer Sicherheitseinrichtung der Zelle wie z. B. eines sogenannten "safety vent". Würde keine Öffnung der Zelle erfolgen, besteht die Gefahr einer Explosion der Zelle. This pressure can cause an uncontrollable increase in temperature in the cell (thermal runaway), as well as a pressure-induced opening of a safety device of the cell such. B. a so-called "safety vent". If no opening of the cell takes place, there is a danger of an explosion of the cell.

Üblicherweise ist am Deckel des Batteriezellengehäuses wenigstens eine Sicherheitseinrichtung angeordnet, und zwar in Form einer Sollbruchstelle, die die Zelle bei Überhitzung vor einer Explosion schützt.Usually, at least one safety device is arranged on the cover of the battery cell housing, specifically in the form of a predetermined breaking point which protects the cell against overheating from an explosion.

In den 1 und 2 ist eine solche Sicherheitseinrichtung in zwei unterschiedlichen Ansichten dargestellt. In the 1 and 2 Such a safety device is shown in two different views.

In 1 sind dabei mehrere in einem Gehäusedeckel 20 integrierte Entgasungseinrichtungen 22 perspektivisch dargestellt. In 2 ist ein Gehäusedeckel 20 mit einer integrierten Entgasungseinrichtung 22 in Ansicht von der Seite dargestellt.In 1 are several in a housing cover 20 integrated degassing facilities 22 shown in perspective. In 2 is a housing cover 20 with an integrated degassing device 22 shown in view from the side.

Der in 1 dargestellte Gehäusedeckel 20 weist zwei Entgasungseinrichtungen 22 auf, wobei die links dargestellte Entgasungseinrichtung 22 im Wesentlichen als eine kreisförmige Sollbruchstelle ausgestaltet ist, und die rechts dargestellte Entgasungseinrichtung 22 als eine nahezu elliptische Sollbruchstelle 24 ausgestaltet ist. Die Flächen der Sollbruchstellen 24 erstrecken sich dabei in der Ebene des Gehäusedeckels. Das heißt, dass sich die Befestigungsebene 23 für die Sollbruchstellen 24 in der durch die Koordinatenachsen x und y aufgespannten Ebene befindet. Dadurch, dass die links dargestellte Sollbruchstelle 24 lediglich einen nicht-linearen Randbereich 25 aufweist, ist diese kreisrund ausgestaltet, so dass im Fall eines Überdrucks die Sollbruchstelle im zentralen Punkt öffnet.The in 1 illustrated housing cover 20 has two degassing devices 22 on, with the degassing device shown on the left 22 is designed substantially as a circular predetermined breaking point, and the degassing device shown on the right 22 as an almost elliptical breaking point 24 is designed. The surfaces of the predetermined breaking points 24 extend in the plane of the housing cover. That is, the attachment level 23 for the predetermined breaking points 24 is located in the plane spanned by the coordinate axes x and y. The fact that the predetermined breaking point shown on the left 24 only a non-linear border area 25 has, this is configured circular, so that in case of overpressure opens the predetermined breaking point in the central point.

Durch die Ausgestaltung der rechts dargestellten Sollbruchstelle 24 mit linearen Randbereichen 26 sowie mit nicht-linearen Randbereichen 25 ist davon auszugehen, dass diese Sollbruchstelle entlang der zentralen Linie öffnet.Due to the configuration of the predetermined breaking point shown on the right 24 with linear border areas 26 as well as with non-linear border areas 25 It can be assumed that this predetermined breaking point opens along the central line.

In 2 ist die Belastung der dargestellten Sollbruchstelle 24 gezeigt. Mit den Pfeilen ist der jeweilige Gasdruck auf die Sollbruchstelle 24 im Innenraum 11 des Gehäuses 10 sowie in der Umgebung 12 angedeutet. Es ist ersichtlich, dass sich die Sollbruchstelle 24 in der Ebene des Deckels 20 erstreckt.In 2 is the load of the illustrated breaking point 24 shown. The arrows indicate the respective gas pressure on the predetermined breaking point 24 in the interior 11 of the housing 10 as well as in the surroundings 12 indicated. It can be seen that the predetermined breaking point 24 in the plane of the lid 20 extends.

