-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiespeicher. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Energiespeicher mit einem Sicherheitsventil für eine Notentgasung einer Batteriezelle.
-
Stand der Technik
-
Energiespeicher, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind in vielen täglichen Anwendungen weit verbreitet. Sie werden beispielsweise in Computern, wie etwa Laptops, Mobiltelefonen, Smartphones und bei anderen Anwendungen eingesetzt. Auch bei der zur Zeit stark vorangetriebenen Elektrifizierung von Fahrzeugen, wie etwa Kraftfahrzeugen, bieten derartige Batterien Vorteile.
-
Um eine von einem Energiespeicher, wie etwa einer Lithium-Ionen-Batterie, ausgehende Gefährdung zu vermindern, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Diese sollen beispielsweise dazu dienen, das Risiko zu verringern, dass etwa in einem Havariefall der Energiespeicher sich zu stark erhitzt, brennt oder gefährliche Gase oder Stäube emittieren kann. Insgesamt kann durch entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eine Benutzung von Energiespeichern ohne signifikante Gefährdung von Mensch und Umwelt möglich sein.
-
Beispielsweise können Systeme vorgesehen sein, welche die in dem Energiespeicher herrschende Temperatur unter einem vorgegebenen Wert halten, um so einen Schaden durch übermäßiges Erhitzen zu reduzieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrochemischer Energiespeicher, umfassend einen Zellraum zum zumindest teilweisen Aufnehmen einer Anode und einer Kathode, wobei der Zellraum zumindest teilweise durch ein Gehäuse von der äußeren Umgebung getrennt ist, insbesondere wobei das Gehäuse ein Sicherheitsventil für eine Notentgasung aufweist, und wobei der Energiespeicher ferner wenigstens ein Passivierungsmittel zum zumindest teilweisen Passivieren einer aus dem Zellraum austretenden Zellkomponente aufweist.
-
Ein elektrochemischer Energiespeicher kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere jegliche Batterie sein. Insbesondere kann ein Energiespeicher neben einer Primär-Batterie vor allem eine Sekundär-Batterie, also ein wieder aufladbarer Akkumulator, sein. Eine Batterie kann dabei ein galvanisches Element oder eine Mehrzahl an untereinander verbundenen galvanischen Elementen sein. Beispielsweise kann ein Energiespeicher einen lithiumbasierten Energiespeicher wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie umfassen. Dabei kann unter einem lithiumbasierten Energiespeicher wie etwa einer Lithium-Ionen Batterie insbesondere ein derartiger Energiespeicher verstanden werden, dessen elektrochemische Prozesse während eines Lade- beziehungsweise Entladevorgangs zumindest teilweise auf Lithiumionen basieren.
-
Unter einem Zellraum kann ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Raum verstanden werden, in dem die Anode, die Kathode, ein zwischen Anode und Kathode angeordneter Separator sowie der Elektrolyt vorliegen beziehungsweise angeordnet sind. Somit ist der Zellraum insbesondere ein derartiger Raum, in dem die für einen Lade- beziehungsweise Entladevorgang des Energiespeichers ablaufenden elektrochemischen Prozesse stattfinden. Das den Zellraum begrenzende Gehäuse kann ferner sowohl direkt den Zellraum begrenzen, also rein beispielhaft als Wand des Zellraums ausgestaltet sein, oder auch den Zellraum indirekt beziehungsweise mittelbar begrenzen. In letzterem Fall kann das Gehäuse beispielsweise als ein weiteres, ein direkt den Zellraum begrenzendes Gehäuse umgebendes Gehäuse ausgestaltet sein.
-
Die äußere Umgebung kann ferner insbesondere die den Energiespeicher beziehungsweise das Gehäuse umgebende Atmosphäre, also insbesondere die den Energiespeicher umgebende Luft sein.
-
Unter einem Sicherheitsventil für eine Notentgasung kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ferner insbesondere verstanden werden eine Vorrichtung beziehungsweise ein Bereich des Zellraums beziehungsweise des Gehäuses des Zellraums, welche in einem definierten und planmäßigen Betrieb des Energiespeichers dicht ist, also ein Austreten von Gas verhindert, jedoch bei einem vorbestimmten Zustand, insbesondere bei einem definierten Überdruck oder einer definierten erhöhten Temperatur innerhalb des Zellraums, ein Entweichen einer Zellkomponente, wie etwa eines Gases, aus dem Inneren des Zellraums beziehungsweise aus dem innerhalb des Gehäuses befindlichen Volumen ermöglichen kann.
-
Ein Passivierungsmittel kann weiterhin im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Mittel sein, welches dazu dienen kann beziehungsweise insbesondere dazu geeignet ist, eine austretende Zellkomponente, wie etwa ein austretendes Gas, zumindest teilweise zu passivieren, was beispielsweise bedeuten kann, dass beispielsweise die Reaktionsfähigkeit beziehungsweise das Gefährdungspotenzial einer austretenden Zellkomponente reduziert wird. Dadurch kann ein Passivierungsmittel insbesondere dazu dienen, die Schwere eines Fehlerfalls, der mit einem Entgasen einhergeht, sowie von Leckagen und eventuell auch unvermeidbarer Diffusion zu reduzieren.
