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Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für eine elektrische Batterie, umfassend eine in einem Zellengehäuse angeordnete Elektrodenanordnung und einen Elektrolyt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Batterie, umfassend mehrere solche Einzelzellen.
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Aus der
DE 101 57 272 C2 ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit in einem Gehäuse angeordneten, geschlossenen Einzelzellen bekannt, wobei das Gehäuse einen Bereich aufweist, der mit den Einzelzellen in Verbindung steht und ein nicht brennbares Sorptionsmittel zur Aufnahme von organischen Elektrolyten der Einzelzellen enthält. Bei dem Sorptionsmittel handelt es sich um eine lose Schüttung, welche anhand von Mitteln mechanisch stabilisiert sind. Die Mittel sind Netze, netzartige Gebilde, Filze oder Vliese. Alternativ ist das Sorptionsmittel als Formteil ausgebildet. Die Einzelzellen weisen eine Sicherung gegen Überdruck auf, welche als Überdruckventil oder Sollbruchstelle in Form einer Berstscheibe ausgebildet ist.
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Weiterhin sind aus der
DE 2 012 737 A elektrische Zellelemente bekannt, welche zur Stapelung zu einer elektrischen Batterie vorgesehen sind. Die elektrischen Zellelemente umfassen jeweils eine Anode, eine Kathode, ein saugfähiges Zwischenstück mit darin absorbiertem Elektrolyten, welches auf einer Seite mit der Anode und auf der anderen Seite mit der Kathode verbunden ist, einen Kathodenstromabnehmer und eine nichtleitende Abdeckung. Zwischen dem Kathodenstromabnehmer und der Abdeckung ist ein elektrolytabsorbierendes Zwischenglied vorgesehen, welches zur andauernden Absorption von aus dem Zellelement entweichenden Elektrolyten ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Einzelzelle für eine elektrische Batterie und eine elektrische Batterie, umfassend mehrere solche Einzelzellen, anzugeben.
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Hinsichtlich der Einzelzelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Batterie durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Einzelzelle für eine elektrische Batterie umfasst eine in einem Zellengehäuse angeordnete Elektrodenanordnung und einen Elektrolyt. Erfindungsgemäß ist innerhalb des Zellengehäuses und/oder an einer Außenseite des Zellengehäuses eine Bindungseinheit zur Bindung von innerhalb des Zellengehäuses befindlichen Substanzen mit einem in einer elektrolytbeständigen Umhüllung eingebrachten Bindemittel angeordnet, wobei die Umhüllung bei einem Bersten der Einzelzelle derart gezielt zerstörbar ist, dass das Bindemittel freisetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, dass für jede Einzelzelle aus dem Zellengehäuse austretende Substanzen, insbesondere Bestandteile des Elektrolyten oder der gesamte Elektrolyt, gebunden und neutralisiert werden können und somit aus austretenden Substanzen resultierende Schädigungen der Umgebung der Einzelzelle verhindert werden. In besonders vorteilhafter Weise ist durch die Anordnung der Bindungseinheit unmittelbar in und/oder am Zellengehäuse der Einzelzelle ein Schutz der Umgebung der Einzelzelle schon vor einer Montage derselben in einem Batteriegehäuse, beispielsweise bei einem Transport der Einzelzelle, sichergestellt. Auch zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch eine besonders kompakte Bauweise aus. Weitere, beispielsweise in das Batteriegehäuse integrierte, Bindungseinheiten sind in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.
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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 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle mit innerhalb eines Zellengehäuses angeordneter Bindungseinheit,
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2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle mit innerhalb eines Zellengehäuses angeordneter Bindungseinheit,
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3 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle mit außerhalb eines Zellengehäuses angeordneter Bindungseinheit,
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4 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle mit außerhalb eines Zellengehäuses angeordneter Bindungseinheit,
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5 schematisch eine Bindungseinheit nach einer der 1 bis 4 mit einer formstabilen Umhüllung und
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6 schematisch eine Bindungseinheit mit einer formveränderlichen und volumenstabilen Umhüllung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 für eine nicht dargestellte elektrische Batterie, beispielsweise für Fahrzeuganwendungen, dargestellt. Zur Realisierung der Batterie sind mehrere solcher Einzelzellen 1 elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschaltet und in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet. Die Einzelzelle 1 weist dabei eine zylindrische Zellenform auf.
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Innerhalb eines Zellengehäuses 2 der Einzelzelle 1 sind in nicht näher dargestellter Weise eine Elektrodenanordnung und ein insbesondere flüssig ausgebildeter Elektrolyt angeordnet. Die Elektrodenanordnung ist mit elektrischen Polkontakten 3, 4 unterschiedlicher Polarität gekoppelt. Die Polkontakte 3, 4 sind zur Verbindung mit elektrischen Verbrauchern, insbesondere einem Bordnetz eines Fahrzeugs, vorgesehen.
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Im Fehlerfall kann es durch einen innerhalb des Zellengehäuses 2 auftretenden Überdruck zum Bersten des Zellengehäuses 2 kommen, wobei zur Erzeugung eines definierten und gesteuerten Berstens der Einzelzelle 1 und daraus resultierend zur Vermeidung einer explosionsartigen Zerstörung des Zellengehäuses 2 eine Ventingeinheit 5 in das Zellengehäuse 2 integriert ist. Diese Ventingeinheit 5 umfasst in nicht näher dargestellter Weise eine Sollbruchstelle des Zellengehäuses 2, ein Ventingventil und/oder eine Berstscheibe, welche bei Überschreitung eines vorgegebenen Innendrucks im Zellengehäuse 2 eine nicht gezeigte Ventingöffnung freigeben bzw. freigibt. Während des Betriebes der Einzelzelle 1 im Nicht-Fehlerfall ist die Ventingöffnung verschlossen.
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Beim Bersten der Einzelzelle 1 können aus dem Zellengehäuse 2 reaktionsfreudige, umweltschädliche und für den Menschen giftige Substanzen, insbesondere Bestandteile des Elektrolyten, austreten. Um eine Kontamination der Umgebung der Einzelzelle 1 mit diesen Substanzen zu vermeiden, ist im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel innerhalb des Zellengehäuses 2 eine Bindungseinheit 6 zur Bindung der innerhalb des Zellengehäuses 2 befindlichen Substanzen angeordnet.
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Die Bindungseinheit 6 umfasst, wie in den 5 und 6 näher dargestellt ist, ein Bindemittel 6.1, welches zur Vermeidung eines Kontaktes des Bindemittels 6.1 mit den Substanzen während eines störungsfreien Betriebes der Einzelzelle 1 in einer elektrolytbeständigen und elektrolytdichten Umhüllung 6.2 angeordnet ist.
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Die Bindungseinheit 6 ist innerhalb des Zellengehäuses 2 unmittelbar an der Ventingöffnung der Ventingeinheit 5 angeordnet. Eine Fixierung der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Bindemittelpad ausgebildeten Bindungseinheit 6 erfolgt dabei durch Einlegen, Verkleben, Verklemmen oder andere kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindungen.
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Die Umhüllung 6.2 der Bindungseinheit 6 ist beim Bersten der Einzelzelle 1 derart gezielt zerstörbar, dass das Bindemittel 6.1 freisetzbar ist. Die Zerstörung der Umhüllung 6.2 erfolgt dabei mittels der durch den Überdruck aus dem Zellengehäuse 2 austretenden Substanzen. Bei der dargestellten Ausführung der Bindungseinheit 6 als Bindemittelpad wird dieses beim Bersten der Einzelzelle 1 zerdrückt.
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Aufgrund des Freisetzens des Bindemittels 6.1 beim Bersten der Einzelzelle 1 wird dieses den austretenden Substanzen beigemengt, vermischt sich mit diesen und bindet diese. Flüssige Bestandteile der Substanzen, beispielsweise den Elektrolyten, saugt das Bindemittel 6.1 auf.
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Das Bindemittel 6.1 umfasst zur Bindung der austretenden Substanzen poröse keramische Materialien, wie beispielsweise Vermiculit und Silikagel. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Bindemittel 6.1 mit den Substanzen chemisch reaktive Materialien.
