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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie mit den im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Merkmalen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie mit wenigstens einer Akkumulatorzelle bekannt. Insbesondere beim Einsatz in elektrischen oder hybridisierten Antriebssystemen sind entsprechend hohe Leistungsdichten der Akkumulatorzellen notwendig, um eine vergleichsweise große Menge an elektrischer Energie in einem kleinen und möglichst leichten Aufbau zu speichern. Auch in anderen Technologien, beispielsweise in Mobilfunkgeräten, tragbaren Computern oder ähnlichem, ist eine sehr hohe Speicherdichte, also die Möglichkeit, vergleichsweise viel Energie in einem kleinen Bauraum des möglichst leichten Energiespeichers einspeichern zu können, wichtig.
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Um diesen Anforderungen Genüge zu tun, werden häufig sogenannte Hochleistungsbatterien als Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt. Diese Hochleistungsbatterien sind beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt und stellen eine nach dem heutigen Stand der Technik sehr gute Möglichkeit dar, elektrische Energie mit hoher Energiedichte speichern zu können.
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Der Einsatz von derartigen Hochleistungsbatterien als Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie hat dabei jedoch den Nachteil, dass diese häufig Substanzen aufweisen, welche als kritisch einzustufen sind, wenn diese an die Umgebung gelangen und beispielsweise im Bereich der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie befindliche Personen schädigen. Dies spielt prinzipiell bei allen Arten von eingesetzten Hochleistungsbatterien eine Rolle. Insbesondere in elektrischen oder hybridisierten Kraftfahrzeugen, in welchen eine vergleichsweise große Menge an derartigen Akkumulatorzellen vorhanden ist, stellt dies, beispielsweise im Falle einer Leckage aufgrund eines Unfalls, aufgrund von Fertigungstoleranzen, Alterungserscheinungen und/oder thermischen Spannungen eine erhebliche Gefahr für die Insassen des entsprechenden Fahrzeugs dar.
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Typischerweise sind die eingesetzten Vorrichtungen zur Speicherung von elektrischer Energie in einem Gehäuse angeordnet, welches im Allgemeinen luft- und feuchtigkeitsdicht ausgebildet ist, sodass aus den Akkumulatorzellen eventuell austretende kritische Substanzen im Inneren des Gehäuses verbleiben. Aus denselben Gründen wie die Akkumulatorzelle selbst undicht werden kann, kann nun jedoch auch das Gehäuse undicht werden, sodass die im Gehäuse befindlichen kritischen Substanzen dennoch in die Umgebung der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie abgegeben werden und weiterhin eine potenzielle Gefährdung darstellen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Gefährdung weitgehend zu verhindern, ohne dafür die Speicherdichte und/oder die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie stark einzuschränken.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung der oben genannten Aufgabe sieht es nun vor, dass in dem Gehäuse wenigstens ein chemischer Stoff vorhanden ist, welcher mit eventuell aus der wenigstens einen Akkumulatorzelle austretenden kritischen Substanzen zu unkritischen Verbindungen oder Elementen reagiert und/oder deren Reaktion zu unkritischen Verbindungen oder Elementen fördert.
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Im Inneren des Gehäuses ist also ein je nach Typ der Akkumulatorzellen geeigneter chemischer Stoff oder ein geeignetes Gemisch von chemischen Stoffen angeordnet, welches eventuell austretende kritische Substanzen aus den Akkumulatorzellen neutralisiert und zu unkritischen Verbindungen oder Elementen umbaut. Alternativ oder ergänzend kann durch den wenigstens einen chemischen Stoff auch die Reaktion der kritischen Substanzen – beispielsweise mit sich selbst – zu unkritischen Verbindungen oder Elementen gefördert werden. Der wenigstens eine chemische Stoff hätte in diesem Fall katalytische Eigenschaften oder würde als Katalysator wirken.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine chemische Stoff als gasförmige Füllung des Gehäuses ausgebildet ist. In diesem Fall ist der wenigstens eine chemische Stoff also als eine Art „Schutzgas” ausgebildet, welches mit aus den Akkumulatorzellen gegebenenfalls austretenden kritischen Substanzen entsprechend reagiert und diese so weit unschädlich macht, dass auch bei einem Austritt der Substanzen beziehungsweise der entstehenden unkritischen Verbindungen oder Elementen aus dem Gehäuse selbst kein Schaden mehr angerichtet werden kann.
