DE102013203190A1 - Protective device for electrochemical cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für mindestens eine elektrochemische Zelle (1), die ein Gehäuse (5) umfasst. Darin ist mindestens ein Schutzelement (10) angeordnet, das eine elektrische Verbindung zwischen einem Terminal-Anschluss (18) und mindestens einer Elektrode (20) ausbildet. Das mindestens eine Schutzelement (10) umfasst mehrere Abschnitte (26, 28, 30). Derjenige der Abschnitte (26, 28, 30), in dem ein Schmelzbereich ausgebildet ist, erstreckt sich im Gehäuse (5) der elektrochemischen Zelle (1) im Wesentlichen in vertikaler Orientierung.The invention relates to a protective device for at least one electrochemical cell (1), which comprises a housing (5). At least one protective element (10) is arranged therein, which forms an electrical connection between a terminal connection (18) and at least one electrode (20). The at least one protective element (10) comprises several sections (26, 28, 30). The section (26, 28, 30) in which a melting area is formed extends in the housing (5) of the electrochemical cell (1) essentially in a vertical orientation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für eine elektrochemische Zelle, die die elektrochemische Zelle vor Beschädigungen, beispielsweise durch Laden, Entladen oder Kurzschluss schützt.The invention relates to a protective device for an electrochemical cell, which protects the electrochemical cell from damage, for example by charging, discharging or short circuit.
Stand der TechnikState of the art
Es besteht Bedarf an einer Schutzeinrichtung für eine elektrochemische Zelle, bei der nach einem Auslösen Folgereaktionen, beispielsweise ein Verdampfen von restlichen hochentzündlichen Elektrolyten aus einem Elektrodenensemble einer Batteriezelle oder eine Selbstentzündung durch eine Reaktion von lithiiertem Kohlenstoff mit Luft verhindert werden. There is a need for a protective device for an electrochemical cell in which after a triggering subsequent reactions, such as evaporation of residual highly flammable electrolytes from an electrode ensemble of a battery cell or autoignition by a reaction of lithiated carbon with air are prevented.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Schutzeinrichtung für mindestens eine elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die ein Gehäuse umfasst, in dem mindestens ein Schutzelement angeordnet ist. Das mindestens eine Schutzelement bildet eine elektrische Verbindung zwischen einem Terminal-Anschluss und mindestens einer Elektrode oder einem Elektrodenensemble. Das mindestens eine Schutzelement kann einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt aufweisen, wobei der zweite Abschnitt zwischen dem ersten und dritten Abschnitt liegt. Im zweiten Abschnitt befindet sich ein Schmelzbereich. Das mindestens eine Schutzelement ist derart vertikal orientiert, so dass der zweite Abschnitt im eingebauten Zustand unter Zugbeanspruchung steht, da die Elektroden, beziehungsweise das Elektrodenensemble an diesem aufgehängt ist. Die Zugbeanspruchung wird durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode hervorgerufen, so dass eine Vorspannung im vertikal angeordneten Teil des mindestens einen Schutzelementes herrscht.According to the invention, a protective device for at least one electrochemical cell is proposed which comprises a housing in which at least one protective element is arranged. The at least one protective element forms an electrical connection between a terminal connection and at least one electrode or an electrode ensemble. The at least one protective element can have a first, a second and a third section, the second section lying between the first and third sections. The second section has a melting area. The at least one protective element is oriented vertically in such a way that the second section is under tensile stress in the installed state, since the electrodes or the electrode ensemble are suspended therefrom. The tensile stress is caused by the weight of the at least one electrode, so that a bias in the vertically arranged part of the at least one protective element prevails.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung weist der zweite Abschnitt eine zweite Breite auf, die geringer als eine Breite der benachbarten Abschnitte des mindestens einen Schutzelements ist.In one embodiment of the protective device according to the invention, the second portion has a second width, which is smaller than a width of the adjacent portions of the at least one protective element.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Schutzelement eine konstante Dicke aufweisen. Alternativ kann das Schutzelement auch als Streifen mit variabler Dicke ausgebildet sein. In der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann des Weiteren mindestens ein Abschnitt mit einer Ummantelung ausgestattet sein, die vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyfluoralkylen, Polyphenylsulfid oder Polyimid, hergestellt ist. Die Ummantelung kann als Kunststofffolie, Klebeband oder Kunststoffumspritzung ausgebildet sein. Der Werkstoff der Ummantelung weist vorzugsweise eine niedrigere Schmelztemperatur auf als der Werkstoff, aus dem das mindestens eine Schutzelement hergestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Werkstoff der Ummantelung ein Additiv auf, das in einem geschmolzenen Zustand eine Volumenausdehnung des Werkstoffs von 5% bis 15%, bevorzugt 10%, hervorruft. Als Additiv wird bevorzugt ein Flammschutzmittel eingesetzt. Das Flammschutzmittel kann ein Stoff auf einer Phosphatbasis oder Aluminiumhydroxidbasis sein.In a further embodiment, the protective element can have a constant thickness. Alternatively, the protective element may also be designed as a strip with a variable thickness. Furthermore, in the protective device according to the invention, at least one section can be provided with a jacket, which is preferably made of a plastic, in particular a thermoplastic, for example polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyfluoroalkylene, polyphenylsulfide or polyimide. The sheath may be formed as a plastic film, tape or Kunststoffumspritzung. The material of the sheath preferably has a lower melting temperature than the material from which the at least one protective element is made. In a preferred embodiment, the material of the sheath on an additive which causes a volume expansion of the material of 5% to 15%, preferably 10%, in a molten state. As an additive, a flame retardant is preferably used. The flame retardant may be a phosphate based or aluminum hydroxide based material.