-
Eine Zellkomponente kann ferner im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Substanz sein, welche bei einem normalen Betrieb oder bei einem Fehlerfall innerhalb des Zellraums auftreten kann beziehungsweise dort gebildet werden kann. Weiterhin kann unter dem Begriff Zellkomponente eine solche Substanz verstanden werden, welche ein Reaktionsprodukt einer vorbeschriebenen Substanz sein kann. Dabei kann die Zellkomponente beispielsweise und nicht beschränkend ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Pulver sein.
-
Ein vorbeschriebener elektrochemischer Energiespeicher ermöglicht es, auf kostengünstige Weise einen besonders sicheren Betrieb desselben zu erlauben und somit ein Gefährdungspotenzial für einen Betreiber oder für die Umgebung beziehungsweise Umwelt des Energiespeichers signifikant zu reduzieren.
-
Ein derartiger Energiespeicher kann beispielsweise ein lithiumbasierter Energiespeicher, wie etwa eine Lithium-Ionen-Batterie, sein und umfasst dabei insbesondere einen Zellraum, in dem eine Anode und eine Kathode zumindest teilweise angeordnet sind. Zwischen Anode und Kathode sind dabei ein Separator und eine Elektrolyt angeordnet, um ein Arbeiten des Energiespeichers in an sich bekannter Weise zu ermöglichen. Der Zellraum ist dabei von der äußeren Umgebung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch ein Gehäuse getrennt. Somit ist der Zellraum insbesondere ein vorteilhafterweise vollständig gasdichtes Volumen, aus welchem das Austreten von Substanzen, wie insbesondere von Gasen oder anderen Zellkomponenten, die sich beispielsweise während eines Ladevorgangs, während eines Entladevorgangs oder auch während eines Fehlerfalls bilden können, verhindert wird.
-
Dabei ist ferner insbesondere ein Sicherheitsventil für eine Notentgasung vorgesehen, welches insbesondere in oder an dem Gehäuse positioniert sein kann. Das Sicherheitsventil kann insbesondere dazu dienen, in Sonderfällen beziehungsweise in Fehlerfällen beziehungsweise bei einer Fehlfunktion des Energiespeichers eine Explosion der Zelle durch einen übermäßigen Überdruck innerhalb der Zelle zu vermeiden. Das Sicherheitsventil, welches auch als Entlüftungsventil beziehungsweise Entgasungsventil bezeichnet werden kann, kann somit insbesondere als Sollbruchstelle dienen, welche den in der Zelle herrschenden Innendruck begrenzen kann und das gezielte Entweichen und Abführen von Gasen oder anderen Zellkomponenten ermöglichen kann. Ein Entweichen kann dabei durch ein Auslösen des Sicherheitsventils insbesondere in Abhängigkeit der in der Zelle herrschenden beispielsweise unzulässigen Temperatur und/oder des in der Zelle herrschenden beispielsweise unzulässigen Drucks ausgelöst werden. Ein Entgasen kann zwar in einem Extremfall eine Zerstörung der Zelle bedeuten, kann jedoch in einem Fehlerfall nicht immer ausgeschlossen werden, um eine Gefährdung für Mensch und Umwelt zu reduzieren beziehungsweise zu verhindern.
-
Weiterhin weist der Energiespeicher wenigstens ein Passivierungsmittel zum zumindest teilweisen Passivieren einer aus dem Zellraum austretenden Zellkomponente auf. Dabei kann nur ein Passivierungsmittel oder einer Mehrzahl einheitlich oder unterschiedlich ausgestalteter Passivierungsmittel vorgesehen sein. Durch das Passivierungsmittel kann selbst bei einem Fehlerfall einer Zelle eine Ausdehnung beziehungsweise Vergrößerung des Fehlers auf angrenzende Zellen der Beschädigungen und eine Gefährdung etwa für einen Benutzer des Energiespeichers deutlich reduziert oder sogar vollständig verhindert werden. Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Energiespeicher besonders sicher betrieben werden.
-
Dabei kann das Passivierungsmittel ferner sowohl wirksam sein bei einem Fehlerfall, also bei dem Auslösen des Sicherheitsventils, als auch bei einem ungewollten oder nicht zu verhindernden kontinuierlichen Austreten von Substanzen, wie etwa Gasen oder Flüssigkeiten, aus dem Energiespeicher. Somit kann sowohl bei einem ungewollten Betriebszustand als auch bei einem an sich fehlerfreien Betrieb des Energiespeichers ein besonders sicheres Betreiben gesichert und damit eine von dem Energiespeicher ausgehende Gefährdung deutlich reduziert werden.
-
Bei einem ungewollten oder nicht zu verhindernden kontinuierlichen Austreten von Substanzen, wie etwa Gasen oder Flüssigkeiten, aus dem Energiespeicher kann beispielsweise ein Passivierungsmittel an einem äußeren, einen Batteriestapel umgebenden Gehäuse, angeordnet sein.
-
Insbesondere in Kombination mit einem Sicherheitsventil können die Anforderungen an die technische Ausführung eines Entgasungssystems reduziert werden. Beispielsweise können die Anforderungen an Dichtstellen und Leitungssysteme beispielsweise bezüglich der Temperaturbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit herabgesetzt werden, da das Gefährdungspotential, wie etwa die Temperatur und/oder die Reaktionsfähigkeit, eines austretenden Gases durch das Passivierungsmittel reduziert werden kann. Ferner ist beispielsweise bezüglich in der Umgebung des Energiespeichers befindlicher Personen, wie etwa von Fahrzeuginsassen für den Fall des Betriebs in einem Fahrzeug, in Notfallsituationen die Gewährleistung eines verbesserten Schutzes möglich, wenn beispielsweise die Dichtheit des Systems in einer Unfallsituation nicht mehr gewährleistet werden kann. Grundsätzlich können die Anforderungen an Werkstoffe beziehungsweise die Umgebung des Energiespeichers herabgesetzt werden, da die austretenden Gase eine deutlich reduzierte Gefährdung darstellen, da beispielsweise ein Entzünden beziehungsweise die Reaktionsfähigkeit wie auch hohe Temperaturen der austretenden Komponente reduziert werden kann.
-
Bei einem vorbeschriebenen elektrochemischen Energiespeichers kann das Passivierungsmittel dabei insbesondere ein solches sein, welches eine rein mechanische Überwachung von Druck und/oder Temperatur und einer gegebenenfalls entsprechenden Einleitung von Maßnahmen bereitstellt und somit, einmal in einem Energiespeicher vorgesehen, keine beispielsweise elektronische Ansteuerung benötigt sondern vielmehr als passives Sicherheitsmittel dienen kann. Somit kann ein derartiges insbesondere mechanisches Passivierungsmittel als Redundanz beziehungsweise Ergänzung zu einer aktiven Überwachung des Energiespeichers, beziehungsweise des Zellraums, durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) vorgesehen sein.
-
Das Batteriemanagementsystem kann dabei zusätzlich etwa in Kombination mit einem Kühlsystem vorgesehen sein, um eine Temperatur unter einem vorgegebenen Wert zu halten. Beispielsweise kann das Batteriemanagementsystem eine Temperatur in einem Bereich von kleiner oder gleich 60° halten und ferner einen Temperaturgradienten möglichst gering halten. Im Normalbetrieb schützen diese Maßnahmen einen Energiespeicher und einen Betreiber bereits vor Fehlern beziehungsweise vor Schäden. Durch das Passivierungsmittel kann die Sicherheit dabei noch weiter vergrößert werden.
-
Dabei können das Sicherheitsventil und/oder das Passivierungsmittel insbesondere an einem Gehäuse vorgesehen sein, welches den Zellraum unmittelbar begrenzt, also etwa eine Zellwand des Zellraums darstellen kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Sicherheitsventil und/oder das Passivierungsmittel einzeln oder gemeinsam an einem Gehäuse angeordnet sein, welches beispielsweise einen Zellstapel umschließt und somit die Zelle mittelbar beziehungsweise indirekt von der äußeren Umgebung trennt.
-
Aus dem Vorstehenden und auch den nachfolgenden Weiterbildungen eines vorbeschriebenen Energiespeichers wird ersichtlich, dass einfache oder kombinierte Funktionen negative Auswirkungen eines Fehlerfalls bei dem Auslösen eines Sicherheitsventils, bei einer Leckage einer Zelle oder auch bei einer oftmals unvermeidlichen Diffusion durch einen Werkstoff beziehungsweise Dichtungen auf den Menschen, auf die Umwelt, oder auf das System, in welchem der Energiespeicher angeordnet ist, verzögern, reduzieren oder vollständig verhindern können.
-
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel derart angeordnet sein, um eine aus dem Sicherheitsventil austretende Zellkomponente zumindest teilweise zu passivieren. Beispielsweise kann das Passivierungsmittel in dieser Ausgestaltung stromabwärts des Sicherheitsventils angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann somit eine genau definierte Positionierung des Passivierungsmittels möglich sein, wodurch das Passivierungsmittel in besonders vorteilhafter Weise an die Position der austretenden Zellkomponente angepasst werden kann. Dadurch kann das Passivierungsmittel besonders effektiv arbeiten und ferner besonders definiert herstellbar sein. Darüber hinaus kann das Passivierungsmittel räumlich begrenzt vorgesehen sein, so dass der elektrochemische Energiespeicher in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig herstellbar sein kann.
