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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Folie, die insbesondere als Verpackungsmaterial eines beschädigten oder sich im undefinierten Zustand befindlichen Lithium-Ionen-Systems davor schützt, dass gefährdende Stoffe in die Umwelt gelangen, sowie ein Behältnis mit dieser Folie und ein Verfahren zur Transportvorbereitung des Lithium-Ionen-Systems.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt Folien als Verpackungsmaterial einzusetzen. So werden einfache Polyolefin-Folien beispielsweise zum Verpacken von Wurstwaren verwendet. Polyolefin-Folien lassen prinzipiell Feuchte durch, wobei dies für die allermeisten Anwendungen in der Lebensmittelverpackung jedoch nicht nachteilig ist. Aluminiumverbundfolien eignen sich beispielsweise zur Verpackung von Getränken. Hier schützt die Aluminium-Verbundfolie, bzw. der metallische Anteil in dieser Komposit-Verpackung vor Luft-Eintritt, die etwa Milch verderben lassen würde. Aluminium-Verbundfolie wird auch zur Verpackung von hygroskopischen Chemikalien verwendet; dabei schützt die Aluminium-Metallfolie in der Verbundfolie vor Eindringen von Feuchte, da die in Aluminium-Verbundfolien eingesetzte Aluminium-Walzfolien vollständig gegen Feuchte sperren. Allerdings ist der Einsatz von Aluminium-Verbundfolien für die Chemikalienverpackung begrenzt. In Aluminium-Verbundfolie verpackte korrosiv wirkende Spezies können die innere Kunststofffolie durchdringen und das Aluminium angreifen und zerstören.
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Aus der
DE 103 04 104 B3 geht eine mehrschichtige Verbundfolie zur Oberflächenbeschichtung insbesondere von Blechen hervor, die den metallischen Charakter einer gebürsteten Metallfläche, insbesondere einer gebürsteten Edelstahloberfläche, nachahmt. Dazu ist zwischen einer polyolefinischen Trägerfolie und einer Deckschicht eine Metallschicht angeordnet, die von einer Metallisierung der Trägerfolie gebildet wird oder aus einer metallischen Kunststofffolie oder einer Metallfolie besteht, wobei ein Druckmotiv an einer Unterseite der Deckschicht eine Struktur eines gebürsteten Bleches nachbildet.
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Die Begriffe Lithium-Ionen-Zelle, -Batterie, -System, -Batteriesysteme, werden hier synonym benutzt. Dabei ist mit einer Lithium-Ionen-Zelle ein galvanisches Element gemeint, das mindestens eine Elektrode enthält, welche Lithium-Ionen reversibel aus bzw. einlagern kann.
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Bei beschädigten oder sich im undefinierten Zustand befindlichen Lithium-Ionen-Systemen können die bekannten Folien nicht dauerhaft sicher als Verpackungsmaterial eingesetzt werden. Eine Leckage bewirkt bei diesen Zellen eine Exmittierung von hoch reaktiven und giftigen Spezies, wie Phosphoroxidtrifluorid (POF3) oder Fluorwasserstoff (HF). Dies resultiert aus der Tatsache, dass in praktisch allen Lithium-Ionen-Zellen das Leitsalz Lithium-hexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt wird, welches beim Öffnen der Zelle austritt und in Anwesenheit von Luftfeuchte in hoch giftige, korrosive und reaktionsfähige Spezies umgewandelt wird. Dabei können Phosphoroxidtrifluorid (POF3), Phosphorsäure (H3PO4) und Fluorwasserstoff (HF) entstehen. Diese Spezies stellt eine große Gefahr für Menschen und Umwelt dar. Bei einer Leckage verdampft zudem die niedersiedende Elektrolytkomponente, wie beispielsweise Diethylcarbonat (DEC). Es kommt in der Folge zu einer Art Austrocknung der Zelle. Undichte Lithium-Ionen-Zellen tendieren im weiteren Verlauf in einen undefinierten Zustand überzugehen.
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Sollte eine Lithium-Ionen-Zelle bereits eine Leckage zeigen, reagiert Luftfeuchte mit dem Leitsalz Lithium-hexa-fluorophosphat (LiPF6) zu Fluorwasserstoff. Das hat zur Folge, dass Fluorwasserstoff durch die innere Kunststoffolie diffundiert und die metallische Aluminium-Lagen in Verbundfolien angegriffen und beschädigt werden. Bekannte Verbundfolien oder Behältnisse aus bekannten Verbundfolien sind chemisch nicht resistent gegenüber freiem Elektrolyt und den Hydrolyseprodukten. Sie würden mit der Zeit wie beschrieben von innen zerstört und somit eine Durchlässigkeit für Gase und Feuchte zeigen. Sie eigenen sich daher nicht zum dauerhaft dichten Verpacken von Lithium-Ionen-Zellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Folie zur Verfügung gestellt, welche einen Verbund wenigstens einer eine Unterseite und eine Oberseite und zumindest an der Unterseite eine untere Korrosionsschicht aufweisenden Aluminiumlage und einer an der Unterseite der Aluminiumlage angeordneten unteren Kunststofflage und einer an der Oberseite der Aluminiumlage angeordneten oberen Kunststofflage umfasst.
