DE102012018040A1 - Single cell i.e. lithium ion single cell, for high volt battery for e.g. electric car, has electrode stack wrapped on mandrel, and cell components surrounding electrode stack in sections and comprising phase transition material - Google Patents
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Abstract
Description
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.The invention relates to a single cell for an electrochemical battery according to the features of the preamble of
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.Conventional single cells, in particular lithium-ion cells, are very sensitive to excessively high temperatures. By a corresponding structural design and an adapted operating behavior, the individual cells are normally operated in the uncritical temperature range.
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.In the event of an external trauma or a defect in the single cell and a resulting cell short circuit, critical temperatures can occur in a single cell. This can then lead to the so-called thermal runaway of the affected individual cell, d. H. such an overheated single cell can open by internal pressure increase, which can lead to the formation of gas and smoke as well as a fire.
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.In such a thermal runaway of a single cell, the chemical cell constituents react exothermically with each other when the critical temperature is exceeded, without further ado, ie. H. with heat generation with heavy gas and smoke generation. This can lead to fire, since the individual cells contain combustible electrolyte liquids, for example organic solvents such as dimethyl carbonate.
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.Other adjacent individual cells in an electrochemical battery can be damaged or destroyed, so that may damage or destroy the entire electrochemical battery and / or the entire vehicle.
Die
Die
Die
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.It is an object of the present invention to provide a prior art single cell for an electrochemical battery, an improved electrochemical battery and an improved method of operating a single cell for an electrochemical battery.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved by a single cell for an electrochemical battery having the features of
Hinsichtlich der elektrochemischen Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the electrochemical battery, the object is achieved by the features specified in
Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Einzelzelle für eine elektrochemische Batterie wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method for operating a single cell for an electrochemical battery, the object is achieved by the features specified in
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
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.The individual cell comprises as cell components at least one cell housing and an electrochemically active electrode stack arranged in the cell housing which is wound on a winding mandrel and contacted with pole contacts, wherein according to the invention at least one cell component at least partially surrounding the electrode stack and at least one cell component at least partially surrounded by the electrode stack have a phase change material.
Mittels des Phasenübergangsmaterials ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle, insbesondere bei einem Zellkurzschluss, verlangsamt und begrenzt.By means of the phase change material, a temperature increase within the single cell, especially in the case of a cell short circuit, is slowed down and limited.
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.By arranging the phase transition material on or in a cell component surrounding the electrode stack at least in sections, and on or in a cell component at least partially surrounded by the electrode stack, the electrode stack is connected to the cell stack Phase transition material brought into operative connection both inside and outside. In this way, a particularly uniform heat distribution and heat absorption within the single cell and efficient heat removal from the single cell allows.
Besonders vorteilhafterweise sind derart lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle, welche einen Ausgangspunkt des beschriebenen thermal runaway bilden können, weitgehend vermieden.Particularly advantageously, such local overtemperature regions within the single cell, which can form a starting point of the described thermal runaway, are largely avoided.
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.Particularly advantageously, by means of the outside of the electrode stack, for example, on or in the cell housing, arranged phase transition material, a thermal energy of adjacent individual cells in an electrochemical battery can be accommodated.
Dadurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass eine Einzelzelle durch inneren oder äußeren Kurzschluss eine kritische Temperatur überschreitet, bei welcher der beschriebene thermal runaway eintritt.This advantageously prevents an individual cell from exceeding a critical temperature due to an internal or external short circuit, at which point the described thermal runaway occurs.
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.Furthermore, a fire of the damaged individual cell and / or the electrochemical battery is avoided. In particular, a so-called domino effect in the cell assembly of the electrochemical battery, d. H. damage to surrounding single cells by a single defective single cell, avoided.
Somit ist eine Sicherheit einer erfindungsgemäßen Einzelzelle signifikant verbessert.Thus, a security of a single cell according to the invention is significantly improved.
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.In one possible embodiment, the phase change material is arranged in at least one pole contact, in or on the cell housing and / or in the winding mandrel. In a preferred embodiment, the cell housing is double-walled, wherein the phase transition material is arranged between the cell housing walls. As a result, the phase change material is safely separated from the remaining chemically active materials of the single cell.
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.Advantageously, thermal energy can be absorbed by the phase transition material through a phase change. Thus, the free in case of damage to the single cell thermal energy, which usually causes the fire, safely absorbable.
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.Particularly advantageously, the phase change can be carried out at a predeterminable temperature. Thereby, the temperature rise within the single cell can be limited to a temperature which is below a destruction temperature of the individual components of the electrochemically active electrode stack.
