-
Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 19, wie sie bspw. aus der gattungsbildend zugrunde gelegten
DE 10 2007 017 018 A1 als bekannt hervorgeht.
-
Aus der gattungsbildend zugrunde gelegten
DE 10 2007 1017 018 A1 ist eine Batterie, die aus mehreren Einzelzellen besteht. Die Einzelzellen sind von einem Gehäuse umgebenen und weisen innerhalb ihres Gehäuses eine elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit auf. Die Elektrofolien der Elektrodenfolieneinheit sind entsprechend ihrer Polarität über Leiterfahnen mit ihrem jeweils zugehörigen Pol verbunden. Die Pole bilden die äußeren elektrischen Anschlüsse der Einzelzelle und sind im Deckel des Gehäuses der Einzelzelle angeordnet. Die Pole einer Einzelzelle sind zumindest zeitweilig jeweils elektrisch leitend mit einer außerhalb der Einzelzellen angeordneten und dem jeweiligen Pol zugeordneten Leiterschiene verbunden. Zwischen einem Pol einer Einzelzelle und der ihm zugeordneten Leiterschiene ist ein Federelement angeordnet, das zumindest zwei stabile Lagen aufweist. Des weiteren ist der Deckel des Gehäuses einer Einzelzelle in Richtung der Auslenkung des Federelements verschiebbar ausgebildet.
-
Das Federelement bildet zusammen mit dem verschiebbaren Deckel des Gehäuses eine Schutzvorrichtung, die durch einen erhöhten Innendruck der Einzelzelle aktivierbar ist und die bei einem Kurzschluss und vor Überladung und zu hohen Stromstärken bei einem Lade- oder Entladevorgang schützt. Die Schutzvorrichtung ist zweckmäßig, da derartige Batterien unter starker Belastung oder bei Überlastung (z. B. bei Überladung oder zu hohem Entladestrom, beispielsweise bei einem Kurzschluss), im Schadensfall (z. B. Unfall, Elektrolytzersetzung) oder sogar im Normalbetrieb bei starker Erhitzung von außen in einen thermisch unkontrollierbaren Zustand geraten können. Dabei können sie überhitzen, einen gefährlichen inneren Druck (auch Zelleninnendruck genannt) bis hin zum Bersten oder Explodieren der Zelle und des Gehäuses aufbauen, wodurch gefährliche Stoffe freigesetzt werden. Speziell im Bereich moderner Lithium- oder Lithium-Ionen-Batterien besteht eine besondere Gefährdung, da diese Batterien flüssige, brennbare, organische Elektrolyte enthalten. Diese Batterien können unter ungünstigen Umständen in Brand geraten und stellen ein sicherheitstechnisches Problem dar.
-
Aus dem Stand der Technik ist, wie in
DE 195 24 870 C2 beschrieben, eine Schutzvorrichtung zum Schutz vor Überladung und zu hohen Ladeströmen beim Aufladen von Batteriezellen und eine Batteriezelle mit einer derartigen Schutzvorrichtung bekannt. Die Schutzvorrichtung weist ein Gehäuse und ein Abschlussteil auf, wobei eines von diesen biegsam ist. Das Gehäuse und das Abschlussteil sind elektrisch leitfähig. Zwischen dem Gehäuse und dem Abschlussteil ist eine elektrisch leitfähige Passage ausgebildet. Das Gehäuse und das Abschlussteil sind durch diese elektrisch leitfähige Passage elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitfähige Passage ist durch ein Biegen des Gehäuses oder des Abschlussteils unter der Einwirkung eines äußeren Druckes unterbrechbar, wodurch die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Abschlussteil trennbar ist.
