DE102012207766A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle mit elektrischer Isolationsschicht - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (10) mit einem metallischen Gehäuse (12) und einer die Außenseite des Gehäuses (12) bedeckenden elektrischen Isolationsschicht (14). Die Isolationsschicht (14) zeichnet sich dadurch aus, dass sie Polyurethan enthält.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem metallischen Gehäuse und einer die Außenseite des Gehäuses bedeckenden Isolationsschicht. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul, das mindestens zwei verschaltete Lithium-Ionen-Batteriezellen enthält. Ferner werden ein Hybrid- und Elektrokraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul sowie mobile Speicher für Geräteanwendungen (z. B. Laptops) sowie stationäre Speicher (z. B. zur Speicherung von Solarenergie) zur Verfügung gestellt.
- Stand der Technik
- Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
- In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen Batterien zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. In der Regel werden mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul und anschließend mehrere Batteriemodule durch Parallel- oder Reihenschaltung zu einer Batterie zusammengefasst.
- Damit die Interkalation von Lithium-Ionen beziehungsweise die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit von einem sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalz notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen sowohl im Consumer-Bereich als auch im Automotiven Bereich wird als Lithium-Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. LiPF6 ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv und es erfolgt in mehreren Stufen Hydrolyse bis hin zu Flourwasserstoff (HF). Deshalb wird in der Praxis für alle Lithium-Ionen-Zellen ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil verwendet, wobei die Metallfolie, bzw. das Metallblech die eigentliche Sperre gegen die Luftfeuchte darstellt. Stand der Technik für Lithium-Ionen-Batteriezellen ist ein festes Batteriegehäuse, welches aus beispielsweise tiefgezogenem Aluminium-Blech besteht; man spricht hier auch von einem sogenannten Hardcase-Gehäuse. Ein Beispiel für den Stand der Technik ist eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem prismatischen oder zylindrischen Aluminium-Hardcase-Gehäuse.
- Die Hardcase-Zellen sind wegen der Anwesenheit einer metallischen Oberfläche naturgemäß nach außen elektrisch leitend. Gerade bei der seriellen Verschaltung von derartigen Lithium-Ionen-Hardcase-Zellen kann dies zu Problemen führen. Insbesondere wenn ein Potential der inneren Elektrode auf dem Gehäuse liegt, können beispielsweise in assemblierten Modulen Spannungen zwischen den einzelnen Hardcase-Zellen durchschlagen und dadurch kann ein assembliertes Modul beschädigt und unbrauchbar werden.
- Es ist bekannt, zur elektrischen Isolation der Hardcase-Zellen Schrumpfschläuche zu verwenden. Eine Schrumpffolie wird dazu über ein Metallgehäuse gelegt und thermisch geschrumpft. Nachteil ist unter anderem, dass die Schrumpffolie nicht auf dem Metallgehäuse flächig haftet und zum Beispiel Kanten von prismatischen Zellen nicht optimal bedeckt sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei der Verwendung eines Schrumpfschlauches der obere und untere Bereich des metallischen Gehäuses nicht genügend abgedeckt werden kann und durch weitere zusätzliche Prozessschritte zur elektrischen Isolation abgedeckt werden muss. Zudem ist bei dem Schrumpfschlauch-Anbringen ein gewisser Wärmeeintrag auf die Zelle nicht zu vermeiden, welcher dazu führt, dass die Lebensdauer der Zelle verringert wird.
- Offenbarung der Erfindung
- Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem metallischen Gehäuse und einer die Außenschicht des Gehäuses bedeckenden elektrischen Isolationsschicht sollen eine oder mehrere der geschilderten Probleme behoben oder zumindest gemindert werden. Diese Lithium-Ionen-Batteriezelle zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Isolationsschicht Polyurethan enthält.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe einer Isolationsschicht auf dem Gehäuse, die auf Basis eines Polyurethans besteht, ein durchschlagsicheres Hardcase-Einzelgehäuse bereitgestellt werden kann. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die thermischen Eigenschaften der Isolationsschicht für den Betrieb der Zelle beziehungsweise der Batterie noch ausreichend gut sind, um die entstehende Wärmeenergie beim Betreiben der Lithium-Ionen-Batteriezellen abzuführen. Zudem ist die Isolationsschicht hinreichend stoßfest, abriebfest und kratzsicher.
- Polyurethane (PU, DIN-Kurzzeichen: PUR) sind Kunststoffe oder Kunstharze, welche aus der Polyadditionsreaktion von Diolen beziehungsweise Polyolen mit Polyisocyanaten entstehen. Charakteristisch für Polyurethane ist die Urethan-Gruppe. Polyurethane können je nach Herstellung hart und spröde, aber auch weich und elastisch sein.