Eine solche Sicherheitseinrichtung bzw. Sollbruchstelle 24 ist derart eingerichtet, dass sie ab einem bestimmten Innendruck von beispielsweise 8,5 bar bricht und die jeweilige Batteriezelle demzufolge ins Entgasungssystem entlüftet, welches die entweichenden Gase sammelt und gezielt abführt. Dieses Entgasungssystem ist an alle Zellen gleichermaßen angeschlossen. Such a safety device or predetermined breaking point 24 is set up so that it breaks from a certain internal pressure of, for example, 8.5 bar and the respective battery cell vented accordingly in the degassing system, which collects the escaping gases and selectively dissipates. This degassing system is connected to all cells equally.

Untersuchungen haben ergeben, dass bei derartigen Sicherheitseinrichtungen ein bestimmter Umgebungsdruck, der zum Bersten der Sicherheitseinrichtungen nach innen führt, geringer ist als der Innendruck, bei dem die Sicherheitseinrichtung öffnet. Ein solcher Umgebungsdruck kann z. B. bereits bei 5,5 bar erreicht sein. Investigations have shown that in such safety devices, a certain ambient pressure, which leads to the bursting of the safety devices inward, is less than the internal pressure at which the safety device opens. Such ambient pressure can, for. B. already be achieved at 5.5 bar.

Das bedeutet, dass wenn z. B. im Fall einer unfallbedingten Entgasung einer Zelle und Verstopfung des Entgasungssystems und/oder durch Quetschung des Entgasungssystems der Umgebungsdruck erhöht ist, die Gefahr besteht, dass Sicherheitseinrichtungen benachbarter Zellen durch den Druckanstieg im Entgasungssystem zum Bersten gebracht werden können.This means that if z. B. in the case of an accidental degassing of a cell and clogging of the degassing and / or by squeezing the degassing the ambient pressure is increased, the risk that safety devices adjacent cells can be brought to bursting by the pressure increase in the degassing system.

Diese benachbarten Zellen würden somit geschädigt werden, was zu einer Kettenreaktion von entgasenden Zellen führen könnte, die die Beschädigung aller im Entgasungssystem zusammengefassten Zellen zur Folge hätte. Zudem würde die Gefahr bestehen, dass durch diese Kettenreaktion Elektrolyt in das Entgasungssystem eindringen würde.These neighboring cells would thus be damaged, which could lead to a chain reaction of degassing cells, which would result in the damage of all cells combined in the degassing system. In addition, there would be a risk that this chain reaction electrolyte would penetrate into the degassing system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird erfindungsgemäß eine Batteriezelle und insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche ein Gehäuse sowie eine Entgasungseinrichtung umfasst, mit der Gas aus dem Gehäuse in die Umgebung entlassen werden kann, wobei die Entgasungseinrichtung eine Sollbruchstelle aufweist, die an einer durch zwei Raumkoordinatenachsen definierten Befestigungsebene angeschlossen ist und im Fall eines Bruches eine Entgasungsöffnung erzeugt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle wenigstens eine Fläche umfasst, die sich ausgehend von der Befestigungsebene in einer dritten Raumkoordinatenachse zu der vom Innenraum des Gehäuses abgewandten Seite erstreckt. Das heißt, dass die Entgasungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung ihrer Zugfestigkeit durch eine druckbeaufschlagungsbedingte Zugspannung im Material der Entgasungseinrichtung ein Bruch bzw. ein Riss erzeugbar ist, der eine Entgasungsöffnung entstehen lässt, durch die Gas aus der Batteriezelle entweichen kann. Die Entgasungseinrichtung ist dabei vorzugsweise am oder im Gehäuse angeordnet. Dabei ist sie in einer Befestigungsebene angeschlossen, die sich in zwei Raumkoordinaten, zum Beispiel in der x-Achse und in der y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems, erstreckt. Die erfindungsgemäße dreidimensionale Ausrichtung der wenigstens einen Fläche der Sollbruchstelle erstreckt sich somit zumindest mit einer Komponente in der dritten Raumkoordinate, und demzufolge bei Anwendung eines kartesischen Koordinatensystems in der z-Achse. Eine solche auch als „safety vent“ bezeichenbare Entgasungseinrichtung hat den Vorteil, dass durch die Erstreckung der Sollbruchstellenfläche bzw. Flächen aus dem Gehäuse heraus in die Umgebung des Gehäuses der in der Umgebung wirkende Gasdruck derart auf den Sollbruchstellenbereich wirkt, dass in diesem Druckspannungen und/oder Biegespannungen mit Druckanteil entstehen, die einer zum Bruch bzw. Riss führenden Zugspannung im Sollbruchstellenbereich entgegenwirken bzw. diese aufheben.According to the invention, a battery cell, and in particular a lithium-ion battery cell, is provided, which comprises a housing and a degassing device with which gas can be released from the housing into the environment, the degassing device having a predetermined breaking point, which at one by two Space coordinate axes defined attachment level is connected and generates a vent in the event of a break. According to the invention, the predetermined breaking point comprises at least one surface which, starting from the fastening plane, extends in a third space coordinate axis to the side remote from the interior of the housing. This means that the degassing device is designed such that when its tensile strength is exceeded by a tensile stress in the material of the degassing device, a breakage or a crack can be generated which creates a degassing opening through which gas can escape from the battery cell. The degassing device is preferably arranged on or in the housing. In this case, it is connected in a mounting plane which extends in two spatial coordinates, for example in the x-axis and in the y-axis of a Cartesian coordinate system. The inventive three-dimensional orientation of the at least one surface of the predetermined breaking point thus extends at least with one component in the third spatial coordinate, and consequently when using a Cartesian coordinate system in the z-axis. Such a degassing device, which can also be referred to as a "safety vent", has the advantage that, due to the extent of the predetermined breaking point surface or surfaces out of the housing into the environment of the housing, the gas pressure acting in the surroundings acts on the predetermined breaking point region such that compressive stresses and / or or bending stresses occur with pressure component, which counteract a leading to breakage or tear tensile stress in the predetermined breaking point area or cancel this.