-
In
US 2006/0267545 A1 wird eine Batterie mit erhöhter Sicherheit beschrieben. Die Batterie besteht aus einem Zellverbund von Einzelzellen, welche ladbar und entladbar eng nebeneinander angeordnet und miteinander elektrisch verbunden sind. Wenn sich die Einzelzellen aufgrund außergewöhnlicher Bedingungen ausdehnen, beispielsweise aufgrund langer Lade- bzw. Entladevorgänge, wird der Druck, welcher aufgrund der geänderten Dicke der ausgedehnten Einzelzellen entsteht, auf einen vorgegebenen Bereich des Zellverbundes konzentriert. Dadurch ändert sich die Anordnung des Zellverbundes, so dass eine elektrische Verbindung des Zellverbundes mechanisch getrennt wird, wodurch Lade- und Entladevorgänge unterbrochen werden und die Batterie sowie deren Umgebung vor weiteren Beschädigungen geschützt sind.
-
In
US 6,524,741 B1 wird eine Batterie mit einem integrierten Unterbrechungsmechanismus beschrieben. Ein Zellverbund einer Batterie umfasst einen verschlossenen Innenraum mit zumindest einer elektrochemischen Einzelzelle darin, deren Polkontakte mittels elektrischer Verbinder an eine externe Last angeschlossen sind. Mindestens einer dieser elektrischen Verbinder ist so ausgelegt, dass er Lade- bzw. Entladevorgänge der Batterie bei einem ausreichenden Anstieg des Innendrucks des verschlossenen Innenraums automatisch abschaltet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle mit einer verbesserten Schutzvorrichtung sowie eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Batterie anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einzelzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 19 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Eine Einzelzelle umfasst eine von einem Gehäuse umgebene elektrochemisch aktive Elektrodenfolieneinheit mit einem ersten Polkontakt der Elektrodenfolieneinheit, welcher elektrisch mit einer ersten Ableiterfahnen verbunden ist und mit einem zweiten Polkontakt der Elektrodenfolieneinheit, welcher elektrisch mit einer zweiten Ableiterfahne verbunden ist, sowie eine durch einen erhöhten Innendruck der Einzelzelle aktivierbare Schutzvorrichtung zum Schutz bei einem Kurzschluss und zum Schutz vor Überladung und zu hohen Stromstärken bei einem Lade- oder Entladevorgang.
-
Erfindungsgemäß ist zwischen der ersten Ableiterfahne und dem ersten Polkontakt und/oder zwischen der zweiten Ableiterfahne und dem zweiten Polkontakt jeweils ein Federelement angeordnet.
-
In Einzelzellen einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, steigt eine Temperatur und ein Innendruck bei einer Fehlfunktion der Einzelzelle, beispielsweise bei einem Kurzschluss oder einer Überladung, erheblich an, da eine in den Einzelzellen enthaltene elektrochemisch aktive Masse, beispielsweise Nickeloxid, thermisch instabil ist und sich oberhalb einer bestimmten Temperatur in einer exothermen Reaktion irreversibel zersetzt. Durch diesen Zersetzungsvorgang erwärmt sich die Einzelzelle noch weiter und der Innendruck steigt weiter an. Dies kann dazu führen, dass eine solche Einzelzelle bzw. eine mit diesen Einzelzellen bestückte Batterie explodiert und/oder schädliche Stoffe freisetzt.
-
Um dies zu verhindern, ist mittels der erfindungsgemäßen Lösung ein Stromkreis einer solchen defekten Einzelzelle bereits vor einer Explosion und/oder einer Freisetzung schädlicher Stoffe dauerhaft unterbrechbar, so dass von dieser defekten Einzelzelle keine Gefahr mehr ausgeht. Durch das Federelement ist auch bei einer Abkühlung der Einzelzelle nach Trennung des Stromkreises und eine dadurch hervorgerufene Verringerung des Innendrucks der Einzelzelle ein erneutes Schließen des Stromkreises mit den beschriebenen gefährlichen Auswirkungen dauerhaft wirksam verhinderbar. Prinzipiell ist es dabei ausreichend, wenn die Schutzvorrichtung, d. h. die Trennung des Stromkreises durch Trennung der elektrischen Verbindung zwischen dem Polkontakt und der Ableiterfahne, jeweils nur bei einem Polkontakt und einer zugehörigen Ableiterfahne aktivierbar ist. Deshalb ist auch prinzipiell nur ein Federelement zwischen einer Ableiterfahne der Einzelzelle und dem entsprechenden Polkontakt notwendig. Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch vorteilhaft, die Schutzvorrichtung an beiden Polkontakten bzw. Ableiterfahnen anzuordnen, wobei der Stromkreis dann bereits unterbrochen ist, wenn eine elektrische Verbindung zwischen einer Ableiterfahne und dem entsprechenden Polkontakt getrennt ist.