Zweckmäßigerweise ist eine Mehrzahl von erfindungsgemäß ausgebildeten Einzelzellen elektrisch seriell und/oder parallel zu einer elektrochemischen Batterie gekoppelt.Conveniently, a plurality of individual cells designed according to the invention are electrically connected in series and / or parallel to an electrochemical battery.
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.In the method for operating a single cell for an electrochemical battery, a phase change material is arranged according to the invention in at least one cell component, in particular in at least one pole contact, in or on a cell housing and / or in a mandrel, so that a temperature increase within the single cell slows down and on a specifiable temperature is limited. In this way, an uncontrolled release of thermal energy and / or a fire of the single cell are safely avoided.
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.As a predeterminable temperature, a temperature below a destruction temperature of the individual components of the electrochemically active electrode stack is preferably predetermined. As a result, a temperature increase within the single cell is limited to a non-critical temperature even in the event of a malfunction of the same and a so-called thermal runaway is certainly avoided.
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.The temperature increase within the single cell is limited by means of a phase change of the phase change material. In this phase change of the phase change material, the released thermal energy of the single cell is completely or almost completely absorbed and converted by the phase change material.
Insbesondere wird der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials von der bei einem Kurzschluss der Einzelzelle frei werdenden thermischen Energie bewirkt.In particular, the phase change of the phase change material is effected by the thermal energy released in the event of a short circuit of the single cell.
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.Particularly advantageously, a recordable by means of the phase change of the phase transition material amount of thermal energy is formed corresponding to a storable within the single cell amount of electrical energy. As a result, the thermal energy exiting in the event of a malfunction of the individual cell is completely absorbed or absorbed by the phase transition material.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die Einzelzelle
Die Batterie umfasst mehrere elektrisch seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Einzelzellen
Zur elektrischen Kopplung umfasst jede der Einzelzellen
Erfindungsgemäß weisen zumindest eine den Elektrodenstapel
Dazu ist das Phasenübergangsmaterial
Durch die Anordnung des Phasenübergangsmaterials
Weiterhin ist mittels des Phasenübergangsmaterials
Besonders vorteilhafterweise sind derart lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle
Besonders vorteilhafterweise ist mittels des außenseitig am Elektrodenstapel
Ein solches Phasenübergangsmaterial
Mit anderen Worten ist bei einem Phasenübergangsmaterial
Phasenübergangsmaterialien
Im Bereich des Phasenübergangs erfolgt trotz Aufnahme einer großen Menge thermischer Energie durch das Phasenübergangsmaterial
Dabei erfolgt der Phasenwechsel bei einer vorgebbaren Temperatur, welche insbesondere von einem verwendeten Phasenübergangsmaterial
Mittels des Phasenübergangsmaterials
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.Particularly advantageously, the thermal energy released in the case of a cell short circuit of the single cell is completely or almost completely absorbed and converted by the phase transition material during a phase change.
In einer ersten Ausführungsvariante ist das Zellgehäuse
In der in
In der in
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial
Im Betrieb der Einzelzelle
Ein solcher bestimmungswidriger Temperaturanstieg resultiert beispielsweise aus einer äußeren Gewalteinwirkung oder einem Defekt der Einzelzelle
Bei einem solchen thermal runaway der Einzelzelle
Weiterhin kann ein so genannter Dominoeffekt im Zellverbund der elektrochemischen Batterie auftreten, d. h. eine Beschädigung umliegender Einzelzellen
Weitere benachbarte Einzelzellen
Diese Effekte sind durch die Aufnahme der bei einem Zellkurzschluss abgegebenen thermischen Energie der Einzelzelle
Als vorgebbare Temperatur wird bevorzugter Weise eine Temperatur unterhalb einer Zerstörungstemperatur der einzelnen Komponenten des elektrochemisch aktiven Elektrodenstapels
Der Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle
Dabei wird der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials
Besonders vorteilhafterweise wird eine mittels des Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials
Insbesondere erfolgt eine derartige Ausbildung der Einzelzelle
Eine für die Einzelzelle
Weiterhin ist die Einzelzelle
Des Weiteren weist die Einzelzelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Einzelzellesingle cell
- 22
- Zellgehäusecell case
- 33
- Elektrodenstapelelectrode stack
- 44
- Wickeldornmandrel
- 55
- erster Polkontaktfirst pole contact
- 66
- zweiter Polkontaktsecond pole contact
- 77
- PhasenübergangsmaterialPhase change material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |