DE10134145A1 - Feuerhemmendes Batteriegehäuse - Google Patents
Feuerhemmendes BatteriegehäuseInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein feuerhemmendes Batteriegehäuse, dessen Wandung (1) ein thermisch aktives Material (3) enthält. DOLLAR A Dieses Material (3) hat die Eigenschaft, sich bei einer Temperaturerhöhung ab einer bestimmten kritischen Temperatur strukturell umzuwandeln. Durch diesen Umwandlungsprozess wird Wärmeenergie verbraucht, so dass während dieser Umwandlung der weitere Temperaturanstieg verzögert wird. Vorzugsweise ist das thermisch aktive Material (3) Teil einer inneren Schicht (2), die hermetisch von einer äußeren Schicht (4) aus Metall umgeben ist, die das Batteriegehäuse zusätzlich gegen mechanische Beanspruchungen schützt.
Description
- Die Erfindung betrifft Batteriegehäuse, die gegen thermische Belastung widerstandsfähig sein sollen, wobei auch eine Resistenz gegen direkte Einwirkung offener Flammen für einen gewissen Zeitraum gegeben sein soll.
- Speziell im Bereich moderner Lithium-Ion-Batterien und Ni- ckelmetallhydridbatterien, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen zum Einsatz gelangen, sind solche feuerhemmenden Batteriegehäuse von besonderer Bedeutung.
- Aktuell häufig verwendete Batteriegehäuse aus Kunststoff, z. B. auf der Basis von Polycarbonaten, sind bei höheren Temperaturen entflammbar und deshalb als feuerhemmende Gehäusewandung ungeeignet. Gehäuse aus Stahl können wegen ihrer hohen Wärmeleitung für die hier geforderte thermische Abschirmung nicht verwendet werden. Konstruktionen auf Basis von Aluminium sind wegen der von Fahrzeugherstellern geforderten Standfestigkeit gegen offene Flammen und Temperaturen bis 1000°C über einen Zeitraum von 2 Minuten nicht geeignet.
- Abschirmend wirkende Isolierstoffe, z. B. auf der Basis mineralischer Fasern in Verbindung mit doppelwandigen Batteriegehäusen aus Stahl, erfordern dagegen eine erhöhte Wanddicke des Batteriegehäuses und können den Temperaturanstieg im Inneren der Batterie nur verlangsamen, letztendlich aber nicht aufhalten.
- Die vorliegende Erfindung geht von diesen Batteriegehäuseformen als Stand der Technik aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein feuerhemmendes Batteriegehäuse zu entwickeln, das verbesserte Eigenschaften gegen thermische Einwirkung aufweist.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Batteriegehäuse nach Anspruch 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
- Im folgenden wird das erfindungsgemäße Batteriegehäuse anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
- Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines Ausschnitts eines feuerhemmenden Batteriegehäuses nach Anspruch 1 mit einer Schicht aus thermisch aktivem Material.
- Fig. 2 gibt grafisch den Temperaturverlauf in einem thermisch aktiven Material bei Wärmezufuhr über die Zeit wieder.
- Die Erfindung nutzt den Effekt, dass bestimmte Materialien beim Erhitzen einer Temperaturerhöhung aktiv entgegenwirken können. Diese Eigenschaft entsteht durch eine Veränderung der inneren Struktur, wobei Wärmeenergie verbraucht wird. Die Veränderung der inneren Struktur kann z. B. ein Phasenübergang sein, d. h. eine Änderung des Aggregatzustands oder des kristallinen Aufbaus (z. B. bei polymorphen Materialien mit unterschiedlicher Gitterstruktur). Auch durch chemische Veränderungen im Material kann Wärmeenergie aufgenommen werden, z. B. durch Desorption von Wasser, das kristallin gebunden ist.
- Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem feuerhemmenden Batteriegehäuse, dessen Wandung (1) eine Schicht (2) aufweist, in der ein derartiges thermisch aktives Material (3) enthalten ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist diese Schicht (2) ummantelt von einer äußeren Schicht (4), die z. B. aus Stahl bestehen kann und das Batteriegehäuse somit vor mechanischen Beanspruchungen schützt. Im Falle einer Erwärmung durch äußere Einwirkung (z. B. durch eine Flamme) gibt die äußere Schicht (4) Wärmeenergie an die innere Schicht (2) ab, so dass das darin enthaltene Material (3) ebenfalls erwärmt wird. Bei Erreichen einer (materialspezifischen) kritischen Temperatur setzt ein Umwandlungsprozess der beschriebenen Art ein, wobei nun weiter zugeführte Wärmeenergie für die fortschreitende Umwandlung verbraucht wird. Damit ist ein Temperaturanstieg in der inneren Schicht (2) solange blockiert (Temperatur-Haltepunkt) - oder zumindest wesentlich abgeschwächt - bis praktisch alles vorhandene aktive Material (3) vollständig umgewandelt ist.
