DE102011084745B4

DE102011084745B4 - Entgasungssystem einer Batterie, Batterie und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011084745B4
Application number: DE102011084745.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Woehrle; Stephan Leuthner
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: DE102011084745A1

Abstract

Entgasungssystem (10) einer Batterie, umfassend einen Hohlraum (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasungssystem (10) ferner ein in fester oder flüssiger Form gebundenes Inertmittel (14) umfasst, welches thermisch induziert in den Hohlraum (12) freisetzbar ist, wobei das gebundene Inertmittel (14) Tricalcium-di(2-hydroxy-1,2,3-propantricarboxylat)tetrahydrat ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entgasungssystem einer Batterie, eine Batterie, welche das Entgasungssystem umfasst, sowie ein Kraftfahrzeug, welches die Batterie umfasst.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektrogeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Ausgesprochen geeignet für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist dabei vor allem die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich durch hohe Energiedichten aus und zeigt eine äußerst geringe Selbstentladung. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode und Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel durch Interkalation einlagern oder durch Deinterkalation wieder auslagern. Damit die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfinden kann, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente, eines sogenannten Lithium-Leitsalzes, notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen, sowohl bei elektronischen Geräten, wie bei Mobil-Telefonen, MP3-Playern oder Powertools als auch im automotiven Bereich bei Fahrzeugen mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb, wird als Lithium-Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) eingesetzt.
Um die Chemie innerhalb einer Lithium-Ionen-Zelle vor Umwelteinflüssen abzuschirmen, ist zum Schutz von Lithium-Ionen-Zellen ein metallisches Hartschalengehäuse bekannt. Dieses Hartschalengehäuse kann aus Aluminium bestehen, welches in der Regel im kalten Tiefziehverfahren hergestellt ist. Metall an sich hat eine hohe Dichte, die den Eintritt von Feuchtigkeit verhindert und es ist darüber hinaus sehr stabil, so dass es eine Lithium-Ionen-Zelle vor mechanischer Einwirkung von außen schützt.
Damit es im Falle einer Fehlfunktion, sei es durch einen Unfall oder durch Überladung, nicht zu einem Überdruck in Folge eines sogenannten Thermal Runaways' kommt, sind die Gehäuse mit einem Sicherheitsventil versehen. Kommt es zur Überhitzung einer Lithium-Ionen-Zelle, öffnet dieses Sicherheitsventil an einer definierten Stelle der Lithium-Ionen-Zelle, um sie vor einer Explosion zu bewahren. Hoch reaktive Gase, wie beispielsweise Wasserstoff H₂, Kohlenmonoxid CO oder Methan CH₄, können dabei austreten. Sie erreichen eine Temperatur von 90 °C bei Überladung oder bis 300 °C bei mechanischer Einwirkung von außen und werden in einem Entgasungssystem eines Batteriepacks, darunter versteht man eine verschaltete Batterie von mehreren Batteriezellen, aufgefangen und gezielt abgeleitet. Ein derartiges Entgasungssystem ist mit Luft aus der Umwelt gefüllt. Die austretenden Gase reagieren dabei mit dem Luft-Sauerstoff; dabei treten unerwünscht hohe Temperaturen auf.
Nach der Druckschrift WO 2010/083413 A2 ist ein Batteriesystem bekannt, welches eine Kammer zeigt, die ein inertes Gas enthält. Die in Batteriezellenmodulen zusammengefassten Batteriezellen besitzen, jede an einem ihrer Enden, ein Ventil, welches jeweils in Verbindung mit der unterhalb eines Batteriezellenmoduls angeordneten Kammer steht. Die mit inertem Gas gefüllte Kammer ist gegenüber einem benachbarten Batteriemodul sicher abgedichtet. Mit dem in der Druckschrift WO 2010/083413 A2 vorgestellten System sollen beispielsweise Brände verhütet werden.
Die EP 2 077 592 A1 zeigt ein Batteriepack und eine an der Batterie angebrachte Vorrichtung zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts.
Der vorgestellte Stand der Technik zeigt Lösungen, die sich mit dem Problem der Verhinderung einer chemischen Reaktion von aus einem Batteriezelleninnern austretenden Gasen mit vorhandenem Luft-Sauerstoff befassen und sich mit der Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Lithium-Ionen-Batteriezellen mittels der Beschichtung eines Trägers in den vorgenannten Batteriezellen beschäftigen, wobei die Beschichtung einen definierten Zeolithanteil enthält.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Entgasungssystem einer Batterie zur Verfügung gestellt. Dieses umfasst einen Hohlraum und ein in fester oder flüssiger Form gebundenes Inertmittel, welches thermisch induziert in den Hohlraum freisetzbar ist. Wenn demnach heißes Batteriegas austritt, so wird dieses durch das Entgasungssystem aus der Batterie abgeführt und durchströmt dabei den Hohlraum, in dem das Inertmittel in gebundener Form vorliegt. Infolge des Temperaturanstiegs wird das gebundene Inertmittel freigesetzt, um den Hohlraum zu inertisieren. Das gebundene Inertmittel kann chemisch und/oder physikalisch gebunden sein. Die Freisetzung erfolgt bei Erwärmung durch Verdampfen oder Sublimieren. Auch kann durch thermisch induzierte Zersetzungsprozesse das zunächst chemisch gebundene Inertmittel freigesetzt werden. Das freigesetzte, also beispielsweise verdampfte oder durch Zerfall entstehende Inertmittel verdrängt oder verdünnt die im Entgasungssystem befindliche Luft, wodurch eine inerte Atmosphäre im Entgasungssystem geschaffen wird.
