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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriezellen. Die Batteriezellen umfassen jeweils ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung. Die Batterie umfasst ein Entgasungssystem, das einen Hohlraum und eine Mehrzahl an Öffnungen aufweist, welche mit den Aussparungen der Batteriezellengehäuse korrespondieren. Überdies umfassen die Batteriezellen jeweils eine Druckbegrenzungseinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen und den Hohlraum des Entgasungssystems mit einem Inneren des entsprechenden Batteriezellengehäuses strömungstechnisch zu verbinden. Ferner betrifft die Erfindung eine Batteriezelle für eine solche Batterie sowie ein Kraftfahrzeug umfassend die Batterie.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen), in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) als auch im Consumer-Bereich (z. B. Laptops und Mobiltelefone) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Batteriesysteme, basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie, sind hierfür prädestiniert.
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Batterien sind meist aus einzelnen Subunits aufgebaut, die sich hinsichtlich der Integrationsstufe weiter in Batteriemodule untergliedern lassen. Die Batteriemodule werden aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen, im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie aus Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgebaut.
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Batteriezellen weisen oftmals metallische Batteriezellengehäuse auf, welche beim Verbau in einer Batterie gegenüber ihrer Umgebung (z. B. einer benachbarten Batteriezelle, einem Modul- oder Batteriegehäuse) elektrisch isoliert werden. Bisher werden für die elektrische Isolation (selbstklebende) Isolationsfolien, Verbundstoffe, z. B. aus Aramid und Kapton, oder Schrumpfschläuche, z. B. aus Polyester, eingesetzt.
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Diese haben den Nachteil, dass die elektrisch isolierende Schicht nicht direkt mit dem metallischen Batteriezellengehäuse verbunden ist. Dadurch kann z. B. Feuchtigkeit zwischen die Isolationsschicht und das Batteriezellengehäuse eindringen und die Isolationseigenschaften auf Dauer verschlechtern oder zur Korrosion auf der Oberfläche des Batteriezellengehäuses führen. Des Weiteren ist eine prozesssichere Verarbeitung mit den oben genannten Verfahren aufgrund einer Neigung zur Blasenbildung problematisch. Ebenso ist es mit den oben genannten Isolationsmitteln nicht möglich, geometrisch anspruchsvolle Bauteile, z. B. komplexe dreidimensionale Geometrien, und insbesondere mit Hinterschneidungen zuverlässig und mit hoher Reproduzierbarkeit elektrisch zu isolieren.
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Moderne Lithium-Ionen-Batteriezellen verfügen über eine Schutzeinrichtung in Form einer Druckbegrenzungseinrichtung, welche bei einem kritischen Druck innerhalb der Batteriezelle kleiner einem Berstdruck der Batteriezelle druckaktiviert öffnet, so dass es zu einer sogenannten Entgasung der Batteriezelle kommt. Feste, flüssige und/oder gasförmige Bestandteile aus der Batteriezelle können so an einer definierten Stelle abgegeben, aufgenommen und gezielt in einen hierfür vorgesehenen Bereich der Batterie geleitet werden. Das bei der Entgasung austretende Aerosol kann elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen den Batteriezellen und elektrisch leitfähigen Komponenten in der Batterie ausbilden, welche zu kritischen Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen können.
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Beispielsweise zeigt die
DE 10 2010 050 996 A1 eine in einem Behälter angeordnete elektrochemische Zelle, die eine Bersteinrichtung aufweist. Die Zelle wird mittels eines Halteelements derart im Behälter gehalten, dass die Bersteinrichtung von einem Freiraum umgeben ist, so dass ein unbehindertes Bersten der Bersteinrichtung innerhalb des Behälters ermöglicht ist.
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Um Korrosion am Batteriezellengehäuse zu vermeiden, werden die Batteriezellengehäuse gemäß dem Stand der Technik häufig mit einem der Pole der Batteriezelle, z. B. dem positiven Pol, elektrisch leitfähig verbunden. Beispielsweise durch eine Reihenschaltung von Batteriezellen liegen die Batteriezellengehäuse der in Reihe geschalteten Batteriezellen somit auf unterschiedlich hohen Potentialen.