-
Weiterhin kann bei dem Vorsehen eines Passivierungsmittels, welches ein aus dem Sicherheitsventil austretendes Gas zumindest teilweise passiviert, ein Leitungssystem für eine Entgasung stromabwärts des Sicherheitsventils gegebenenfalls entfallen, da die austretende Substanz stromabwärts des Passivierungsmittels gegebenenfalls keine oder sein stark verringerte Gefährdung aufweist. Alternativ kann in Abhängigkeit des verwendeten Passivierungsmittels grundsätzlich der Aufwand für ein Entgasungssystem reduziert werden, beispielsweise durch reduzierte Anforderungen bezüglich der Temperatur und/oder der chemischen Beständigkeit.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel unmittelbar in oder an dem Sicherheitsventil angeordnet sein. Insbesondere kann das Passivierungsmittel mit dem Sicherheitsventil eine zusammenhängende Baueinheit ausbilden. In dieser Ausgestaltung kann somit ein herkömmlicher Zellraum beziehungsweise ein herkömmliches Zellraumgehäuse verwendet werden, um den Energiespeicher herzustellen. Lediglich ein herkömmliches Sicherheitsventil kann, um den erfindungsgemäßen Energiespeicher in dieser Ausgestaltung herstellen zu können, durch ein Sicherheitsventil mit einem Passivierungsmittel ausgetauscht werden. In dieser Ausgestaltung kann somit der Energiespeicher besonders kostengünstig herstellbar sein und ferner durch einen möglichen modularen Aufbau das Passivierungsmittel jeweils an den verwendeten Energiespeicher angepasst werden. Dadurch ist neben einem besonders einfachen und kostengünstigen Herstellen eines Energiespeichers ferner ein besonders effektives Wirken des Passivierungsmittels und dadurch ein besonders sicheres Arbeiten des Energiespeichers möglich. Darüber hinaus können die Vorteile erzielt werden, welche vorstehend beschrieben erzielbar sind dadurch, dass das Passivierungsmittel eine aus dem Sicherheitsventil austretende Zellkomponente zumindest teilweise passiviert.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel durch ein Auslösen des Sicherheitsventils aktivierbar sein. In dieser Ausgestaltung kann somit ein besonders sicheres Arbeiten des Passivierungsmittels ermöglicht werden. Beispielsweise kann, für den Fall, dass das Passivierungsmittel beispielsweise eine in einem Fehlerfall freizusetzende Substanz umfasst beziehungsweise diese ist, diese sicher und verlässlich nur dann freigesetzt werden, wenn eine Notentgasung stattfindet und die Substanz somit wirklich benötigt wird, um eine von dem Energiespeicher ausgehende Gefährdung zu reduzieren. Dabei kann ferner ein besonders einfaches Aktivieren des Passivierungsmittels, wie etwa Freisetzen einer als Passivierungsmittel verwendbaren Substanz, möglich sein, wobei auf eine elektronische Steuerung, beispielsweise, weiter verzichtet werden kann. Dadurch kann der Steuerungsaufwand eines Batteriesystems reduziert werden und damit das Batteriesystem in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig herstellbar sein. Darüber hinaus kann besonders effektiv sichergestellt werden, dass das Passivierungsmittel aktiv ist, wenn es benötigt wird, jedoch in seiner Position verbleibt, also beispielsweise nicht freigesetzt wird, wenn ein Fehlerfall beziehungsweise ein das Passivierungsmittel benötigender Zustand des Energiespeichers nicht vorliegt. Somit werden in dieser Ausgestaltung gegebenenfalls auf Antwort eines Auslösens des Sicherheitsventils weitere Maßnahmen, wie etwa das Freisetzen einer Substanz, ausgelöst. Das Aktivieren des Passivierungsmittels kann somit beispielsweise das Freisetzen einer als Passivierungsmittel wirkenden und mit einer austretenden Zellkomponente wechselwirkenden weiteren Substanz sein.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel in einem durch ein Auslösen des Sicherheitsventils öffenbaren Behälter angeordnet sein. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, das Passivierungsmittel, wenn es etwa eine freizusetzende Substanz umfasst, genau dann zu aktivieren, wenn eine Notentgasung stattfindet und damit nur dann, wenn es wirklich notwendig ist. Dies kann beispielsweise und nicht beschränkend dadurch realisiert werden, dass ein Auslösen des Sicherheitsventils einen Behälter für ein Passivierungsmittel zerstört, oder eine definierte Öffnung öffnet, um so die Substanz aus ihrem Behälter freisetzen zu können. Dabei kann der öffenbare Behälter somit das Sicherheitsventil darstellen oder ergänzen. Beispielsweise kann eine Sollbruchstelle durch einen mit dem Passivierungsmittel gefüllten Behälter verbunden werden oder durch diesen gebildet werden. Ein derartiger Behälter kann beispielsweise ein Glaskolben oder eine Glas-Ampulle sein. Die Temperaturaktivierung kann dabei grundsätzlich vergleichbar sein etwa mit einer Sprinkleranlage. Beispielsweise kann eine Temperaturaktivierung realisierbar sein durch ein Schmelzen eines ein Medium enthaltenden Behälters. Darüber hinaus kann eine Temperaturaktivierung nicht beschränkend möglich sein durch einen weiteren temperaturabhängigen Mechanismus, wie etwa eine Wärmedehnung einer Substanz, beispielsweise eines Metalls oder einer Keramik, wodurch eine Öffnung, etwa zum Austritt eines Mediums, freigegeben wird. Ferner sind elektronische, sensorbasierte Systeme möglich.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel eine inerte Substanz, eine feuerhemmende Substanz oder eine feuerlöschende Substanz aufweisen oder sein. In dieser Ausgestaltung kann somit besonders sicher und effektiv eine von dem Energiespeicher ausgehende Gefährdung reduziert werden.
-
Bezüglich des Vorsehens einer inerten Substanz kann beispielsweise die austretende Zellkomponente, wie etwa ein austretendes Gas, derart mit der inerten Substanz, insbesondere einem inerten Gas, vermischt und so verdünnt werden, dass die Gefahr eines Entzündens deutlich reduziert oder vollständig verhindert werden kann. Darüber hinaus kann eine Verdünnung einer austretenden Substanz mit einem inerten Gas, beispielsweise, weiterhin dazu führen, dass eine Gefährdung für einen Menschen, wie beispielsweise Vergiftungserscheinungen, deutlich reduziert werden können. Weiterhin kann auf diese Weise verhindert werden, dass eine austretende Substanz beispielsweise mit der Luftfeuchtigkeit beziehungsweise mit dem Luftsauerstoff reagiert und so gegebenenfalls toxische Substanzen oder gefährliche Substanzen gebildet werden können auch für den Fall, dass die austretende Substanz an sich gegebenenfalls nur bedingt gefährlich oder ungefährlich ist. Als inerte Substanz kann dabei beispielsweise Stickstoff oder Argon dienen.
-
Bezüglich der feuerhemmenden beziehungsweise feuerlöschenden Substanz kann ebenfalls in effektiver Weise eine Entzündung der austretenden Substanz beziehungsweise eines Redaktionsprodukts der austretenden Substanz verhindert werden. Darüber hinaus kann ein derartiges Passivierungsmittel verhindern, dass in Abhängigkeit des aufgetretenen Fehlerfalls nicht nur die austretende Zellkomponente wirksam an einem Entzünden gehindert wird, sondern vielmehr der gesamte Energiespeicher beziehungsweise die gesamte Zelle mit einer derartigen Substanz versehen wird. Dadurch kann auch die von dem Inneren des Zellraums ausgehende Gefährdung signifikant reduziert werden. Dabei kann die feuerhemmende beziehungsweise feuerlöschende Substanz beispielsweise Kohlendioxid sein oder eine solche sein, die sie von einem Pulverfeuerlöscher bekannt ist, wie etwa fein vermahlenes Ammoniumphosphat und Ammoniumsulfat.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel ein verflüssigtes Gas aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann somit der Effekt genutzt werden, dass ein verflüssigtes Gas bei seiner Freisetzung expandiert und sich dabei durch eine Aggregatszustandsänderung abkühlt und der Umgebung Wärme entzieht. Somit kann durch ein Freisetzen des verflüssigten Gases eine Abkühlwirkung erzielt werden, so dass beispielsweise eine Selbstentzündung der austretenden Zellkomponente und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Kettenreaktion und damit ein thermisches Anstecken weiterer Zellen reduziert oder vollständig verhindert werden kann. Dabei kann ein Abkühlen in dieser Ausgestaltung deutlich schneller und effektiver erfolgen, als beispielsweise durch ein Thermomanagement eines Batteriemanagementsystems. Geringere Temperaturen einer austretenden Zellkomponente können zudem geringe Anforderungen beziehungsweise eine geringere Beanspruchung von Sicherheitseinrichtungen und Werkstoffen ermöglichen, so dass eine bei einem Fehlerfall auftretende Gefährdung ausgehend von einem Energiespeicher noch weiter verhindert werden kann. Darüber hinaus weisen Batterien, welche defekt sind, gegebenenfalls die Gefahr auf, ein thermisches Durchgehen zu durchlaufen, welches durch einen vorbeschriebenen Energiespeicher insbesondere in dieser Ausgestaltung ebenfalls verhindert werden kann. Als verflüssigtes Gas kann beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid Verwendung finden, oder weitere, insbesondere inerte Gase. Bei der Verwendung von inerten Gasen als verflüssigte Gase können dabei ferner die mit Bezug auf inerte Gase genannten Vorteile erzielbar sein.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel als Strömungsleitvorrichtung ausgestaltet sein. In dieser Ausgestaltung kann die Strömungsleitvorrichtung insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein Weiterleiten eines Feuers oder ein Entzünden beziehungsweise ein Rückentzünden einer austretenden Zellkomponente verhindert werden kann. Darüber hinaus kann durch eine Strömungsleitvorrichtung die austretende Zellkomponente beispielsweise mit der umgebenden Atmosphäre beziehungsweise mit der umgebenden Luft derart vermischt und dabei verdünnt werden, dass ein Gefährdungspotenzial noch weiter reduziert werden kann. Weiterhin kann beispielsweise eine gezielte Abführung einer austretenden Zellkomponente, wie insbesondere eines austretenden Gases, realisiert werden, um beispielsweise einen gravierenden Kontakt mit Personen zu verhindern und vielmehr in einer definierten Weise abgeführt werden kann. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Strömungsleitvorrichtung etwa als Sieb ausgestaltet ist und so beispielsweise als Feuerblocker beziehungsweise Feuersperre, vergleichbar zu Lüftungssystemen in Gebäuden, ausgestaltet ist. Eine Strömungsleitvorrichtung ist somit insbesondere eine Vorrichtung, welche die austretende Zellkomponente beziehungsweise deren Strömung in definierter Weise beeinflussen kann. Eine derartige Strömungsleitvorrichtung kann beispielsweise ausgestaltet sein, wie es für Brandschutzlüftungsgitter an sich bekannt ist. Sie können beispielsweise einen freien Gasdurchgang ermöglichen, wobei sich etwa aus intumeszentem Material geformte Lamellen in einem Brandfall zu Schaum ausdehnen können, wodurch eine vollkommene Blockierung bei Schutz vor Durchgang von Feuer, Rauch, Brand- und/oder Explosionsgasen möglich ist.
-
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann wenigstens ein Passivierungsmittel einen Katalysator aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise bewirkt werden, dass die austretende Zellkomponente durch einen Kontakt mit dem Katalysator zur reaktionsträgeren beziehungsweise zu Substanzen reagiert, welche eine geringere Gefährdung für Mensch und Umwelt mit sich bringt. Dadurch können selbst dann, wenn potenziell gefährdende Stoffe in dem Inneren des Zellraums vorhanden sind und diese bei einem Fehlerfall durch ein Aktivieren des Sicherheitsventils, beispielsweise, in die Umgebung gelangen können, diese zu weniger gefährlichen Substanzen weiterregieren, wodurch effektiv eine Gefährdung reduziert werden kann.
-
Beispiele und Zeichnungen
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung;
-
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung;
-
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung;
-
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung;
-
5 eine weitere schematische Darstellung einer Draufsicht der Ausführungsform gemäß 4; und
-
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung.
-
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Energiespeichers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein derartiger Energiespeicher 10 kann grundsätzlich jegliche Art von Energiespeicher 10 sein, insbesondere eine Batterie, wie etwa ein wieder aufladbarer Akkumulator. Beispielsweise kann der Energiespeicher 10 eine Lithium-Ionen-Batterien sein. Mögliche Anwendungsgebiete umfassen hierbei elektrisch angetriebene Fahrzeuge, Computer, wie etwa Laptops, Mobiltelefone, Smartphones, elektrische Werkzeuge und weitere Anwendungen.
-
Ein derartiger Energiespeicher 10 umfasst einen Zellraum 12, in dem eine Anode, eine Kathode und ein zwischen Anode und Kathode angeordneter Elektrolyt angeordnet sind. Ferner ist in ein sich bekannter Weise zwischen der Anode und Kathode ein Separator angeordnet.
-
Die Anode und die Kathode können grundsätzlich in an sich bekannter Weise wie für einen Energiespeicher 10 bekannt ausgestaltet sein. Für den rein beispielhaften Fall einer Lithium-Ionen-Batterie kann die Anode eine Elektrode sein, welche metallisches Lithium umfasst oder Lithium interkallieren kann. Die Kathode kann dabei beispielhaft NMC oder Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO2) aufweisen. Dabei kann das Kathodenmaterial gegebenenfalls in einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF) etwa zusammen mit einem Leitzusatz, wie etwa einer elektrisch leitfähigen Kohlenstoffverbindung, beispielsweise Graphit, vorliegen. Der Elektrolyt kann ein Lösungsmittel umfassen, in dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige Salze gelöst sind. Beispielsweise können aprotische Lösungsmittel, wie beispielsweise Ethylencarbon, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat Verwendung finden. Weiterhin kann als elektrisch leitfähiges Salz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) verwendet werden.
-
Weiterhin ist zwischen Anode und Kathode in an sich bekannter Weise ein Separator angeordnet, um die Anode und die Kathode räumlich voneinander zu trennen, um insbesondere einen Kurzschluss zu verhindern. Der Separator kann dabei beispielsweise umfassen oder ausgebildet sein aus insbesondere porösen Kunststofffolien, Glasfasergeweben, oder auch insbesondere porösen Keramikwerkstoffen, wie etwa Keramikgeweben. Dabei kann der Elektrolyt beispielsweise innerhalb des Separators beziehungsweise Poren des Separators angeordnet sein.
-
Der Zellraum 12, in dem die Anode, die Kathode, der Separator und der Elektrolyt angeordnet sind, ist dabei zumindest teilweise durch ein Gehäuse 14 von der Umgebung getrennt. Das Gehäuse 14 kann dabei aus einem beliebigen Material sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 14 ein festes, also ein formstabiles Gehäuse 14 sein, oder auch ein elastisches Gehäuse 14, etwa aus einen formbaren Kunststoff. Dabei können in an sich bekannter Weise beispielsweise aus dem Gehäuse 14 gemäß 1 mit der Anode beziehungsweise Kathode verbundenen Stromableiter herausragen, um den Energiespeicher 10 zum Abgreifen elektrischer Energie elektrisch zu kontaktieren. In der Ausführungsform gemäß 1 ist das Gehäuse 14 insbesondere als den Zellraum 12 begrenzendes Zellgehäuse beziehungsweise als Zellwand ausgestaltet.
-
In 1 ist ferner zu erkennen, dass das Gehäuse 14 ein Sicherheitsventil 16 aufweist. Das Sicherheitsventil 16 dient insbesondere einer Notentgasung des Zellraums 12, beispielsweise bei einem fehlerhaften Betriebszustand des Energiespeichers 10 und dient somit dazu, Zellkomponenten in einem Fehlerfall aus dem Inneren des Zellraums 12 zu leiten. Das Sicherheitsventil 16 beziehungsweise das Berstventil kann beispielsweise aktiviert werden und damit eine Notentgasung ermöglichen bei dem Vorliegen eines unzulässig hohen Drucks und/oder einer unzulässig hohen Temperatur in dem Zellraum 12. Beispielsweise kann das Sicherheitsventil 16 eine Sollbruchstelle ausbilden und aus Glas ausgestaltet sein, oder aus einem entsprechend verdünntem Bereich des Gehäuses 14 gebildet sein. Das temperaturaktivierte Bersten des Sicherheitsventils 16 beispielsweise kann vergleichbar sein zu einer herkömmlichen Sprinkleranlage.
