AT518161A4

AT518161A4 - Batterie

Info

Publication number: AT518161A4
Application number: ATA50113/2016A
Authority: AT
Inventors: -Ing Andreas Koenekamp Dr; Scheel Alexander; Leoni Manuela; Schmidt Adrian; Wagner Eduard; Schwane Martin; Musial Andreas
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-15
Also published as: AT518161B1; WO2017139826A1; DE112017000254A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1), insbesondere Sekundärbatterie, mit einer Vielzahl von in einem Rahmen oder Gehäuse (2) angeordneten Batteriezellen (5), wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen durch ein - vorzugsweise intumeszentes - Schutzmaterial (6) ab einer vorgegebenen Temperatur thermisch isolierbar sind. Um bei einem thermischen Durchgehen einer schadhaften Batteriezelle (5a) eine Infizierung benachbarter schadloser Batteriezellen (5b) zu vermeiden, ist vorgesehen, dass zumindest zwei in zumindest einem Zellenstapel (3) in einer Stapelrichtung (4) aneinandergereiht angeordnete Batteriezellen (5) in Stapelrichtung (4) verschiebbar im Rahmen oder Gehäuse (2) angeordnet sind und das Schutzmaterial (6) zumindest zwischen zwei in Stapelrichtung (4) benachbarten Batteriezellen (5) so angeordnet ist, so dass die zwei benachbarten Batteriezellen (5) durch das Schutzmaterial (6) in Stapelrichtung (4) voneinander weg in eine Brandschutzstellung verschiebbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere Sekundärbatterie, mit einer Vielzahl von in einem Rahmen oder Gehäuse angeordneten Batteriezellen, wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen durch ein - vorzugsweise intumeszentes - Schutzmaterial ab einer vorgegebenen Temperatur thermisch isolierbar sind. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Deaktivierung einer eine Vielzahl von in einem Rahmen oder Gehäuse angeordnete Batteriezellen aufweisenden Batterie in einem Schadensfall, wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen durch ein - vorzugsweise intumeszentes - Schutzmaterial ab einer vorgegebenen Temperatur thermisch isoliert werden.

Wieder aufladbare Batterien mit einer Vielzahl an Batteriezellen werden beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Da auch im unbenutzten Zustand eine Spannung an der Batterie anliegt, können im Fehlerfall Gefahren für Mensch und Umwelt entstehen, da unkontrolliert Energie, beispielsweise in Form von Strom, Spannung oder Wärme freigesetzt werden kann.

Kommt es beispielsweise in einer Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem oder gebundenem Elektrolyt (Lithium-Polymer-Akkumulator) zu einem lokalen Kurzschluss der internen Zellkontakte, beispielsweise durch eine Verunreinigung des Separators durch einen eingeschlossenen Fremdpartikel oder eine mechanische Beschädigung, kann der Kurzschlussstrom durch den inneren Widerstand die nähere Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Dabei können benachbarte Batteriezellen einer fehlerhaften sogenannten infizierten Batteriezelle derart erhitzt werden, dass es zum sogenannten thermischen Durchgehen („Thermal Runaway") kommt. Dieses thermische Durchgehen ist ein nicht aufhaltbarer chemischer Prozess und führt zur Zerstörung der infizierten Zellen. Die im Akkumulator gespeicherte Energie wird in kurzer Zeit freigesetzt. Die infizierte Batteriezelle kann sich dabei auf Temperaturen bis 800 °C aufheizen. Durch den Wärmeübergang, welcher üblicherweise über die Zellseitenflächen sowie über die Zellkontakte (Anode und Kathode) von statten geht, kann die Wärme dann auf benachbarte Zellen übertragen werden und bei diesen auch einen Thermal Runaway auslösen. Dadurch entsteht ein sogenannter „Dominoeffekt", bei dem es zu einer Zerstörung sämtlicher Batteriezellen in der Batterie kommen kann.

Vor allem bei Lithium-Ionen-Batterien wird diese Kettenreaktion durch den Sauerstoffgehalt der Luft begünstigt, sobald durch das Zell-Ventil austretendes Elektrolyt mit Sauerstoff reagiert. In der Batteriezelle kommt es durch Dendritenbildung zu einem internen Kurzschluss, der zu einer Überschreitung des Siedepunktes führt. Die geschmolzenen Stoffe sind sehr reaktiv und leicht entflammbar. Daher kann es schnell zu einem explosionsartigen thermischen Durchgehen kommen.

