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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrochemische Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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Herkömmliche Einzelzellen, insbesondere Lithium-Ionen-Zellen, reagieren sehr empfindlich auf zu hohe Temperaturen. Durch eine entsprechende konstruktive Ausformung und ein angepasstes Betriebsverhalten werden die Einzelzellen normalerweise im unkritischen Temperaturbereich betrieben.
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Bei einer äußeren Gewalteinwirkung oder einem Defekt der Einzelzelle und einem daraus resultierenden Zellkurzschluss können kritische Temperaturen in einer Einzelzelle auftreten. Dies kann dann zum so genannten thermal runaway der betroffenen Einzelzelle führen, d. h. eine derart überhitzte Einzelzelle kann durch internen Druckanstieg öffnen, was zur Gas- und Rauchbildung sowie einem Brand führen kann.
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Bei einem solchen thermal runaway einer Einzelzelle reagieren die chemischen Zellbestandteile bei Überschreiten der kritischen Temperatur ohne weiteres äußeres Zutun selbstständig miteinander exotherm, d. h. unter Wärmeerzeugung mit heftiger Gas- und Rauchgeneration. Dies kann zum Brand führen, da die Einzelzellen brennbare Elektrolytflüssigkeiten, beispielsweise organische Lösungsmittel wie Dimethylcarbonat, enthalten.
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Weitere benachbarte Einzelzellen in einer elektrochemischen Batterie können dabei beschädigt oder zerstört werden, so dass unter Umständen die gesamte elektrochemische Batterie und/oder das gesamte Fahrzeug beschädigt oder zerstört werden.
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Die
DE 40 13 269 A1 beschreibt eine Hochtemperaturspeicherbatterie, die von einer thermischen Isolierung begrenzt ist, in deren Innenraum elektrisch verschaltete Speicherzellen angeordnet und gehaltert sind. Dabei sind die Speicherzellen so gehaltert, dass eine ausreichende Kühlung und Heizung der Speicherzellen möglich ist. Dazu sind die Speicherzellen zur Ausbildung eines Speicherzellenblocks in eine Vergußmasse oder ein grobkörniges Schüttgut eingebettet. In diesen Speicherzellenblock sind Kühleinrichtungen integriert oder außerhalb unmittelbar und Wärme leitend an diesen Block angrenzend angeordnet. Heizelemente zum Aufheizen der Speicherzellen sind ebenfalls vorgesehen.
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Die
DE 10 358 582 A1 beschreibt eine Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport, die wenigstens eine Batteriezelle mit einer von einem Zellmantel umgebenen Puppe aufweisen. Diese Puppe ist in ihrem Inneren hohl und wird von einem Wärme leitenden Medium durchströmt oder mit einem solchen Mittel gefüllt. Die Puppe und der Zellmantel stellen dabei Mittel zur Wärmeableitung aus dem Inneren der Batterie dar.
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Die
US 7 931 979 B2 beschreibt eine Batterie, in deren Gehäuse ein so genanntes Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie, eine verbesserte elektrochemische Batterie und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Hinsichtlich der elektrochemischen Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Einzelzelle umfasst als Zellkomponenten zumindest ein Zellgehäuse und einen in dem Zellgehäuse angeordneten elektrochemisch aktiven Elektrodenstapel, welcher auf einen Wickeldorn gewickelt ist und mit Polkontakten kontaktiert ist, wobei erfindungsgemäß zumindest eine den Elektrodenstapel zumindest abschnittsweise umgebende Zellkomponente und zumindest eine vom Elektrodenstapel zumindest abschnittsweise umgebene Zellkomponente jeweils ein Phasenübergangsmaterial aufweisen.
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Mittels des Phasenübergangsmaterials ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle, insbesondere bei einem Zellkurzschluss, verlangsamt und begrenzt.
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Durch die Anordnung des Phasenübergangsmaterials an oder in einer den Elektrodenstapel zumindest abschnittsweise umgebende Zellkomponente und an oder in einer vom Elektrodenstapel zumindest abschnittsweise umgebene Zellkomponente ist der Elektrodenstapel mit dem Phasenübergangsmaterial sowohl innenseitig als auch außenseitig in Wirkverbindung gebracht. Auf diese Weise sind eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung und Wärmeaufnahme innerhalb der Einzelzelle und eine effiziente Wärmeabfuhr aus der Einzelzelle ermöglicht.