-
Die Einzelzelle ist bevorzugt eine Flachzelle, da bei einer solchen Bauart der Einzelzelle die erfindungsgemäße Lösung besonders günstig anwendbar und besonders einfach und kostengünstig realisierbar ist.
-
Das Federelement ist vorzugsweise als Blattfeder ausgeführt und vorgespannt. Diese ist im vorgespannten Zustand, insbesondere bei einer Flachzelle, Bauraum sparend zwischen der Elektrodenfolieneinheit und der Ableiterfahne anordbar, so dass ein Bauraumbedarf einer solchen Flachzelle nicht bzw. nur unwesentlich von einem Bauraumbedarf einer Flachzelle ohne diese Schutzvorrichtung abweicht.
-
Das Federelement ist zweckmäßigerweise gegenüber dem Polkontakt und/oder der Ableiterfahne elektrisch Isoliert und/oder aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass, wenn der Kontakt zwischen der Ableiterfahne und dem Polkontakt aufgrund eines Auslösers der Schutzvorrichtung unterbrochen ist, kein Strom über das Federelement zwischen der Ableiterfahne und dem Polkontakt fließen kann, d. h. dass der Stromkreis sicher unterbrochen ist.
-
In einem Bereich der ersten Ableiterfahne und des ersten Polkontaktes und/oder in einem Bereich der zweiten Ableiterfahne und des zweiten Polkontaktes ist eine Dicke der Einzelzelle reduziert. Insbesondere bei Flachzellen sind diese in einer Batterie in einem Zellverbund parallel zueinander auf sehr engem Raum angeordnet, so dass kein oder nur ein sehr geringer Zwischenraum zwischen diesen vorhanden ist, um einen Bauraum der Batterie möglichst effizient zu nutzen bzw. die Batterie möglichst Bauraum sparend zu fertigen. Aus diesem Grund ist eine Ausdehnung einer solchen Flachzelle aufgrund eines erhöhten Innendrucks nicht möglich, wodurch die Schutzvorrichtung nicht aktivierbar wäre. Dies würde zu einem unkontrollierbaren Anstieg des Innendrucks mit den bereits beschriebenen gefährlichen Folgen führen. Die erfindungsgemäße Einzelzelle ist in einer Batterie so Bauraum sparend einsetzbar wie entsprechende Einzelzellen nach dem Stand der Technik, so dass auch ein Bauraumbedarf einer mit den erfindungsgemäßen Einzelzellen ausgerüsteten Batterie nicht erhöht ist. Augrund der reduzierten Dicke der Einzelzelle in dem Bereich um die Polkontakte und Ableiterfahnen ist aber sichergestellt, dass die Schutzvorrichtung trotzdem funktioniert. In diesem Bereich ist auf diese Weise zwischen den Einzelzellen ein Freiraum geschaffen, in welchem hinein das Gehäuse bei einem erhöhten Innendruck ausdehnbar ist, so dass die Schutzvorrichtung auslösbar ist.
-
Das Gehäuse umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest einen ersten Gehäuseteil und einen zweiten Gehäuseteil. Diese Gehäuseteile sind zweckmäßigerweise durch einen Fließpress- oder einen Tiefziehprozess ausformbar und auf diese Weise schnell und kostengünstig produzierbar.
-
Besonders bevorzugt ist die erste Ableiterfahne und/oder die zweite Ableiterfahne mit dem ersten Gehäuseteil mechanisch verbunden, beispielsweise mit diesem verklebt und/oder verschweißt und/oder verschraubt, und beide Ableiterfahnen sind gegenüber dem Gehäuse isoliert. Eine solche Verbindung ist einfach, schnell und kostengünstig herstellbar und steht sicher, dass die elektrische Verbindung zwischen der Ableiterfahne und dem zugehörigen Polkontakt durch eine Ausdehnung des Gehäuses, d. h. eine Ausdehnung des ersten Gehäuseteils nach außen sicher trennbar ist.