Aus der US 7,781,097 B2 ist eine Einrichtung zur Verhinderung des thermischen Durchgehens bei einer Batterie bekannt. Dabei wird vorgeschlagen, eine Schicht von intumeszierenden Material auf die Außenflächen der Zellen aufzubringen. Im Falle eines thermischen Durchgehens bläht sich das intumeszente Material ab einer bestimmten Aktivierungstemperatur auf und wird in vorhandenen Freiräume zwischen den Zellen verdrängt, wodurch sich eine Isolationsschicht bildet.

Weiters ist aus der US 2015/0325826 Al eine ähnliche Batterie für ein Handwerkzeugmaschine bekannt, wobei zumindest eine Batteriezelle als Isolations-Batteriezelle ausgebildet ist und mit einem ein intumeszentes Material aufweisenden Brandschutzmantel versehen ist.

Sowohl bei der US 7,781,097 B2, als auch bei der US 2015/0325826 Al wird bei einer vorgegebenen Temperatur das intumeszentes Material durch Volumenvergrößerung zufolge Schaumbildung in vorhandene Hohlräume zwischen den Batteriezellen verdrängt.

Aktuelle Batteriesysteme sind auf Grund der besseren Effizienz häufig aus Pouch-Zellen aufgebaut. Diese sind üblicherweise unmittelbar aneinander gereiht und meist nur durch eine dünne Isolationsfolie voneinander getrennt, wodurch das aus der US 7,781,097 B2 oder der US 2015/0325826 Al bekannte Konzept nicht unmittelbar anwendbar ist. Bei Batterien mit plattenförmigen Zellen oder Pouch-Zellen ist üblicherweise kein Hohlraum vorhanden, in welchen sich das intumeszente Schutzmaterial unter Schaumbildung ausbreiten könnte. Darüber hinaus bestehen die Zellkontakte aus Materialien, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Daher kann bei einem thermischen Durchgehen der Batterie eine nicht unerhebliche Wärmemenge über die Zellkontakte von der infizierten Zelle in die Nachbarzelle fließen, wodurch sich die thermische Kettenreaktion fortsetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem thermischen Durchgehen einer schadhaften Batteriezelle eine Infizierung benachbarter Batteriezellen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest zwei in zumindest einem Zellenstapel in einer Stapelrichtung aneinandergereiht angeordnete Batteriezellen in Stapelrichtung verschiebbar in einem Gehäuse oder Rahmen angeordnet sind, und ein Schutzmaterial zumindest zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarte Batteriezellen so angeordnet r ist, so dass ab einer vorgegebenen Temperatur zwei benachbarte Batteriezellen durch das Schutzmaterial, in Stapelrichtung voneinander weg, in eine Brandschutzstellung verschiebbar sind.

Ab einer vorgegebenen Temperatur werden zwei aneinandergrenzende Batteriezellen durch den bei Volumenvergrößerung des intumeszenten Schutzmaterials entstehenden Blähdruck in Stapelrichtung voneinander weg in eine Brandschutzstellung geschoben, wobei die zwei aneinandergrenzenden Batteriezellen thermisch so voneinander getrennt werden. Es wird demzufolge aktiv eine Isolationszone geschaffen, indem durch den Blähdruck des intumeszenten Schutzmaterials der Abstand zwischen der infizierten Batteriezelle und der jeweiligen benachbarten Batteriezelle vergrößert wird. Gleichzeitig bildet sich durch das intumeszente Material eine thermische Isolationsschicht zwischen der infizierten Batteriezelle und den benachbarten Batteriezelle aus.

Bei thermischem Durchgehen einer Batteriezelle werden also die beiden benachbarten Batteriezellen durch das intumeszente Schutzmaterial voneinander weggedrückt, und somit der Abstand zwischen diesen beiden Batteriezellen so weit vergrößert, dass praktisch keine thermischen Brücken zwischen den Batteriezellen mehr vorhanden sind.