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Besonders vorteilhafterweise sind derart lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle, welche einen Ausgangspunkt des beschriebenen thermal runaway bilden können, weitgehend vermieden.
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Besonders vorteilhafterweise ist mittels des außenseitig am Elektrodenstapel, beispielsweise am oder im Zellgehäuse, angeordneten Phasenübergangsmaterials eine thermische Energie benachbarter Einzelzellen in einer elektrochemischen Batterie aufnehmbar.
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Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass eine Einzelzelle durch inneren oder äußeren Kurzschluss eine kritische Temperatur überschreitet, bei welcher der beschriebene thermal runaway eintritt.
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Weiterhin ist ein Brand der beschädigten Einzelzelle und/oder der elektrochemischen Batterie vermieden. Insbesondere ist ein so genannter Dominoeffekt im Zellverbund der elektrochemischen Batterie, d. h. eine Beschädigung umliegender Einzelzellen durch eine einzelne defekte Einzelzelle, vermieden.
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Somit ist eine Sicherheit einer erfindungsgemäßen Einzelzelle signifikant verbessert.
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In einer möglichen Ausführungsform ist das Phasenübergangsmaterial in zumindest einem Polkontakt, im oder am Zellgehäuse und/oder im Wickeldorn angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Zellgehäuse doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen den Zellgehäusewänden das Phasenübergangsmaterial angeordnet ist. Dadurch ist das Phasenübergangsmaterial sicher von den übrigen chemisch aktiven Materialien der Einzelzelle separiert.
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Vorteilhafterweise ist durch das Phasenübergangsmaterial thermische Energie durch einen Phasenwechsel aufnehmbar. Damit ist die bei einer Beschädigung der Einzelzelle frei werdende thermische Energie, welche üblicherweise den Brand verursacht, sicher aufnehmbar.
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Besonders vorteilhafterweise ist der Phasenwechsel bei einer vorgebbaren Temperatur durchführbar. Dadurch ist der Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle auf eine Temperatur begrenzbar, welche unterhalb einer Zerstörungstemperatur der einzelnen Komponenten des elektrochemisch aktiven Elektrodenstapels liegt.
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Zweckmäßigerweise ist eine Mehrzahl von erfindungsgemäß ausgebildeten Einzelzellen elektrisch seriell und/oder parallel zu einer elektrochemischen Batterie gekoppelt.
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Beim Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie wird erfindungsgemäß in zumindest einer Zellkomponente, insbesondere in zumindest einem Polkontakt, im oder an einem Zellgehäuse und/oder in einem Wickeldorn, ein Phasenübergangsmaterial angeordnet, so dass ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle verlangsamt und auf eine vorgebbare Temperatur begrenzt wird. Auf diese Weise sind eine unkontrollierte Abgabe thermischer Energie und/oder ein Brand der Einzelzelle sicher vermieden.
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Als vorgebbare Temperatur wird bevorzugter Weise eine Temperatur unterhalb einer Zerstörungstemperatur der einzelnen Komponenten des elektrochemisch aktiven Elektrodenstapels vorgegeben. Dadurch ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle auch bei einer Fehlfunktion der selbigen auf eine unkritische Temperatur begrenzt und ein so genannter thermal runaway ist sicher vermieden.
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Der Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle wird mittels eines Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials begrenzt. Bei diesem Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials wird die frei werdende thermische Energie der Einzelzelle vollständig oder nahezu vollständig vom Phasenübergangsmaterial aufgenommen und umgewandelt.
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Insbesondere wird der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials von der bei einem Kurzschluss der Einzelzelle frei werdenden thermischen Energie bewirkt.
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Besonders vorteilhafterweise wird eine mittels des Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials aufnehmbare thermische Energiemenge korrespondierend zu einer innerhalb der Einzelzelle speicherbaren elektrischen Energiemenge ausgebildet. Dadurch wird die bei einer Fehlfunktion der Einzelzelle austretende thermische Energie vollständig vom Phasenübergangsmaterial aufgenommen oder absorbiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle in einer ersten Ausführungsvariante,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle in einer zweiten Ausführungsvariante,
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3 schematisch eine Teilschnittdarstellung einer Einzelzelle in einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht und
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4 schematisch eine Detaildarstellung eines Polkontakts.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsvariante als so genannte prismatische Einzelzelle 1.