Ein im Inneren des Gehäuses wirkender Gasdruck wirkt jedoch von der Innenseite des Sollbruchstellenbereichs allseitig auf die Flächenkonstruktion der Sollbruchstelle und bewirkt in der Fläche bzw. den Flächen der Sollbruchstelle oder in den Verbindungsbereichen zwischen den Flächen Zugspannungen, die bei Überschreitung der jeweiligen Zugfestigkeit des Materials der Fläche oder der Verbindungsbereiche zum Bruch bzw. Riss führen und demzufolge die Entgasungsöffnung entstehen lassen.However, acting in the interior of the housing gas pressure acts from the inside of the predetermined breaking point area on all sides on the surface structure of the predetermined breaking point and causes in the surface or the surfaces of the predetermined breaking point or in the connecting areas between the surfaces tensile stresses that exceed the respective tensile strength of the material of the surface or cause the connection areas to break or crack and consequently give rise to the degassing.

Das heißt, dass zur Realisierung des Bruchs der Sollbruchstelle in der Umgebung der Batteriezelle ein wesentlich höherer Relativdruck herrschen muss als der Relativdruck im Inneren der Batteriezelle, der schon in vergleichsweise geringer Größe zum Bruch bzw. Riss der Sollbruchstelle führen kann.This means that to realize the breakage of the predetermined breaking point in the vicinity of the battery cell, a significantly higher relative pressure must prevail than the relative pressure inside the battery cell, which can lead to breakage or cracking of the predetermined breaking point even in a comparatively small size.

Mit dem Relativdruck wird hierbei der jeweilige Gasdruck in einem der beiden Volumina des Innenraums der Batteriezelle und der Umgebung bezeichnet, und zwar in Bezug zum jeweils anderen Volumen. Das heißt, dass mit einem Relativdruck im Innenraum der Batteriezelle der Differenzdruck zwischen dem Druck im Innenraum der Batteriezelle in Bezug zum Umgebungsdruck gemeint ist, mit einem Relativdruck in der Umgebung der Batteriezelle der Differenzdruck zwischen dem Druck in der Umgebung der Batteriezelle in Bezug zum Druck im Innenraum der Batteriezelle gemeint ist.In this case, the relative pressure is used to denote the respective gas pressure in one of the two volumes of the interior of the battery cell and the surroundings, in relation to the respective other volume. This means that with a relative pressure in the interior of the battery cell, the differential pressure between the pressure in the interior of the battery cell with respect to the ambient pressure is meant, with a relative pressure in the vicinity of the battery cell, the differential pressure between the pressure in the vicinity of the battery cell with respect to the pressure in Interior of the battery cell is meant.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist die Batteriezelle den Vorteil auf, dass sie eine im Vergleich zur Innendruckfestigkeit erhöhte Außendruckfestigkeit aufweist. Dadurch lassen sich bei zum Beispiel havariebedingter Außendruckerhöhung Beschädigungen von intakten Batteriezellen vermeiden, da sie bedingt durch die erhöhte Außendruckfestigkeit bei Erhöhung des Gasdrucks in der Umgebung nicht an der Sollbruchstelle brechen. Demzufolge lassen sich im Vergleich zur herkömmlichen Batteriezelle bzw. Batterien oder Batteriezellenmodulen die Entgasungsmengen bei unfallbedingter Umgebungsdruckerhöhung verringern, da keine Kettenreaktionen durch geöffnete benachbarte Batteriezellen auftreten können.Due to the configuration according to the invention, the battery cell has the advantage that it has an increased external pressure resistance compared to the internal pressure resistance. As a result, damage to intact battery cells can be avoided in the case of, for example, a havarney-related increase in external pressure, since they do not break at the predetermined breaking point due to the increased external pressure resistance when the gas pressure in the environment is increased. Consequently, in comparison to the conventional Battery cell or batteries or battery cell modules reduce the degassing at accidental ambient pressure increase, since no chain reactions can occur due to open adjacent battery cells.

Dadurch wird ein sogenanntes „safety vent“ für Gehäuse von Batterien oder Batteriesystemen bereitgestellt, die insbesondere in tragbaren elektronischen Geräten oder auch im automotiven Bereich in zylindrischer oder auch prismatischer Form zumindest einen maximalen Umgebungsdruck aushalten, der genauso groß ist wie ein maximaler Innendruck, womit ein schädigendes Eindringen von Gasen aus benachbarten Zellen in unbeschädigte Zellen verhindert wird.As a result, a so-called "safety vent" for housing of batteries or battery systems is provided, which withstand, in particular in portable electronic devices or in the automotive sector in cylindrical or prismatic form at least a maximum ambient pressure, which is the same as a maximum internal pressure, which damaging entry of gases from adjacent cells into undamaged cells is prevented.

Dabei kann die Batteriezelle derart ausgestaltet sein, dass der Projektionsbereich der wenigstens einen Fläche der Sollbruchstelle in der Befestigungsebene wenigstens einen nicht-linearen Randbereich aufweist. Der Projektionsbereich ist dabei die Fläche, die bei einer senkrechten Abbildung der Fläche bzw. der Flächen der Sollbruchstelle auf die Befestigungsebene ersichtlich ist. Bei einfach dreidimensional geformten Sollbruchstellen entspricht der Projektionsbereich der Grundfläche. Der Projektionsbereich kann dabei zum Beispiel kreisförmig sein, so dass die Fläche der Sollbruchstelle ein Hohlkugelsegment ist. Dadurch wird ein kuppelartiger Aufbau der Sollbruchstelle realisiert, der statisch wesentlich höhere Lasten aufnehmen kann als eine ebene Fläche in der Befestigungsebene. Alternativ kann der Projektionsbereich auch ein Rechteck mit stirnseitig angeschlossenen Kreissegmenten sein, so dass die Flächen der Sollbruchstelle ein Hohlzylindersegment mit stirnseitig angeschlossenen Hohlkugelsegmenten sind.In this case, the battery cell can be configured such that the projection region of the at least one surface of the predetermined breaking point in the fastening plane has at least one non-linear edge region. The projection area is the area that is visible on a vertical plane of the surface or surfaces of the predetermined breaking point on the mounting plane. For simply three-dimensionally shaped predetermined breaking points, the projection area corresponds to the base area. The projection region can be circular, for example, so that the surface of the predetermined breaking point is a hollow spherical segment. As a result, a dome-like structure of the predetermined breaking point is realized, which can accommodate significantly higher loads statically than a flat surface in the mounting plane. Alternatively, the projection region can also be a rectangle with end segments connected to the circle segments, so that the surfaces of the predetermined breaking point are a hollow cylinder segment with hollow sphere segments connected on the front side.