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1 zeigt einen Teilbereich einer Batterie gemäß dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung. Eine Mehrzahl an Batteriezellen 10 ist an ein Entgasungssystem 12 angeschlossen. Die Batteriezellen 10 umfassen jeweils ein Batteriezellengehäuse 14 mit einer Aussparung 16, in welcher eine Druckbegrenzungseinrichtung 18, angeordnet ist. Das Entgasungssystem 12 weist einen Hohlraum 20 und Öffnungen 22 auf, durch welche die Druckbegrenzungseinrichtungen 18 der Batteriezellen 10 mit dem Hohlraum verbunden sind. Zur Abdichtung sind zwischen den Batteriezellen 10 und dem Entgasungssystem 12 Dichtelemente 24 angeordnet. Zur Isolation der Batteriezellengehäuse 14 sind diese z. B. von selbstklebenden Isolationsfolien 30 umgeben.
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Im Fehlerfall öffnet bei einem kritischen Druck innerhalb eines der Batteriezellengehäuse 14 die Druckbegrenzungseinrichtung 18 der betroffenen Batteriezelle 10 (in 1 links), woraufhin die betroffene Batteriezelle 10 entgast. Die Entgasungsprodukte strömen als Aerosol aus der Batteriezelle, welches sich als ein elektrisch leitfähiger Film 26 im Entgasungssystem 12 und an den am Entgasungssystem 12 angeschlossenen, Batteriezellen 10 niederschlagen kann. Durch den elektrisch leitfähigen Film 26 können die Batteriezellen 10 über deren Batteriezellengehäuse 14 kurzgeschlossen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, die jeweils ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung umfassen, zur Verfügung gestellt. Ferner umfasst die Batterie ein Entgasungssystem, das einen Hohlraum und eine Mehrzahl an Öffnungen aufweist, welche mit den Aussparungen der Batteriezellengehäuse korrespondieren, insbesondere in Strömungsverbindung miteinander stehen. Überdies umfassen die Batteriezellen jeweils eine Druckbegrenzungseinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen und den Hohlraum des Entgasungssystems mit einem Inneren des entsprechenden Batteriezellengehäuses strömungstechnisch zu verbinden. Kennzeichnend weist die Batteriezelle, auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite, wenigstens auf der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.
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In der Regel sind das Batteriezellengehäuse und die Bersteinrichtung elektrisch leitfähig. Insbesondere weisen das Batteriezellengehäuse und/oder die Bersteinrichtung einen Grundkörper aus Metall, z. B. aus Aluminium oder Stahl auf. Das Batteriezellengehäuse kann zudem z. B. eine prismatische oder zylindrische Form aufweisen. Batteriezellen mit metallischem und prismatischem oder zylindrischem Batteriezellengehäuse werden oftmals auch als Hardcase-Batteriezellen bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, Kurzschlüsse über das Entgasungssystem verhindern zu können, indem wenigstens die Druckbegrenzungseinrichtungen auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Batteriezelle und somit auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Druckbegrenzungseinrichtungen eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung sind die Druckbegrenzungseinrichtungen von dem Hohlraum des Entgasungssystems elektrisch isoliert. Ein im Fehlerfall entstehender elektrisch leitfähiger Film aufgrund eines abgeschlagenen Aerosols kann somit nicht die elektrisch leitfähigen Teile der Druckbegrenzungseinrichtungen kontaktieren. Somit werden mögliche Kurzschlüsse zwischen zwei Batteriezellen über den elektrisch leitfähigen Film verhindert. Die Auswirkungen des Fehlerfalls bleiben damit auf die jeweils betroffene Batteriezelle oder die jeweils betroffenen Batteriezellen beschränkt. Zudem kann die Erfindung dazu herangezogen werden, Luft- bzw. Kriechstrecken im Normal- und im Fehlerfall zu benachbarten elektrisch leitfähigen Komponenten zu vergrößern.
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Vorzugsweise ist die Bersteinrichtung mit dem Batteriezellengehäuse verbunden. Beispielsweise kann die Bersteinrichtung in die Aussparung des Batteriezellengehäuses eingepresst und/oder eingeklebt sein.