-
Weiterhin weist der Energiespeicher 10 wenigstens ein Passivierungsmittel 18 zum zumindest teilweisen Passivieren einer aus dem Zellraum 12 austretenden Zellkomponente auf. Grundsätzlich kann durch das Passivierungsmittel 18 beispielsweise und nicht beschränkend eine Passivierung erfolgen durch eine Reaktion zu reaktionsträgeren Substanzen durch einen Katalysator, beispielsweise etwa als Flüssigkeit, aber auch durch Werkstoffe oder Beschichtungen. Ferner kann eine Abkühlung geeignet sein, das Gefährdungspotential zu senken, da dadurch ein Wahrscheinlichkeit einer Entzündung der Zellkomponente, etwa an heißen Fahrzeugteilen für das nicht beschränkende Beispiel einer Verwendung in einem Fahrzeug, herabgesenkt werden kann. Ferner kann eine zumindest teilweise Passivierung durch eine Strömungsführung der austretenden Zellkomponente möglich sein. Dabei kann etwa eine Entmischung durch Zentrifugalkräfte erfolgen, was zu einer Verhinderung von Tröpfchenexplosion führen kann. Grundsätzlich kann eine Mischung oder Reaktion mit dem Passivierungsmittel erfolgen.
-
In der Ausführungsform gemäß 1 ist das Passivierungsmittel 18 dabei in einem Behälter 20 angeordnet. Der Behälter 20 kann beispielsweise aus Glas, Metall oder Kunststoff ausgebildet sein und in der Ausgestaltung gemäß 1 das Sicherheitsventil 16 an sich ausbilden, wodurch das Passivierungsmittel 18 unmittelbar in dem Sicherheitsventil 16 angeordnet ist. Somit kann der Behälter 20 bei einem vorbestimmten Überdruck oder bei einer vorbestimmten Temperatur innerhalb des Zellraums 12 insbesondere durch Bersten somit das Passivierungsmittel 18 freisetzen. Somit ist das Passivierungsmittel 18 derart angeordnet, um eine aus dem Sicherheitsventil 16, also dem Behälter 20, austretende Zellkomponente zumindest teilweise zu passivieren.
-
Das Passivierungsmittel 18 kann beispielsweise als Berstventil-Medium eine inerte Substanz, etwa um die Zellkomponente zu verdünnen und um weitere Reaktionen zu verhindern, ein verflüssigtes Gas, um einen Kühleffekt des expandierenden Gases durch Aggregatszustandsänderung hervorzurufen, und/oder eine feuerhemmende Substanz oder eine feuerlöschende Substanz, um einen löschende beziehungsweise erstickende Wirkung zu erzielen, aufweisen oder daraus bestehen. Darüber hinaus kann das Passivierungsmittel 18 einen Katalysator zur chemischen Passivierung durch eine Reaktion der austretenden Zellkomponente beziehungsweise eine inertisierende oder passivierende Wirkung zur Vermeidung einer Entzündung der Zellkomponente durch eine chemische Reaktion aufweisen.
-
Entsteht durch einen Fehlerfall ein übermäßiger Überdruck oder eine übermäßige Temperatur in dem Zellraum 12, dann wird das Sicherheitsventil 16 beispielsweise bersten und die austretende Zellkomponente wird mit dem Passivierungsmittel 18 in Kontakt treten und so zumindest teilweise passiviert. Das Gefährdungspotential kann somit wenn auch nicht vollständig, so doch um einen gewissen Betrag reduziert werden, wie dies vorstehend erläutert wurde.
-
In 2 ist eine weitere Ausgestaltung eines Energiespeichers 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 2 ist das Sicherheitsventil 16 beziehungsweise der Behälter 20 nicht als Kolben, sondern als Biegebalken ausgestaltet. Unter einem Biegebalken kann dabei insbesondere verstanden werden ein längliches Gebilde in Balkenform, welches sich unter Druck verbiegt und derart angeordnet beziehungsweise ausgestaltet ist, dass es bei einem vorbestimmten Druck, wie insbesondere Innendruck in der Zelle beziehungsweise innerhalb des Gehäuses 14, beispielsweise, bricht und dabei im Inneren des Hohlbalkens angeordnetes Medium freigibt. Ansonsten gilt im Wesentlichen das zu der Ausgestaltung gemäß 2 Gesagte.