Das erfindungsgemäße Entgasungssystem hat den Vorteil, dass beim Austreten von Batteriegasen aus einer Batteriezelle eine inerte Atmosphäre im Entgasungssystem erzeugt wird. Durch die Verdrängung und/oder Verdünnung der Luft im Entgasungssystem ist kein oder nur mehr eine geringe Menge an Sauerstoff für eine Reaktion mit den Batteriegasen vorhanden. Ferner wird den Batteriegasen thermische Energie entzogen, um das gebundene Inertmittel zu lösen, wodurch die Temperatur der Batteriegase gesenkt wird. Durch diese Eigenschaften werden exotherme Reaktionen vermindert oder verhindert, wodurch eine Überhitzung des Entgasungssystems und eine Zerstörung der Batterie verhindert werden und somit die Betriebssicherheit erhöht wird.
Gemäß dem Stand der Technik ist das gebundene Inertmittel Wasser. Sollten aus der Batteriezelle heiße Batteriegase austreten, so erwärmen diese das Wasser, wodurch es verdampft.
Bevorzugt ist das Wasser in einem Zeolith oder anderen wasserbindenden Substraten gebunden. Diese werden in Wasser getränkt, um es aufzunehmen und zu binden. Durch die hohe Temperatur der austretenden Batteriegase werden die Zeolithen erwärmt, woraufhin Wasserdampf aus den Zeolithen entweicht. Diese Freisetzung erfolgt endotherm, wodurch die Temperatur der Batteriegase abgesenkt wird. Die Zeolithe oder die anderen wasserbindenden Substrate können bevorzugt direkt in einem Hohlraum des Entgasungssystems, beispielsweise in Schläuchen, angeordnet sein. Alternativ können die Zeolithe auch in externen Behältern untergebracht sein und ferner bevorzugt beim Austreten von Batteriegas in das Entgasungssystem geführt werden.
Ferner bevorzugt wird das Wasser in den, den Hohlraum bildenden Wänden des Entgasungssystems gebunden. Diese können dazu beispielsweise porös ausgeführt sein, um Wassertröpfchen aufzunehmen. Das Wasser ist in den Poren eingelagert, wird durch Erhitzen verdampft und tritt aus den Wänden aus. Alternativ können die Wassertröpfchen auch hinter Membranen liegen. Sobald sich die Wassertröpfchen erhitzen, treten diese in Form von Wasserdampf durch die Membran. Gemäß diesen Ausführungsformen bleiben die Wände des Hohlraumes trocken, bis das darin gespeicherte Wasser verdampft und aus den Wänden austritt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Standes der Technik ist das gebundene Inertmittel Kohlendioxid (CO₂). Prinzipiell können auch andere Gase als Inertmittel dienen, wie beispielsweise Stickstoff (N₂).
Des Weiteren bevorzugt umfasst das Entgasungssystem neben dem gebundenen Inertmittel noch weitere Stoffe, insbesondere Kalziumsalze, welche fluorhaltige Verbindungen binden können. Diese äußerst toxischen fluorhaltigen Verbindungen sind beispielsweise Fluorwasserstoff (HF) oder phosphorhaltige Verbindungen wie Phosphoroxytrifluorid (POF₃). Bei der Bindung mit geeigneten Kalziumsalzen entstehen schwerlösliches Kalziumfluorid (CaF₂) und Kalzium-Phosphat (Ca₃(PO₄)₂. Dadurch, dass die fluorhaltigen Verbindungen gebunden sind, können sie nicht mehr in die Umgebung austreten und sind somit für die Umwelt unschädlich gemacht.
Erfindungsgemäß sind Inertmittel Verbindungen, die endotherm Wasser und/oder brandhemmende Spezies wie Kohlendioxid (CO₂) freisetzen können als auch fluor- und phosphorhaltige Verbindungen, die aus der Zelle austreten können, chemisch abbinden und somit unschädlich machen können. Erfindungsgemäß ist ein solches Inertmittel Tricalcium-di(2-hydroxy-1,2,3-propantricarboxylat)tetrahydrat. Diese Verbindung setzt bei Erwärmung zunächst Wasser frei, zersetzt sich dann unter CO₂-Abspaitung (Descaboxylierung) und hat noch reaktive Kalzium-Kationen, um fluor- und phosphorhaltige Spezies chemisch abzubinden. Der Einsatz dieses Inertmittels bietet demnach besondere Vorteile für Lithium-Ionen-Batterien, die in der Regel fluor- und phosphorhaltige Leitsalze enthalten.
Des Weiteren wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche das erfindungsgemäße Entgasungssystem umfasst. Bevorzugt ist die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Entgasungssystem mit in den Wänden gebundenem Inertmittel, und
2 ein Entgasungssystem mit in einem wasserbindenden Substrat gespeichertem Inertmittel.