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2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer zweiten Ausführungsvariante als runde Einzelzelle 1.
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Die Einzelzelle 1 ist bevorzugt als Lithium-Ionen-Einzelzelle ausgebildet und Teil einer herkömmlichen, nicht dargestellten elektrochemischen Batterie. Bei der Batterie handelt es sich beispielsweise um eine Hochvolt-Batterie zur Verwendung als Energiespeicher für elektrische Energie in einem nicht dargestellten Fahrzeug. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei mittels der in der Batterie gespeicherten elektrischen Energie zumindest ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs betreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Batterie, eine so genannte Starter-Batterie, zum Starten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verwendbar, wobei das Fahrzeug hierbei auch ausschließlich einen Verbrennungsmotor zum Antrieb aufweisen kann.
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Die Batterie umfasst mehrere elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Einzelzellen 1, welche als so genannte prismatische (wie in 1 dargestellt) oder runde (wie in 2 dargestellt) Einzelzellen 1 ausgebildet sein können. Jede der Einzelzellen 1 weist als Zellkomponenten zumindest ein Zellgehäuse 2 und einen in dem Zellgehäuse 2 angeordneten und von diesem umgebenen elektrochemisch aktiven Elektrodenstapel 3 auf. Der Elektrodenstapel 3 ist in nicht dargestellter Weise aus gestapelten Anoden- und Kathodenfolien gebildet, welche jeweils durch eine Separatorfolie voneinander getrennt sind. Die Anoden- und Kathodenfolien sowie die Separatorfolie sind herkömmlicherweise auf einen Wickeldorn 4 gewickelt, so dass der Elektrodenstapel einen Elektrodenwickel bildet. Alternativ ist der Elektrodenstapel 3 in ungewickelter Form innerhalb des Zellgehäuses 2 angeordnet.
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3 zeigt schematisch eine Teilschnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht.
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Zur elektrischen Kopplung umfasst jede der Einzelzellen 1 zumindest zwei Polkontakte 5, 6, wobei die Einzelzellen 1 einer elektrochemischen Batterie mittels nicht dargestellter Zellverbinder elektrisch parallel und/oder in Reihe miteinander gekoppelt sind.
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Erfindungsgemäß weisen zumindest eine den Elektrodenstapel 3 zumindest abschnittsweise umgebende Zellkomponente und zumindest eine vom Elektrodenstapel 3 zumindest abschnittsweise umgebene Zellkomponente jeweils ein Phasenübergangsmaterial 7 auf.
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Dazu ist das Phasenübergangsmaterial 7 in zumindest einem der Polkontakte 5, 6, im oder am Zellgehäuse 2 und/oder im Wickeldorn 4 angeordnet.
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Durch die Anordnung des Phasenübergangsmaterials 7 an oder in einer den Elektrodenstapel 3 zumindest abschnittsweise umgebende Zellkomponente, beispielsweise dem Zellgehäuse 2, und an oder in einer vom Elektrodenstapel 3 zumindest abschnittsweise umgebene Zellkomponente, beispielsweise den Polkontakten 5, 6 oder dem Wickeldorn 4, ist der Elektrodenstapel 3 mit dem Phasenübergangsmaterial 7 sowohl innenseitig als auch außenseitig in Wirkverbindung gebracht. Auf diese Weise ist eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung und Wärmeaufnahme innerhalb der Einzelzelle 1 ermöglicht.
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Weiterhin ist mittels des Phasenübergangsmaterials 7 eine besonders gleichmäßige und effiziente Wärmeabfuhr aus der Einzelzelle 1 ermöglicht.
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Besonders vorteilhafterweise sind derart lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle 1, welche einen Ausgangspunkt des so genannten thermal runaway bilden können, sicher vermieden.
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Besonders vorteilhafterweise ist mittels des außenseitig am Elektrodenstapel 3, beispielsweise am oder im Zellgehäuse 2, angeordneten Phasenübergangsmaterials 7 eine thermische Energie benachbarter Einzelzellen 1 in einer elektrochemischen Batterie aufnehmbar.
