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

The cell (1) has a cell housing (2) and an electrochemical active electrode stack (3) arranged in the cell housing formed as cell components. The electrode stack is wrapped on a mandrel (4) and contacted with pole contacts. The cell components surround the electrode stack in sections, where the cell components comprises phase transition material (7). The phase transition material is arranged in the pole contacts, in or at the cell housing and/or in the mandrel. The phase transition material is arranged between cell housing walls. Independent claims are also included for the following: (1) an electrochemical battery (2) a method for operating a single cell.

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 claim 1. The invention further relates to an electrochemical battery according to the features of the preamble of claim 5. The invention further relates to a method for operating a single cell for an electrochemical battery according to the Features of the preamble of claim 6.

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 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.The DE 40 13 269 A1 describes a high temperature storage battery, which is limited by a thermal insulation, in the interior of electrically interconnected memory cells are arranged and supported. The memory cells are supported so that sufficient cooling and heating of the memory cells is possible. For this purpose, the memory cells are embedded to form a memory cell block in a potting compound or a coarse-grained bulk material. In this memory cell block cooling devices are integrated or arranged outside directly and heat conductively adjacent to this block. Heating elements for heating the memory cells are also provided.

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.The DE 10 358 582 A1 describes a battery with heat transfer means comprising at least one battery cell with a doll surrounded by a cell jacket. This doll is hollow in its interior and is flowed through by a heat conducting medium or filled with such a means. The doll and the cell jacket thereby represent means for heat dissipation from the inside of the battery.

Die US 7 931 979 B2 beschreibt eine Batterie, in deren Gehäuse ein so genanntes Phasenwechselmaterial angeordnet ist.The US Pat. No. 7,931,979 B2 describes a battery in whose housing a so-called phase change material is arranged.

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 claim 1.

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 claim 6.

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 claim 6.

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:

1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle in einer ersten Ausführungsvariante, 1 1 is a schematic sectional view of a single cell in a first embodiment variant;

2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle in einer zweiten Ausführungsvariante, 2 schematically a sectional view of a single cell in a second embodiment,

3 schematisch eine Teilschnittdarstellung einer Einzelzelle in einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht und 3 schematically a partial sectional view of a single cell in a first embodiment in a perspective view and

4 schematisch eine Detaildarstellung eines Polkontakts. 4 schematically a detailed representation of a pole contact.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsvariante als so genannte prismatische Einzelzelle 1. 1 schematically shows a sectional view of a single cell 1 in a first embodiment as a so-called prismatic single cell 1 ,

2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer zweiten Ausführungsvariante als runde Einzelzelle 1. 2 schematically shows a sectional view of a single cell 1 in a second embodiment as a round single cell 1 ,

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.The single cell 1 is preferably formed as a lithium-ion single cell and part of a conventional, not shown, electrochemical battery. The battery is, for example, a high-voltage battery for use as an energy store for electrical energy in a vehicle, not shown. The vehicle is in particular an electric vehicle or a hybrid vehicle, wherein at least one electric drive motor of the vehicle can be operated by means of the electrical energy stored in the battery. Alternatively or additionally, the battery, a so-called starter battery, can be used to start an internal combustion engine of the vehicle, wherein the vehicle can also have exclusively an internal combustion engine for driving.

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.The battery includes a plurality of electrically connected in series and / or parallel individual cells 1 , which are called prismatic (as in 1 shown) or round (as in 2 shown) single cells 1 can be trained. Each of the single cells 1 has as cell components at least one cell housing 2 and one in the cell case 2 arranged and surrounded by this electrochemically active electrode stack 3 on. The electrode stack 3 is formed in a manner not shown of stacked anode and cathode films, which are each separated by a Separatorfolie. The anode and cathode films and the separator film are conventionally on a winding mandrel 4 wound so that the electrode stack forms an electrode coil. Alternatively, the electrode stack 3 in unwrapped form within the cell housing 2 arranged.

3 zeigt schematisch eine Teilschnittdarstellung einer Einzelzelle 1 in einer ersten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht. 3 schematically shows a partial sectional view of a single cell 1 in a first embodiment in a perspective view.

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.For electrical coupling, each of the individual cells comprises 1 at least two pole contacts 5 . 6 , where the single cells 1 an electrochemical battery by means not shown cell connectors are electrically coupled in parallel and / or in series with each other.

