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Die Erfindung betrifft einen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher, mit einem Gehäuse, in dem eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, aufgenommen sind.
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Beim Laden und Entladen elektrochemischer Energiespeicher, insbesondere bei Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wird Wärme freigesetzt, wobei die abgegebene Wärmeleistung von der elektrischen Belastung abhängt.
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Die Lebensdauer derartiger elektrochemischer Speicher ist stark temperaturabhängig, beim Laden und Entladen darf eine bestimmte Temperaturgrenze nicht überschritten werden, da die Lebensdauer des elektrochemischen Energiespeichers ansonsten bereits bei geringer Überschreitung stark abnimmt. Eine Temperaturerhöhung um 10 K kann zu einer Verringerung der Lebensdauer auf die Hälfte führen. Es wird daher angestrebt, die Temperatur der elektrochemischen Energiespeicher möglichst niedrig zu halten. Bei den meisten Anwendungen sind mehrere elektrochemische Energiespeicher zu einem Modul miteinander verschaltet. Die Alterung und Degradation einzelner Energiespeicher hängt von den lokalen Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, ab, ebenso wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Alterungsprozesses lokal von Energiespeicher zu Energiespeicher unterschiedlich sein kann. Wenn innerhalb eines Energiespeichermoduls ein einziger Energiespeicher besonders stark degradiert ist, kann dies zu einer unerwünschten Verringerung der Leistung und Kapazität des gesamten Energiespeichermoduls führen.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden bereits Vorschläge zur Temperierung von elektrochemischen Energiespeichern gemacht. Typischerweise ist dabei eine aktive Kühleinrichtung vorgesehen, um mit einem Gas oder einer Flüssigkeit als Kühlmittel die beim Laden oder Entladen entstehende Wärme abzuführen. Derartige Kühleinrichtungen sind jedoch aufwändig, benötigen eine eigene Energieversorgung und vergrößern in nachteiliger Weise den Platzbedarf. Für viele Anwendungen sind sie daher nicht besonders praxistauglich. Alternativ sind auch passive Kühleinrichtungen bekannt, bei denen die abgegebene Wärme über Kühlkörper oder Kühlflächen abgeführt wird. Durch derartige passive Maßnahmen kann allerdings nur ein begrenzter Wärmestrom abgeführt werden, bei hohen elektrischen Leistungen, die zum Beispiel bei der Schnellladung von elektrochemischen Energiespeichern auftreten, kann die entstehende Verlustwärme nicht lediglich durch passive Kühleinrichtungen abgeführt werden, sodass eine Überschreitung der Temperaturgrenzen droht.
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In der
US 2003/0054230 A1 wird ein Batteriesystem mit einem System zur Temperaturkontrolle beschrieben. Das Batteriesystem besteht aus einer Vielzahl von Einzelzellen, die in einem Gehäuse aufgenommen und miteinander verschaltet sind. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Zellen im Inneren des Gehäuses sind mit einem Phasenwechselmaterial ausgefüllt, das zumindest einen Teil der von den einzelnen Zellen abgegebenen Wärme absorbiert. Auf diese Weise sollen Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Zellen verringert werden, so dass der Alterungsprozess gleichmäßiger verläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher anzugeben, bei dem die Gefahr einer temperaturbedingten Degradation verringert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur Temperierung des Energiespeichers in dem Gehäuse ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist, das zumindest einen Teil der von dem Energiespeicher beim Laden oder Entladen abgegebenen Wärme absorbiert.
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Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Phasenwechselmaterial kann temporär eine interne Kühlung des elektrochemischen Energiespeichers erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb des Energiespeichers, wodurch die Einhaltung der festgelegten Temperaturgrenze erleichtert wird. Insbesondere können durch die Wirkung des Phasenwechselmaterials Temperaturspitzen verringert werden, ohne dass dazu ein hoher baulicher Aufwand erforderlich wäre. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Strom der abgeführten Wärme zeitlich geglättet wird, sodass der dafür erforderliche apparative und energetische Aufwand sinkt. Der erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher eignet sich besonders gut für solche Anwendungen, bei denen während eines kurzen Zeitraums hohe Leistungen vorhanden sind. Durch das Phasenwechselmaterial, das die von dem elektrochemischen Energiespeicher abgegebene Wärme zumindest teilweise absorbiert, kann der Energiespeicher bei derartigen Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen eingesetzt werden. Da durch das vorgesehene Phasenwechselmaterial die thermische Trägheit des elektrochemischen Energiespeichers erhöht wird, wird die Gefahr eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) verringert.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Phasenwechselmaterial nicht nur in einem aus mehreren Energiespeichern bestehenden Energiespeichermodul in dessen Freiräumen eingesetzt werden kann. Stattdessen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder einzelne elektrochemische Energiespeicher eines Energiespeichermoduls das Phasenwechselmaterial in seinem Inneren aufweisen kann. In vorteilhafter Weise werden Temperaturgradienten innerhalb des Energiespeichers verringert, wodurch sich die Lebensdauer des Energiespeichers verlängert.
