DE102009048236A1

DE102009048236A1 - Elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE102009048236A1
Application number: DE102009048236A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Eichinger; Tim Schäfer
Original assignee: Li Tec Battery GmbH
Current assignee: Li Tec Battery GmbH
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2011-04-21
Also published as: BR112012007807A2; CN102687307A; US20120282499A1; KR20120093253A; JP2013506966A; EP2486612A1; WO2011042092A1

Abstract

Elektrochemische Zelle (1), umfassend einen Elektrodenstapel (13), der von einer Umhüllung (2) insbesondere gas- und/oder flüssigkeitsdicht abgedichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (1) eine Druckentlastungsvorrichtung (4) insbesondere in Form einer Sollbruchstelle aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zelle und eine Batterieanordnung mit mindestens einer solchen Elektrochemischen Zelle.
Aus der DE 10 2007 063 193 A1 ist eine Lithium-Ionen-Batterie in Flachbauweise bekannt, an deren Gehäuserahmen ein Berstbereich vorgesehen ist. Dabei ist in einer Öffnung eine Überdrucksicherung eingebracht. Die Überdrucksicherung umfasst eine Sicherungsmembran, die in kritischen Überdrucksituationen definiert aufbricht, um ein Ausströmen von Gasen zu ermöglichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Elektrochemische Zelle bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrochemische Zelle, umfassend einen Elektrodenstapel, der von einer Umhüllung umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrochemische Zelle eine Druckentlastungsvorrichtung insbesondere in Form einer Sollbruchstelle aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Unter Umhüllung ist im Rahmen der Erfindung eine zumindest teilweise Begrenzung zu verstehen, welche die Elektrodenstapel nach außen hin abgrenzt. Die Umhüllung ist vorzugsweise gas- und flüssigkeitsdicht, so dass ein Materialaustausch mit der Umgebung nicht stattfinden kann. Die Elektrodenstapel sind innerhalb der Umhüllung angeordnet. Die Umhüllung weist zumindest ein Umhüllungsteil insbesondere mehrere Umhüllungsteile auf.
So kann beispielsweise ein Umhüllungsteil aus einem Formteil hergestellt sein. Es können zwei Formteile verwendet werden. Ferner kann ein Rahmen oder auch ein Rahmenteil ein Umhüllungsteil darstellen. Wenigstens ein Stromableiter, insbesondere zwei Stromableiter erstrecken sich aus der Umhüllung hinaus und dienen zum Anschließen der Elektrodenstapel. Die nach außen sich erstreckenden Stromableiter stellen dabei vorzugsweise den Pluspolanschluss und den Minuspolanschluss der Elektrochemischen Zelle dar. Jedoch können sich auch mehrere Stromableiter aus der Umhüllung erstrecken, insbesondere vier Stromableiter. Wenn die Elektrochemische Zelle dabei zwei Elektrodenstapel aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, so sind zwei Elektroden unterschiedlicher Elektrodenstapel miteinander verbunden.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Elektrodenstapel eine Einrichtung zu verstehen, welche als Baugruppe einer galvanischen Zelle auch der Speicherung chemischer Energie und zur Abgabe elektrischer Energie dient. Dazu weist der Elektrodenstapel mehrere plattenförmige Elemente auf, wenigstens zwei Elektroden, Anode und Kathode, und einen Separator, welcher den Elektrolyt wenigstens teilweise aufnimmt. Vorzugsweise sind wenigstens eine Anode, ein Separator und eine Kathode übereinander gelegt bzw. gestapelt, wobei der Separator wenigstens teilweise zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Diese Abfolge von Anode, Separator und Kathode kann sich innerhalb des Elektrodenstapels beliebig oft wiederholen. Vorzugsweise sind die plattenförmigen Elemente zu einem Elektrodenwickel aufgewickelt. Nachfolgend wird der Begriff „Elektrodenstapel” auch für Elektrodenwickel verwendet. Vor der Abgabe elektrischer Energie wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie gewandelt. Während des Ladens wird die dem Elektrodenstapel bzw. der galvanischen Zelle zugeführte elektrische Energie in chemische Energie gewandelt und abgespeichert. Vorzugsweise weist der Elektrodenstapel mehrere Elektrodenpaare und Separatoren auf. Besonders bevorzugt sind einige Elektroden untereinander insbesondere elektrisch verbunden.