-
Die Ableiterfahnen sind zweckmäßigerweise durch dafür vorgesehene Öffnungen des Gehäuses nach außen hindurchgeführt um auf diese Weise die Einzelzellen miteinander zu verbinden und die Batterie in einen Stromkreis einzubinden. Im Bereich dieser Öffnungen sind die Ableiterfahnen natürlich ebenfalls gegenüber dem Gehäuse isoliert.
-
Analog der Ableiterfahnen ist besonders bevorzugt auch der erste Polkontakt und/oder der zweite Polkontakt der Elektrodenfolieneinheit mit dem zweiten Gehäuseteil mechanisch verbunden, ebenfalls beispielsweise verklebt und/oder verschweißt und/oder verschraubt, wobei auch die Elektrodenfolieneinheit und deren Polkontakte gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert sind. Bei einer solchen Anordnung, feste mechanische Verbindung der Ableiterfahnen mit dem ersten Gehäuseteil und feste mechanische Verbindung der Polkontakte mit dem zweiten Gehäuseteil, ist sichergestellt, dass bei einer Ausdehnung des Gehäuses aufgrund eines erhöhten Innendrucks, das heißt eine Bewegung der Gehäuseteile nach außen, entgegengesetzt zueinander und voneinander weg, auch die Ableiterfahnen und die jeweils entsprechenden Polkontakte voneinander trennbar sind, wodurch die elektrische Verbindung getrennt ist und somit eine weitere Erhitzung der Einzelzelle und eine Erhöhung des Innendrucks mit den beschriebenen Gefahren verhinderbar ist. Durch die dazwischen angeordnete, dann entspannte Blattfeder ist in der Folge eine erneute Kontaktierung von Polkontakten und Ableiterfahnen verhinderbar.
-
Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise gegen Gase und Flüssigkeiten abgedichtet verschlossen. Dies ist zum einen notwendig, um einen Austritt von Gasen und Flüssigkeiten und die damit verbundenen Gefahren zu verhindern, zum anderen ist erst durch ein entsprechend abgedichtetes Gehäuse der für eine Auslösung der Schutzvorrichtung notwendige Innendruck aufbaubar. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse vorzugsweise durch Verkleben und/oder Verschweißen und/oder Verschrauben der beiden Gehäuseteile verschlossen und wenn notwendig zusätzlich abgedichtet. Insbesondere Flachzellen sind durch ein Verschweißen von Rändern der Gehäuseteile effizient, d. h. schnell, kostengünstig und sicher abdichtend, verschließbar.
-
Eine Batterie umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verbundener Einzelzellen. Insbesondere bei einer Ausführung der Einzelzellen als Flachzellen sind diese bevorzugt dicht hintereinander angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet. Auf diese Weise ist eine Batterie mit einem optimal kleinen Bauraumbedarf realisierbar, wodurch sie effizient in einem jeweils vorgesehenen Einsatzbereich einsetzbar ist.