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.According to the invention, at least one of the electrode stack 3 at least partially surrounding cell component and at least one of the electrode stack 3 at least partially surrounded cell component in each case a phase change material 7 on.

Dazu ist das Phasenübergangsmaterial 7 in zumindest einem der Polkontakte 5, 6, im oder am Zellgehäuse 2 und/oder im Wickeldorn 4 angeordnet.This is the phase change material 7 in at least one of the pole contacts 5 . 6 , in or on the cell case 2 and / or in the winding mandrel 4 arranged.

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.By the arrangement of the phase change material 7 on or in one of the electrode stacks 3 at least partially surrounding cell component, such as the cell housing 2 , and on or in one of the electrode stacks 3 At least partially surrounded cell component, such as the pole contacts 5 . 6 or the winding mandrel 4 , is the electrode stack 3 with the phase change material 7 brought into operative connection both on the inside and on the outside. In this way, a particularly uniform heat distribution and heat absorption within the single cell 1 allows.

Weiterhin ist mittels des Phasenübergangsmaterials 7 eine besonders gleichmäßige und effiziente Wärmeabfuhr aus der Einzelzelle 1 ermöglicht.Furthermore, by means of the phase change material 7 a particularly uniform and efficient heat removal from the single cell 1 allows.

Besonders vorteilhafterweise sind derart lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle 1, welche einen Ausgangspunkt des so genannten thermal runaway bilden können, sicher vermieden.Particularly advantageously, such local over-temperature ranges are within the single cell 1 which can form a starting point of the so-called thermal runaway, safely avoided.

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.Particularly advantageously, by means of the outside on the electrode stack 3 , for example, on or in the cell housing 2 , arranged phase transition material 7 a thermal energy of adjacent single cells 1 can be received in an electrochemical battery.

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.Such a phase change material 7 In certain combinations of pressure and temperature changes its state of aggregation from solid to liquid and from liquid to gaseous and vice versa. In such a change of state of aggregation may be a phase change material 7 At constant temperature, a large amount of thermal energy, the so-called latent heat, give or absorb.

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. In other words, in a phase change material 7 the latent heat of absorption is much greater than the heat that it could absorb and store due to its normal specific heat capacity without the phase change effect.

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.Phase change materials 7 work by exploiting the enthalpy of reversible thermodynamic state changes. The most frequently used principle is the utilization of the phase transition from solid to liquid, ie solidification and melting.

Im Bereich des Phasenübergangs erfolgt trotz Aufnahme einer großen Menge thermischer Energie durch das Phasenübergangsmaterial 7 keine signifikante Temperaturänderung.In the area of the phase transition occurs despite receiving a large amount of thermal energy through the phase change material 7 no significant temperature change.

Dabei erfolgt der Phasenwechsel bei einer vorgebbaren Temperatur, welche insbesondere von einem verwendeten Phasenübergangsmaterial 7 abhängig ist.In this case, the phase change takes place at a predeterminable temperature, which in particular of a phase change material used 7 is dependent.

Mittels des Phasenübergangsmaterials 7 ist ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle 1, insbesondere bei einem Zellkurzschluss, verlangsamt und begrenzt.By means of the phase change material 7 is a temperature rise within the single cell 1 , especially with a cell short circuit, slows down and limits.

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 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.In a first embodiment, the cell housing 2 formed double-walled, wherein between the cell housing walls, the phase change material 7 is arranged. This is the phase change material 7 certainly from the remaining chemically active materials of the single cell 1 , For example, the electrode stack 3 , separated.

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.In the in 2 illustrated embodiment is the phase change material 7 in the mandrel 4 brought in. In this case, the phase transition material is in the interior of the at least partially hollow winding mandrel 4 arranged and thus completely surrounded by the mandrel material.

In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial 7 am Zellgehäuse 2, beispielsweise außenseitig, angeordnet.In the in 1 illustrated embodiment is the phase change material 7 on the cell case 2 , For example, arranged on the outside.

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. 4 schematically shows a detailed representation of a pole contact 5 . 6 , Such a pole contact 5 . 6 is at least partially hollow in the interior and with the phase transition material 7 filled.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Phasenübergangsmaterial 7 an mehreren Stellen in oder an der Einzelzelle 1 angeordnet.In a particularly preferred embodiment, the phase change material 7 in several places in or on the single cell 1 arranged.

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.In operation of the single cell 1 is determined by the arrangement of the phase change material 7 in or at the single cell 1 a, in particular improper, temperature rise within the single cell 1 slowed down and limited to a predeterminable temperature. In this way, an uncontrolled release of thermal energy and / or a fire of the single cell are safely avoided.

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.Such an improper temperature rise, for example, results from an external violence or a defect of the single cell 1 and a cell short circuit caused thereby. It can be critical temperatures in a single cell 1 occur. This can then lead to the so-called thermal runaway of the affected individual cell 1 lead, ie such a overheated single cell 1 can be opened or blown up by internal pressure increase, which can lead to gas and smoke formation as well as a fire.

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.In such a thermal runaway of the single cell 1 the chemical cell constituents in particular of the electrode stack react 3 when the critical temperature is exceeded, the reaction is exothermic to one another without external intervention, ie, with generation of heat with gas and smoke generation. This can lead to fire as the single cells 1 combustible electrolyte liquids, for example, organic solvents such as dimethyl carbonate.

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.Furthermore, a so-called domino effect can occur in the cell assembly of the electrochemical battery, ie a damage of surrounding individual cells 1 through a single defective single cell 1 ,

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.Further adjacent single cells 1 In an electrochemical battery can be damaged or destroyed, so that may damage or destroy the entire electrochemical battery and / or the entire vehicle.

Diese Effekte sind durch die Aufnahme der bei einem Zellkurzschluss abgegebenen thermischen Energie der Einzelzelle 1 durch das Phasenübergangsmaterial 7 vermieden.These effects are due to the uptake of the thermal energy of the single cell delivered in the event of a cell short circuit 1 through the phase change material 7 avoided.

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.As a predeterminable temperature is preferably a temperature below a destruction temperature of the individual components of the electrochemically active electrode stack 3 specified. This causes a temperature rise within the single cell 1 even with a malfunction of the same on An uncritical temperature is limited and a so-called thermal runaway is certainly avoided.

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.The temperature rise within the single cell 1 is by means of the phase change of the phase change material 7 limited. In this phase change of the phase change material 7 becomes the released thermal energy of the single cell 1 completely or almost completely of the phase change material 7 recorded and converted.

Dabei wird der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials 7 von der bei einem Kurzschluss der Einzelzelle 1 frei werdenden thermischen Energie bewirkt.In this case, the phase change of the phase change material 7 from the case of a short circuit of the single cell 1 released thermal energy causes.

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.Particularly advantageously, one by means of the phase change of the phase change material 7 recordable amount of thermal energy corresponding to a storable within the single cell amount of electrical energy. Thus, in case of malfunction of the single cell 1 emerging thermal energy completely or almost completely absorbed or absorbed by the phase change material.

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.In particular, such a design of the single cell 1 and the total amount of phase change material disposed thereon and / or therein 7 such that the stored electrical energy of the single cell 1 the total thermal mass of the single cell 1 including the necessary enthalpy of fusion of the phase transition material used 7 starting from a normal temperature in the range of 20 to 35 ° Celsius can not over the predeterminable, also referred to as critical, heat temperature. As a critical temperature while a temperature is specified and designated, which for safe operation of the single cell 1 may not be exceeded. Above a critical temperature, destruction of the individual components of the electrode stack begins 3 , For example, the critical temperature of a separator film is 120 ° Celsius and the critical temperature of the anode and cathode films is 140 to 180 ° Celsius.

Eine für die Einzelzelle 1 vorgebbare kritische Temperatur wird dabei unterhalb der kritischen Temperaturen einzelner Komponenten des Elektrodenstapels 3 liegen.One for the single cell 1 predefinable critical temperature is below the critical temperatures of individual components of the electrode stack 3 lie.

Weiterhin ist die Einzelzelle 1 derart ausgebildet, dass lokale Übertemperaturbereiche innerhalb der Einzelzelle 1 vermieden sind.Furthermore, the single cell 1 designed such that local over-temperature ranges within the single cell 1 are avoided.

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.Furthermore, the single cell 1 a predeterminable ratio between the storable amount of electrical energy, an external shape and the resulting surface area, the internal thermal conductivities and the thermal masses.