Unter einem Rahmen im Sinne der vorliegenden Erfindung soll jede konstruktive Einrichtung verstanden werden, die geeignet ist, die Zelle mechanisch gegen Umwelteinflüsse zu stabilisieren, insbesondere gegen von außen oder innen angreifende Kräfte, und die bei der Herstellung der Zelle mit der Verpackung der Zelle fest verbunden werden kann. Wie die Wortwahl bereits andeutet, ist ein Rahmen vorzugsweise eine im Wesentlichen rahmenförmige Einrichtung, deren Funktion im Wesentlichen darin besteht, einer galvanischen Zelle mechanische Stabilität zu verleihen. Der Rahmen kann ein Umhüllungsteil darstellen.
Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere Überladung, Kurzschluss oder Überhitzung kann sich in Elektrochemischen Zellen ein Überdruck entwickeln. Im Extremfall kann ein solcher Überdruck zum Bersten der Umhüllung und/oder zu einem Brand führen. Dabei können auch benachbarte Elektrochemische Zellen in Mitleidenschaft gezogen werden. Das Vorsehen einer Druckentlastungsvorrichtung kann dazu beitragen, dass die Folgen der oben genannten Bedingungen entschärft werden. Eine Druckentlastungsvorrichtung ist dabei insbesondere eine derartige Vorrichtung, welche bei Auftreten eines bestimmten Drucks, nämlich eines Berstdrucks, insbesondere ein Austreten von Material aus dem Innenraum der Elektrochemischen Zelle nach außen ermöglicht. Ferner kann eine Druckentlastungsvorrichtung ein Austreten von Material aus dem Elektrochemischen Zelleninneren nach außen ermöglichen, wenn eine bestimmte Temperatur, nämlich eine Bersttemperatur erreicht oder überschritten wird. Insofern kann eine Druckentlastungsvorrichtung auch unabhängig vom Druck nur bei Auftreten der Bersttemperatur einen Druckentlastungsvorgang einleiten.
Ein Druckentlastungsvorgang ist insbesondere dann vorhanden, wenn Material vom Elektrochemischen Zelleninneren insbesondere aufgrund eines Öffnens der Druckentlastungsvorrichtung nach außen treten kann. Dabei kann die Druckentlastungsvorrichtung in Form einer Sollbruchstelle ausgestaltet sein. Eine Sollbruchstelle ist dabei insbesondere derart gestaltet, dass Teile der Druckentlastungsvorrichtung im Falle eines Druckentlastungsvorgangs zerstört werden.
Vorzugsweise umfasst die Druckentlastungsvorrichtung eine Berstscheibe, die einen Durchbruch der Umhüllung verschließt. Dabei verschließt die Berstscheibe den Durchbruch der Umhüllung lediglich in dem Fall, in dem ein Druckentlastungsvorgang nicht vorliegt. Im Falle eines Druckentlastungsvorgangs selbst ist das Verschließen des Durchbruchs durch die Berstscheibe gestört, so dass die Berstscheibe ein Hindurchtreten von Material durch den Durchbruch zumindest nicht vollständig verhindern kann. Genauere Ausgestaltungen der Berstscheibe und der entsprechenden Verschließungsmöglichkeiten des Durchbruchs durch die Berstscheibe werden nachfolgend näher erörtert.
Die Berstscheibe kann aus einem Kunststoff hergestellt sein, insbesondere aus einem Polymer. Die Berstscheibe kann in ihren geometrischen Ausmaßen und/oder mechanischen Eigenschaften derart gestaltet sein, dass sie bei Erreichen des Berstdruck oder der Bersttemperatur ihre mechanische Festigkeit verliert und somit die Umhüllung nicht mehr verschließen kann. Der Kunststoff zur Herstellung der Berstscheibe kann dargestellt sein aus PE, PP, PTFE, CTFE, FEP, HFP oder anderen insbesondere fluorierten Polymeren.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe aus einer Folie hergestellt. Die Folie kann bei Erreichen oder Überschreiten des Berstdruckes zumindest teilweise zerstört werden, insbesondere reißen. Die Folie kann auch bei Erreichen oder Überschreiten der Bersttemperatur schmelzen.