Dabei kann jede Batteriezelle oder zumindest eine Batteriezelle in einem Zellstapel vollständig oder zumindest teilweise von einem das intumeszente Schutzmaterial aufweisenden Brandschutzmantel umgeben sein, wobei vorzugsweise der Brandschutzmantel als Brandschutzschicht, Brandschutzband oder Brandschutzmantel auf oder an zumindest einer Batteriezelle angeordnet ist. In einer Minimalvariante kann vorgesehen sein, dass das intumeszente Schutzmaterial nur in einem Teilbereich zwischen zwei benachbarten Sekundärbatterien angeordnet ist. Weiters kann auch eine Kombination des intumeszenten

Schutzmaterials und einer oder mehreren anderen thermischen Isolationsschichten wie beispielsweise Glasfasermatten mit jeweils anderen Wärmeleitkoeffizienten realisiert werden.

In einer alternativen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das intumeszente Schutzmaterial durch ein Treibmittel ab der vorgegebenen Temperatur zwischen zumindest zwei Batteriezellen eingebracht wird, wobei vorzugsweise das intumeszente Schutzmaterial Teil eines Brandschutz- oder Löschmittels ist.

Da Anode und Kathode von benachbarten Batteriezellen üblicherweise durch Zellkontakte elektrisch verbunden sind und so eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn in der Brandschutzstellung die zwei benachbarten Batteriezellen sowohlthermisch, als auch elektrisch voneinander getrennt werden. So wird sichergestellt, dass die Wärmebrücke zwischen zwei benachbarten Batteriezellen vollständig getrennt ist und ein thermisches Durchgehen unterbunden wird.

Um dies zu bewerkstelligen ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die Batterie zumindest ein Trennmittel zur elektrischen Trennung zumindest einer elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen aufweist, wobei vorzugsweise eine Sollbruchstelle in der elektrischen Verbindung zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen angeordnet ist. Über diese Sollbruchstelle in der elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen kann die durch die Zellkontakte der Batteriezellen gebildete Wärmebrücke zerstört werden.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass zumindest ein Trennmittel durch beispielsweise ein aluminothermisches Gemisch gebildet ist, wobei die elektrische Trennung in diese Fall durch eine Thermitreaktion an zumindest einer elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen erfolgt. Dabei wird im Zuge der Fertigung der Batterie beispielsweise ein durch ein aluminothermisches Gemisch gebildetes Brandpulver als dünner Beschichtungsstreifen auf einen Zellkontakt aufgebracht. Das Brandpulver brennt ab einer vorgegebenen Zündtemperatur den Zellkontakt auf und unterbricht somit die thermische und elektrische Verbindung der Zellkontakte.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Trennmittel durch ein elektrisch leitendes Adhäsiv oder Lot zwischen den Zellkontakten zweier benachbarter Batteriezellen gebildet ist, welches ausgebildet ist, um ab einer definierten Temperatur oder einer definierten Zug-oder Scherspannung zwischen den Zellkontakte die elektrische Verbindung zwischen den Zellkontakten benachbarter Batteriezellen zu unterbrechen. Bei Verschiebung zweier benachbarter Batteriezellen wird somit die Verbindung zwischen dem Adhäsiv oder Lot und den Zellkontakten, oder das Adhäsiv oder Lot selbst, mechanisch aufgebrochen.

Weiters kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass auf Anode oder Kathode des Zellkontaktes ein Bimetall aufgebracht wird, welches ab einer gewissen Aktivierungstemperatur den Zellkontakt aufbiegt und so die elektrische Verbindung unterbricht.

Weiters kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass zumindest ein Trennmittel durch eine mechanische Trenneinrichtung gebildet ist, welche bei Verschiebung zumindest einer Batteriezelle in die Brandschutzstellung zumindest eine Elektrode der Batteriezelle durchtrennt. Die mechanische Trenneinrichtung ist dabei in einer bevorzugten Ausführungsvariante fest mit dem Gehäuse oder dem Rahmen der Batterie verbunden und kann durch ein zumindest eine Schneide aufweisendes Schneidwerkzeug gebildet sein, dessen Schnittrichtung im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung ausgebildet ist.

Selbstverständlich ist auch eine Kombination von unterschiedlichen Trennmitteln möglich und vorteilhaft, um die Sicherheit im Schadensfall zu erhöhen.

Durch den speziellen Einsatz des intumeszierenden Schutzmaterials in Kombination mit zumindest einer am Zellrahmen oder Gehäuse befestigten Schneide kann die Weiterleitung der Wärme von der schadhaften Batteriezelle an die benachbarte Batteriezelle über die Zellkontakte effektiv unterbunden werden. Im Normalbetrieb der Batterie wird die elektrische Leitfähigkeit der Zellkontakte nicht beeinträchtigt, da die Schneide in einem definierten Mindestabstand von den Zellkontakten angeordnet ist und somit mit den Zellkontakten normalerweise nicht in Berührung kommt. Da kein externer Auslösemechanismus für die Trenneinrichtung benötigt wird, ist somit eine derartige Fehlerquelle ausgeschlossen.

Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für Batterien, bei denen die Batteriezellen durch Flachzellen oder Pouch-Zellen gebildet sind, wobei die Verwendung selbstverständlich nicht auf diese Batteriezelltypen beschränkt ist.

Zum Unterschied zum bekannten Stand der Technik werden keine initialen Freiräume zwischen den Batteriezellen benötigt, was einen Vorteil bezüglich des Batterie-Packages durch Platzeinsparung bringt. Initiale Freiräume zwischen den Batteriezellen wären sogar kontraproduktiv wären, da bei der erfindungsgemäßen Batterie ausgenützt wird, dass sich das intumeszenten Schutzmaterial ab einer vorgegebenen Aktivierungstemperatur aufbläht und durch den Blähdruck aktiv die benachbarten schadlosen Batteriezellen der thermisch durchgehenden infizierten Batteriezelle auseinanderschiebt und somit einen durch das Schutzmaterial und/oder Luft zumindest teilweise gefüllten Freiraum erst erzeugt, welcher eine besonders effektive thermische Isolierung zwischen den Batteriezellen darstellt.

Flachzellen sind Batteriezellen, deren Tiefe geringer ist als deren Breite und Höhe. Dabei kann die Flachzelle mindestens eine ebene Oberfläche aufweisen. Pouch-Zellen sind Batteriezellen deren Zellgehäuse zum Unterschied zu Flachzellen nicht starr sind, sondern durch eine meist auf Aluminium basierende Folie gebildet werden, durch die ein leichtes und flexibles Design realisiert werden kann.

Der Brandschutzmantel kann durch ein Band, eine Matte, oder eine aufgetragene Schicht aus Schutzmaterial gebildet sein.

Dabei befindet sich zumindest ein Teil des Brandschutzmantels zwischen zwei als Flachzellen oder Pouch-Zelle ausgebildeten Batteriezellen.

Ein intumeszentes Material ist ein Material, welches bei einer bestimmten Temperatur sein Volumen unter Aufbringen eines bestimmten Blähdruckes vergrößert, und sich beispielsweise aufquellt bzw. aufbläht, wie beispielsweise Blähgraphit. Intumeszentes Material ist brandhemmend und in der Lage, zumindest einen Teil der in seiner Umgebung auftretenden thermischen Energie zu absorbieren.

Die vorgegebene Temperatur liegt vorzugsweise über der Betriebstemperatur derjenigen Batteriezelle in der Batterie, die die höchste Betriebstemperatur aufweist. Zweckmäßigerweise liegt die vorgegebene Temperatur unterhalb einer

Temperatur, durch die eine der benachbarten Batteriezellen in der Batterie geschädigt werden könnte.

Zweckmäßigerweise ist das Schutzmaterial bei der vorgegebenen Temperatur dazu eingerichtet, die Ausbreitung von Wärmeenergie zu reduzieren, vorzugsweise zu verhindern oder eventuell auch Wärme zu absorbieren. Vorzugsweise ist das Schutzmaterial derart ausgebildet, dass er sich der Form der Batteriezelle gut anpassen lässt und so die Batteriezelle ideal ausgenutzt werden kann. Zweckmäßigerweise ist das Schutzmaterial derart in dem Zellenstapel angeordnet, dass er den regulären Betrieb nicht stört und erst im Fehlerfall aktiv und präventiv wirksam wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Darin zeigen schematisch:

Fig. la einen Zellenstapel von Batteriezellen einer erfindungsgemäßen Batterie vor einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung;

Fig. lb diesen Zellenstapel nach der Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung;

Fig. 2 einen Zellenstapel von Batteriezellen dieser Batterie während einer Überhitzung einer Batteriezelle;