In weiterer alternativer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Sollbruchstelle vier im Wesentlichen ebene und in der dritten Raumkoordinate sich erstreckende Flächen aufweist, wobei wenigstens zwei dieser Flächen sich in wenigstens einem Punkt in einem Winkel von weniger als 90° treffen. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Projektionsbereich der Flächen der Sollbruchstelle in der Befestigungsebene im Wesentlichen rechteckig ist. Dieses Rechteck kann derart ausgestaltet sein, dass dessen Länge größer ist als dessen Breite. In diesem Fall sind die Flächen der Sollbruchstelle zwei trapezförmige Flächen, deren kürzere Längsseiten in einem First-Bereich aneinander liegen, wobei sie an ihren Stirnseiten mit dreieckigen Giebel-Flächen verbunden sind und derart eine Flächenkonstruktion in Form eines Walmdaches bewirken. Dabei ist das Walmdach lediglich aus Flächenelementen gebildet, das heißt, dass sich unter den Dachflächen ein Hohlraum befindet.In a further alternative embodiment it can be provided that the predetermined breaking point has four substantially planar and in the third spatial coordinate extending surfaces, at least two of these surfaces meet in at least one point at an angle of less than 90 °. It can be provided that the projection area of the surfaces of the predetermined breaking point in the mounting plane is substantially rectangular. This rectangle can be designed such that its length is greater than its width. In this case, the surfaces of the predetermined breaking point are two trapezoidal surfaces whose shorter longitudinal sides lie against one another in a ridge region, wherein they are connected at their end faces with triangular gable surfaces and thus effect a surface construction in the form of a hipped roof. Here, the hipped roof is formed only of surface elements, that is, that there is a cavity under the roof surfaces.

In weiterer alternativer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Projektionsbereich der Flächen der Sollbruchstelle in der Befestigungsebene im Wesentlichen quadratisch ist. Aufgrund der quadratischen Grundfläche der Sollbruchstelle weist diese die dreidimensionale Form einer hohlen vierseitigen Pyramide auf.In a further alternative embodiment it can be provided that the projection area of the surfaces of the predetermined breaking point in the fastening plane is substantially square. Due to the square base of the predetermined breaking point, this has the three-dimensional shape of a hollow quadrilateral pyramid.

Vorzugsweise ist die Sollbruchstelle in einem Gehäusedeckel angeordnet. Dieser Gehäusedeckel ist gasdicht mit dem restlichen, das Gehäuse ausbildenden Gehäuseelement verbunden.Preferably, the predetermined breaking point is arranged in a housing cover. This housing cover is connected in a gastight manner to the rest of the housing element forming the housing.

Des Weiteren wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle zur Verfügung gestellt, bei dem Material, in welchem die Sollbruchstelle auszubilden oder ausgebildet ist, im Wesentlichen in oder an der Befestigungsebene angeordnet wird und danach dreidimensional verformt wird. Das bedeutet, dass bei Anordnung der Sollbruchstelle im Gehäusedeckel die Sollbruchstelle erst im Gehäusedeckel in oder an der Befestigungsebene angeordnet wird und danach dreidimensional verformt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt insbesondere darin, dass auch herkömmliche Sicherheitseinrichtungen in Form von zweidimensionalen Sollbruchstellen in Batteriezellengehäusen nachträglich diesem Verfahren unterzogen werden können, um dreidimensional ausgebildete Sollbruchstellen entstehen zu lassen.Furthermore, a method according to the invention for producing a battery cell according to the invention is made available, in which material in which the predetermined breaking point is formed or formed is arranged substantially in or on the fastening plane and is subsequently deformed three-dimensionally. This means that when the predetermined breaking point in the housing cover arrangement, the predetermined breaking point is placed only in the housing cover in or on the mounting plane and is then deformed three-dimensionally. The advantage of this method is, in particular, that even conventional safety devices in the form of two-dimensional predetermined breaking points in battery cell housings can subsequently be subjected to this method in order to produce three-dimensionally formed predetermined breaking points.

