DE102011087003A1 - Gehäuse für ein galvanisches Element aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit feuchtigkeitsundurchlässiger Schicht, galvanische Zelle, Akkumulator sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Gehäuse für ein galvanisches Element, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle beschrieben, wobei das Gehäuse aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) besteht, das mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht versehen ist. Ferner werden ein galvanisches Element, ein Akkumulator sowie ein Kraftfahrzeug offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein galvanisches Element, ein galvanisches Element, einen Akkumulator sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, werden ständig höhere Anforderungen an die verwendeten Batteriesysteme bezüglich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt.
  • Ein wichtiger Parameter der Leistungsfähigkeit einer Batterie-Zelle ist die Energiedichte oder Kapazität, von der unter anderem die Reichweite von mit Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugen abhängt. Diese kann gravimetrisch in Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) angegeben werden.
  • Die Kapazität oder Nenn-Kapzität einer Batterie-Zelle wird durch die sogenannten aktiven Materialien einer Batterie-Zelle bestimmt. Dies sind beispielsweise bei einer Lithium-Ionen-Zelle lithiierte Metalloxide in der positiven Elektrode und Graphite bzw. Kohlenstoffe in der negativen Elektrode. Daneben sind in einer Zeile auch sogenannte Passiv-Materialien wie Separator und Elektrodenbinder für die Funktionalität einer Zelle nötig. Zur Energiedichte-Optimierung ist man bestrebt, die Anteile der passiven Zell-Materialien, wozu unter anderem auch das Zellengehäuse gehört, zu reduzieren, um entsprechend die Energiedichte zu steigern.
  • Prädestiniert für ein breites Einsatzgebiet von Applikationen ist insbesondere die Lithium-Ionen-Technologie. Sie zeichnet sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode und Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Ein zweites attraktives Batterie-System sind wiederaufladbare metallische Lithium-Systeme. Hier besteht die negative Elektrode aus Lithium-Metall und das positive Aktivmaterial basiert zum Beispiel auf einem Übergangsmetalloxid mit Schichtstruktur wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2).
  • Damit die Interkalation beispielsweise von Lithium-Ionen bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente, des sogenannten Lithium-Leitsalzes, notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen, sowohl im Consumer-Bereich (Mobil-Telefon, MP3-Player oder Powertools) als auch im automotiven Bereich (Hybrid-Auto – HEV für Hybrid electric vehicle –), Plug-in-Hybrid Autos (PHEV für Plug in electric vehicle) und Elektroautos (EV für electric vehicle), wird als Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Dieses LiPF6 ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, wobei es in mehreren Stufen hydrolytisch bis hin zu Fluorwasserstoff (HF) gespalten wird.
  • Um eine Schädigung der Lithium-Ionen-Zelle durch Feuchte aufgrund der hydrolytischen Spaltung des Leitsalzes zu verhindern, wird nach dem Stand der Technik ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil, üblicherweise in Form einer Metallfolie oder eines -blechs verwendet, wobei die Metallfolie bzw. das -blech die eigentliche Sperre gegen die Luftfeuchte darstellen. Zu unterscheiden sind dabei sogenannte Softpacks mit einer Folienverpackung und Zellen in einem festen, metallischen Gehäuse (Hardcase), die üblicherweise prismatisch oder zylindrisch ausgestaltet sind. Ein derartiges festes Gehäuse kann zum Beispiel aus Aluminium bestehen und im kalten Tiefziehverfahren hergestellt werden. Die Verwendung von Kunststoffen ist in diesem Bereich nicht angezeigt, da diese in der Regel gegenüber Feuchtigkeit eine gewisse Durchlässigkeit besitzen.
  • Ein Hardcase, das beispielsweise aus Aluminium- oder Edelstahl besteht, ist jedoch im Vergleich zu Kunststoffen bei gleichem Volumen schwerer. Da aber eine Erhöhung der spezifischen Energiedichte auf Zellebene angestrebt wird, ist der Anteil des Passivmaterials so weit wie möglich zu reduzieren.
  • Zudem ist ein Gehäuse aus reinem Metall nach außen naturgemäß elektrisch leitend. Es kann beispielsweise leicht zu elektrischen Isolationsproblemen im Hoch-Volt-Batterie-System zwischen den verschalteten Basis-Zellen kommen.
  • Im Falle von mechanischen Einwirkungen, insbesondere während eines Unfalls, welcher eine Zerstörung des Metallgehäuses durch Zersplitterung oder dergleichen bewirkt, können diese metallischen Gehäuse interne Kurzschlüsse in der Zelle bewirken. Dies kann heftige Erwärmung, Öffnen der Zelle, Emission von Zellkomponenten als Rauch, Flammenbildung oder sogar eine Explosion hervorrufen. Dies wird vor allem beobachtet, wenn beispielsweise eine Zelle im vollgeladenen Zustand ist.
  • Zur Reduzierung des Anteils des Passivmaterials in einer Batterie ist aus der DE 10 2008 023 571 A1 eine Gehäusefolie für ein Gehäuse zur Aufnahme eines galvanischen Elementes bekannt, die aus einem Polyolefin oder dergleichen besteht und auf der eine Barriereschicht gegen Feuchtigkeit abgeschieden ist, die aus einer siliziumorganischen Verbindung bestehen kann. Entsprechend ausgestaltete Gehäuse sind jedoch ebenfalls gegenüber Beschädigungen und den damit verbundenen Gefährdungen anfällig.
  • Einzelne Batteriezellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Batterie-Modulen und dann zu Batteriepacks verschaltet werden. Dabei besteht per Definition eine Batterie aus mindestens zwei verschalteten Batteriezellen. Die Begriffe Batteriezelle und Batterie werden nachfolgend nicht synonym verwendet. Hingegen werden die Begriffe Batterie, -System, -Modul und -Pack jedoch weitgehend synonym verwendet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse für ein galvanisches Element zur Verfügung gestellt, das aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK, Carbon-faserverstärkter Kunststoff) besteht und mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht versehen ist.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem galvanischen Element um eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine wiederaufladbare Lithium-Zelle, die aufgrund der üblicherweise verwendeten aktiven Materialien besonders gegenüber Feuchtigkeit zu schützen sind. Das erfindungsgemäße Gehäuse ist aber auch für sonstige Zelltypen verwendbar.
  • Geeignete kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Es werden vorzugsweise Thermoplaste und insbesondere Polyolefine und besonders bevorzugt Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Copolymere davon verwendet. Ein anderer besonders bevorzugter Kunststoff ist Polyphenylensulfid (PPS).
  • Geeignete Kohlenstofffasern mit entsprechender Formgebung und Länge sind dem Fachmann bekannt.
  • Genannte kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe besitzen eine gute Temperaturbeständigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und mechanische Stabilität.
  • Die verwendeten Kunststoffe sind im Gegensatz zu beispielsweise Aluminiumfolie feuchtigkeitsdurchlässig. Daher ist erfindungsgemäß eine feuchtigkeitsundurchlässige Schicht auf der Außenseite und/oder auf der Innenseite des Gehäuses vorgesehen, wobei eine Schicht auf der Außenseite bevorzugt ist, da diese einfacher und wirtschaftlicher herzustellen ist. Diese feuchtigkeitsundurchlässige Schicht besitzt hinsichtlich der Durchlässigkeit gegenüber Feuchtigkeit vergleichbare Eigenschaften wie Metallfolien oder -bleche, beispielsweise Walzaluminium-Folie.
  • Die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht kann beispielsweise durch übliche Verfahren wie CVD (chemical vapor deposition), PVD (physical vapour deposition), Walzplattieren oder dergleichen aufgebracht werden. Das Verfahren wird naturgemäß durch die aufzubringende Schicht bestimmt.
  • Bevorzugte Schichten, vorzugsweise durch CVD aufgebracht, sind aus Parylene, siliziumorganischen Verbindungen oder sind Siliziumdioxid-basiert. Besonders vorteilhaft als feuchtigkeitsundurchlässige Schicht haben sich Siliziumdioxid basierte Materialien erwiesen.