Fig. 3a Zellkontakte zweier benachbarter Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie mit einem Trennmittel in einer ersten Ausführung vor einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 3b diese Zellkontakte nach einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 4a Zellkontakte zweier benachbarter Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie mit einem Trennmittel in einer zweiten Ausführung vor einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 4b diese Zellkontakte nach einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 5a Zellkontakte zweier benachbarter Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie mit einem Trennmittel in einer dritten Ausführung vor einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 5b diese Zellkontakte nach einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung,

Fig. 6a Zellkontakte zweier benachbarter Batteriezellen der erfindungsgemäßen Batterie mit einem Trennmittel in einer vierten Ausführung vor einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung, und

Fig. 6b diese Zellkontakte nach einer Verschiebung der Batteriezellen in die Brandschutzstellung.

Die Batterie 1 - beispielsweise eine Sekundärbatterie, etwa eine Lithium-Ionen-Batterie - weist ein Gehäuse 2 mit einer Vielzahl an in zumindest einem Zellenstapel 3 in einer Stapelrichtung 4 aneinander gereiht angeordneten Batteriezellen 5 auf. Zwischen den benachbarten Batteriezellen 5 ist ein intumeszentes Schutzmaterial 6 angeordnet. Dieses intumeszente Schutzmaterial 6 kann beispielsweise Bestandteil eines Brandschutzmantels sein, welcher die Batteriezellen 5 teilweise oder vollkommen umgibt. Der Brandschutzmantel ist beispielsweise als Brandschutzschicht, Brandschutzband oder Brandschutzmatte ausgebildet und zumindest zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 5 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich zu einem Brandschutzmantel kann das intumeszente Schutzmaterial 6 auch erst im Schadensfall mittels eines Treibmittels zwischen benachbarte Batteriezellen 5 eingespritzt odereingeblasen werden, wobei das Treibmittel bei einer definierten Temperatur aktiviert wird.

Um im Falle eines Schadens an einer Batteriezelle 5 („infizierte Batteriezelle 5a") ein thermisches Durchgehen („Thermal Runaway") zu vermeiden, werden die infizierten Batteriezelle 5a und die benachbarten schadlosen Batteriezellen 5b innerhalb des Zellenstapels 3 relativ voneinander weg verschoben, so dass sich zwischen den schadlosen Batteriezellen 5b und der infizierten Batteriezelle 5a ein Abstand a ausbildet, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der Verschiebe-Effekt wird durch die ab einer bestimmten Temperatur einsetzende Volumenvergrößerung des intumeszenten Schutzmaterials 6 zwischen der infizierten Batteriezelle 5a und der benachbarten schadlosen Batteriezelle 5b realisiert. Die Volumenvergrößerung wird in diesem Fall durch das Aufschäumen des intumeszenten Schutzmaterials 6 ab einer vorgegebenen Temperatur (beispielsweise <200°C) bewirkt.

In Fig. la ist dabei der Zustand vor der Verschiebung und in Fig. lb der Zustand nach der Verschiebung der Batteriezellen 5 in eine Brandschutzstellung dargestellt.

Durch dieses Verschieben der infizierten Batteriezelle 5a in eine Brandschutzstellung entsteht also ein Freiraum 14 um die infizierte Batteriezelle 5a, wodurch der thermische Kontakt zwischen den zueinander gewandten Stirnflächen benachbarter Zellen 5a, 5b unterbrochen wird. In den Endbereichen des Zellenstapels 3 werden die Batteriezellen 5 durch Kompressionspolster 7 (compression pads) im Gehäuse 2 der Batterie 1 gehalten und zusammengepresst. Der Verschiebeweg wird beispielsweise durch diese Kompressionspolster 7 bereitgestellt. Benachbarte Sekundärzellen 5 sind üblicherweise durch Zellkontakte 7 elektrisch miteinander verbunden. Über diese Zellkontakte 7 können im Schadenfall auch relativ große Wärmemengen übertragen werden, was ein thermisches Durchgehen begünstigen kann. Dabei können bereits relativ niedrige Temperaturen (bei Lithium-Ionen Zellen beispielsweise unter 200°C) zu einem thermischen Durchgehen führen.