Vorzugsweise sind die Berstscheibe und die Umhüllung aus einem identischem Material hergestellt. Dabei kann zunächst die Umhüllung vollständig geschlossen hergestellt werden und anschließend die Berstscheibe aus der Umhüllung herausgetrennt werden, insbesondere herausgeschnitten oder herausgestanzt werden. Die Berstscheibe kann anschließend wieder fest mit der Umhüllung verschlossen werden. Hierdurch können die Kosten für die Herstellung der Umhüllung mitsamt der Druckentlastungsvorrichtung verringert werden.
Vorzugsweise weist die Berstscheibe mehrere Schichten auf, darunter insbesondere eine diffusionsmindernde Schicht. Eine diffusionsmindernde Schicht kann vorzugsweise basieren auf Flourpolymeren, Silikon oder Paraffin. Ferner kann eine Schicht der Berstscheibe aus einem Metall hergestellt sein, insbesondere aus Aluminium. Eine Schicht kann auf eine andere Schicht der Berstscheibe aufgedampft sein, insbesondere kann die Aluminiumschicht auf eine Kunststoffschicht aufgedampft sein. Kunststoffe, die auf Kohlenwasserstoffen basieren können insbesondere die Diffusion von Wasser bzw. Wasserdampf begünstigen. Die diffusionsmindernde Schicht verhindert dabei vorzugsweise die Diffusion von Wasser bzw. Wasserdampf durch die Berstscheibe. Dies kann ebenfalls durch eine Metallschicht erreicht werden. Diese Ausführungen gelten auch für Umhüllungsteile allgemein. Damit eine der beiden Schichten lediglich einen zu vernachlässigenden mechanischen Einfluss auf die Bersteigenschaften der Berstscheibe ausüben kann, kann diejenige Schicht perforiert sein.
Eine Metallschicht der Umhüllung, nämlich insbesondere eines Umhüllungsteils und/oder der Berstscheibe kann mittels eines Polymerüberzugs beschichtet werden. Dies kann eine mögliche Korrosion der Metallschicht vorbeugen. Insbesondere wenn die Metallschicht dem Innenraum der Elektrochemischen Zelle zugewandt ist kann dies einer Korrosion durch den Elektrodenstapel und der dort befindlichen Materialien vorbeugen. Die Metallschicht kann durch gezielte Oxidation unter Ausbildung einer dichten Oxidschicht, insbesondere durch Eloxieren, vorbehandelt sein. Hierdurch kann sich eine weitere Beständigkeit gegenüber Korrosion ergeben. Ferner kann eine Metallschicht auch weiteren Vorbehandlungen unterzogen werden, die insbesondere einen korrosionsschützenden Effekt haben. Diese sind insbesondere Aufbringen einer Metalloxidschicht, Metallnitritschicht oder anderweitigen Schutzschichten durch insbesondere Plasma-Verfahren, Aufsputtern oder elektrolytische Behandlungen.
Vorzugsweise leitet die Druckentlastungsvorrichtung bei Erreichen einer Bersttemperatur einen Druckentlastungsvorgang ein. Eine Schicht der Berstscheibe kann aus einem Stoff hergestellt sein, deren Schmelztemperatur unterhalb der Bersttemperatur liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die eine Schicht, deren Schmelztemperatur unterhalb der Bersttemperatur liegt, schmilzt und dabei insbesondere die mechanischen Eigenschaften verliert, bevor die Bersttemperatur erreicht wird. Dadurch, dass diese Schicht bei Erreichen der Bersttemperatur nur zu vernachlässigende mechanische Eigenschaften besitzt, kann lediglich an der anderen Schicht die exakte Einstellung des Berstpunktes eingestellt werden. Unter Berstpunkt ist dabei derjenige Betriebzustand gemeint, bei dem durch die Druckentlastungsvorrichtung ein Druckentlastungsvorgang eingeleitet wird. Der Berstpunkt wird insbesondere durch die Bersttemperatur und/oder den Berstdruck festgelegt.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe aus einer Polymerschicht und einer Paraffinschicht ausgebildet, wobei der Schmelzpunkt der Paraffinschicht kleiner als 85°C ist und insbesondere bei in etwa 80°C liegt und die Polymerschicht einen Schmelzpunkt hat, der vorzugsweise über 95°C, insbesondere bei etwa 100°C liegt.