Alternativ kann ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle derart durchgeführt werden, dass das Material, in welchem die Sollbruchstelle auszubilden ist bzw. ausgebildet ist, dreidimensional verformt wird und danach an der Befestigungsebene angeordnet wird. Das heißt, dass bei Anordnung der Sollbruchstelle an oder in einem Gehäusedeckel erst die gewünschte dreidimensionale Form der Sollbruchstelle hergestellt wird und diese danach im verformten Zustand im Gehäusedeckel integriert wird, wobei zum Beispiel eine der Oberflächen des Gehäusedeckels der Befestigungsebene entsprechen kann.Alternatively, a method for producing a battery cell according to the invention may be carried out such that the material in which the predetermined breaking point is to be formed or formed is deformed three-dimensionally and is then arranged on the mounting plane. This means that when the predetermined breaking point is arranged on or in a housing cover, the desired three-dimensional shape of the predetermined breaking point is first produced and then integrated in the housing cover in the deformed state, wherein, for example, one of the surfaces of the housing cover can correspond to the mounting plane.

Die Befestigung der Flächen der Sollbruchstelle kann zum Beispiel mittels Schweißen wie zum Beispiel Laserschweißen, Löten und/oder Kleben erfolgen, unabhängig davon, ob die Befestigung vor oder nach der Verformung des Sollbruchstellenbereichs erfolgt. Die Verformung der Sollbruchstellenflächen kann, unabhängig davon, ob sie bereits befestigt sind oder nicht, mittels Fließpressens erfolgen. Als Materialien für die Sollbruchstellenflächen kommen insbesondere Aluminiumlegierungen und Stahl, insbesondere Edelstahl, in Frage.The attachment of the surfaces of the predetermined breaking point can be done for example by means of welding such as laser welding, soldering and / or gluing, regardless of whether the attachment takes place before or after the deformation of the predetermined breaking point region. The deformation of the predetermined breaking surface areas, regardless of whether they are already fastened or not, can take place by means of extrusion. As materials for the predetermined breaking point surfaces are in particular aluminum alloys and steel, especially stainless steel, in question.

Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Batterie oder ein Batteriezellenmodul zur Verfügung gestellt, welche bzw. welches mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst.Furthermore, according to the invention, a battery or a battery cell module is made available which comprises a plurality of the battery cells according to the invention.

Außerdem wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein kann, und welches wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle und/oder eine erfindungsgemäße Batterie bzw. ein erfindungsgemäßes Batteriezellenmodul aufweist, welche bzw. welches mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist. In addition, according to the invention a motor vehicle is provided, which may be in particular an electric motor driven motor vehicle, and which has at least one battery cell according to the invention and / or a battery according to the invention or a battery cell module according to the invention which is connected to a drive system of the motor vehicle.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 und 2 herkömmliche Sicherheitseinrichtungen, 1 and 2 conventional safety devices,

3 eine Ausführungsalternative einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen Sollbruchstelle in perspektivischer Ansicht, 3 an alternative embodiment of a three-dimensional predetermined breaking point according to the invention in a perspective view,

4 einen Gehäusedeckel mit darin angeordneten Sollbruchstellen in perspektivischer Ansicht, und 4 a housing cover with therein predetermined breaking points in perspective view, and

5 einen Gehäusedeckel mit einer erfindungsgemäßen Sollbruchstelle in Ansicht von der Seite. 5 a housing cover with a predetermined breaking point according to the invention in view from the side.

Auf die 1 und 2 ist bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen worden.On the 1 and 2 has already been discussed to explain the state of the art.