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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Claims (10)

Einzelzelle (1) für eine elektrochemische Batterie, wobei die Einzelzelle (1) als Zellkomponenten zumindest ein Zellgehäuse (2) und einen in dem Zellgehäuse (2) angeordneten elektrochemisch aktiven Elektrodenstapel (3), welcher auf einen Wickeldorn (4) gewickelt ist und mit Polkontakten (5, 6) kontaktiert ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine den Elektrodenstapel (3) zumindest abschnittsweise umgebende Zellkomponente und zumindest eine vom Elektrodenstapel (3) zumindest abschnittsweise umgebene Zellkomponente jeweils ein Phasenübergangsmaterial (7) aufweisen.Single cell ( 1 ) for an electrochemical battery, wherein the single cell ( 1 ) as cell components at least one cell housing ( 2 ) and one in the cell housing ( 2 ) arranged electrochemically active electrode stack ( 3 ), which on a mandrel ( 4 ) and with pole contacts ( 5 . 6 ), characterized in that at least one of the electrode stacks ( 3 ) at least partially surrounding cell component and at least one of the electrode stack ( 3 ) at least partially surrounded cell component in each case a phase change material ( 7 ) exhibit. Einzelzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenübergangsmaterial (7) in zumindest einem Polkontakt (5, 6), im oder am Zellgehäuse (2) und/oder im Wickeldorn (4), angeordnet ist.Single cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the phase change material ( 7 ) in at least one pole contact ( 5 . 6 ), in or on the cell housing ( 2 ) and / or in the mandrel ( 4 ) is arranged. Einzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (2) doppelwandig ausgebildet ist, wobei zwischen den Zellgehäusewänden das Phasenübergangsmaterial (7) angeordnet ist.Single cell ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the cell housing ( 2 ) is formed double-walled, wherein between the cell housing walls, the phase change material ( 7 ) is arranged. Einzelzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Phasenübergangsmaterial (7) thermische Energie durch einen Phasenwechsel aufnehmbar ist, wobei der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials (7) bei einer vorgebbaren Temperatur durchführbar ist.Single cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the phase-change material ( 7 ) thermal energy is absorbed by a phase change, wherein the phase change of the phase change material ( 7 ) is feasible at a predetermined temperature. Elektrochemische Batterie gebildet aus einer Mehrzahl von elektrisch seriell und/oder parallel gekoppelten Einzelzellen (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.Electrochemical battery formed from a plurality of electrically series and / or parallel coupled single cells ( 1 ) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betrieb einer Einzelzelle (1) für eine elektrochemische Batterie gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Zellkomponente, insbesondere in zumindest einem Polkontakt (5, 6), im oder an einem Zellgehäuse (2) und/oder in einem Wickeldorn (4) ein Phasenübergangsmaterial (7) angeordnet ist, so dass ein Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle (1) verlangsamt und auf eine vorgebbare Temperatur begrenzt wird.Method for operating a single cell ( 1 ) for an electrochemical battery according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one cell component, in particular in at least one pole contact ( 5 . 6 ), in or on a cell housing ( 2 ) and / or in a mandrel ( 4 ) a phase change material ( 7 ) is arranged so that a temperature rise within the single cell ( 1 ) and is limited to a predeterminable temperature. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgebbare Temperatur eine Temperatur unterhalb einer Zerstörungstemperatur der einzelnen Komponenten des elektrochemisch aktiven Elektrodenstapels (3) vorgegeben wird.A method according to claim 6, characterized in that as a predeterminable temperature, a temperature below a destruction temperature of the individual components of the electrochemically active electrode stack ( 3 ) is given. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturanstieg innerhalb der Einzelzelle (1) mittels eines Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials (7) begrenzt wird.A method according to claim 6 or 7, characterized in that the temperature rise within the single cell ( 1 ) by means of a phase change of the phase change material ( 7 ) is limited. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel des Phasenübergangsmaterials (7) von der bei einem Kurzschluss der Einzelzelle (1) freiwerdenden thermischen Energie bewirkt wird.Method according to claim 8, characterized in that the phase change of the phase change material ( 7 ) from the case of a short circuit of the single cell ( 1 ) released thermal energy is effected. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels des Phasenwechsels des Phasenübergangsmaterials (7) aufnehmbare thermische Energiemenge korrespondierend zu einer innerhalb der Einzelzelle (1) speicherbaren elektrischen Energiemenge ausgebildet wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that one by means of the phase change of the phase change material ( 7 ) recordable amount of thermal energy corresponding to one within the single cell ( 1 ) storable amount of electrical energy is formed.
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