DE102012213157A1 - Korrosionsbeständiges Gehäuse für ein galvanisches Element, galvanische Zelle, Batteriemodul sowie Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Gehäuse (10) für ein galvanisches Element, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Zelle beschrieben, wobei das Gehäuse (10) eine Wandung (11) aus zwei Lagen (12, 13) unterschiedlicher Metalle aufweist, die vorteilhafterweise eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen, so dass die innere Lage (13) gegenüber einem Elektrolyten und die äußere Lage (12) beispielsweise gegenüber Seewasser beständig ist. Ferner werden ein galvanisches Element, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor offenbart.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein galvanisches Element, ein galvanisches Element, ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug.
- Stand der Technik
- Sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, auf Schiffen und Booten als auch im Consumer-Bereich, zum Beispiel bei Laptops und Mobiltelefonen, werden ständig höhere Anforderungen an die verwendeten Batteriesysteme bezüglich Sicherheit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt.
- In Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Lithium-Ionen-Zelle und Lithium-Ionen-Batterie synonym verwendet. Ein Batteriesystem ist hier die Anordnung mehrere einzelner Zellen oder Batterien, die parallel oder seriell verschaltet sind. Das Batteriesystem kann zusätzliche Komponenten zur Steuerung oder Regelung des Batterieverhaltens enthalten.
- Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Lithium-Ionen-Zellen können ein gestapeltes oder gewickeltes Design aufweisen. Man unterscheidet nach dem Stand der Technik zwischen Rund- und Flachwickeln. Bei den Wickelzellen handelt es sich dabei um lose gewickelte Zell-Einheiten, welche aus mindestens einer positiven Elektrode, mindestens einer negativen Elektrode und mindestens einem dazwischen liegenden Separator bestehen.
- Damit die Interkalation beispielsweise von Lithium-Ionen bzw. die Deinterkalation von Lithium-Ionen stattfindet, ist die Anwesenheit einer Elektrolytkomponente, des sogenannten Lithium-Leitsalzes, notwendig. Praktisch bei allen derzeitigen Lithium-Ionen-Zellen wird als Lithium-Leitsalz Lithium-Hexa-Fluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. LiPF6 ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, wobei es in mehreren Stufen hydrolytisch bis hin zu Fluorwasserstoff (HF) gespalten wird.
- Um eine Schädigung der Lithium-Ionen-Zelle durch Feuchte aufgrund der hydrolytischen Spaltung des Leitsalzes zu verhindern, wird nach dem Stand der Technik ein Gehäuse mit einem metallischen Anteil, üblicherweise in Form einer Metallfolie oder eines -blechs verwendet, wobei die Metallfolie bzw. das -blech die eigentliche Sperre gegen die Luftfeuchte darstellt. Zu unterscheiden sind dabei sogenannte Softpacks mit einer Folienverpackung und Zellen in einem festen, metallischen Gehäuse (Hardcase), die üblicherweise prismatisch oder zylindrisch ausgestaltet sind. Als Zellgehäuse wird üblicherweise Aluminium oder Stahl eingesetzt, abhängig davon, ob das Gehäuse neutral oder auf einem der Potentiale liegt, sind nur bestimmte Materialien einsetzbar.
- Bei Verwendung der Batterie auf Schiffen/Booten muss das Zellgehäuse auch gegen Korrosion von außen geschützt werden. Deswegen ist die Verwendung eines hochwertigen rostfreien Stahls notwendig. Verzinktes Stahlblech, wie es im Automobilbau eingesetzt wird, hat den Nachteil, dass es bei Verletzung der Zink-Schicht zu Korrosion kommt.
- In der Patentanmeldung
DE 10 2011 087 003.2 wird ein Gehäuse für ein galvanisches Element beschrieben, das aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) besteht und zusätzlich mit einer feuchtigkeitsundurchlässigen Schicht versehen ist. Diese Schicht kann aus siliziumorganischen Verbindungen, siliziumdioxid-basierten Materialien oder aus einem Metall bestehen. - Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse für ein galvanisches Element bereitgestellt, dessen Wandung aus zwei Lagen unterschiedlicher Metalle besteht, wobei die Metalle eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
- Unter unterschiedlicher Korrosionsbeständigkeit ist im Rahmen der Erfindung die Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf unterschiedliche korrosive Medien gemeint. So soll die innere Lage eines Metalls beständig gegenüber den für den Zellaufbau verwendeten Chemikalien sein, während die äußere Lage vorzugsweise gegenüber Seewasser beständig sein soll.
- Durch Verwendung einer mehrlagigen Materialkombination ist eine optimale Anpassung an die im Betriebsumfeld gegebene korrosive Umgebung möglich, ohne dabei die Korrosionsbeständigkeit im Innenraum des Elements vernachlässigen zu müssen.
- Die erste Lage, die später die Innenseite des Gehäuses des galvanischen Elementes bildet, besteht vorzugsweise aus Aluminium, wenn das Gehäuse neutral oder auf Kathodenpotential liegt.
- Die innere Lage kann auch aus einem geeigneten Edelstahl bestehen, vorzugsweise aus 1.4301 (Werkstoff-Nr.)/X5CrNi18-10 (DIN), wenn das Potential der Anode auf dem Gehäuse liegt oder das Gehäuse neutral ist. Dieser Werkstoff ist nicht seewasserbeständig.