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Bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial mikroverkapselt ist. Durch die Mikroverkapselung wird sichergestellt, dass das Phasenwechselmaterial keine chemischen Reaktionen mit anderen Bestandteilen des elektrochemischen Energiespeichers eingeht, gleichzeitig wird das Phasenwechselmaterial durch die Mikroverkapselung geschützt, sodass es seine Funktion dauerhaft erfüllen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher wird es besonders bevorzugt, dass die Größe der Mikrokapseln des Phasenwechselmaterials zumindest näherungsweise mit der Porengröße des Aktivmaterials der positiven oder der negativen Elektrode übereinstimmt. Das Phasenwechselmaterial kann dabei in das Aktivmaterial integriert sein. Somit kann das Phasenwechselmaterial exakt an der Stelle platziert werden, an der die Wärme entsteht.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers sieht vor, dass der Energiespeicher gewickelt ist. Bei dieser Anordnung wechseln sich Schichten des Aktivmaterials der positiven Elektrode und des Aktivmaterials der negativen Elektrode ab, zwischen denen sich ein Elektrolyt und ein Separator befindet. Bei einem gewickelten elektrochemischen Energiespeicher kann das Phasenwechselmaterial in Freiräumen im Gehäuse und/oder im Aktivmaterial angeordnet bzw. eingebettet sein. Es ist besonders vorteilhaft, dass sich die Außenabmessungen des aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers trotz des verwendeten Phasenwechselmaterials nicht verändern.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial im Zentrum der Wicklung angeordnet ist. Bei herkömmlichen gewickelten elektrochemischen Energiespeichern befindet sich im Zentrum der Wicklung durch einen Wickeldorn ein Hohlraum. Erfindungsgemäß kann dieser Hohlraum mit Phasenwechselmaterial ausgefüllt sein, um ein gleichmäßigeres Temperaturprofil in dem elektrochemischen Energiespeicher zu erzeugen.
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Alternativ oder zusätzlich kann es bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial an einer oder beiden Stirnseiten der Wicklung angeordnet ist, vorzugsweise zwischen einer Elektrode und einem Separator. An dieser Stelle befindet sich bei herkömmlichen elektrochemischen Energiespeichern ein Hohlraum, der erfindungsgemäß mit dem Phasenwechselmaterial ausgefüllt sein kann. Das Phasenwechselmaterial kann an einer Stirnseite oder an beiden, gegenüberliegenden Stirnseiten des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet sein. Neben einer besseren Temperaturverteilung ergibt sich der Vorteil, dass der elektrochemische Energiespeicher durch das enthaltene Phasenwechselmaterial mechanisch stabiler ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Phasenwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen Energiespeicher zusätzlich oder alternativ zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Wicklung angeordnet sein. Dieser rohrförmige Randbereich des elektrochemischen Energiespeichers ist bei herkömmlichen Energiespeichern hohl ausgebildet, erfindungsgemäß befindet sich dort das Phasenwechselmaterial, das von dem Energiespeicher abgegebene Wärme ganz oder teilweise absorbiert.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial zusätzlich an der Außenseite einer keine Aktivschicht aufweisenden Elektrode angeordnet ist. An dieser Stelle kann das Phasenwechselmaterial an der Außenseite der Wicklung angeordnet sein und den Separator zwischen den beiden Elektroden, die keine Aktivschichten tragen, ersetzen. Das Phasenwechselmaterial kann an dieser Stelle eingesetzt werden, sofern die Elektroden keine beidseitig beschichteten Ableiter aufweisen.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das Phasenwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher zwischen der Innenseite eines Gehäusedeckels und der Wicklung und/oder der Innenseite eines Gehäusebodens und der Wicklung angeordnet ist. An dieser Stelle befinden sich bei herkömmlichen elektrochemischen Energiespeichern Hohlräume, die erfindungsgemäß mit Phasenwechselmaterial gefüllt sein können.
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Um die Menge des in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials zu erhöhen, kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial zwischen der Innenseite eines Gehäusedeckels und einem an der Stirnseite der Wicklung angeordneten Isolationsring angeordnet ist. Dieser im Wesentlichen scheibenförmige Hohlraum, der sich an der Oberseite des elektrochemischen Energiespeichers befindet, an der die Anschlüsse vorgesehen sind, ist normalerweise ebenfalls hohl, erfindungsgemäß kann auch dort Phasenwechselmaterial angeordnet sein. Der aufladbare elektrochemische Energiespeicher eignet sich in besonders guter Weise zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Temperaturprofils, wenn er als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet ist. Bei derartigen Akkumulatoren ist die Einhaltung von Temperaturgrenzen besonders wichtig, da ansonsten eine schnelle Degradation zu befürchten ist, die mit einem Leistungs- oder Kapazitätsverlust und einer verringerten Lebensdauer einhergeht.