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In einer weiteren ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass der wenigstens eine chemische Stoff auf ein in dem Gehäuse befindliches Material aufgebracht ist. Der wenigstens eine chemische Stoff kann, beispielsweise bei seiner Ausgestaltung als Katalysator, als eine Beschichtung der Gehäusewand ausgebildet sein. Ergänzend oder alternativ wäre es auch denkbar, über ein poröses Material, ein Gewebe oder dergleichen, welches die wenigstens eine chemische Substanz trägt, mit dieser getränkt ist oder ähnliches, eine Art Mantel um die Akkumulatorzellen zu bilden, sodass ein aus den Akkumulatorzellen eventuell austretender Stoff auch dieses poröse Material beziehungsweise Gewebe durchströmen beziehungsweise durch dieses hindurchtreten muss. In diesem Fall würde die kritische Substanz dann in jedem Fall mit dem wenigstens einen chemischen Stoff in Berührung kommen, sodass die Reaktion zu unkritischen Verbindungen oder Elementen gefördert werden würde und/oder der wenigstens eine chemische Stoff unmittelbar mit den kritischen Substanzen zu einer unkritischen Verbindung reagiert, um diese unschädlich zu machen.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Akkumulatorzellen dabei in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien kann durch das Austreten von hochreaktiven Lithium-Ionen gegebenenfalls entsprechender Schaden angerichtet werden, insbesondere wenn weitere hochreaktive Stoffe wie beispielsweise Sauerstoff oder Ähnliches in der Nähe sind. Daher ist der eingangs genannte erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie in der Kombination mit Akkumulatorzellen in Lithium-Ionen-Technologie besonders vorteilhaft.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Speicherung von elektrischer Energie zu erkennen. Diese besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen 2, welche hier exemplarisch angedeutet sind, und welche in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sein sollen. Die exemplarisch angedeuteten Akkumulatorzellen 2 sind in der eigentlichen Lithium-Ionen-Batterie 3 elektrisch miteinander verschaltet. Diese kann beispielsweise mit Akkumulatorzellen 2 in einer quaderförmigen Form aufgebaut sein, welche dann zu einem oder mehreren Stapeln aufgestapelt werden. Alternativ dazu wäre auch ein Aufbau mit runden Zellen denkbar, welche dann in der dichtest möglichen Packung nebeneinander angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind.
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Die Lithium-Ionen-Batterie 3 ist dann von einem Gehäuse 4 umgeben, welches als gas- und feuchtigkeitsdichtes Gehäuse 4 ausgebildet ist, und welches typischerweise von elektrischen Anschlüssen und entsprechenden Leitungen für eine aktive Kühlung der Lithium-Ionen-Batterie 3 durchbrochen wird. Diese in 1 nicht dargestellten Anschlusselemente sind dabei allgemein bekannt und üblich, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Im Inneren des Gehäuses zwischen dem Gehäuse 4 und der Lithium-Ionen-Batterie 3 befindet sich ein Zwischenraum, welcher in der Darstellung der hier vorliegenden Figuren nicht maßstäblich gezeichnet und vergleichsweise groß dargestellt ist. In diesem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 4 und der Lithium-Ionen-Batterie 3 befindet sich in der Ausgestaltung, wie sie in 1 dargestellt ist, nun wenigstens ein chemischer Stoff 5, welcher hier als geeignetes Gas ausgebildet ist. Zum besseren Verständnis sind einzelne Atome oder Moleküle des Gases als gleichmäßig verteilte Punkte dargestellt. Einige davon sind mit dem Bezugszeichen 5 versehen.
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Im Bereich der Akkumulatorzellen 2 beziehungsweise der Lithium-Ionen-Batterie 3 kann es nun zu entsprechenden Undichtheiten kommen, welche beispielsweise durch Alterung, thermischen Spannungen oder auch infolge eines äußeren Einflusses, beispielsweise eines Stoßes oder Schlages auf die Vorrichtung 1 verursacht sein können. Auch aufgrund von Fertigungstoleranzen oder dergleichen kann es gegebenenfalls zu Leckagen kommen. Diese Undichtheiten/Leckagen sind immer unerwünscht, da hierdurch kritische Substanzen, wie beispielsweise Lithium-Ionen aus den Akkumulatorzellen 2 austreten können. Diese könnten bei einem Austritt aus der Vorrichtung 1 zu Problemen führen, da sie entsprechend aggressiv sind und zu nachteiligen Folgen bis hin zu einer Explosion, einem Feuer und/oder einer gesundheitlichen Beeinträchtigung von im Bereich der Vorrichtung 1 befindlichen Personen führen könnten. In dem hier gezeigten Aufbau sind diese kritischen Substanzen 6 als schwarze Punkte dargestellt. Einige davon sind mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Sobald diese nun aus der Lithium-Ionen-Batterie 3 austreten und in den Zwischenraum innerhalb des Gehäuses 4 gelangen, in welchem der wenigstens eine chemische Stoff 5 angeordnet ist, kommt es zwischen dem wenigstens einen chemischen Stoff 5 und den kritischen Substanzen 6 zu einer Reaktion, welche beispielsweise eine hier exemplarisch mit 7 bezeichnete Verbindung bildet. Bei geeigneter Auswahl des wenigstens einen chemischen Stoffs 5 im Hinblick auf die Technologie der Akkumulatorzellen 2 und damit im Hinblick auf die zu erwartenden eventuell austretenden kritischen Stoffe 6 kann so eine Verbindung 7 erreicht werden, welche unkritisch ist und in dem Gehäuse 4 verbleiben kann, ohne dass bei einer Beschädigung des Gehäuses 4 eine Gefahr von dieser Verbindung 7 ausgeht. Über den in diesem Fall gasförmig vorliegenden wenigstens einen chemischen Stoff 5 kann in dem in 1 gezeigten Aufbau der Vorrichtung 1 also die kritische Substanz 6, welche aus den Akkumulatorzellen 2 gegebenenfalls austreten kann, so weit neutralisiert werden, dass aus dieser eine Verbindung 7 wird, welche unkritisch und ungefährlich ist.
