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Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung sowie eine Batteriezelle und eine Batterie mit der elektrischen Sicherung.
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Aufgrund knapper werdender fossiler Rohstoffe und der damit verbundenen steigenden Kraftstoffpreise sind in den vergangenen Jahren verstärkt Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, d. h. optional elektromotorisch antreibbare Fahrzeuge, bis zur Marktreife entwickelt worden. Serienfahrzeuge sind bereits seit einiger Zeit auf dem Markt erhältlich und es besteht das politische Ziel, dass bis zum Jahre 2020 rund eine Million Elektrofahrzeuge in Deutschland zugelassen sein sollen.
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In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden nach dem derzeitigen Stand der Technik ganz überwiegend wiederaufladbare Batterien zur Versorgung von im Fahrzeug verwendeten Elektromotoren oder der im Fahrzeug vorhandenen Leistungselektronik eingesetzt. Diese Batterien, bei denen es sich beispielsweise um Batterien auf Lithium-Basis handeln kann, sind in der Lage, Spannungen im Bereich von etwa 300 bis 600 V und Ströme im Bereich von 200 bis 400 A zu liefern.
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Da eine Lithium-Batterie-Einzelzelle eine Spannung im Bereich von etwa 3,0 V bis 4,3 V aufweist, werden Batterie-Einzelzellen (Batteriezellen) in Reihe geschaltet, um die für die Traktion eines Elektrofahrzeugs erforderliche elektrische Spannung von 300 V und höher zu erhalten. Mehrere der so erhaltenen Batteriemodule werden in der Regel parallel zueinander geschaltet, um eine ausreichende Stromstärke zum Antrieb des Elektromotors/der Elektromotoren von elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen zu gewährleisten. Die so erhaltenen wiederaufladbaren Batterien werden oftmals als Hochvolt-Batterien (HV-Batterien) oder als Traktionsbatterien (synonym oftmals auch als Traktionsakku, Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie) bezeichnet.
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Als Materialien für die Kathode eines Lithium-Akkumulators werden häufig lithierte Metalloxide und deren Mischungen sowie lithiertes Eisenphosphat verwendet. Als Metalle dienen hierbei häufig Kobalt, Nickel oder Mangan. Als Anode dient oftmals Lithium eingelagert in ein Kohlenstoffmaterial (bspw. Graphit) oder Titanoxid. Die Kathode und die Anode eines Lithium-Ionen-Akkumulators sind durch einen Separator voneinander getrennt. Als Separator-Materialien werden üblicherweise Kunststoffe oder ein Keramikmaterial verwendet.
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Die Akkumulator-Zellen sind mit einem Elektrolyt gefüllt, der hauptsächlich in den Elektroden und im Separator absorbiert ist, teilweise jedoch auch in flüssiger Form vorliegt.
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Im Falle einer Störung ist es erforderlich, eine Traktionsbatterie sicher vom Bordnetz zu trennen. Ein typischer Fall einer Störung ist ein Unfall eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von technischen Lösungen bekannt, mit denen das Vorliegen einer Unfallsituation detektiert und beispielsweise ein mechanisches Durchtrennen von mit einer Traktionsbatterie verbundenen elektrischen Leitern vorgenommen werden kann. Derartige Systeme dienen vorrangig dem Schutz von Insassen und Rettungskräften vor den Gefahren, die nach einem Unfall aufgrund fehlgeleiteten elektrischen Stroms (bspw. Stromschlag, Funkenflug, Brandgefahr) gegeben sind.
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Traktionsbatterien verfügen in aller Regel aber auch über intrinsische Schutzmechanismen, die beispielsweise durch ein Batteriemanagementsystem zur Verfügung gestellt werden können. Eine Aufgabe eines solchen intrinsischen Schutzmechanismus ist es, Mechanismen zur Verfügung zu stellen, mit der eine Traktionsbatterie vor potentiell oder tatsächlich schädigenden Ereignissen, wie beispielsweise ein zu hoher Stromfluss und eine damit einhergehende zu hohe Temperatur in den Batteriezellen, geschützt werden kann.
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Wird durch einen intrinsischen Schutzmechanismus einer Traktionsbatterie beispielsweise ein zu hoher Stromfluss festgestellt, wie er durch einen externen Kurzschluss verursacht werden kann, erfolgt nach dem Stand der Technik ein automatisches Trennen der Traktionsbatterie vom Bordnetz. Ein solches Trennen kann beispielsweise durch zeitgleiches Öffnen von in der Regel zwei Schaltschützen erreicht werden. Das Öffnen der Schaltschütze wird hierbei in der Regel von einem Steuergerät gesteuert bzw. ausgelöst.
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Neben der Trennung der Traktionsbatterie vom Bordnetz ist es bspw. im Falle einer Erhöhung der zellinternen Temperatur oder zur Vermeidung von unzulässig großen Überströmen oftmals aber auch erforderlich, eine zell-interne Stromtrennung, d. h. eine Stromtrennung des Pols/der Pole der Batterie-Einzelzelle von den spannungserzeugenden Bestandteilen der Batterie-Einzelzelle herbeizuführen.
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Für eine derartige zell-interne Stromtrennung sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt. Eine Lösung sieht ein Öffnen der Zelle an einer Sollbruchstelle und damit Abkoppeln eines Pols vom Gehäuse vor (bspw. Fa. SAFT, VL6P). Andere Lösungsansätze basieren auf einer Art Druckdose, die sich bei einer zellinternen Druckerhöhung an einer Kontaktstelle öffnet. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Zelle selbst verschlossen bleibt.
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Nachteilig an diesen Lösungen nach dem Stand der Technik sind zum einen das Aufreißen der Zelle und zum anderen eine komplizierte mechanische Funktion zur Stromtrennung (bewegte Teile zur Dekontaktierung). Auch basiert die Funktionsweise dieser vorbekannten technischen Lösungen vorrangig auf internem Zelldruckaufbau, d. h. die Batteriezelle selbst muss überhitzen, bevor eine zell-internen Stromtrennung erfolgt.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte technische Lösung zur Stromtrennung bereitzustellen, die insbesondere keine mechanisch bewegten Teile aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die elektrische Sicherung gemäß Anspruch 1, die elektrochemische Batteriezelle gemäß Anspruch 5 sowie die Batterie gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Sicherung zur elektrischen Verbindung zweier elektrischer Leiter und zur Trennung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei elektrischen Leitern bei Erreichen oder Übersteigen einer vorgebbaren Schwellentemperatur in der elektrischen Sicherung vorgeschlagen, wobei die elektrische Sicherung eine elektrisch leitfähige Mischung aus einem Metallpulver und einem Material aufweist, wobei das Material derart ausgewählt ist, dass es bei Erreichen oder Übersteigen der vorgebbaren Schwellentemperatur schmilzt und Metallpulverteilchen mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgibt, wodurch die Mischung ihre elektrische Leitfähigkeit verliert.
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Durch die erfindungsgemäße elektrische Sicherung erfolgt eine Stromtrennung ohne mechanisch bewegte Teile allein aufgrund des Erreichens oder Übersteigens einer vorgebbaren Schwellentemperatur in der elektrischen Sicherung. Dies ist bspw. von Vorteil bei einer zell-internen Stromtrennung von Batteriezellen, da durch die erfindungsgemäße elektrische Sicherung kein Überdruck in und kein Aufreißen der Batteriezelle erforderlich ist. Für eine zell-interne Stromtrennung ist auch die zell-interne Temperatur der Batteriezelle nicht entscheidend, da allein die Temperatur in der elektrischen Sicherung für die Frage einer Stromtrennung ausschlaggebend ist, so dass auch eine Stromtrennung erfolgen kann, ohne dass eine Überhitzung der Batteriezelle gegeben sein muss.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Material in der Mischung aus Teilchen eines verzweigten, selbstterminierenden Oligomers oder Polymers ausgebildet.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Material in der Mischung eine Schmelztemperatur von 100°C oder höher auf.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn bei der erfindungsgemäßen elektrische Sicherung die elektrisch leitfähige Mischung in Form einer Schüttung oder eines Pressformteils vorgesehen ist, die/das zwischen den zwei elektrischen Leitern angeordnet ist und diese räumlich voneinander trennt.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine elektrochemische Batteriezelle mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode elektrisch mit einem ersten elektrischen Leiter und die zweite Elektrode elektrisch mit einem zweiten elektrischen Leiter verbunden ist, wobei der erste elektrische Leiter mittels einer ersten Einrichtung mit einem ersten Teil einer die Elektroden und die elektrischen Leiter umgebenden Hülle elektrisch verbunden ist und/oder der zweite elektrische Leiter mittels einer zweiten Einrichtung mit einem zweiten Teil einer die Elektroden und die elektrischen Leiter umgebenden Hülle elektrisch verbunden ist, und wobei das erste Teil und das zweite Teil der Hülle elektrisch gegeneinander isoliert sind, wobei die Einrichtung(en) eine erfindungsgemäße elektrische Sicherung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen sind/ist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Batterie mit wenigstens zwei elektrochemischen Batteriezellen, deren jeweiligen elektrischen Pole mittels eines elektrischen Leiters elektrisch miteinander verbunden sind, wobei in wenigstens einer der elektrischen Leiter eine erfindungsgemäße elektrische Sicherung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen vorgesehen ist, derart, dass bei Erreichen oder Übersteigen einer vorgebbaren Schwellentemperatur durch das Schmelzen des Materials der elektrischen Sicherung die elektrische Leitfähigkeit von wenigstens einem der elektrischen Leiter unterbrochen ist.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1: Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung;
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2: Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung;
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3: Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Batteriezelle.
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Die Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch und nicht maßstabsgerecht. Innerhalb der Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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In den 1 und 2 sind schematisch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sicherung dargestellt, wobei auf der rechten Blatthälfte jeweils eine Ansicht der auf der linken Blatthälfte dargestellten elektrischen Sicherung entlang der Achse „A” dargestellt ist.
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Wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt ist, ist die erfindungsgemäße elektrische Sicherung 1 zur elektrischen Verbindung zweier elektrischer Leiter 2, 3 und zur Trennung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den zwei elektrischen Leitern 2, 3 bei Erreichen oder Übersteigen einer vorgebbaren Schwellentemperatur in der elektrischen Sicherung 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Sicherung 1 eine elektrisch leitfähige Mischung 4 aus einem Metallpulver und einem Material aufweist, wobei das Material derart ausgewählt ist, dass es bei Erreichen oder Übersteigen der vorgebbaren Schwellentemperatur schmilzt und Metallpulverteilchen mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgibt, wodurch die Mischung 4 ihre elektrische Leitfähigkeit verliert.
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Die erfindungsgemäße elektrische Sicherung 1 basiert auf dem Prinzip der Anwendung von leitfähigen Teilchen im Verbund mit nicht aktiven Isoliereigenschaften eines anderen Materials. Die Isolation setzt erst bei Erreichen bzw. Übersteigen einer bestimmten, vorgebbaren Schwellentemperatur durch Schmelzen des Materials und Einfließen zwischen die leitfähigen Partikel ein. Das erlaubt die Stromtrennung unter Ausnutzung von Temperaturerhöhungen, bspw. bei zellinternen oder -externen Elementen.
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Soweit in der vorliegenden Anmeldung davon gesprochen wird, dass das Material beim Schmelzen Metallpulverteilchen mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgibt, ist dies nicht so zu verstehen, dass alle Metallpulverteilchen in der Mischung eine vollständige Umhüllung erfahren oder erfahren müssen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn das geschmolzene Material, das wenigstens durch das Schmelzen eine elektrisch isolierende Eigenschaft erhält, derart zwischen Metallteilchen fließt, dass die Mischung insgesamt ihre elektrische Leitfähigkeit verliert. Es kann bspw. erfindungsgemäß also auch ausreichend sein, wenn nur ein bestimmter Anteil der Metallpulverteilchen eine elektrisch isolierende – gegebenenfalls auch nur teilweise – Umhüllung erhält, oder das geschmolzene Material derart zwischen die Metallpulverteilchen fließt, dass es als eine „Sperrschicht” fungiert.
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Die Stromtrennung bei der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1 basiert allein auf einer Temperaturerhöhung (Erreichen oder Übersteigen der vorgebbaren Schwellentemperatur) in der elektrischen Sicherung 1. Eine derartige Temperaturerhöhung kann beispielsweise dadurch eintreten, dass sich die Temperatur in wenigstens einem der elektrischen Leiter 2, 3 in Abhängigkeit vom Leitungsquerschnitt und der Stromstärke erhöht, unabhängig davon ob bspw. in einer Batteriezelle ein Druckaufbau stattgefunden hat oder nicht. Eine Stromtrennung kann beispielsweise auch dadurch stattfinden, dass sich die Temperatur in der Umgebung der elektrischen Sicherung 1 auf oder über den vorgebbaren Schwellenwert erhöht.
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Die Art des Materials in der Mischung 4 ist nicht besonders beschränkt. Es ist jedoch darauf zu achten, dass das Material, insbesondere wenn es durch das Erreichen oder Übersteigen der vorgebbaren Schwellentemperatur schmilzt, eine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweist und sich als isolierende Schicht derart an Metallpulverteilchen anlegt oder diese derart umfließt, dass die Mischung insgesamt ihre elektrische Leitfähigkeit verliert.
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Auch die Art und Größe der Metallpulverteilchen ist nicht besonders beschränkt und es kann jedes geeignete Metall in jeder geeigneten Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung verwendet werden. Geeignete Metalle, Metallpulver, Metallpulver-Mischungen, Materialien, Material-Mischungen und dessen/deren gegebenenfalls gegebene Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung und mittlere Teilchengröße kann ein Fachmann durch einige wenige Versuche ermitteln.
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Das Material in der Mischung 4 ist in bevorzugter Weise aus einem verzweigten, selbstterminierenden Oligomer oder Polymer ausgebildet. Derartige temperaturaktiven Oligomere oder Polymere sind unter dem Begriff „STOBA” (self-terminated oligomers with hyper-branched architecture”) aus dem Stand der Technik bekannt.
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Auch die vorgebbare Schwellentemperatur, bei der das Material in der Mischung 4 schmilzt, ist nicht besonders beschränkt und kann in jeder geeigneten Höhe gewählt werden, soweit für die gewünschte Schwellentemperatur ein geeignetes Material zur Verfügung steht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung weist das Material in der Mischung 4 eine Schmelztemperatur von 100°C oder höher auf.
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Der konkrete Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1 ist nicht besonders beschränkt, und es kann jeder geeignete Aufbau gewählt werden. In den 1 und 2 sind rein beispielhaft zwei verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1 dargestellt.
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Beiden Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, das diese elektrische Leiter 2 und 3 aufweisen, zwischen denen die unterhalb einer vorgebbaren Schwellentemperatur elektrisch leitfähige Mischung 4 aus einem Metallpulver und dem Material vorhanden ist.
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Die elektrischen Leiter 2, 3 können beispielsweise Kontaktierplatten sein, zwischen die die Mischung 4 in Form einer Pulverschüttung bzw. eines Pressformteils daraus eingeklemmt ist. Die in 1 dargestellten, optionalen Fixierelemente 9 verbessern die mechanische Belastbarkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1.
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Bei dem in 2 dargestellten zweiten Beispiel der erfindungsgemäßen, elektrischen Sicherung 1 ist ein elektrischer Leiter 2 (Kontaktierplatte) von einem im Wesentlichen U-förmigen elektrischen Leiter 3 (Kontaktierplatte) umfasst. Zwischen den beiden elektrischen Leitern 2 und 3 ist wiederum die Mischung 4 vorgesehen.
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Die Mischung 4 kann auch als verklebtes oder verpresstes Formteil (bspw. Klotz) ausgeführt sein, in den dann die elektrischen Leiter 2, 3 (Kontaktbleche) eingesetzt sind.
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Kontaktbleche haben die Funktion, die Fixierung weiterer elektrischer Leiter (bspw. eines Elektrodenstapels und eines diesen umgebenden Gehäuses) bspw. mit Hilfe eines Schweißprozesses oder eines kraft-/formschlüssigen Verbunds zu ermöglichen. Zwingend nötig sind Kontaktbleche für die erfindungsgemäße Sicherung 1 nicht, sofern bspw. die Mischung 4 auch direkt kontaktiert werden kann, was in Abhängigkeit von bspw. Temperatur und mechanischer Eigenfestigkeit von einem Fachmann beurteilt werden kann.
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In 3 ist rein beispielhaft und schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße elektrochemische Batteriezelle 5 dargestellt. Die Batteriezelle 5 kann weitere Elemente als die in 3 dargestellten enthalten und auch die Anzahl und Anordnung der dargestellten Elemente (bspw. der elektrischen Leiter 2 und 3) innerhalb der Batteriezelle 5 ist lediglich als rein schematische und beispielhafte Darstellung zu verstehen.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Batteriezelle 5 weist wenigstens eine erste 6 und wenigstens eine zweite 7 Elektrode auf, wobei die erste Elektrode 6 elektrisch mit einem ersten elektrischen Leiter 2 und die zweite Elektrode 7 elektrisch mit einem zweiten elektrischen Leiter 2 verbunden ist, wobei der erste elektrische Leiter 2 mittels einer ersten Einrichtung 1 mit einem ersten Teil 3 einer die Elektroden 6, 7 und die elektrischen Leiter 2, 2' umgebenden Hülle elektrisch verbunden ist und/oder der zweite elektrische Leiter 2' mittels einer zweiten Einrichtung 1' mit einem zweiten Teil 3' einer die Elektroden 6, 7 und die elektrischen Leiter 2, 2' umgebenden Hülle elektrisch verbunden ist, und wobei das erste Teil 3 und das zweite Teil 3' der Hülle elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Batteriezelle 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung(en) 1, 1' eine elektrische Sicherung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 sind/ist.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Stromtrennung innerhalb der Batteriezelle 5 als Grundlage eines sicheren Betriebs und zur Vermeidung von unzulässigen Überströmen erreicht, und dies unabhängig davon, ob innerhalb der Batteriezelle 5 ein Druckaufbau stattgefunden hat oder nicht. Auch werden für eine Stromtrennung keine mechanisch bewegten Teile benötigt.
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Bei dem in 3. dargestellten Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße, elektrochemische Batteriezelle 5 wurde rein beispielhaft das Konstruktionskonzept einer bipolaren Batteriezelle gewählt. Bei diesem Zelltyp werden die wenigstens zwei Elektroden 6, 7 (bzw. der Elektrodenstapel) in zwei elektrisch leitende Gehäusehälften 3, 3' eingebracht und das sich so ergebende Zellengehäuse wird danach zugesiegelt. Das Zellengehäuse umfasst auch einen Elektrolyt 10.
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Die Elektroden 6, 7 bzw. der Elektrodenstapel sind/ist nicht direkt an den Gehäusehälften 3, 3' befestigt, sondern es ist an wenigstens einer der Elektroden 6, 7 bzw. einer Hälfte des Elektrodenstapels eine erfindungsgemäße, elektrische Sicherung 1, 1' zwischengeschaltet. Hierbei sind die Elektroden 6, 7 bzw. der Elektrodenstapel in aller Regel über elektrische Leiter 2, 2' mit der erfindungsgemäßen, elektrischen Sicherung 1 verbunden.
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Wie oben bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße elektrische Sicherung 1 Kontaktplatten zur elektrischen Verbindung mit den elektrischen Leitern 2, 2' und den Gehäusehälften 3, 3' aufweisen. Sofern die Mischung 4 eine ausreichende Stabilität aufweist, können die elektrischen Leiter 2, 2' und die Gehäusehälften 3, 3' die Mischung 4 auch direkt kontaktieren.
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Zur Vermeidung eines Gehäuse-Kurzschlusses sind die beiden Gehäusehälften 3, 3' bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem elektrisch isolierenden Material 8 (einer elektrisch isolierenden Schicht) voneinander getrennt. Dieses isolierende Material 8 kann gleichzeitig eine Siegelnaht zur Verbindung der beiden Gehäusehälften 3, 3' ausbilden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiter auch eine Batterie mit wenigstens zwei elektrochemischen Batteriezellen, deren jeweiligen elektrischen Pole mittels eines elektrischen Leiters (bspw. einer Stromschiene) elektrisch miteinander verbunden sind. Die erfindungsgemäße Batterie ist dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der elektrischen Leiter (Stromschiene) eine elektrische Sicherung 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist, derart, dass bei Erreichen oder Übersteigen einer vorgebbaren Schwellentemperatur durch das Schmelzen des Materials der elektrischen Sicherung 1 auch die elektrische Leitfähigkeit von wenigstens einem der elektrischen Leiter (einer Stromschiene) unterbrochen ist.