-
Vorzugsweise ist eine solche Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Fahrzeug, insbesondere eine Batterie für ein Fahrzeug mit Hybridantrieb oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug. Diese Fahrzeuge benötigen sehr leistungsfähige Batterien, welche auf einem sehr begrenzten Bauraum unterzubringen sind. Bei den in derartigen Fahrzeugen eingesetzten Batterien ist ein sehr hohes Schutzniveau sicherzustellen, da eine Beschädigung einer oder mehrerer Batterien, beispielsweise eine Explosion und/oder ein Austritt von schädlichen Stoffen aus den Einzelzellen, sowohl für das Fahrzeug als auch für Insassen schwerwiegende Folgen haben könnte, beispielsweise Beschädigungen des Fahrzeugs, Vergiftungen oder Verätzungen der Insassen, bei Überhitzung der Batterien ein Brand des Fahrzeugs oder ein durch eine Explosion der Batterien oder deren Auswirkungen verursachter Unfall des Fahrzeugs. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist sicherstellbar, dass derartige Fahrzeuge effizient und sicher betreibbar sind.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Einzelzelle ohne Gehäuse,
-
2 eine perspektivische Darstellung eines vorgespannten Federelementes,
-
3 eine perspektivische Darstellung eines entspannten Federelementes,
-
4 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Einzelzelle,
-
5 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Einzelzelle,
-
6 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einzelzelle im Bereich eines Polkontaktes, und
-
7 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einzelzelle im Bereich eines Polkontaktes nach Unterbrechung einer elektrischen Verbindung.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 ohne Gehäuse 2. Dargestellt ist eine Elektrodenfolieneinheit 3 mit einem ersten Polkontakt 4 und einem zweiten Polkontakt 5, welche jeweils durch zusammengefasste Enden von Anoden- bzw. Kathodenfolien der Elektrodenfolieneinheit 3 ausgeformt sind. Der erste Polkontakt 4 ist elektrisch mit einer ersten Ableiterfahne 6 und der zweite Polkontakt 5 elektrisch mit einer zweiten Ableiterfahne 7 verbindbar, welche auf diesen Polkontakten 4, 5 anordbar sind. Zwischen einer Ableiterfahne 6, 7 und einem Polkontakt 4, 5 oder, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, zwischen beiden Ableiterfahnen 6, 7 und den entsprechenden Polkontakten 4, 5 sind vorgespannte Federelemente 8 anordbar. Diese Federelemente 8 sind beispielsweise, wie hier dargestellt, Blattfedern. Kanten 9 der Ableiterfahnen 6, 7 sind in einem rechten Winkel umgebogen, um einen Abstand zu den Polkontakten 4, 5, welcher durch das dazwischen angeordnete vorgespannte Federelement 8 verursacht ist, zu überbrücken und auf diese Weise einen elektrischen Kontakt zu den Polkontakten 4, 5 zu ermöglichen.
-
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des vorgespannten Federelementes 8, welches zwischen einem Polkontakt 4, 5 und einer Ableiterfahne 6, 7 angeordnet ist. Dieses Federelement 8 ist vorzugsweise, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Blattfeder, da ein Bauraumbedarf einer solchen vorgespannten Blattfeder sehr gering ist. Dadurch ist der Bauraumbedarf einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 gegenüber dem Bauraumbedarf einer Einzelzelle ohne Schutzvorrichtung nicht bzw. nur geringfügig größer. Das Federelement 8 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise Kunststoff. Dadurch ist sichergestellt, dass der Polkontakt 4, 5 und die Ableiterfahne 6, 7 nicht über das Federelement 8 elektrisch verbunden sind, d. h. dass kein Strom über das Federelement 8 zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 fließt.
-
3 zeigt eine perspektivische Darstellung des entspannten Federelementes 8. Durch eine Entspannung des Federelementes 8, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Blattfeder, ist ein Bauraumbedarf durch eine nun wellenförmige Ausformung des Federelementes 8 erheblich erhöht. Ist das Federelement 8 in dieser entspannten Form zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 angeordnet, so reichen die abgewinkelten Kanten 9 der Ableiterfahne 6, 7 nicht mehr an den Polkontakt 4, 5 heran, wodurch der auf diese Weise gebildete Abstand zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 über das Federelement 8 hinweg nicht mehr überbrückbar ist. Daher ist zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 keine elektrische Verbindung mehr möglich.