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Alternativ zu der Füllung mit einem gasförmigen Stoff 5 ist selbstverständlich auch eine entsprechende Füllung mit einer Flüssigkeit, mit einer Schüttung von beschichteten Pellets beziehungsweise ein Auffüllen mit rieselförmigen Feststoffen, wie beispielsweise Salzen oder Ähnlichem, denkbar. Im Hinblick auf die Energiedichte der gesamten Vorrichtung 1 stellt der Einsatz eines gasförmigen chemischen Stoffs 5 aufgrund seiner geringen Dichte jedoch einen Vorteil dar.
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Eine alternative Ausgestaltung des Aufbaus ist in der Darstellung der 2 zu erkennen. Der Aufbau der Vorrichtung 1 ist dabei im Wesentlichen derselbe, sodass auch hier das Gehäuse 4, die Akkumulatorzellen 2 und die Lithium-Ionen-Batterie 3 in der oben genannten Art und Weise zu erkennen sind. An der Stelle des beispielsweise gasförmigen chemischen Stoffs 5 aus der Ausgestaltung gemäß 1 tritt hier nun ein entsprechendes Trägermaterial 8, beispielsweise ein poröses Material, insbesondere ein Gewebe oder Ähnliches. Dieses in der Darstellung der 2 mit dem Bezugszeichen 8 versehene Gewebe zieht sich beispielhaft in drei Schichten um die gesamte Lithium-Ionen-Batterie 3. Eventuell aus der Lithium-Ionen-Batterie 3 austretende kritische Substanzen 6, welche auch hier wiederum als schwarze Punkte dargestellt sind, müssen, wenn sie aus der Lithium-Ionen-Batterie 3 austreten, durch dieses Gewebe 8 hindurch, um nach außen zu gelangen. In dem Gewebe 8 ist nun wiederum der wenigstens eine chemische Stoff 5 angeordnet, welcher dann mit den kritischen Substanzen 6 entsprechend reagiert oder als Katalysator wirkt, um eine Reaktion derselben, beispielsweise mit sich selbst, zu fördern. Nachdem die kritischen Substanzen 6 das hier dreilagig dargestellte Gewebe 8 durchdrungen haben, liegt wiederum ein unkritisches Element beziehungsweise eine unkritische Verbindung 7 vor, welche auch für den Fall, dass diese aus dem Gehäuse 4 austritt, keine sicherheitsrelevanten Probleme verursacht.
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Alternativ oder ergänzend zu dem hier dargestellten Gewebe 8 wären auch entsprechende poröse Materialien, welche beispielsweise mit dem Gehäuse 4 verbunden sind und dieses innen auskleiden, denkbar. Neben dem porösen Material wäre auch die Möglichkeit einer (ergänzenden) direkten Beschichtung des Gehäuses 4 und/oder der Oberfläche der Lithium-Ionen-Batterie 3 mit einem geeigneten chemischen Stoff 5, beispielsweise einem Katalysator, denkbar.
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Die beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen dabei nur zwei grundsätzlich mögliche Arten dar, auf welche die Erfindung verwirklicht werden kann. Die beiden Arten können selbstverständlich untereinander kombiniert werden, sodass insbesondere ein erster chemischer Stoff 5 vorhanden sein kann, welcher zur Reaktion mit eventuell austretenden kritischen Substanzen 6 geeignet ist und dass ferner ein zweiter chemischer Stoff 5 vorhanden sein kann, welcher diese Reaktion als Katalysator verbessert, überhaupt erst ermöglicht oder, sofern gewünscht, gegebenenfalls auch verlangsamt.
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Ebenso ist es selbstverständlich denkbar, ein mit dem entsprechenden chemischen Stoff 5 versehenes poröses Material wie beispielsweise das Gewebe 8 und eine Füllung des Gehäuses 4 mit einem geeigneten gasförmigen oder andersartigen chemischen Stoff 5 miteinander zu kombinieren.