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Mit der erfindungsgemäßen Folie ist vorteilhaft eine Folie bereitgestellt, mit welcher ein sicheres, dauerhaftes dichtes Verpacken einer Lithium-Ionen-Zelle beziehungsweise -Batterie ermöglicht ist. Die erfindungsgemäße Folie ist insbesondere resistent gegen freien Elektrolyt und Hydrolyseprodukten, wie Fluorwasserstoff (HF). Zudem ist ein Verdampfen der flüssigen Elektrolytkomponenten, wie Ethylencarbonat (EC) oder Diethylcarbonat (DEC) verhindert. Ein Transport kann weitgehend ohne Gefährdung erfolgen. Zudem wird mittels eines Verpackens mit der erfindungsgemäßen Folie ein offenes System wieder eingefroren und geht nicht weiter in einen undefinierten Zustand über.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die untere Kunststofflage aus einem Thermoplast besteht und eine Dicke zwischen 20 μm und 80 μm aufweist. Damit ist die erfindungsgemäße Folie vorteilhaft in einfacher und kostengünstiger Weise beispielsweise mit einer Siegelzange verschweißbar beziehungsweise versiegelbar.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aluminiumlage eine Aluminium-Walzfolie ist und eine Dicke zwischen 20 μm und 90 μm aufweist. Aluminium sperrt vorteilhaft gegen Gase und Feuchtigkeit. Eine Walzfolie ist vorteilhaft einfach und günstig mit bekannten Mitteln herstellbar.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die obere Kunststofflage aus Polyamid oder Polyethylenterephthalat besteht und eine Dicke zwischen 10 μm und 50 μm aufweist. Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, die Aluminiumlage elektrisch zu isolieren. Damit ist auch das mit der erfindungsgemäßen Folie verpackte Gut elektrisch von der Umgebung isoliert. Es kann nicht zu Kurzschlüssen kommen.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die untere Korrosionsschicht eine Dicke zwischen 5 nm und 1000 nm aufweist. Eine Korrosionsschicht des Aluminiums ist in dieser Dicke vorteilhaft stabil gegen Fluorwasserstoff (HF), und freien Batterieelektrolyt, der organische Karbonate wie Ethylencarbonat (EC) oder Diethylencarbonat (DEC) aufweist und in dem ein Leitsalz wie Lithium-hexa-fluorophosphat (LiPF6) gelöst ist und bereits entstandenen Hydrolyseprodukten insbesondere aus dem Leitsalz (LiPF6).
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Folie eine Gesamtdicke zwischen 50 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 100 μm und 140 μm aufweist. Damit ist die erfindungsgemäße Folie mit ihrer geringen Gesamtdicke vorteilhaft mit einfachen handwerklichen Mitteln applizierbar. Sie ist flexibel von Mutterrollen beispielsweise mit einer Schere abschneidbar. Auch eine Öffnung der erfindungsgemäßen Folie ist vorteilhaft mit einfachen handwerklichen Mitteln ausführbar.
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Die erfindungsgemäße Folie ist in allen ihren Ausführungsformen vorzugsweise in ein Behältnis implementiert.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Behältnis bereitgestellt, mit einer Folie aus einem Verbund wenigstens einer eine Unterseite und eine Oberseite und zumindest an der Unterseite eine untere Korrosionsschicht aufweisenden Aluminiumlage und einer an der Unterseite der Aluminiumlage angeordneten unteren Kunststofflage und einer an der Oberseite der Aluminiumlage angeordneten oberen Kunststofflage, wobei die Unterseite der Aluminiumlage im Wesentlichen zu einem vom Behältnis zumindest teilweise umschlossenen Inneren gerichtet ist.
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Das erfindungsgemäße Behältnis bietet den Vorteil, dass es eine äußerst hohe Barriere gegenüber Sauerstoff, Luft und Feuchte von außen darstellt und beständig gegen emittierende Chemikalien bzw. Hydrolyseprodukten aus dem Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle ist.