-
4 zeigt eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1. Die Ableiterfahnen 6, 7 sind mit den Polkontakten 4, 5 der Elektrodenfolieneinheit 3 kontaktiert, die vorgespannten Federelemente 8 sind zwischen den Ableiterfahnen 6, 7 und den jeweiligen Polkontakten 4, 5 angeordnet. In einem ersten Gehäuseteil 2,1 und einem zweiten Gehäuseteil 2,2 sind jeweils Vertiefungen 10 für eine Aufnahme der Elektrodenfolieneinheit 3 angeordnet. In einem Bereich 11 der Polkontakte 4, 5 und Ableiterfahnen 6, 7 sind die Gehäuseteile 2,1, 2,2 nicht bzw. wesentlich geringer vertieft, so dass eine Dicke der Einzelzelle 1 in diesem Bereich 11 geringer ist. An einer oberen Kante der beiden Gehäuseteile 2,1, 2,2 sind Aussparungen 12 angeordnet, wodurch Öffnungen zur Durchführung der Ableiterfahnen 6, 7 gebildet sind. Die Gehäuseteile 2,1, 2,2 sind beispielsweise in einem Fließpress- oder Tiefziehprozess einfach, schnell und kostengünstig produzierbar. Die Ableiterfahnen 6, 7 sind bei einer Fertigung der Einzelzellen 1 mit dem ersten Gehäuseteil 2,1 und die Polkontakte 4, 5 mit dem zweiten Gehäuseteil 2,2 mechanisch verbindbar, beispielsweise durch Kleben oder Verschweißen. Dabei ist sicherzustellen, dass sowohl die Ableiterfahnen 6, 7 als auch die Polkontakte 4, 5 und natürlich auch die Elektrodenfolieneinheit 3 selbst gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert ist, beispielsweise durch eine elektrisch nicht leitfähige Innenbeschichtung der Gehäuseteile 2,1, 2,2.
-
5 zeigt eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1. Das Gehäuse 2 ist durch eine Verbindung der beiden Gehäuseteile 2,1, 2,2, beispielsweise durch Verschweißen von Rändern der Gehäuseteile 2,1, 2,2 gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen. Die Ableiterfahnen 6, 7 sind durch die Öffnungen im Gehäuse 2 gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert nach außen hindurchgeführt. Diese Öffnungen sind entlang der Ableiterfahnen 6, 7 ebenfalls gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen, so dass innerhalb der Einzelzelle 1 ein gas- und flüssigkeitsdichter Innenraum gebildet ist und auch bei einer Erhöhung eines Innendrucks in diesem Innenraum der Einzelzelle 1, zumindest bis zu einem bestimmten Innendruck, kein Gas- oder Flüssigkeitsaustritt möglich ist, d. h. dass eine Erhöhung des Innendrucks ermöglicht ist.
-
Eine derartige als Flachzelle gefertigte Einzelzelle 1 benötigt nur einen sehr geringen Bauraumbedarf und ist daher sehr gut beispielsweise für Fahrzeugbatterien geeignet, insbesondere zum Einsatz in Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugen, da aufgrund des nur begrenzt vorhandenen Bauraums und einer grollen Anzahl benötigter Batterien bevorzugt Batterien mit einer sehr kompakten Bauform einsetzbar sind. Im Bereich 11 der Polkontakte 4, 5 bzw. der Ableiterfahnen 6, 7 ist die geringere Dicke der Einzelzelle 1 infolge der nicht bzw. wesentlich geringer ausgeformten Vertiefung 10 der Gehäuseteile 2,1, 2,2 zu erkennen. In einer Batterie sind aufgrund der möglichst kompakten Bauform mehrere dieser Einzelzellen 1 sehr eng hintereinander angeordnet, wobei die Einzelzellen 1 parallel zueinander angeordnet sind. Steigt eine Temperatur und der Innendruck bei einer Fehlfunktion der Einzelzelle 1, beispielsweise bei einem Kurzschluss oder einer Überladung, erheblich an, da eine in den Einzelzellen 1 enthaltene elektrochemisch aktive Masse, beispielsweise Nickeloxid, thermisch instabil ist und sich oberhalb einer bestimmten Temperatur in einer exothermen Reaktion irreversibel zersetzt und durch diesen Zersetzungsvorgang sich die Einzelzelle 1 noch weiter erwärmt und der Innendruck noch weiter steigt, ist das Gehäuse 2 aufgrund dieser engen Anordnung der Einzelzellen 1 in der Batterie nicht ausdehnbar. Im Bereich 11 der Einzelzelle 1 mit einer geringeren Dicke ist jedoch genug Platz zwischen den Einzelzellen 1 vorhanden, so dass dieser Teil des Gehäuses 2 ausdehnbar ist.