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Bezüglich des Aufbaus der für die erfindungsgemäße Batterie verwendbaren, erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1 gilt das gleiche, wie in Bezug auf die erfindungsgemäße elektrochemische Batteriezelle ausgeführt wurde. So kann beispielsweise die Sicherung 1, wie in 1 und 2 dargestellt ist, mit Kontaktplatten bzw. Kontaktfahnen ausgebildet sein, an die die entsprechenden elektrischen Leiter befestigt sind, oder es kann eine Mischung 4 (bspw. in Form einer miteinander verklebten bzw. formgepressten Mischung) derart vorgesehen sein, dass diese Mischung bspw. innerhalb eines durch die Mischung unterbrochenen elektrischen Leiters (bspw. eine Stromschiene) angeordnet ist. Hierbei kontaktieren an der Unterbrechungsstelle die jeweiligen Enden des elektrischen Leiters (der Stromschiene) die Mischung 4 derart, dass die Enden des elektrischen Leiters (der Stromschiene) 4 einander nicht berühren.
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Die erfindungsgemäße elektrische Sicherung 1 kann selbstverständlich auch als geschlossenes Element ausgeführt sein und bspw. derart in oder an einer Batteriezelle und/oder in oder an einem elektrischen Leiter (bspw. einer Stromschiene einer Batterie) verwendet werden.
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Erfindungsgemäß wird unter anderem eine elektrische Sicherung 1 vorgeschlagen, bei der eine Schüttung aus Metallpartikeln mit temperaturaktivem Oligomer oder Polymer (keine Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen, bspw. > 100°C) vorhanden ist. Derartige Oligomere oder Polymere sind unter dem Begriff „STOBA” (self-terminated oligomers with hyper-branched architecture) bekannt. STOBA sind Oligomere bzw. Polymere mit einer Teilchengröße im nm-Bereich. Bisher bekannte Verwendungen von STOBA beschränken sich auf die Einbringung in Lithium-Batterien zur Vermeidung von zell-internen Kurzschlüssen aufgrund eines „thermal runaway”.
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Erhöht sich die Temperatur bei der erfindungsgemäßen elektrischen Sicherung 1 über einen zulässigen Wert, bspw. wegen Überstrom oder thermischer Überlastung, erfolgt ein (Auf)Schmelzen des Oligomers oder Polymers, das sich um die Metallpartikel legt und damit isoliert (elektrische Isolation ab einer bestimmten Temperatur durch Umhüllung der Metallpartikel).
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Die Stromtrennung unter Einsatz des sogenannten „STOBA”-Konzepts erlaubt einen Verzicht von mechanisch bewegten Teilen und die Stromtrennung funktioniert bei Übertemperatur allgemein, auch wenn diese von außen eingebracht wird. Hierdurch wird bspw. ein zuverlässiger Schutz einer Batteriezelle und einer Batterie vor Betrieb bei Übertemperatur sichergestellt.
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Die erfindungsgemäße, elektrische Sicherung 1 kann auch als sicherungsartiges geschlossenes Element in oder an einer Batteriezelle bzw. in oder an einem elektrischen Leiter (bspw. einer Stromschiene einer Batterie) vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere folgende Vorteile zur Verfügung:
- – Stromtrennung mittels des „STOBA”-Konzepts in Batteriezellen oder an Stromverbindern in Form eines speziellen Schaltteils, keine Einbringung in die eigentliche „Elektroden-Chemie” erforderlich;
- – Thermischer Überlastschutz für Batteriezellen bei Übersteigen einer zulässigen Grenztemperatur durch Isolation des Kontakts;
- – Zellinterne Stromtrennung ohne mechanische Wirkprinzipien (mech. Stromverbindung);
- – Zellsicherung, die durch Änderung der physikalischen Eigenschaften einer Stoffmischung hervorgerufen wird (Aufschmelzen eines Substrats bzw. Materials zwecks Isolation).
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- elektrische Sicherung
- 2, 2'
- elektrischer Leiter
- 3, 3'
- elektrischer Leiter
- 4
- elektrisch leitfähige Mischung
- 5
- elektrochemische Batteriezelle
- 6
- erste Elektrode
- 7
- zweite Elektrode
- 8
- elektrisch isolierendes Material
- 9
- Fixierelement
- 10
- Elektrolyt