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Je nach Ausgestaltung der Batteriezelle können auch an die Druckbegrenzungseinrichtung angrenzende Bereiche des Batteriezellengehäuses mit dem Hohlraum des Entgasungssystems in Kontakt stehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Beschichtung zusätzlich auf den an die Bersteinrichtung angrenzenden Bereichen des Batteriezellengehäuses auf einer Außenseite des Batteriezellengehäuses vorgesehen. Ferner bevorzugt ist die elektrisch isolierende Beschichtung auf den an den Hohlraum angrenzenden Bereichen des Batteriezellengehäuses vorgesehen. Des Weiteren bevorzugt ist die elektrisch isolierende Beschichtung auf den an den Hohlraum angrenzenden elektrisch leitfähigen Bereichen, insbesondere metallischen Bereichen, der Batteriezelle vorgesehen. Durch diese Ausgestaltungen werden auch Bereiche der Batteriezelle oder insbesondere des Batteriezellengehäuses, welche an den Hohlraum des Entgasungssystems angrenzen, von einem möglichen elektrisch leitfähigen Film elektrisch isoliert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Batteriezellengehäuse auf seiner Außenseite von einer elektrisch isolierenden Beschichtung umhüllt, die insbesondere durchgehend mit der elektrisch isolierenden Beschichtung der Druckbegrenzungseinrichtung ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine Isolation der Batteriezellengehäuse mittels selbstklebender Isolationsfolien oder Schrumpfschläuchen entfallen. Durch die direkt mit dem Batteriezellengehäuse verbundene elektrisch isolierende Beschichtung wird ein Eindringen von z. B. Feuchtigkeit zwischen einer Isolationsschicht und dem Batteriezellengehäuse unterbunden, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile werden dadurch behoben.
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Vorzugsweise sind zwischen den Batteriezellen und dem Entgasungssystem Dichtungselemente angeordnet, derart, dass die Batteriezellen gasdicht an das Entgasungssystem gekoppelt sind. Insbesondere bevorzugt sind die Dichtungselemente zwischen den Batteriezellengehäusen und dem Entgasungssystem angeordnet. Die Dichtungselemente können beispielsweise Gummidichtungen, insbesondere in Form von O-Ringen, sein.
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Bevorzugt ist die Bersteinrichtung ein bei dem kritischen Druck öffnendes Sicherheitsventil oder eine bei dem kritischen Druck berstende Einmal-Membran. Einmal-Membranen haben neben günstigen Stückpreisen den Vorteil, dass eine Überprüfung der Batteriezelle durch Sichtkontrolle der Einmal-Membran erfolgen kann.
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Ferner wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Batterie ausgebildet ist. Die Batteriezelle umfasst ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung sowie eine Bersteinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druckanstieg innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen. Die Batteriezelle weist auf einer Außenseite der Batteriezelle wenigstens auf der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.
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Somit weist wenigstens die Druckbegrenzungseinrichtung auf einer Außenseite der Batteriezelle und somit auf einer Außenseite der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, wodurch mittels einer Mehrzahl an Batteriezellen die erfindungsgemäße Batterie realisiert werden kann.
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Vorzugsweise sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen (Sekundärzellen). Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was insbesondere im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt. Weitere mögliche Batteriezellen sind z. B. Nickel-Metall-Hydrid-Batteriezellen oder Lithium-Metall-Polymer-Batteriezellen.
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Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Teilbereich einer Batterie gemäß dem Stand der Technik, und
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2 einen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Batterie in einer bevorzugten Ausgestaltung.
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Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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2 zeigt einen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Batterie in einer Schnittdarstellung. Eine Mehrzahl an Batteriezellen 10 ist an ein Entgasungssystem 12 angeschlossen. Die Batteriezellen 10 umfassen jeweils ein Batteriezellengehäuse 14 mit einer Aussparung 16, in welcher eine Druckbegrenzungseinrichtung 18 angeordnet ist. Die Batteriezellengehäuse 14 und die Druckbegrenzungseinrichtungen 18 sind in der Regel aus einem Metall, z. B. Aluminium ausgebildet und somit elektrisch leitfähig. Als Druckbegrenzungseinrichtungen 18 finden häufig Einmal-Membranen, z. B. in Form von Berstscheiben Verwendung. Das Entgasungssystem 12 weist einen Hohlraum 20 und Öffnungen 22 auf, über welche die Druckbegrenzungseinrichtungen 18 der Batteriezellen 10 mit dem Hohlraum 20 verbunden sind. Zur Abdichtung können zwischen den Batteriezellen 10 und dem Entgasungssystem 12 Dichtelemente 24 angeordnet sein.