-
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung eines Energiespeichers 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 3 ist wieder wenigstens ein Passivierungsmittel 18 derart angeordnet, um eine aus dem Sicherheitsventil 16 austretende Zellkomponente zumindest teilweise zu passivieren. Im Detail ist gemäß 3 ein Passivierungsmittel 18 durch ein Auslösen des Sicherheitsventils 16 aktivierbar. Hierzu ist gemäß 3 das Passivierungsmittel 18 in einem Behälter 20 angeordnet, der durch ein Auslösen des Sicherheitsventils 16 öffenbar ist. Das Sicherheitsventil 16 kann in dieser Ausgestaltung beispielsweise als eine definierte verdünnte Position des Gehäuses 14 ausgestaltet sein, benachbart zu welchem auf seiner dem Zellraum 12 gegenüberliegenden Seite des Behälters 20 angeordnet ist. Somit kann hier ein herkömmliches Sicherheitsventil 16 Verwendung finden und lediglich der Behälter 20 mit dem Passivierungsmittel 18 zusätzlich vorgesehen sein. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann somit der Zellraum 12 ohne Veränderungen gemäß dem Stand der Technik verwendbar sein, wodurch der Umbauaufwand minimiert wird. Eine zusätzliche Abdichtung der Zelle beziehungsweis eine zusätzlicher Werkstoff in Kontakt mit dem Elektrolyt, beispielsweise, kann so vermieden werden. Durch ein Auslösen des Sicherheitsventils 16 wirkt ein Druck auf den Behälter 20, insbesondere durch den Innendruck des Zellraums 12 oder durch beschleunigte Massen des Sicherheitsventils 16, wobei dieser sich öffnet, beispielsweise durch ein Bersten, und dadurch das Passivierungsmittel 18 freigibt. Das Passivierungsmittel 18 kann beispielsweise eine Komponente umfassen oder sein, wie etwa mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
-
In den 4 und 5 ist eine weitere Ausgestaltung eines Energiespeichers 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 4 ist das Passivierungsmittel 18 als eine Strömungsleitvorrichtung ausgestaltet. In 4 und insbesondere in 5 ist dabei zu erkennen, dass die Strömungsleitvorrichtung als Gitter ausgestaltet ist, durch welche eine Zellkomponente, wie insbesondere ein Gas strömt, wenn es beispielsweise durch einen Fehlerfall durch das Auslösen eines potentiell vorhandenen Sicherheitsventils 16 strömt. Beispielsweise an der Strömungsleitvorrichtung kann eine Katalysator, etwa als Beschichtung, vorgesehen sein, durch welchen eine ausströmende Zellkomponente beispielsweise zu einer Substanz mit einem verringerten Gefährdungspotential reagieren kann. Weiterhin kann die Strömungsleitvorrichtung dazu dienen, durch eine Strömungsbeeinflussung eine Entzündung der Zellkomponente durch eine Gitterform beziehungsweise Siebform zu verhindern. Weiterhin kann beispielsweise bei einer Ausbildung der Strömungsleitvorrichtung gemäß einem Schneckenhaus durch Zentrifugalkräfte ein Entmischen der Zellkomponente bewirkt und damit eine Tröpfchenexplosion, beispielsweise, verhindert werden. Das Sicherheitsventil 16 kann in dieser Ausgestaltung wiederum beispielsweise als eine definierte verdünnte Position des Gehäuses 14 ausgestaltet sein, benachbart zu welchem auf seiner dem Zellraum 12 gegenüberliegenden Seite die Strömungsleitvorrichtung angeordnet ist. Diesbezüglich wird auf das herkömmliche Sicherheitsventil 16 gemäß 3 und die dadurch erzielbaren Vorteile verwiesen.
-
In der 6 ist eine weitere Ausgestaltung eines Energiespeichers 10 gezeigt. In der Ausgestaltung gemäß 6 ist ein oder vorteilhafter Weise eine Mehrzahl an Zellräumen 12 vorgesehen, welche durch ein Gehäuse 14 mit einem Sicherheitsventil 16 beziehungsweise einem Passivierungsmittel 18 zumindest teilweise umgeben ist. Diese Ausgestaltung kann im Wesentlichen der in 1 beschriebenen entsprechen, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Weiterhin ist das Zellgehäuse 14 beziehungsweise bei dem Vorsehen einer Mehrzahl von Zellen die Mehrzahl an Zellgehäusen 14, welche zu einem Zellstapel verschaltet sein können, von einem weiteren Stapelgehäuse 22 umgeben. In diesem Stapelgehäuse 22 kann unabhängig von dem Vorsehen weiterer Passivierungsmittel 18 ein Sicherheitsventil 16 beziehungsweise ein Passivierungsmittel 18 vorgesehen sein. Das Sicherheitsventil 16 beziehungsweise das Passivierungsmittel 18 kann dabei wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein. Beispielsweise kann durch ein expandierendes Gas als Passivierungsmittel 18 unmittelbar an der Zelle ein Kühleffekt hervorgerufen werden, der unmittelbar sämtliche Zellen kühlen kann, und eine weitere intertisierende beziehungsweise passivierende Wirkung am Gehäuse des Stapels ermöglicht werden.
-
Dem Fachmann ist dabei verständlich, dass die vorstehende Beschreibung des erfindungsgemäßen Energiespeichers 10 lediglich beschreibenden Charakter hat und nicht durch die vorbeschriebenen Beispiele eingeschränkt werden soll. Die genannten Passivierungsmittel 18 können dabei in gewünschter Weise gemeinsam beziehungsweise kombiniert angewendet werden.