1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Entgasungssystem 10, welches, wie dargestellt, einen durch eine Schlauchwand 16 vorgegebenen Hohlraum 12 umfasst. In die Schlauchwand 16 des Hohlraums 12 ist ein Inertmittel 14 eingebunden. Treten nun heiße Batteriegase A aus einer Batteriezelle aus, durchströmen diese das Entgasungssystem 10 und damit den Hohlraum 12 und erhitzen diesen. Wasser verdampft und tritt als Wasserdampf B durch die Membran in den Hohlraum 12 über, wodurch die normalerweise im Hohlraum 12 befindliche Luft verdrängt und/oder verdünnt wird. Durch diese Inertisierung des Hohlraumes 12 werden exotherme Reaktionen der Batteriegase mit der normalerweise im Hohlraum 12 befindlichen Luft verhindert oder zumindest vermindert, da die Luft im Hohlraum 12 durch das gelöste Inertmittel verdrängt und/oder verdünnt wird. Zusätzlich wird den Batteriegasen A beim Verdampfen des Wassers Wärmeenergie entzogen, wodurch die Batteriegase A abkühlen.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entgasungssystems 10. Das Entgasungssystem 10 kann wiederum als Schlauch mit Schlauchwänden 16 ausgebildet sein, wobei ein wasserbindendes Substrat 18 mit darin gebundenem Wasser vorliegend direkt im Hohlraum 12 angeordnet ist. Dieses wasserbindende Substrat 18 sollte so angeordnet sein, dass die, aus einer Batteriezelle austretenden, heißen Batteriegase A durch das Substrat 18 hindurchströmen müssen. Aufgrund der hohen Temperaturen der Batteriegase A wird wiederum Wasserdampf B aus dem Substrat 18 endotherm freigesetzt, wodurch den heißen Batteriegasen A zusätzlich Wärme entzogen wird. Durch den frei werdenden Wasserdampf B ergeben sich ansonsten vergleichbare Vorteile, wie bereits unter 1 angeführt.

Claims

Entgasungssystem (10) einer Batterie, umfassend einen Hohlraum (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasungssystem (10) ferner ein in fester oder flüssiger Form gebundenes Inertmittel (14) umfasst, welches thermisch induziert in den Hohlraum (12) freisetzbar ist, wobei das gebundene Inertmittel (14) Tricalcium-di(2-hydroxy-1,2,3-propantricarboxylat)tetrahydrat ist.
Entgasungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das Entgasungssystem (10) neben dem gebundenen Inertmittel (14) noch weitere Stoffe, insbesondere Kalziumsalze, umfasst, welche fluorhaltige Verbindungen binden können.
Batterie, umfassend das Entgasungssystem (10) nach Anspruch 1 bis 2.
Batterie nach Anspruch 3, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Kraftfahrzeug umfassend die Batterie nach einem der Ansprüche 3 bis 4.