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Bei einem kritischen Druck innerhalb eines der Batteriezellengehäuse 14, beispielsweise infolge einer Überhitzung der Batteriezelle 10, öffnet die Druckbegrenzungseinrichtung 18 der betroffenen Batteriezelle 10 (in 2 links), woraufhin die betroffene Batteriezelle 10 entgast. Bei der Entgasung tritt ein elektrolythaltiges Aerosol aus der betroffenen Batteriezelle 10 aus und schlägt sich als elektrisch leitfähiger Film 26 im Entgasungssystem 12 und an den am Entgasungssystem 12 angeschlossenen Batteriezellen 10 nieder.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik weisen die Druckbegrenzungseinrichtungen 18 an ihrer Außenseite eine elektrisch isolierende Beschichtung 28 auf, wodurch ein Kontakt des elektrisch leitfähigen Films 26 mit einem Grundkörper der Druckbegrenzungseinrichtung 18 verhindert wird, so dass die Druckbegrenzungseinrichtung 18 vom elektrisch leitfähigen Film 26 elektrisch isoliert ist. Im gezeigten Beispiel stehen auch Teile des Batteriezellengehäuses 14 mit dem Hohlraum 20 in Kontakt. Um eine elektrische Isolierung der Batteriezellen 10 vom elektrisch leitfähigen Film 26 sicherzustellen, sind auch jene Bereiche des Batteriezellengehäuses 14 mit der elektrisch isolierenden Beschichtung beschichtet, welche an den Hohlraum 20 anschließen, also jene Bereiche des Batteriezellengehäuses 14, welche an die Druckbegrenzungseinrichtung 18 angrenzen.
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Dadurch, dass die Batteriezellen 10 durch die elektrisch isolierende Beschichtung 28 von dem elektrisch leitfähigen Film 26 elektrisch isoliert sind, bleibt bei einem Fehlerfall der Schaden auf die entgasende Batteriezelle 10 beschränkt, andere Batteriezellen 10 werden nicht beschädigt.
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Die elektrisch isolierende Beschichtung 28 kann, wie in 2 gezeigt, zudem das Batteriezellengehäuse 14 insgesamt umhüllen. Somit bildet die Beschichtung 28 eine vollflächige und durchgehende Schicht um die Batteriezelle 10 aus, von der lediglich die elektrischen Anschlüsse (vorliegend nicht dargestellt) ausgenommen sind. Dadurch wird ein, aus dem Stand der Technik bekanntes, Unterwandern einer Isolation durch Feuchtigkeit verhindert.
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Als Materialien für die Beschichtung kommen beispielsweise elektrisch nicht leitfähige Kunststoffe, insbesondere Polyurethan oder Lacke, insbesondere Epoxy-Lacke, UV-Lacke oder Pulverlacke in Frage.
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Mögliche Verfahren, um die Druckbegrenzungseinrichtung und/oder das Batteriezellengehäuse mit der elektrisch isolierenden Beschichtung zu beschichten, sind beispielsweise:
- • Lackieren (pneumatische Zerstäubung eines Lackes und/oder sogenannte Airless-Verfahren)
- • Tauchlackieren
- • Fluten (Batteriezellen werden dabei von Lack "wasserfallähnlich" überströmt)
- • PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition-Verfahren)
- • CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition-Verfahren)
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Die Beschichtung der Druckbegrenzungseinrichtung 18 kann sowohl an einzeln vorliegenden, noch nicht eingebauten Druckbegrenzungseinrichtungen 18 als auch an bereits in den Batteriezellengehäusen 14 eingebauten Druckbegrenzungseinrichtungen 18 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010050996 A1 [0007]