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Bei dem aufladbaren elektrochemischen Energiespeicher kann das Aktivmaterial der negativen Elektrode Graphit umfassen, in dem das Phasenwechselmaterial aufgenommen ist. Durch die Mikroverkapselung des Phasenwechselmaterials kann dieses direkt in das Aktivmaterial eingebracht sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeicher kommen die folgenden Phasenwechselmaterialien in Frage: Paraffine, Salzhydrate, Gashydrate. Es ist auch möglich, mehrere unterschiedliche Phasenwechselmaterialien miteinander zu kombinieren, um ein bestimmtes Wärmeabsorptionsverhalten zu erzeugen.
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Es wird besonders darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung des Phasenwechselmaterials auch in Kombination vorliegen können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht;
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht; und
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7 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines aufladbaren elektrochemischen Energiespeichers in einer geschnittenen Ansicht.
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Der in 1 gezeigte aufladbare elektrochemische Energiespeicher 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine positive Elektrode 3 und eine negative Elektrode 4, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, angeordnet sind. Die negative Elektrode 4 besitzt ein aktives Material, das aus Graphit besteht. Das aktive Material der positiven Elektrode 3 besteht aus einer Lithiumverbindung, als Elektrolyt kommt ein Salz oder ein Polymer in Frage. Zwischen der positiven Elektrode 3 und der negativen Elektrode 4 befindet sich ein Separator. Derartige Energiespeicher sind an sich bekannt, sodass auf die Aufzählung weiterer Details an dieser Stelle verzichtet werden kann.
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Die positive Elektrode 3 und die negative Elektrode 4 sind bei dem Energiespeicher 1 schichtenweise aufgebaut und um das Zentrum des Gehäuses 2 gewickelt. Das Gehäuse 2 umfasst einen Gehäuseboden 5 und einen Gehäusedeckel 6, in dem sich ein Isolationsring 7 befindet.
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Im Zentrum der Wicklung des Energiespeichers 1 ist ein Phasenwechselmaterial 8 angeordnet. Beim Laden oder Entladen des Energiespeichers 1 wird Wärme freigesetzt, die zumindest teilweise von dem Phasenwechselmaterial 8 aufgenommen wird. Das Phasenwechselmaterial erfährt dabei einen Phasenwechsel, beispielsweise von fest zu flüssig. Die von den Elektroden 3, 4 abgegebene Wärme wird dabei als latente Wärme in dem Phasenwechselmaterial 8 gespeichert, sodass die positive Elektrode 3 und die negative Elektrode 4 und damit der Energiespeicher 1 weniger stark erwärmt werden. Insbesondere wenn Energie mit hoher Leistung abgegeben oder aufgenommen wird, verhindert das Phasenwechselmaterial 8 eine unerwünschte und schädliche Temperaturerhöhung und eine Überschreitung eines zulässigen Temperaturgrenzwerts. Das thermische Verhalten kann durch die Wahl eines passenden Phasenwechselmaterials in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen eingestellt werden. Das Phasenwechselmaterial liegt in mikroverkapselter Form vor, wobei die Größe der Mikrokapseln an die Porengröße des Aktivmaterials der negativen oder positiven Elektrode angepasst ist.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers 1, bei dem für übereinstimmende Bestandteile dieselben Bezugszeichen wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel verwendet werden. Anders als bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist das Phasenwechselmaterial 8 an den unteren und oberen Stirnseiten der Wicklung angeordnet. An dieser Stelle weist die Wicklung 9 im Querschnitt einen mäanderartigen Verlauf auf, sodass die Freiräume zwischen den auf unterschiedlicher Höhe endenden Aktivschichten mit dem Phasenwechselmaterial 8 gefüllt werden können.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers 1, bei dem sich das Phasenwechselmaterial 8 an der Innenseite des Gehäuses 2 an dessen Längsseiten befindet.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Energiespeichers 1, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 zwischen der Unterseite der Wicklung 9 und der Innenseite des Gehäusebodens 5 angeordnet ist.
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In ähnlicher Weise zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 zwischen der Innenseite des Gehäusedeckels 6 und der Oberseite der Wicklung 9 angeordnet ist.
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Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Energiespeichers 1 ist das Phasenwechselmaterial 8 an der Innenseite des Gehäusedeckels 6 oberhalb eines an der Stirnseite der Wicklung 9 angeordneten Isolationsrings 10 angeordnet.
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Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel aufgebaut, bei dem das Phasenwechselmaterial 8 an der Innenseite des Gehäuses 2 in den mit der Wicklung 9 gebildeten Freiraum eingebracht ist. Zusätzlich ist das Phasenwechselmaterial 8 an der Außenseite einer keine Aktivschicht aufweisenden Elektrode angeordnet, wie in 7 gezeigt ist, wodurch sich das Volumen des Phasenwechselmaterials vergrößert.
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In den 1 bis 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich im Wesentlichen durch die Positionierung des Phasenwechselmaterials unterscheiden. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, indem mehrere oder alle im Inneren des Gehäuses vorhandene Freiräume mit Phasenwechselmaterial gefüllt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0054230 A1 [0005]