  • Die Schicht kann auch aus mittels PVD aufgebrachten Metallen, wie Aluminium oder Edelstahl bestehen. Bei Metallen kann auch auf die Walzplattierung zurückgegriffen werden, wobei dünne Metallschichten, die durch PVD aufgebracht wurden, bevorzugt sind.
  • Dünne wasserabweisende Schichten, wie oben beschrieben, sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in DE 10 2008 023 571 A1 oder in K. Marquardt et al.; „Entwicklung einer hermetischen Glas-Silizium Verpackung Verkapselung" beschrieben als Gehäuse für integrierte Lithium-Polymer Batterien; MikroSystemTechnik KONGRESS, Berlin, 2009, 12.–14.10.2010.
  • Überraschenderweise lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften eines CFK als Gehäuse für galvanische Zellen sowie die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht kombinieren. Überraschend ist, dass die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht langzeitstabil an das CFK-Gehäuse angebunden werden kann. Besonders gute Ergebnisse werden in Kombination von kohlenstofffaserverstärktem Polypropylen mit hermetischer Glasbarriere erzielt.
  • Völlig unerwartet sind die Kohlenstofffasern im Inneren der Zelle chemisch und elektrochemisch gegen die Zellkomponenten wie organischen Karbonaten, beispielsweise Ethylencarbonat (EC), dem Lithium-Leitsalz Hexa-Fluoro-Phosphat (LiPF6) oder dem in Spuren anwesenden Fluorwasserstoff (HF) über längere Zeit inert, obwohl üblicherweise Kohlenstoff oder Graphit in entsprechender Umgebung reagieren.
  • Die erfindungsgemäß verwendeten Materialien erlauben eine freiere Formgebung des Gehäuses, insbesondere hinsichtlich der Wandstärke in Relation zu den sonstigen Dimensionen des Gehäuses wie Länge, Breite und Höhe.
  • Zudem ist eine bessere Anpassung des Gehäuses an die Form des einzubringenden Zell-Wickels möglich. So können beispielsweise im Inneren des Gehäuses Rundungen gestaltet werden, die die nicht mögliche Packung eines Zell-Wickels in eine ideale prismatische Form ausgleicht.
  • Dadurch wird auch eine bessere mechanische Halterung des Zellen-Wickels im Gehäuse erreicht, ohne dass sogenannte Retainer, die ansonsten den Zellen-Wickel in Position halten und von der inneren Zellwand separieren, benötigt werden.
  • Die verbesserte mechanische Kontaktierung des Zellen-Wickels im Bereich der Gehäuse-Rundungen führt zu einer insgesamt erhöhten Lebensdauer der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle.
  • Dadurch ist auch weniger Leerraum im Gehäuse vorhanden, wodurch wiederum weniger freier Flüssig-Elektrolyt im Zellinneren benötigt wird.
  • Sonstige Varianten zu geeigneten räumlichen Ausformungen von kunststofffaserverstärktem Kunststoff zu festen Gehäusen sind dem Fachmann bekannt und müssen nicht näher erläutert werden.
  • Mit den erfindungsgemäßen Gehäusen für galvanische Zellen können vorteilhafterweise die bisherigen metallisch basierten Zell-Gehäuse nach dem Stand der Technik problemlos ersetzt werden, wobei gleichzeitig deren Nachteile vermieden werden können.
  • So weisen die erfindungsgemäßen Gehäuse ein geringeres Gewicht und somit eine höhere spezifische gravimetrische Energie auf Zellebene auf. Das Gewicht der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe entspricht lediglich etwa 50 Prozent von dem von Aluminium und rund 20 Prozent von Stahl. Genannte erfindungsgemäß verwendete Materialien sind zudem weniger kostenintensiv hinsichtlich der Material- und Herstellungskosten.
  • Darüber hinaus besitzen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe weitere einzigartige Vorteile wie zum Beispiel extrem gute Crasheigenschaften, geringe Ermüdungsneigung und eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit.