- Die äußere Lage besteht vorzugsweise aus einem seewasserbeständigen Edelstahl, besonders bevorzugt aus 1.4571 (Werkstoff-Nr.)/X6CrNiMoTi17-12-2 (DIN) oder 1.4404 (Werkstoff-Nr.)/X2CrNiMo17-12-2 (DIN). Diese Werkstoffe sind gegenüber den Komponenten der galvanischen Zelle nicht beständig.
- Darüber hinaus können auch die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Gehäuses optimiert werden, insbesondere bei der Ausgestaltung des Gehäuses für prismatische Zellen, bei denen durch das Gehäuse Druck auf die innen liegenden Komponenten der Zelle ausgeübt wird.
- Erfindungsgemäß wird daher bei dieser Ausführungsform für prismatische Zellgehäuse eine dritte Lage aus einem Metall zwischen den beiden vorgenannten Lagen angeordnet, die aus besonders festem, federnden Material besteht, vorzugsweise ausgewählt aus nachstehender Gruppe mit den Werkstoff-Nummern (W-Nr.): 1.5023; 1.7108; 1.7701; 1.8159 oder 1.1231.
- Das Gehäuse ist vorzugsweise so ausgeformt, dass die innere Lage nicht mit außerhalb des Gehäuses befindlichen Medien, wie Seewasser in Berührung kommen kann, und dass die äußere Lage nicht mit dem Elektrolyten in der Zelle in Kontakt gelangen kann.
- Vorzugsweise ist das Gehäuse dazu, das üblicherweise einen Gehäusedeckel aufweist, mit diesem verschweißt oder verklebt, um ein Eindringen von beispielsweise Seewasser zu der inneren Lage zu verhindern. Genauso umgibt die innere Lage die Zelle dicht, so dass die äußere Lage nicht von den Bestandteilen des galvanischen Elements kontaktiert werden kann. Dazu weist die innere Lage vorzugsweise einen separaten Gehäusedeckel auf, der ebenfalls verschweißt oder verklebt ist.
- Die Gesamtdicke der Wandung des erfindungsgemäßen Gehäuses beträgt vorzugsweise 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 mm.
- Ein bevorzugter Aufbau eines Gehäuses für eine Rundzelle ist wie folgt:
0,5 mm Gesamtdicke der Wandung bestehend aus 0,2 mm 1.4301 (W-Nr.) und 0,3 mm 1.4571 (W-Nr.). - Ein bevorzugter Aufbau eines Gehäuses für eine prismatische Zelle ist wie folgt:
0,7 mm Gesamtdicke der Wandung bestehend aus 0,2 mm 1.4301 (W-Nr.), 0,3 mm 1.5023 (W-Nr.) und 0,2 mm 1.4571 (W-Nr.). - Erfindungsgemäß beansprucht wird auch ein galvanisches Element, ein Gehäuse wie voranstehend beschrieben aufweisend. Vorzugsweise ist das galvanische Element eine Lithium-Ionen-Zelle.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Batteriemodul sowie ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Kraftfahrzeug oder ein Seefahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
- Zeichnungen
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 in einer perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Gehäuse für ein galvanisches Element. - Das Gehäuse
10 für ein galvanisches Element weist eine Wandung11 auf, die aus einer äußeren Lage12 eines seewasserbeständigen Metalls und einer inneren Lage13 eines gegenüber Elektrolyt beständigen Metalls besteht. Die Wandung11 ist entsprechend auch auf der Oberseite14 des Gehäuses10 , die zwei Pole15 trägt, ausgebildet, von denen nur einer dargestellt ist. Der Pol15 auf der inneren Lage13 ist mit dem Pol15 des gleichen Potentials auf der äußeren Lage12 kontaktiert, der hier nicht dargestellt ist. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011087003 [0008]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- 1.4301 (Werkstoff-Nr.)/X5CrNi18-10 (DIN) [0013]
- 1.4571 (Werkstoff-Nr.)/X6CrNiMoTi17-12-2 (DIN) [0014]
- 1.4404 (Werkstoff-Nr.)/X2CrNiMo17-12-2 (DIN) [0014]
Claims (9)
- Gehäuse (
10 ) für ein galvanisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Wandung (11 ) aus zwei Lagen (12 ,13 ) unterschiedlicher Metalle besteht, wobei die Metalle eine unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit aufweisen. - Gehäuse (
10 ) nach Anspruch 1, wobei eine innere Lage (13 ) gegenüber Elektrolyten und eine äußere Lage (12 ) gegenüber Seewasser beständig sind. - Gehäuse (
10 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Lage (13 ) aus Aluminium und die äußere Lage (12 ) aus seewasserfestem Edelstahl bestehen. - Gehäuse (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen der inneren Lage (13 ) und der äußeren Lage (12 ) eine dritte Lage aus Metall angeordnet ist. - Galvanisches Element ein Gehäuse (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweisend. - Galvanisches Element nach Anspruch 5, wobei das galvanische Element eine Lithium-Ionen-Zelle ist.
- Batteriemodul zumindest ein galvanisches Element nach Anspruch 5 oder 6 aufweisend.
- Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Fahrzeugs und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batteriemodul gemäß Anspruch 7.
- Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug oder ein Seefahrzeug ist.
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