3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Sollbruchstelle 24, deren einzelne Flächen durch zwei trapezförmige Dachflächen 41 sowie mit diesen verbundene Giebel-Flächen 43 ausgebildet sind, die sich an einem First 42 treffen. Eine solche Sollbruchstelle 24 weist somit die dargestellte Form eines Walmdaches 40 auf. Es ist ersichtlich, dass sich die Flächen 41, 43 aus einer Befestigungsebene 23 heraus erstrecken, die durch die erste Raumkoordinatenachse x sowie die zweite Raumkoordinatenachse y definiert ist. Das heißt, dass sich die Flächen 41, 43 des Walmdaches 40 zumindest mit einer Komponente in Richtung der dritten Raumkoordinatenachse z erstrecken. 3 shows a preferred embodiment of a predetermined breaking point 24 whose individual surfaces are defined by two trapezoidal roof surfaces 41 as well as with these connected gable areas 43 are formed, which are attached to a ridge 42 to meet. Such a predetermined breaking point 24 thus has the illustrated shape of a hipped roof 40 on. It can be seen that the surfaces 41 . 43 from a mounting plane 23 out, which is defined by the first space coordinate axis x and the second space coordinate axis y. That means that the surfaces 41 . 43 of the hipped roof 40 extend at least with a component in the direction of the third space coordinate axis z.

Eine derartig geformte Sollbruchstelle kann zum Beispiel in einem Gehäusedeckel 20 angeordnet sein, wie er in 4 dargestellt ist. Das heißt, dass die walmdachartige Sollbruchstelle 24 zusätzlich oder alternativ zu den in 4 dargestellten Sollbruchstellen 24 im Gehäusedeckel 20 angeordnet sein kann. Die in 4 dargestellten Sollbruchstellen 24 sind zwischen Terminal-Öffnungen 21 angeordnet. Im Fall eines unzulässigen Überdrucks im Inneren der Batteriezelle funktionieren diese Sollbruchstellen als Entgasungseinrichtungen 22. Sie können alternativ zu der in 3 dargestellten Walmdach-Ausführung einen kreisrunden Projektionsbereich haben, so wie es die links in 4 dargestellte Sollbruchstelle 24 aufweist. Durch die dreidimensionale Erstreckung der Sollbruchstelle 24 ist die Fläche der Sollbruchstelle 24 als Hohlkugelsegment 27 ausgeführt. Das heißt, dass der Randbereich der Sollbruchstelle 24 als nicht-linearer Randbereich 25 ausgeführt ist.Such a predetermined breaking point can, for example, in a housing cover 20 be arranged as he is in 4 is shown. This means that the roof-like predetermined breaking point 24 additionally or alternatively to the in 4 shown predetermined breaking points 24 in the housing cover 20 can be arranged. In the 4 shown predetermined breaking points 24 are between terminal openings 21 arranged. In the case of an impermissible overpressure inside the battery cell, these predetermined breaking points function as degassing devices 22 , You can alternatively to the in 3 hipped roof design have a circular projection area, as the left in 4 illustrated breaking point 24 having. Due to the three-dimensional extent of the predetermined breaking point 24 is the area of the predetermined breaking point 24 as a hollow sphere segment 27 executed. This means that the edge region of the predetermined breaking point 24 as a non-linear border area 25 is executed.

Alternativ kann auch die Sollbruchstelle gemäß der in 4 rechts dargestellten Sollbruchstelle 24 ausgeführt sein, deren Projektionsbereich 30 durch lineare Randbereiche 26 sowie durch nicht-lineare Randbereiche 25 abgegrenzt ist. Die Flächen der Sollbruchstelle 24 sind demzufolge durch ein Hohlzylindersegment 28 sowie daran stirnseitig angeschlossene Hohlkugelsegmente 29 ausgebildet.Alternatively, the predetermined breaking point according to the in 4 right breaking point shown on the right 24 be executed, the projection area 30 through linear border areas 26 as well as non-linear border areas 25 is delimited. The surfaces of the predetermined breaking point 24 are therefore by a hollow cylinder segment 28 and at the end connected hollow sphere segments 29 educated.