  • Die Materialien der erfindungsgemäßen Gehäuse bewirken vorteilhafterweise eine Schwingungsdämpfung, was Ermüdungserscheinungen vorbeugt, wie auch die sehr geringe thermische Ausdehnung.
  • Der verbesserte thermische Übergang der kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe ergibt eine gleichmäßige Temperaturverteilung, die eine verlängerte Lebensdauer bewirkt.
  • Bei Unfällen besteht nicht mehr die Gefahr, dass Metallteile in die Zelle eindringen, so die eingangs beschriebenen Gefährdungen entfallen. Auch im Brandfall wiesen die Gehäuse ein gutes Sicherheitsverhalten auf, da kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe äußerst schwer entflammbar sind.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem in dem Gehäuse anzuordnenden galvanischen Element um eine Lithium-Ionen-Zelle.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit mindestens zwei vorab beschriebenen Lithium-Ionen-Zellen sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Lithium-Ionen-Akkumulator.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung wiedergegeben.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert.
  • Zur experimentellen Bestätigung der Crashsicherheit des erfindungsgemäßen Gehäuses für eine Batterie wurden Crash-Versuche durchgeführt.
  • Als Referenz-System wurden 100 Lithium-Ionen Polymer Zellen (mit weichem Pouch-Zellengehäuse) elektrisch verschaltet, in ein Aluminium-Gehäuse konfektioniert und voll geladen, wodurch es eine Spannung von 420 Volt aufwies.
  • Eine Batterie erhielt bei ansonsten unveränderten Bauteilen ein Batteriegehäuse aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei als Kunststoff Polypropylen (PP) zum Einsatz kam.
  • Der Versuch wurde mit einem Frontalaufprall gemäß dem Euro NCAP-Crashtest durchgeführt, wobei das Versuchsfahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 64 km/h und einer Überdeckung von 40% mit einer deformierbaren Barriere kollidiert. Als Versuchsfahrzeug kam ein typischer Personenwagen zum Einsatz. Das Gehäuse des Referenz-Systems deformierte sich und es traten Kurzschlüsse und Erwärmungen auf. Das kohlenstofffaserverstärkte Gehäuse des erfindungsgemäßen Energiespeichers wurde nicht deformiert und seine Batterie-Funktion nicht beeinträchtigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008023571 A1 [0011, 0022]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • K. Marquardt et al.; „Entwicklung einer hermetischen Glas-Silizium Verpackung Verkapselung” beschrieben als Gehäuse für integrierte Lithium-Polymer Batterien; MikroSystemTechnik KONGRESS, Berlin, 2009, 12.–14.10.2010 [0022]

Claims (11)

  1. Ein Gehäuse für ein galvanisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) besteht und mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht versehen ist.
  2. Das Gehäuse nach Anspruch 1, wobei der Kunststoff ein Thermoplast ist.
  3. Das Gehäuse nach Anspruch 2, wobei der Kunststoff ein Polyolefin oder ein Copolymer aus verschiedenen Polyolefinen oder Polyphenylensulfid ist.
  4. Das Gehäuse nach Anspruch 3, wobei der Kunststoff ein Copolymer von Polypropylen und Polyethylen ist.
  5. Das Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht aus Siliziumdioxid-basierten Materialien, Parylene, siliziumorganischen Verbindungen oder Metall besteht.
  6. Das Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die feuchtigkeitsundurchlässige Schicht auf der Außenseite und/oder der Innenseite des Gehäuses befindlich ist.
  7. Das Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Innenraum des Gehäuses der Form eines Zellwickels eines galvanischen Elements angepasst ist.
  8. Ein galvanisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanische Element ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
  9. Das galvanische Element nach Anspruch 8, wobei das galvanische Element eine Lithium-Ionen-Zelle ist oder eine wiederaufladbare Lithium-Zelle ist.
  10. Ein Akkumulator mit mindestens zwei Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Zellen nach Anspruch 9.
  11. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Akkumulator gemäß Anspruch 10.
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