Der Durchbruch kann eine runde Form aufweisen. Die runde Form ist dabei insbesondere mittels Bohren einfach herzustellen. Alternativ kann der Durchbruch auch eine eckige Form aufweisen. Insbesondere wenn sich der Durchbruch an einer schmalen Seite der Umhüllung befindet ist es vorteilhaft, wenn der Durchbruch eine längliche Form aufweist, d. h. in einer ersten Querschnittsrichtung weist der Durchbruch eine Ausdehnung auf, die um ein Vielfaches, insbesondere zumindest 2-faches, größer ist als die Ausdehnung in einer hierzu senkrechten zweiten Ausdehnung.
Die Berstscheibe ist vorzugsweise größer gestaltet als der Durchbruch. Dadurch kann erreicht werden, dass die Berstscheibe den Durchbruch überdeckt und dabei insbesondere auf einem Absatz auf der Umhüllung aufliegt. Hierdurch kann eine verbesserte Dichtwirkung erreicht werden.
Vorzugsweise ist die Berstscheibe auf die Umhüllung aufgesiegelt oder aufgeklebt. Dadurch kann die Berstscheibe stoffschlüssig mit der Umhüllung verbunden werden. Die Art des Aufsiegelns oder Aufklebens kann dabei selbst die Bersttemperatur oder den Berstdruck festlegen. Wird dabei die Siegelung oder die Klebung größer dimensioniert, kann sich der Berstdruck oder die Bersttemperatur erhöhen. Im umgekehrten Fall kann bei verringerter Siegelung oder Klebung die Bersttemperatur oder der Berstdruck verringert werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Berstscheibe in den Durchbruch eingeschraubt. Dafür weist der Durchbruch vorzugsweise ein Gewinde auf, welches in dem Durchbruch angebracht ist. Alternativ kann das Gewinde durch das Eindrehen der Berstscheibe selbst erfolgen. Dafür kann die Berstscheibe ein insbesondere selbstschneidendes Gewinde aufweisen. Die Berstscheibe ist vorzugsweise mit Mitteln versehen, welche eine Übertragung von Drehmoment auf die Berstscheibe ermöglichen. Hierfür sind insbesondere bekannte Formen aus Schraubenköpfen anwendbar. Diese können insbesondere eine Sechskantform oder eine Inbusform sein.
Die Berstscheibe kann mittels eines Halteteils am Durchbruch festgehalten sein. Das Halteteil kann insbesondere separat ausgebildet sein. Das Halteteil kann stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig an einem Teil der Umhüllung befestigt sein. Das Halteteil kann die Berstscheibe stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Durchbruch festhalten. Alternativ kann das Halteteil auf ein Gewinde in den Durchbruch aufgeschraubt werden. Die Berstfolie kann dabei zwischen dem Halteteil und einem Absatz in dem Durchbruch angeordnet sein. Durch das Aufschrauben des Halteteils in Richtung des Absatzes wird die Berstfolie zwischen Halteteil und Absatz eingeklemmt und damit festgehalten. In einer Ausführungsform, in der ein Absatz nicht notwendigerweise vorgesehen ist, kann das Halteteil auf ein Gewinde innerhalb des Durchbruchs aufgeschraubt werden. Die Folie ist dabei auf das Gewinde in dem Durchbruch angelegt und wird bei Aufschrauben des Halteteils zwischen den Gewinden des Halteteils und des Durchbruchs eingeschraubt.
Vorzugsweise weist die Berstscheibe eine Grundfläche auf, die größer ist als ein Querschnitt des Durchbruchs.
Zwischen Berstscheibe und Umhüllung ist vorzugsweise ein separates Siegelmittel vorgesehen. Dies kann insbesondere eine Polymerdichtung sein. Das Siegelmittel kann vorzugsweise in Scheibenform oder in Ringform ausgebildet sein.