-
6 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 im Bereich eines Polkontaktes 4, 5. Die Ableiterfahne 6, 7 ist am ersten Gehäuseteil 2,1 und der Polkontakt 4, 5 am zweiten Gehäuseteil 2,2 mechanisch befestigt. Die Kanten 9 der Ableiterfahne 6, 7 sind mit dem Polkontakt 4, 5 elektrisch verbunden. Zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 ist das vorgespannte Federelement 8 angeordnet.
-
7 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 im Bereich eines Polkontaktes 4, 5 nach Unterbrechung der elektrischen Verbindung. Aufgrund eines Anstiegs des Innendrucks im Inneren des Gehäuses 2, verursacht durch eine bereits beschriebene Fehlfunktion der Einzelzelle 1, ist das Gehäuse 2 im Bereich 11 der Polkontakte 4, 5 und Ableiterfahnen 6, 7 ausgedehnt. Die beiden Gehäuseteile 2,1, 2,2 sind in diesem Bereich 11 nach außen gedrückt. Dies ist, wie bereits beschrieben, ermöglicht durch den vergrößerten Abstand der Einzelzellen 1 zueinander durch die geringere Dicke der Einzelzellen 1 in diesem Bereich 11. Diese Bewegung der Gehäuseteile 2,1, 2,2 nach außen hatte auch eine Bewegung des Polkontaktes 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 zur Folge, da diese an den Gehäuseteilen 2,1, 2,2 befestigt sind. Das heißt, die Ableiterfahne 6, 7 und der Polkontakt 4, 5 sind nun soweit voneinander entfernt, dass die elektrische Verbindung zwischen diesen unterbrochen ist.
-
In Folge des größeren Abstandes zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 ist das Federelement 8 entspannt, so dass es nun wellenförmig ausgebildet ist und einen wesentlich größeren Bauraum beansprucht. Aufgrund der unterbrochenen elektrischen Verbindung zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 ist die den erhöhten Innendruck verursachende Fehlfunktion der Einzelzelle 1 beseitigt. Eine daraus resultierende Abkühlung der Einzelzelle 1 hat einen geringeren Innendruck zur Folge. Ohne dieses Federelement 8 hätte der geringere Innendruck eine Zusammenziehung des Gehäuses 2 und daraus resultierend eine erneute Kontaktierung des Polkotaktes 4, 5 mit der Ableiterfahne 6, 7 zur Folge, mit einer erneuten Fehlfunktion und den beschriebenen Folgen. Durch dieses nun entspannte Federelement 8 ist eine solche erneute elektrische Kontaktierung des Polkontaktes 4, 5 mit der Ableiterfahne 6, 7 und dadurch die bereits beschriebenen Gefahren wie zum Beispiel Explosion der Einzelzelle 1 und Austritt von schädlichen Stoffen sicher und dauerhaft verhinderbar. Dazu ist ein Federelement 8 anzuordnen, dessen Federkraft im gespannten Zustand nicht ausreicht, um die elektrische Verbindung zwischen dem Polkontakt 4, 5 und der Ableiterfahne 6, 7 zu trennen, dessen Federkraft im entspannten Zustand jedoch ausreichend groß ist, um den bei einem Zusammenziehvorgang des Gehäuses 2 der Einzelzelle 1 auf den Polkontakt 4, 5 und die Ableiterfahne 6, 7 und damit auf das Federelement 8 wirkenden Kräften standzuhalten, so dass das Federelement 8 durch diese einwirkenden Kräfte nicht wieder spannbar ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Einzelzelle
- 2
- Gehäuse
- 2,1, 2,2
- Gehäuseteile
- 3
- Elektrodenfolieneinheit
- 4, 5
- Polkontakte
- 6, 7
- Ableiterfahnen
- 8
- Federelement
- 9
- Kanten
- 10
- Vertiefung
- 11
- Bereich
- 12
- Aussparung