- Fig. 2 veranschaulicht grafisch das Auftreten eines Temperatur-Haltepunkts bei einem thermisch aktiven Material. Das Diagramm zeigt den gemessenen Temperaturverlauf im Material über die Zeit (Abszisse) bei kontinuierlicher Zufuhr von Wärmeenergie. In diesem Beispiel setzt beim Erreichen einer Temperatur (Ordinate) von ca. 370 K (also etwa 100°C) der Umwandlungsprozess ein, so daß eine weitere Temperaturerhöhung für etwa 5 Minuten unterbleibt.
- Die Dauer des Umwandlungsprozesses (und damit verzögerter Temperaturerhöhung) hängt dabei einmal ab von der insgesamt vorhandenen Menge des thermisch aktiven Materials (3) in der inneren Schicht (2), der Art der Umwandlung und der dafür erforderlichen Wärmeenergie pro Stoffmengeneinheit (KJ/mol), und der pro Zeiteinheit über die äußere Schicht (4) in die innere Schicht (2) transportierten Menge an Wärmeenergie.
- Als thermisch aktives Material (3) eignen sich vorzugsweise Zeolithe (Alumosilikate) und Gibbsit (Al2O3.3H2O). Diese Materialien desorbieren bereits ab ca. 130°C bzw. 200°C chemisch gebundenes Kristallwässer. Dieses freigesetzte Kristallwasser geht bei diesen Temperaturen direkt in den gasförmigen Aggregatzustand über, wodurch zusätzliche Wärmeenergie verbraucht wird. Der so in der inneren Schicht (2) gebildete Wasserdampf verteilt sich im Innenvolumen des Batteriegehäuses und hält dort die Temperatur solange konstant, bis die Desorption des Kristallwassers aus dem Zeolith oder Gibbsit der inneren Schicht (2) abgeschlossen ist. Bei hoher thermischer Belastung des Batteriegehäuses müssen die zu schützenden Zellen der Batterie im Inneren also nur einer Temperatur von ca. 100°C widerstehen, obgleich die Außenfläche des Batteriegehäuses u. U. durch ein offene Flamme auf ca. 1000°C erhitzt wird.
- Das Batteriegehäuse kann aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein. Beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, aus einer inneren Schicht (2), die das thermisch aktive Material (3) enthält, ummantelt von einer äußeren Schicht (4), die in der beschriebenen Ausführung aus Stahl oder anderen thermisch stabilen Metallen bzw. Legierungen besteht. Dabei kann eine solche äußere Schicht (4) so abgedichtet sein (z. B. durch Verschweißen), dass der Innenraum der Batterie hermetisch gegen den Außenbereich abgeschlossen ist.
- Die mechanische Stabilität des Batteriegehäuses ist bei diese Anordnung durch die hohe Festigkeit der äußeren Schicht (4) gewährleistet, so dass die innere Schicht (2) selbst keine besonderen mechanisch stabilisierenden Eigenschaften aufweisen muß und auf thermische Wirksamkeit optimiert werden kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann das thermisch aktive Material (3) dabei beispielsweise in körniger Grundform vorliegen und ist mit einem temperaturbeständigen anorganischem Bindemittel versetzt, z. B. kalkhaltiger und/oder kieselsäurehaltiger Zement (ohne Zusatz). Dieser Zement ist von dem Bauzement (Portland- Zement) zu unterscheiden.
- Durch die Zumischung von keramischen Stoffen kann auch eine solche Verfestigung der inneren Schicht (2) erreicht werden, dass sie selbsttragend ist, d. h. die stabilisierende Wirkung der äußeren Schicht (4) ist nicht mehr erforderlich. Damit kann die äußere Schicht (4) so ausgelegt werden, dass sie nur eine Schutzfunktion z. B. gegen Wasser, Staub oder Abrieb aufweist, beispielsweise in Form einer organischen Beschichtung.
Claims (10)
1. Feuerhemmendes Batteriegehäuse,
dass die Wandung (1) des Batteriegehäuses ein thermisch aktives
Material (3) enthält, welches bei Temperaturerhöhung durch
strukturelle Umwandlung Wärmeenergie aufnimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die strukturelle Umwandlung eine Phasenänderung bzw. die
Desorption von Wasser ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das thermisch aktive Material (3) Zeolith oder
Gibbsit enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wandung (1) des Batteriegehäuses
schichtförmig aufgebaut ist, wobei das thermisch aktive Material (3)
in einer inneren Schicht (2) vorhanden ist, die von einer
äußeren Schicht (4) umgeben ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Schicht (2) durch Zusatz von temperaturbeständigem
anorganischem Bindemittel verfestigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das temperaturbeständige anorganische Bindemittel Zement ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Zement kalkhaltig und/oder kieselsäurehaltig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (4) aus Metall besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die äußere Schicht (4) die innere Schicht (2) hermetisch
einschließt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die äußere Schicht (4) als
nichtmetallische Beschichtung der inneren Schicht (2) ausgeführt ist.
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