Die Elektrochemische Zelle umfasst vorzugsweise ein Schneidmittel, insbesondere einen Dorn oder eine Klinge, welche Teile der Umhüllung, insbesondere die Berstscheibe, beschädigen kann. Insbesondere kann das Schneidmittel Teile der Umhüllung durchbrechen. Durch das Beschädigen der Umhüllung kann die mechanische Stabilität der Umhüllung, insbesondere im Bereich der Druckentlastungsvorrichtung verringert werden, was Auswirkungen auf den Berstdruck bzw. die Bersttemperatur haben kann. Wenn durch das Schneidmittel Teile der Umhüllung durchbrochen werden wird dabei ein Druckentlastungsvorgang eingeleitet, da an der durchbrochenen Stelle der Umhüllung Material vom Innenraum der Elektrochemischen Zelle nach außen geraten kann. Das Schneidmittel kann von außen auf den Durchbruch aufgesetzt sein. Dabei kann das Scheidmittel in den Durchbruch hineinragen. Das Schneidmittel kann an einer Platte oder an einer Scheibe befestigt sein, welche von außen auf den Durchbruch aufgesetzt ist. Die Platte oder Scheibe kann gas- und/oder flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist das Schneidmittel außerhalb der Berstscheibe angeordnet und auf die Berstscheibe ausgerichtet. Außerhalb angeordnet bedeutet insbesondere, dass das Schneidmittel auf einer Seite der Umhüllung bzw. der Berstscheibe angeordnet ist, welche dem Innenraum der Elektrochemischen Zelle abgewandt ist. Anders ausgedrückt ist die Berstscheibe insbesondere zwischen dem Innenraum der Elektrochemischen Zelle und dem Schneidmittel angeordnet. Durch den Abstand des Schneidmittels von der Berstscheibe kann der Berstdruck eingestellt werden.
Vorzugsweise umfasst die Elektrochemische Zelle Sensormittel, die einen Druckentlastungsvorgang erkennen. Durch ein derartiges Sensormittel kann während und/oder nach einem Druckbelastungsvorgang insbesondere einer zentralen Steuereinheit mitgeteilt werden, dass die Elektrochemische Zelle sich in einem Zustand befindet, in dem diese nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Die Elektrochemische Zelle kann sodann von weiteren Benutzungen, insbesondere Lade- oder Entladevorgängen abgekoppelt werden. Derartige Sensormittel können als Temperatursensoren und/oder Drucksensoren ausgebildet sein. Ein Druckentlastungsvorgang kann insbesondere dadurch erkannt werden, in dem mittels eines Druck- oder Temperatursensors ein zunächst ansteigender Druck bzw. eine zunächst ansteigende Temperatur festgestellt wird. Hierfür kann auch der Gradient der Druck- bzw. Temperaturänderung herangezogen werden. Fällt nach Erreichen oder Überschreiten des Berstdrucks bzw. der Bersttemperatur der Druck bzw. die Temperatur im Innenraum der Elektrochemischen Zelle ab, kann dies als ein Indiz für das Vorliegen eines Druckentlastungsvorgangs gelten. Ein derartiges Erkennen kann mittels Berücksichtigung des Drucks allein oder der Temperatur allein vorgenommen werden. Ferner kann die Erkennung auch mittels der Berücksichtigung von Druck und Temperatur gemeinsam vorgenommen werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Batterie, umfassend zumindest eine, insbesondere mehrere Elektrochemische Zellen der oben genannten Art.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Elektrochemische Zelle in schematischer Darstellung;
2 einen Ausschnitt der Umhüllung der Elektrochemischen Zelle nach 1;
3 einen Ausschnitt der Umhüllung einer Elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform;
4 einen Ausschnitt der Umhüllung einer Elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform;
5 verschiedene Querschnittsformen der Durchbrüche;
6 Verlaufskurven des Drucks sowie der Temperatur.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrochemische Zelle 1. Die Umhüllung 2 umschließt im normalen Betriebszustand einen Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1 gas- und flüssigkeitsdicht gegenüber der Umgebung. In dem Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1 ist ein Elektrodenstapel 13 angeordnet. Es können mehrere Elektrochemische Zellen in einer Batterie angeordnet sein.
2 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung 2. Es ist zu erkennen, dass die Umhüllung 2 mehrteilig ausgebildet ist. Dabei weist die Umhüllung 2 zumindest ein Umhüllungsteil 3 auf. Das Umhüllungsteil 3 ist als Formteil ausgestaltet. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Umhüllung 2 zwei der Formteile 3 auf. Ein Umhüllungsteil kann aber auch eine andere Form aufweisen. Insbesondere kann ein Rahmen ebenfalls ein Umhüllungsteil 3 darstellen. Im vorliegenden Fall machen die beiden Formteile 3 den größten Anteil der Umhüllung 2 aus.