In 5 ist in einer durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1 verlaufenden Schnittansicht von der Seite dargestellt, wie sich die Sollbruchstelle 24, in diesem Fall als Walmdach 40 ausgestaltet, entlang der dritten Raumkoordinatenachse x erstreckt.In 5 is in through a battery cell according to the invention 1 extending sectional view from the side, as the predetermined breaking point 24 , in this case as a hipped roof 40 configured, along the third space coordinate axis x extends.

Durch diese dreidimensionale Ausbildung der Sollbruchstelle 24 wird erreicht, dass ein in der Umgebung 12 der Batteriezelle 1 wirkender Gasdruck in der kuppelartig ausgebildeten Sollbruchstelle 24 Druckspannungen hervorruft, wobei ein Gasdruck im Innenraum 11 der Batteriezelle bzw. deren Gehäuse 10 in der Sollbruchstelle 24 im Wesentlichen Zugspannungen hervorruft. Da üblicherweise ein Bruch bzw. Riss eher bei Zugspannungen als bei Druckspannungen des gleichen Wertes entsteht, gibt die erfindungsgemäße Sollbruchstelle 24 eine Öffnung, bedingt durch einen Bruch oder durch einen Riss im Material, bereits bei einem Innendruck im Innenraum 11 des Gehäuses 10 frei, als bei einer Erhöhung des Gasdrucks in der Umgebung 12 auf demselben Druckwert.Through this three-dimensional design of the predetermined breaking point 24 is achieved that one in the environment 12 the battery cell 1 acting gas pressure in the dome-shaped predetermined breaking point 24 Compressive stresses causes, with a gas pressure in the interior 11 the battery cell or its housing 10 in the predetermined breaking point 24 essentially causes tensile stresses. Since usually a break or crack occurs at tensile stresses rather than at compressive stresses of the same value, the predetermined breaking point according to the invention gives 24 an opening, due to a break or a crack in the material, already at an internal pressure in the interior 11 of the housing 10 free, as with an increase in the gas pressure in the environment 12 at the same pressure value.

Claims

Battery cell ( 1 ), in particular a lithium-ion battery cell, comprising a housing ( 10 ) and a degassing device ( 22 ), with the gas from the housing ( 10 ) in the nearby areas ( 12 ), wherein the degassing device ( 22 ) a predetermined breaking point ( 24 ) at a plane of attachment defined by two space coordinate axes ( 23 ) and in the event of breakage, a vent ( 24 ), characterized in that the predetermined breaking point ( 24 ) comprises at least one surface extending from the plane of attachment ( 23 ) in a third Space coordinate axis (z) to that of the interior of the housing ( 10 ) opposite side extends.

Battery cell ( 1 ) according to claim 1, wherein the projection area ( 30 ) of the at least one surface of the predetermined breaking point ( 24 ) in the attachment plane ( 23 ) at least one non-linear edge region ( 25 ) having.

Battery cell ( 1 ) according to one of claims 1 and 2, the predetermined breaking point ( 24 ) has four, substantially planar and in the third spatial coordinate (z) extending surfaces, wherein at least two of these surfaces meet in at least one point at an angle of less than 90 °.

Battery cell ( 1 ) according to claim 3, wherein the projection area ( 30 ) of the surfaces of the predetermined breaking point ( 24 ) in the attachment plane ( 23 ) is substantially rectangular.

Battery cell ( 1 ) according to claim 3, wherein the projection area ( 30 ) of the surfaces of the predetermined breaking point ( 24 ) in the attachment plane ( 23 ) is substantially square.

Battery cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the predetermined breaking point ( 24 ) in a housing cover ( 20 ) is arranged.

Method for producing a battery cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the material in which the predetermined breaking point ( 24 ), substantially at or at the attachment level ( 23 ) is arranged and then three-dimensionally deformed.

Method for producing a battery cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the material in which the predetermined breaking point ( 24 ) is deformed three-dimensionally and then at the attachment level ( 23 ) is arranged.

Battery or battery cell module comprising a plurality of the battery cells ( 1 ) according to one of claims 1 to 6.

Motor vehicle, in particular an electric motor driven motor vehicle, comprising at least one battery cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 6 and / or a battery or a battery cell module according to claim 9.