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In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Inneren des Behältnisses Kalk (Kalziumcarbonat CaCO3) angeordnet ist. Hiermit ist es vorteilhaft ermöglicht, dass Kalk (CaCO3) bereits entstandenen Fluorwasserstoff (HF) einer undichten Lithium-Ionen-Zelle unter Bildung von schwerlöslichem Kalzium-Fluorit (CaF2) vollständig abzubinden.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Verfahren zur Transportvorbereitung einer Batterie zur Verfügung gestellt, wobei mittels einer Folie aus einem Verbund wenigstens einer eine Unterseite und eine Oberseite und zumindest an der Unterseite eine untere Korrosionsschicht aufweisenden Aluminiumlage und einer an der Unterseite der Aluminiumlage angeordneten unteren Kunststofflage und einer an der Oberseite der Aluminiumlage angeordneten oberen Kunststofflage eine Batterie zumindest zum Teil in der Weise umhüllt wird, dass die Aluminiumlage im Wesentlichen mit der an ihr angeordneten Korrosionsschicht zur Batterie weist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie vorteilhaft sicher und dauerhaft dicht verpackt. Das Verfahren ist vorteilhaft schnell und einfach mit wenigen Hilfsmitteln, wie einer Schere und einer Siegelzange anwendbar und kann daher auch ortsunabhängig erfolgen. Ein Verpacken mit einer Folie bietet zudem den Vorteil, dass die Verpackung der Größe des Verpackungsguts sehr einfach anpassbar ist. Ein Transport verpackter Lithium-Ionen-Batterien auch in einem undefinierten Zustand kann damit weitgehend ohne Gefährdung der Umwelt erfolgen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1: schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Folie,
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2: schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Folie mit einer zusätzlichen Korrosionsschicht und
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3: schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Folie mit einer zusätzlichen Korrosionsschicht und einer zusätzlichen Bindeschicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 sind in einer schematischen Darstellung die Lagen gezeigt, die die erfindungsgemäße Folie 10 aufweist. Dabei ist eine untere Kunststofflage 18 an einer Unterseite 22 einer Aluminiumlage 12 und eine obere Kunststofflage 20 an einer Oberseite 24 der Aluminiumlage 12 angeordnet. Die Aluminiumlage 12 weist zudem an der Unterseite 22 eine untere Korrosionsschicht 14 auf.
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Die untere Kunststofflage 18 dient als Siegellage. Sie ist aus einem Thermoplast, vorzugsweise aus Polyolefinen, wie Polyethylen, Polypropylen oder einem Co-Polymer aus Polyethylen und Polypropylen gefertigt. Sie weist eine Dicke zwischen 20 μm und 80 μm, vorzugsweise von etwa 30 μm auf.
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Die Aluminiumlage 12 ist vorzugsweise eine gewalzte Aluminiumfolie. Sie dient als eigentliche Barriere gegen Luft und Feuchte. Die untere Korrosionsschicht 14 schützt die Aluminiumlage 12 insbesondere auch vor einen Angriff von Stoffen, welche aus defekten Batterien entweichen können. So kann beispielsweise bei defekten Lithium-Ionen Batterien Elektrolyt austreten, der organische Karbonate wie Ethylencarbonat oder Diethylencarbonat umfasst. Bei einem Kontakt des darin gelösten Leitsalzes Lithium-hexa-fluorophosphat mit Feuchte kommt es zu einer Bildung von Fluorwasserstoff (HF) kommen. Die Korrosionsschicht des Aluminiums schützt die Aluminiumlage 12 vor Fluorwasserstoff (HF), da Fluorwasserstoff (HF) durch Polyolefin hindurch diffundiert und das Aluminium angreifen und beschädigen kann.
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Die Aluminiumlage 12 weist eine Stärke beziehungsweise Dicke zwischen 20 μm und 80 μm, vorzugsweise etwa 40 μm auf. Die untere Korrosionsschicht 14 ist zwischen 5 nm und 1000 nm dick. Sie ist durch eine, dem Fachmann bekannte Korrosionsschutzbehandlung erzeugt.
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Die obere Kunststofflage 20 ist eine Plastikfolie, beispielsweise aus Polyamid oder Polyethylenterephthalat. Sie weist eine Dicke zwischen 10 μm bis 50 μm, vorzugsweise etwa 30 μm auf. Sie dient insbesondere einer elektrischen Isolierung der Aluminiumlage 12.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Folie wie in 1 dargestellt, mit einer zusätzlichen oberen Korrosionsschicht 16 an der Oberseite 24 der Aluminiumlage 12. Die obere Korrosionsschicht 16 ist zwischen 5 nm und 1000 nm dick und durch eine, dem Fachmann bekannte Korrosionsschutzbehandlung erzeugt.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Folie wie in 2 abgebildet, mit einer zusätzlichen Bindeschicht 26, welche zumindest teilweise an der unteren Kunststofflage 18 angeordnet ist. Diese Bindeschicht 26 enthält Kalk (CaCO3), um möglichen Fluorwasserstoff (HF) unter Bildung von Kalzium-Fluorit zu binden. Die Bindeschicht 26 kann erfindungsgemäß bereits auf der Folie 10 an der unteren Kunststofflage 18 als eine Art Puderschicht angeordnet sein, oder beim Erstellen eines Behältnisses aus der erfindungsgemäßen Folie durch Zugabe von losen Kalk ins Innere des Behältnisses erzeugt werden.
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Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Folie dienen einer zumindest teilweisen Umhüllung einer Batterie oder eines Batteriesystems, um mögliche aus der Batterie austretende Stoffe, oder deren Reaktionsprodukte, daran zu hindern, in die Umgebung zu gelangen. Die erfindungsgemäße Folie kann als Verpackungs-Folie selbst oder als Bestandteil eines Behältnisses eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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