Das Umhüllungsteil 3 weist einen Durchbruch 6 auf, welcher von einer Berstscheibe 5 verschlossen ist. Die Berstscheibe 5 bildet zusammen mit den Umhüllungsteilen 3 die Umhüllung 2.
Der Durchbruch 6 stellt zusammen mit der Berstscheibe 5 wesentliche Bestandteile einer Druckentlastungsvorrichtung 4 dar. Die Berstscheibe 5 ist dabei auf die Umhüllung 3 aufgeklebt. Alternativ kann die Berstscheibe 5 auf das Umhüllungsteil 3 aufgesiegelt sein.
Der Durchbruch 6 ist stufig ausgebildet und weist einen äußeren Abschnitt 15 und einen inneren Abschnitt 16 auf. Der äußere Abschnitt 15 weist einen geringeren Durchmesser auf als der innere Abschnitt 16. Es ist innerhalb des Durchbruchs 6 ein Absatz 17 gebildet, auf dem die Berstscheibe 5 aufliegt. Die Berstscheibe 5 ist von Innen auf den Absatz 17 aufgesetzt. Die Berstscheibe 5 ist auf dem Absatz 17 aufgeklebt. Die Berstscheibe 5 ist aus einer einschichtigen Kunststofffolie hergestellt. Bei ansteigendem Innendruck P im Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1 wird die Berstfolie 5 nach außen gewölbt, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Bei erreichen des Berstdrucks wird die Berstfolie 5 derart weit gewölbt und dadurch gestreckt, dass sie reißt. Dadurch wird die Umhüllung 2 undicht, so dass Material vom Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1 nach außen treten kann. Hierbei kann der Innendruck P abgebaut werden. Zugleich kann eine Temperatur T im Innenraum 14 verringert werden.
3 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung einer Elektrochemischen Zelle 1 in einer alternativen Ausführungsform, welche weitgehend der Umhüllung nach 2 entspricht. Insofern wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zur 2 eingegangen. Die Berstscheibe 5 ist als mehrschichtige Berstfolie ausgestaltet. Die Berstscheibe 5 weist dabei eine erste Schicht 7 und eine zweite Schicht 8 auf. Die erste Schicht 7 ist aus einem Polymer hergestellt. Die zweite Schicht 8 ist aus Aluminium hergestellt. Die Aluminiumschicht weist gegenüber der Polymerschicht eine verbesserte Wasserdampfundurchlässigkeit auf und ist insofern diffusionsmindernd ausgebildet. Ferner weist die Aluminiumschicht eine verbesserte Reißfestigkeit auf. Ferner ist auch das Umhüllungsteil 3, welches ein Formteil ist, aus einem mehrschichtigen Material aufgebaut, wobei eine äußere Schicht aus Aluminium und eine innere Schicht aus einem Polymer hergestellt ist. Die beiden Schichten der Berstfolie 5 als auch die beiden Schichten des Formteils 3 können vertauscht sein.
Die Schicht aus Aluminium kann jeweils auch durch eine Schicht basierend auf einem Fluorpolymer, Silikon oder Paraffin ersetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann dabei die zweite Schicht 8, welche die innere Schicht der Berstfolie 5 darstellt, aus einem Material auf Paraffinbasis hergestellt sein. Das Material auf Paraffinbasis schmilzt bei etwa 80°C. Jedoch erst bei 100°C liegt die Bersttemperatur. Insofern ist bereits vor Erreichen der Bersttemperatur die zweite Schicht weggeschmolzen und daher ohne mechanische Festigkeit. Dies hat den Vorteil, dass zur Dimensionierung der Druckentlastungsvorrichtung ausschließlich die erste Schicht 7 herangezogen werden kann. Die zweite Schicht 8 verändert dabei die Bersteigenschaften der Druckentlastungsvorrichtung insbesondere hinsichtlich der Bersttemperatur nicht.