Um dies zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass im Schadensfall die infizierte Batteriezelle 5a von schadlosen Batteriezellen 5b nicht nur thermisch sondern auch elektrisch getrennt werden, wobei beispielsweise die Zellkontakte 7 mit Sollbruchstellen 8 ausgeführt sein können, welche bei einer relativen Verschiebebewegung benachbarter Batteriezellen 5 aufbrechen und sich in Kontakteile 7a und 7b teilen, wodurch die elektrische Verbindung unterbrochen wird. Damit wird auch die thermische Verbindung zwischen den Zellkontakten 7 unterbunden.

Um im Schadensfall ein sicheres Trennen der elektrischen Verbindung zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn ein Trennmittel 9 im Bereich der Sollbruchstelle 8 eingesetzt wird (Fig. 3 bis 5).

Fig. 3a und 3b zeigen Zellkontakte 7 für die elektrische Verbindung zweier benachbarter Batteriezellen 5, wobei das Trennmittel 9 durch ein aluminothermisches Gemisch 10 gebildet ist. Die elektrische Trennung erfolgt dabei durch eine Thermitreaktion an den Zellkontakten 7 im Bereich der Sollbruchstelle 8. Dabei ist ein beispielsweise pulverförmiges aluminothermisches Gemisch 10 aus Aluminiumgrieß und Eisenoxidpulver als dünner Streifen auf den Zellkontakt 7 im Bereich der Sollbruchstelle 8 aufgebracht. Bei Erreichen bzw. Überschreiten einer vorgegebenen Zündtemperatur des aluminothermischen Gemisches 10 brennt dieses den Zellkontakt 7 auf. In Fig. 3a ist dabei der Zustand vor der elektrischen Trennung und in Fig. 3b der Zustand nach der Trennung dargestellt.

In der in Fig. 4a und 4b dargestellten Ausführungsvariante ist das Trennmittel 9 durch ein elektrisch leitendes Lot oder Adhäsiv 11 zwischen den Kontakteilen 7a, 7b zweier benachbarter Batteriezellen 5 gebildet. Ab einer definierten Temperatur und/oder einer definierten Zug- oder Scherspannung zwischen den Kontaktteilen 7a, 7b bricht das Lot bzw. Adhäsiv 11 auf und unterbricht damit die elektrische Verbindung der Zellkontakte 7. In Fig. 4a ist der Zustand vor der elektrischen Trennung und in Fig. 4b der Zustand nach der Trennung dargestellt.

Die Fig. 5a und 5b zeigen in einer weiteren Variante der Erfindung die Zellkontakten 7 für die elektrische Verbindung zweier benachbarter Batteriezellen 5, wobei das Trennmittel 9 hier als mechanisches Trenneinrichtung 12 ausgebildet ist, welche bei Verschiebung zumindest einer Batteriezelle 5 in die Brandschutzstellung zumindest einen Zellkontakt 7 einer Batteriezelle 5 durchtrennt. Die mechanische Trenneinrichtung 12 ist dabei fest mit dem Gehäuse 2 oder dem Rahmen der Batterie 1 verbunden und weist zumindest ein Schneidwerkzeug 13 mit einer Schneide 13a auf, dessen durch Pfeil S angedeutete Schnittrichtung im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 4 des Zellstapels 3 verläuft. In Fig. 5a ist der Zustand vor der elektrischen Trennung und in Fig. 5b der Zustand bei bzw. nach der Trennung dargestellt, wobei mit strichlierten Linien der unversehrte Zustand des Zellkontaktes 7 angedeutet ist. Wenn sich im Falle eines thermischen Durchgehens die benachbarte schadlose Batteriezelle 5b - als Resultat der Verwendung von intumeszentem Schutzmaterial 6 als Zwischenschicht - von der infizierten Batteriezelle 5a wegbewegt, wird der Zellkontakt 7 an der Schneide 13a aufgetrennt und so der Wärmepfad unterbrochen. Auslöser für dieses System ist also das Verschieben benachbarter Batteriezellen 5, weshalb kein separater Auslösemechanismus benötigt wird.