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Zur Minimierung des erforderlichen Bauraums der Bindungseinheit 6 ist das Bindemittel 6.1 in einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung derart ausgebildet, dass nicht das vollständige Volumen der austretenden Substanzen, sondern lediglich ausgewählte, insbesondere aggressive Bestandteile der Substanzen gebunden und neutralisiert werden. Ein derartiger aggressiver Bestandteil ist beispielsweise Fluorwasserstoff bei der Verwendung von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Leitsalz in einer Lithium-Ionen-Zellchemie.
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Zur Minimierung des erforderlichen Bauraums der Bindungseinheit 6 ist das Bindemittel 6.1 in einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Ausführung als Quellkörper ausgebildet, wobei der Quellkörper aus so genannten Superabsorbermaterialien und/oder quellfähigen strukturierten Polymeren gebildet ist. Dabei ist das Bindmittel 6.1 vorzugsweise speziell auf die zu bindenden Substanzen abgestimmt, um nicht erwünschte Wechselwirkungen zwischen dem Bindemittel 6.1 und den Substanzen zu vermeiden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 mit innerhalb des Zellengehäuses 2 angeordneter Bindungseinheit 6. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Einzelzelle 1 als so genannte prismatische Zelle ausgebildet.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Bindungseinheit 6 als Aufsatz an einer Außenseite des Zellengehäuses 2 unmittelbar an der Ventingöffnung der Ventingeinheit 5 angeordnet. Die Fixierung der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Bindemittelpad ausgebildeten Bindungseinheit 6 erfolgt dabei durch Verkleben, Verklemmen oder andere kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Verbindungen. Bei dieser Ausführung kommt die Bindungseinheit 6 bei geöffneter Ventingöffnung mit dem Elektrolyten in Kontakt, so dass die Umhüllung 6.2 des Bindemittels 6.1 nicht resistent gegen den Elektrolyten ausgeführt sein muss.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einzelzelle 1 mit außerhalb des Zellengehäuses 2 angeordneter Bindungseinheit 6. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist die Bindungseinheit 6 an einer Seitenwand des Zellengehäuses 2 beabstandet zur Ventingeinheit 5 angeordnet. Die Zerstörung der Umhüllung 6.2 erfolgt dabei mechanisch durch eine nicht dargestellte Auslöseeinheit, wenn die Ventingeinheit 5 auslöst oder bei Berührung mit den austretenden Sunstanzen. Im letzten Fall ist die Umhüllung 6.2 derart ausgebildet, dass die Umhüllung 6.2 bei Kontakt mit den Substanzen sehr schnell zerstört wird und somit ein schnelles Freisetzen des Bindemittels 6.1 sichergestellt ist.
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In den 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele der Bindungseinheit 6 dargestellt.
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5 zeigt die Bindungseinheit 6 in der Ausgestaltung als Bindemittelpad mit einer aus einem formstabilen Kunststoff gebildeten Umhüllung 6.2. Bei dem Kunststoff handelt es sich beispielsweise um Polypropylen.
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6 zeigt die Bindungseinheit 6 in der Ausgestaltung als volumenstabiles Bindemittelpad mit einer aus einem formveränderlichen Material gebildeten Umhüllung 6.2. Bei dem Material handelt es sich beispielsweise um Polypropylen oder eine Aluminiumfolie.
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Beide Ausführungsbeispiele der Bindungseinheit 6 sind in allen in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der Einzelzelle 1 verwendbar und haben gemein, dass bei einer Anordnung der Bindungseinheit 6 im Zellinneren die Umhüllung 6.2 elektrolytbeständig und elektrolytdicht ausgebildet ist, so dass eine vorzeitige chemische Reaktion und/oder Bindung der Substanzen im Inneren der Einzelzelle 1 vermieden werden bzw. wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einzelzelle
- 2
- Zellengehäuse
- 3
- elektrischer Polkontakt
- 4
- elektrischer Polkontakt
- 5
- Ventingeinheit
- 6
- Bindungseinheit
- 6.1
- Bindemittel
- 6.2
- Umhüllung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10157272 C2 [0003]
- DE 2012737 A [0004]