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Ein solches Phasenübergangsmaterial 7 ändert bei bestimmten Kombinationen von Druck und Temperatur seinen Aggregatzustand von fest in flüssig und von flüssig in gasförmig und umgekehrt. Bei einer solchen Änderung des Aggregatzustandes kann ein Phasenübergangsmaterial 7 bei konstanter Temperatur eine große thermische Energiemenge, die so genannte latente Wärme, abgeben oder aufnehmen.
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Mit anderen Worten ist bei einem Phasenübergangsmaterial 7 die latente Absorptionswärme wesentlich größer als die Wärme, die es aufgrund seiner normalen spezifischen Wärmekapazität ohne den Phasenumwandlungseffekt aufnehmen und speichern könnte.
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Phasenübergangsmaterialien 7 funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs von fest nach flüssig, also Erstarren und Schmelzen.
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Im Bereich des Phasenübergangs erfolgt trotz Aufnahme einer großen Menge thermischer Energie durch das Phasenübergangsmaterial 7 keine signifikante Temperaturänderung.
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Dabei erfolgt der Phasenwechsel bei einer vorgebbaren Temperatur, welche insbesondere von einem verwendeten Phasenübergangsmaterial 7 abhängig ist.
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Mittels des Phasenübergangsmaterials 7 ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle 1, insbesondere bei einem Zellkurzschluss, verlangsamt und begrenzt.
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Besonders vorteilhafterweise wird die bei einem Zellkurzschluss frei werdende thermische Energie der Einzelzelle vollständig oder nahezu vollständig bei einem Phasenwechsel vom Phasenübergangsmaterial aufgenommen und umgewandelt.
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In einer ersten Ausführungsvariante ist das Zellgehäuse 2 doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen den Zellgehäusewänden das Phasenübergangsmaterial 7 angeordnet ist. Dadurch ist das Phasenübergangsmaterial 7 sicher von den übrigen chemisch aktiven Materialien der Einzelzelle 1, beispielsweise dem Elektrodenstapel 3, separiert.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial 7 im Wickeldorn 4 eingebracht. Dabei ist das Phasenübergangsmaterial im Inneren des zumindest abschnittsweise hohl ausgebildeten Wickeldorns 4 angeordnet und somit vollständig vom Dornmaterial umgeben.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial 7 am Zellgehäuse 2, beispielsweise außenseitig, angeordnet.
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4 zeigt schematisch eine Detaildarstellung eines Polkontakts 5, 6. Ein solcher Polkontakt 5, 6 ist im Inneren zumindest abschnittsweise hohl ausgebildet und mit dem Phasenübergangsmaterial 7 gefüllt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial 7 an mehreren Stellen in oder an der Einzelzelle 1 angeordnet.
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Im Betrieb der Einzelzelle 1 wird mittels der Anordnung des Phasenübergangsmaterials 7 in oder an der Einzelzelle 1 ein, insbesondere bestimmungswidriger, Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle 1 verlangsamt und auf eine vorgebbare Temperatur begrenzt. Auf diese Weise sind eine unkontrollierte Abgabe thermischer Energie und/oder ein Brand der Einzelzelle sicher vermieden.
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Ein solcher bestimmungswidriger Temperaturanstieg resultiert beispielsweise aus einer äußeren Gewalteinwirkung oder einem Defekt der Einzelzelle 1 und einem dadurch bewirkten Zellkurzschluss. Dabei können kritische Temperaturen in einer Einzelzelle 1 auftreten. Dies kann dann zum so genannten thermal runaway der betroffenen Einzelzelle 1 führen, d. h. eine derart überhitzte Einzelzelle 1 kann durch internen Druckanstieg geöffnet oder aufgesprengt werden, was zur Gas- und Rauchbildung sowie einem Brand führen kann.
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Bei einem solchen thermal runaway der Einzelzelle 1 reagieren die chemischen Zellbestandteile insbesondere des Elektrodenstapels 3 bei Überschreiten der kritischen Temperatur ohne weiteres äußeres Zutun selbstständig miteinander exotherm, d. h. unter Wärmeerzeugung mit Gas- und Rauchgeneration. Dies kann zum Brand führen, da die Einzelzellen 1 brennbare Elektrolytflüssigkeiten, beispielsweise organische Lösungsmittel wie Dimethylcarbonat, enthalten.