Die Fig. 6a und 6b zeigen eine Ausführungsvariante, bei der das Trennmittel 9 durch ein Bimetall 14 auf zumindest der Anode und/oder der Kathode des Zellkontakts 7 gebildet ist, wobei die elektrische Trennung durch eine Verbiegung des Bimetalls 14 ab einer definierten Temperatur erfolgt. In Fig. 6a ist der Zustand vor der elektrischen Trennung und in Fig. 6b der Zustand nach der Trennung dargestellt. Mit strichlierten Linien ist in Fig. 6b der unversehrte Zustand des Zellkontaktes 7 dargestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Batterie (1), insbesondere Sekundärbatterie, mit einer Vielzahl von in einem Rahmen oder Gehäuse (2) angeordneten Batteriezellen (5), wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen durch ein - vorzugsweise intumeszentes -Schutzmaterial (6) ab einer vorgegebenen Temperatur thermisch isolierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei in zumindest einem Zellenstapel (3) in einer Stapelrichtung (4) aneinandergereiht angeordnete Batteriezellen (5) in Stapelrichtung (4) verschiebbar im Rahmen oder Gehäuse (2) angeordnet sind und das Schutzmaterial (6) zumindest zwischen zwei in Stapelrichtung (4) benachbarte Batteriezellen (5) so angeordnet ist, so dass ab der vorgegebenen Temperatur die zwei benachbarten Batteriezellen (5) durch das Schutzmaterials (6) in Stapelrichtung (4) voneinander weg, in eine Brandschutzstellung verschiebbar sind.
2. Batterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brandschutzstellung die zwei benachbarten Batteriezellen (5) thermisch voneinander getrennt sind.
3. Batterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (1) zumindest ein Trennmittel (9) zur elektrischen Trennung zumindest einer elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (5) aufweist.
4. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (5) zumindest eine Sollbruchstelle (8) in der elektrischen Verbindung zwischen den beiden benachbarten Batteriezellen (5) aufweist.
5. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trennmittel (9) durch ein aluminothermisches Gemisch (10) gebildet ist, wobei die elektrische Trennung durch eine Thermitreaktion an zumindest einer elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (5) erfolgt.
6. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trennmittel (9) durch ein elektrisch leitendes Lot oder Adhäsiv (11) zwischen den Zellkontakten (7) zweier benachbarter Batteriezellen (5) gebildet ist, wobei die elektrische Trennung ab einer definierten Temperatur und/oder einer definierten Zug- oder Scherspannung zwischen den Zellkontakten (7) erfolgt.
7. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trennmittel (9) durch ein Bimetall (14) auf zumindest der Anode und/oder der Kathode des Zellkontakts (7) gebildet ist, wobei die elektrische Trennung durch eine Verbiegung des Bimetalls (14) ab einer definierten Temperatur erfolgt.
8. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trennmittel (9) durch eine mechanische Trenneinrichtung (12) gebildet ist, wobei die elektrische Trennung durch die Verschiebung zumindest einer Batteriezelle (5) in die Brandschutzstellung erfolgt und zumindest einen Zellkontakt (7) der Batteriezelle (5) durchtrennt.
9. Batterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Trenneinrichtung (12) fest mit dem Rahmen oder Gehäuse (2) der Batterie (1) verbunden ist.
10. Batterie (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Trenneinrichtung (12) durch ein zumindest eine Schneide (13a) aufweisendes Schneidwerkzeug (13) gebildet ist, dessen Schnittrichtung (S) im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung (4) ausgebildet ist.
11. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Batteriezelle (5) zumindest teilweise von einem das intumeszente Schutzmaterial (6) aufweisenden Brandschutzmantel umgeben ist, wobei vorzugsweise der Brandschutzmantel als Brandschutzschicht, Brandschutzband oder Brandschutzmatte auf oder an zumindest einer Batteriezelle (5) angeordnet ist.
12. Batterie (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (5) durch Pouch-Zellen gebildet sind.
13. Verfahren zur Deaktivierung einer eine Vielzahl von in einem Rahmen oder Gehäuse (2) angeordnete Batteriezellen (1) aufweisenden Batterie (1) -insbesondere Sekundärbatterie - in einem Schadensfall, wobei zumindest zwei benachbarte Batteriezellen (5) durch ein - vorzugsweise intumeszentes -Schutzmaterial (6) ab einer vorgegebenen Temperatur thermisch isoliert werden, nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer vorgegebenen Temperatur zwei benachbarte Batteriezellen (5) durch das Schutzmaterial (6) - vorzugsweise durch Volumenvergrößerung des Schutzmaterials (6) - in Stapelrichtung der Batteriezellen (5) voneinander weg in eine Brandschutzstellung geschoben werden, wobei die zwei benachbarten Batteriezellen (5) thermisch, und vorzugsweise auch elektrisch, voneinander getrennt werden.