Die Berstfolie 5 ist auf den Absatz 17 aufgelegt. Die Berstfolie 5 ist nicht unmittelbar mit dem Absatz 17 verklebt oder anderweitig stoffschlüssig verbunden. Es ist ein ringförmiges Halteteil 9 vorgesehen, welches auf die Berstfolie 5 von innen aufgesetzt ist. Das Halteteil 9 ist fest in dem Durchbruch 6, insbesondere in dem zweiten Abschnitt 16 des Durchbruchs 6 gehalten. Zur festen Verbindung des Halteteils 9 im Durchbruch 6 kann das Halteteil 9 mit Übermaßpassung in das Umhüllungsteil 3 eingesetzt werden. Alternativ kann das Halteteil 9 in dem Durchbruch 6 stoffschlüssig befestigt werden, insbesondere mittels Verkleben. Alternativ kann das Halteteil 9 ein Außengewinde aufweisen, welches in ein Innengewinde des Durchbruchs 6 aufgeschraubt ist. Die Berstscheibe kann insbesondere als Berstfolie ausgestaltet sein und zwischen dem Innengewinde des Durchbruchs 6 und dem Außengewinde des Halteteils 9 eingeschraubt sein.
4 zeigt einen Ausschnitt der Umhüllung einer Elektrochemischen Zelle 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform, welche weitgehend der Umhüllung nach 3 entspricht. Insofern wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zur 3 eingegangen, wobei auch einschichtige Berstfolien gemäß 1 Verwendung finden können. Zwischen Berstfolie 5 und dem Absatz 17 ist eine separate Dichtscheibe 10 vorgesehen, welche die Dichtwirkung im Normalbetrieb verbessert.
Ferner und unabhängig von dem vorgenannten Merkmal ist von außen eine Scheibe 18 aufgesetzt, welche an einer Innenfläche einen zentral angeordneten Dorn 11 aufweist. Der Dorn 11 ist auf die Berstscheibe 5 ausgerichtet. Im Falle des Druckanstiegs, wie er bereits zu 1 beschrieben wurde, dehnt sich die Berstfolie 5 in Richtung des Dorns 11 aus. Bei Erreichen eines Berstdrucks P_B gerät die Berstfolie 5 in Kontakt zu dem Dorn 11 und wird aufgrund des Innendrucks von dem Dorn 11 beschädigt, wodurch die Umhüllung 2 undicht wird. Damit Material vom Innenraum 14 nach außen gelangen kann ist die Scheibe 18, welche den Dorn trägt, nicht dichtend mit der Umhüllung 2 verbunden. Die Scheibe 18 kann Durchbrüche aufweisen, welche ein Durchtreten von Material durch die Scheibe 18 hindurch ermöglichen.
5 zeigt verschiedene Querschnittsformen, welche die Durchbrüche 6 aufweisen können. 5a) zeigt eine ovale Form. 5b) zeigt eine Kreisform. 5c) zeigt eine Rechteckform, bei der die Ecken abgerundet sind. 5d) zeigt ein regelmäßiges Vieleck, nämlich ein Sechseck, wobei die Innenwinkel des regelmäßigen Vieleckes alle identisch zueinander sind. Lediglich zwei gegenüberliegende Seiten des regelmäßigen Vielecks sind gegenüber den übrigen Seiten verlängert ausgebildet. 5e) zeigt die Form eines regelmäßigen Achtecks. 5f) ähnelt dem Querschnitt wie er in 5c) gezeigt ist. Jedoch ist das Verhältnis der großen Seitenlängen zu den kleinen Seitenlängen größer als im Querschnitt der 5c).
6a) zeigt den Druckverlauf im Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1. Während des Zeitraumes t < t_B ist die Druckentlastungsvorrichtung geschlossen, so dass kein Druckentlastungsvorgang vorliegt. Es kann kein Material vom Innenraum 14 durch die Umhüllung 2 nach außen gelangen. Mit zunehmender Zeit t steigt der Druck P im Innenraum 14 an. Zum Berstzeitpunkt t_B erreicht der Druck P den Berstdruck P_B. In diesem Moment öffnet die Druckentlastungsvorrichtung und Material kann vom Innenraum 14 nach außen treten. Hierdurch kann sich der Druck P im Innenraum 14 verringern, so dass nachfolgend in der Zeit t > t_B der Druck P wieder absinkt.