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Weiterhin kann ein so genannter Dominoeffekt im Zellverbund der elektrochemischen Batterie auftreten, d. h. eine Beschädigung umliegender Einzelzellen 1 durch eine einzelne defekte Einzelzelle 1.
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Weitere benachbarte Einzelzellen 1 in einer elektrochemischen Batterie können dabei beschädigt oder zerstört werden, so dass unter Umständen die gesamte elektrochemische Batterie und/oder das gesamte Fahrzeug beschädigt oder zerstört werden.
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Diese Effekte sind durch die Aufnahme der bei einem Zellkurzschluss abgegebenen thermischen Energie der Einzelzelle 1 durch das Phasenübergangsmaterial 7 vermieden.
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Als vorgebbare Temperatur wird bevorzugter Weise eine Temperatur unterhalb einer Zerstörungstemperatur der einzelnen Komponenten des elektrochemisch aktiven Elektrodenstapels 3 vorgegeben. Dadurch ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle 1 auch bei einer Fehlfunktion der selbigen auf eine unkritische Temperatur begrenzt und ein so genannter thermal runaway ist sicher vermieden.
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Der Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle 1 wird mittels des Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials 7 begrenzt. Bei diesem Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials 7 wird die frei werdende thermische Energie der Einzelzelle 1 vollständig oder nahezu vollständig vom Phasenübergangsmaterial 7 aufgenommen und umgewandelt.
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Dabei wird der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials 7 von der bei einem Kurzschluss der Einzelzelle 1 frei werdenden thermischen Energie bewirkt.
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Besonders vorteilhafterweise wird eine mittels des Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials 7 aufnehmbare thermische Energiemenge korrespondierend zu einer innerhalb der Einzelzelle speicherbaren elektrischen Energiemenge ausgebildet. Somit kann die bei einer Fehlfunktion der Einzelzelle 1 austretende thermische Energie vollständig oder nahezu vollständig vom Phasenübergangsmaterial aufgenommen oder absorbiert werden.
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Insbesondere erfolgt eine derartige Ausbildung der Einzelzelle 1 und der daran und/oder darin angeordneten Gesamtmenge an Phasenübergangsmaterial 7 derart, dass die gespeicherte elektrische Energie der Einzelzelle 1 die thermische Gesamtmasse der Einzelzelle 1 einschließlich der notwendigen Schmelzenthalpie des eingesetzten Phasenübergangsmaterials 7 ausgehend von einer Normaltemperatur im Bereich von 20 bis 35°Celsius nicht über die vorgebbare, auch als kritisch bezeichnete, Temperatur erhitzen kann. Als kritische Temperatur ist dabei eine Temperatur vorgegeben und bezeichnet, welche für einen sicheren Betrieb der Einzelzelle 1 nicht überschritten werden darf. Oberhalb einer kritischen Temperatur beginnt eine Zerstörung der einzelnen Komponenten des Elektrodenstapels 3. Die kritische Temperatur einer Separatorfolie liegt beispielsweise bei 120°Celsius und die kritische Temperatur der Anoden- und Kathodenfolien bei 140 bis 180°Celsius.
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Eine für die Einzelzelle 1 vorgebbare kritische Temperatur wird dabei unterhalb der kritischen Temperaturen einzelner Komponenten des Elektrodenstapels 3 liegen.
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Weiterhin ist die Einzelzelle 1 derart ausgebildet, dass lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle 1 vermieden sind.
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Des Weiteren weist die Einzelzelle 1 ein vorgebbares Verhältnis zwischen der speicherbaren elektrischen Energiemenge, einer äußeren Form und der daraus resultierenden Oberflächengröße, der inneren Wärmeleitfähigkeiten und der thermischen Massen auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Zellgehäuse
- 3
- Elektrodenstapel
- 4
- Wickeldorn
- 5
- erster Polkontakt
- 6
- zweiter Polkontakt
- 7
- Phasenübergangsmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4013269 A1 [0006]
- DE 10358582 A1 [0007]
- US 7931979 B2 [0008]