- Polyurethane können je nach Wahl des Isocyanats und des Polyols unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Im Wesentlichen werden die späteren Eigenschaften durch die Polyolkomponente bestimmt, weil zum Erreichen gewünschter Eigenschaften üblicherweise nicht die Isocyanatkomponente angepasst (chemisch verändert) wird, sondern die Polyolkomponente. Es kommen nur wenig verschiedene Isocyanatkomponenten zum Einsatz (Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Polymeres Diphenylmethandiisocyanat (PMDI), Toluylendiisocyanat (TDI), Naphthylendiisocyanat (NDI), Hexamethylendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 4,4’-Diisocyanatodicyclohexylmethan (H12MDI)). Abhängig von Kettenlänge und Anzahl der Verzweigungen im Polyol können mechanische Eigenschaften beeinflusst werden. So führt ein Einsatz von Polyesterpolyolen zusätzlich zu den üblicheren Polyetherpolyolen zu besserer Standfestigkeit, weil Polyesterpolyole einen höheren Schmelzpunkt haben und somit beim Applizieren des Polyurethans erstarren. Eine der wichtigsten Anwendungen von Polyurethanen ist der Einsatz in Lacken und Beschichtungen. Hier werden Polyurethane wegen ihrer guten Haftungseigenschaften als Grundierungen und wegen ihrer hohen Beständigkeit gegen Lösemittel, Chemikalien und Witterungseinflüsse als Deck- und Klarlacke in vielen Anwendungsbereichen verwendet.
- Das Gehäuse der Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl. Es hat sich gezeigt, dass eine auf Polyurethan basierende Isolationsschicht besonders gut auf diesen Materialien haftet. Gegebenenfalls muss vor der Applikation des Materials eine Corona-Behandlung oder ähnlich aktivierende Behandlung der Oberfläche durchgeführt werden.
- Das Batteriegehäuse sollte vorzugsweise eine Wanddicke von mindestens 100 µm aufweisen und die Isolationsschicht hat vorzugsweise eine Schichtdicke von mindestens 10 µm. In der Regel sollte die Schichtdicke der Isolationsschicht zwischen 20 bis 200 µm liegen, bevorzugt zwischen 50 bis 150 µm, um noch eine hinreichende thermische Leitfähigkeit, aber dennoch einen ausreichenden mechanischen Schutz und elektrischen Isolationsschutz zu gewähren.
- Bei zusätzlicher Einbringung von elektrisch nichtleitenden Füllstoffen, insbesondere Aluminiumoxid oder Bornitrid, kann die Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht verbessert werden.
- Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Batteriemoduls, das zwei oder mehr der zuvor beschriebenen Lithium-Ionen-Batteriezellen enthält.
- Weiterhin ist ein Gegenstand der Erfindung ein Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeug mit einem solchen Batteriemodul, oder ein stationäres Speichersystem oder mobiler Speicher für Geräteanwendungen (z. B. Laptop).
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
- Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Prinzipskizze einer Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einer auf Polyurethan basierenden Isolationsschicht, und -
2 ein konfektioniertes Lithium-Ionen-Modul mit prismatischen Lithium-Ionen-Batteriezellen. - Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt stark schematisiert zwei verschiedene Bautypen von Lithium-Ionen-Batteriezellen10 , nämlich mit zylindrischer und prismatischer Kontur. Jede der Batteriezellen10 weist ein Gehäuse12 auf, das die eigentlichen elektro-chemischen Elemente der Batteriezelle10 aufnimmt. Dieses Gehäuse12 ist in der Regel aus Aluminiumblech oder Stahl geformt. - Mittig in der
1 dargestellt ist eine vergrößerte Schnittansicht des Gehäuses12 . Wie ersichtlich, befindet sich auf der Außenseite des Gehäuses12 eine Isolationsschicht14 . Diese besteht ganz oder zu überwiegenden Teilen aus einem Polyurethan. Die Isolationsschicht14 sollte eine Schichtdicke von mindestens 10 µm aufweisen. Das Zellgehäuse12 weist eine Wanddicke von mindestens 100 µm auf. - In der
1 ist ein konfektioniertes Lithium-Ionen-Modul20 dargestellt, das aus einer Vielzahl von in vorgenannter Art und Weise modifizierten Lithium-Ionen-Batteriezellen10 besteht.
Claims (10)
- Lithium-Ionen-Batteriezelle (
10 ) mit einem metallischen Gehäuse (12 ) und einer die Außenseite des Gehäuses (12 ) bedeckenden elektrischen Isolationsschicht (14 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14 ) Polyurethan enthält. - Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse (
12 ) aus Aluminium oder Stahl besteht. - Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse (
12 ) eine Wanddicke von mindestens 100 µm aufweist. - Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der die Isolationsschicht (
14 ) eine Schichtdicke von mindestens 10 µm aufweist. - Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, bei der die Isolationsschicht (
14 ) elektrisch nichtleitende Füllstoffe enthält. - Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 5, bei der die Füllstoffe Aluminiumoxid und/oder Bornitrid sind.
- Batteriemodul mit zwei oder mehr Lithium-Ionen-Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
- Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge mit einem Batteriemodul nach Anspruch 7.
- Stationärer Speicher mit einem Batteriemodul nach Anspruch 7.
- Mobiler Speicher mit einem Batteriemodul nach Anspruch 7.
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