6b) zeigt den Temperaturverlauf im Innenraum 14 der Elektrochemischen Zelle 1. während des Zeitraums t < t_B ist die Druckentlastungsvorrichtung geschlossen. Mit zunehmender Zeit t nimmt die Temperatur T im Innenraum 14 zu. Zum Berstzeitpunkt t_B erreicht die Temperatur T die Bersttemperatur T_B. In diesem Moment öffnet die Druckentlastungsvorrichtung und Material kann vom Innenraum 14 nach außen treten. Hierdurch kann sich zum einen der Druck im Innenraum 14 verringern, wodurch sich auch die Temperatur im Innenraum verringern kann.
Durch den Verlauf der Druckkurve und/oder durch den Verlauf der Temperaturkurve kann mittels eines Sensors 12, welcher im Innenraum der Elektrochemischen Zelle angeordnet ist, ein Druckentlastungsvorgang erkannt werden. Eine zentrale Steuereinheit, welche mit dem Sensormittel 12 verbunden ist, schaltet in der Folge die Elektrochemische Zelle von weiteren Lade- und Entladevorgängen ab.
Bezugszeichenliste

1: Elektrochemische Zelle
2: Umhüllung
3: Umhüllungsteil
4: Druckentlastungsvorrichtung
5: Berstscheibe
6: Durchbruch
7: erste Schicht
8: zweite Schicht
9: Halteteil
10: Dichtscheibe
11: Schneidemittel
12: Sensormittel
13: Elektrodenstapel
14: Innenraum
15: erster Abschnitt
16: zweiter Abschnitt
17: Absatz
18: Scheibe
T: Temperatur
P: Druck
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007063193 A1 [0002]

Claims

Elektrochemische Zelle (1), umfassend einen Elektrodenstapel (13), der von einer Umhüllung (2) insbesondere gas- und/oder flüssigkeitsdicht abgedichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrochemische Zelle (1) eine Druckentlastungsvorrichtung (4) insbesondere in Form einer Sollbruchstelle aufweist.
Elektrochemische Zelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungsvorrichtung (4) eine Berstscheibe (5) umfasst, die einen Durchbruch (6) der Umhüllung (2) verschließt.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) aus Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus einem Polymer.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) aus einer Folie hergestellt ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) und die Umhüllung (2) aus einem identischen Material hergestellt sind.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) mehrere Schichten (7, 8) aufweist, darunter insbesondere eine diffusionsmindernde Schicht.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckentlastungsvorrichtung bei Erreichen einer Bersttemperatur (T_B) einen Druckentlastungsvorgang einleitet, wobei eine Schicht aus einem Stoff hergestellt ist, deren Schmelztemperatur (T_S) unterhalb der Bersttemperatur liegt.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) mit Paraffin beschichtet ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Paraffinschicht derart ausgebildet ist, dass der Schmelzpunkt der Paraffinschicht bei unter 85°C, insbesondere bei etwa 80°C liegt.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) eine Schicht aus Metall aufweist, insbesondere aus Aluminium, welche vorzugsweise auf die Berstscheibe (5) aufgedampft ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (6) eine runde Form aufweist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (6) eine eckige Form aufweist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) auf den Durchbruch (6) aufgesiegelt oder aufgeklebt ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) in den Durchbruch (6) eingeschraubt ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) mittels eines Halteteils (9) am Durchbruch (6) festgehalten ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstscheibe (5) eine Grundfläche aufweist, die größer ist als der Durchbruch (6).
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Berstscheibe (5) und der Umhüllung (2) ein separates Siegelmittel () vorgesehen ist, insbesondere eine Polymerdichtung () in insbesondere Scheibenform oder Ringform.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrochemische Zelle (1) ein Schneidmittel (11) umfasst, insbesondere einen Dorn oder eine Klinge umfasst, welche Teile der Umhüllung (2) beschädigen kann, insbesondere Teile der Umhüllung (2) durchbrechen kann.
Elektrochemische Zelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidmittel (11) außerhalb der Berstscheibe (5) angeordnet ist und auf die Berstscheibe (5) ausgerichtet ist.
Elektrochemische Zelle (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrochemische Zelle (1) Sensormittel (12) umfasst, die einen Druckentlastungsvorgang erkennen.
Batterieanordnung, umfassend zumindest eine, insbesondere mehrere Elektrochemische Zellen (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20.