In der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann der Schmelzbereich derart ausgebildet sein, dass dieser im geschmolzenen Zustand in einen ersten und einen zweiten Endbereich geteilt ist. Beim Schmelzen entsteht zwischen dem ersten und zweiten Endbereich des Schmelzbereiches ein Freiraum, da das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode, beziehungsweise des Elektrodenensembles einen der Endbereiche vom anderen Endbereich aufgrund der Schwerkraft nach unten wegzieht. Der Freiraum weist vorzugsweise eine Weite auf, die für einen Lichtbogen, der mit der in der elektrochemischen Zelle gespeicherten elektrischen Energie erzeugt werden kann, unüberwindbar ist. Bevorzugterweise beträgt die Weite des Freiraums 1 mm bis 2 mm, besonders bevorzugt 1,4 mm bis 1,5 mm. In the protective device according to the invention, the melting region may be formed such that it is divided in the molten state into a first and a second end region. During melting, a free space is created between the first and second end region of the melting region, since the dead weight of the at least one electrode or the electrode assembly pulls one of the end regions away from the other end region due to gravity. The clearance preferably has a width that is insurmountable for an arc that can be generated with the electrical energy stored in the electrochemical cell. Preferably, the width of the free space is 1 mm to 2 mm, particularly preferably 1.4 mm to 1.5 mm.
Bei Auftreten eines Kurzschlusses tritt im verjüngt ausgebildeten Schmelzbereich eine erhöhte Stromdichte auf die zu einer Wärmeerzeugung führt. Die Wärmeerzeugung lässt dabei den Schmelzbereich selbst und die Ummantelung schmelzen. Der Werkstoff, aus dem die Ummantelung vorzugsweise hergestellt ist, ist im geschmolzenen Zustand fließfähig. Des Weiteren kann der Schmelzbereich nach einem Schmelzen an mindestens einem Endbereich von zerflossenem und wieder erstarrtem Werkstoff der Ummantelung eingeschlossen sein. When a short circuit occurs, an increased current density occurs in the tapered melting region, which leads to heat generation. The heat generation can melt the melting area itself and the sheath. The material from which the sheath is preferably made, is flowable in the molten state. Furthermore, after melting, the melting region may be enclosed at at least one end region of the sheathed and re-solidified material of the sheath.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ist der Abschnitt des mindestens einen Schutzelements, der den Schmelzbereich aufweist, vertikal orientiert im Gehäuse angeordnet. Im intakten Zustand ist der zweite Abschnitt durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder mindestens eines Elektrodenensembles mit einer Zugbeanspruchung beaufschlagt. Die Vorspannung wird durch das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder des Elektrodenensembles erzeugt. In einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine Schutzelement einen Biegebereich auf, der im ersten Abschnitt des mindestens einen Schutzelements als Bogenabschnitt, beispielsweise als 90°-Bogen ausgebildet sein kann. Alternativ kann der Biegebereich im dritten Abschnitt des mindestens einen Schutzelements ausgebildet sein.In a preferred embodiment of the protective device according to the invention, the portion of the at least one protective element, which has the melting region, is arranged vertically oriented in the housing. In the intact state of the second section is acted upon by the weight of the at least one electrode or at least one electrode ensemble with a tensile stress. The bias voltage is generated by the weight of the at least one electrode or the electrode ensemble. In a further embodiment, the at least one protective element has a bending region, which may be formed in the first section of the at least one protective element as an arc section, for example as a 90 ° arc. Alternatively, the bending region may be formed in the third section of the at least one protective element.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzeinrichtung stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, eine elektrochemische Zelle gegen elektrische Beschädigung nach einem Kurzschluss, beispielsweise infolge eines Unfalls, zu schützen. Bei Auftreten eines Kurzschlusses wird der Stromkreis in der elektrochemischen Zelle unterbrochen. Beim Schmelzen des Schmelzbereichs im zweiten Abschnitt erzeugt das Eigengewicht der mindestens einen Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles eine Absenkbewegung des Elektrodenensembles bzw. der mindestens einen Elektrode, wodurch ein Freiraum zwischen den einander gegenüber liegenden Enden des aufgeschmolzenen Schmelzbereichs entsteht. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird das Eigengewicht der Einbauten, d.h. der mindestens einen Elektrode bzw. des mindestens einen Elektrodenensembles zur Trennung der elektrischen Verbindung ausgenutzt. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung kann in vorteilhafter Weise an jeder Stelle einer Batterie angebracht werden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist wartungsfrei und kann auch an Stellen in einer Batterie eingebaut werden, die nur schwer zugänglich sind. Durch Aktivierung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung werden chemische Reaktionen im Zellinneren, bei denen Gasentwicklung oder Entzündung auftreten kann, vermieden. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung erhöht die Sicherheit beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle und vermeidet Schäden, die durch einen Kurzschluss hervorgerufen werden, der beispielsweise bei einem Unfall auftreten kann. The protective device proposed according to the invention provides a possibility of protecting an electrochemical cell against electrical damage after a short circuit, for example as a result of an accident. When a short circuit occurs, the circuit in the electrochemical cell is interrupted. Upon melting of the melting region in the second section, the dead weight of the at least one electrode or of the at least one electrode ensemble produces a lowering movement of the electrode ensemble or of the at least one electrode, whereby a free space is created between the mutually opposite ends of the molten melting region. By the solution proposed according to the invention, the weight of the internals, i. the at least one electrode or the at least one electrode ensemble exploited for the separation of the electrical connection. The protective device according to the invention can be attached in an advantageous manner at each point of a battery. The protective device according to the invention is maintenance-free and can also be installed in places in a battery that are difficult to access. By activating the protective device according to the invention, chemical reactions in the cell interior in which gas evolution or inflammation can occur are avoided. The protective device according to the invention increases the safety when operating an electrochemical cell and avoids damage caused by a short circuit, which can occur, for example, in an accident.
Des Weiteren ist die vorgeschlagene Schutzeinrichtung einfach und kostengünstig herstellbar und kann in einer Vielzahl von Typen von elektrochemischen Zellen eingesetzt werden. Die Montage der Schutzeinrichtung kann mit minimalem Aufwand in einen Fertigungsprozess, z.B. eine Batterieherstellung, integriert werden. Ferner gewährleistet die Verjüngung des mindestens einen Schutzelements im zweiten Abschnitt eine einfache Herstellbarkeit. Mindestens ein Endbereich des Schmelzbereichs wird im geschmolzenen Zustand vom geschmolzenen Werkstoff der Ummantelung umflossen und dadurch elektrisch isoliert. Hierdurch ist ein schneller und zuverlässiger Einschluss mindestens eines Endbereichs des geschmolzenen Schmelzbereichs möglich, wodurch die Betriebssicherheit einer elektrochemischen Zelle weiter gesteigert wird.Furthermore, the proposed protective device is simple and inexpensive to produce and can be used in a variety of types of electrochemical cells. The installation of the protective device can be carried out with minimal effort into a manufacturing process, e.g. a battery manufacturing, integrated. Furthermore, the taper of the at least one protective element in the second section ensures easy manufacturability. At least one end region of the melting region is fused in the molten state by the molten material of the sheath and thereby electrically insulated. As a result, a rapid and reliable inclusion of at least one end region of the molten melting region is possible, whereby the reliability of an electrochemical cell is further increased.
Ist der zweite Abschnitt des mindestens einen Schutzelements vertikal angeordnet ist, bewirkt die Zugbeanspruchung des Schmelzbereichs durch die mindestens eine Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles, dass sich das elektrodenseitige Ende des mindestens einen Schutzelements in einem geschmolzenen Zustand des Schmelzbereichs aufgrund des Eigengewichts absenkt. Das Absenken des elektrodenseitigen Endbereichs des Schmelzbereichs des mindestens einen Schutzelements erzeugt einen Freiraum zwischen den Endbereichen. Der vergrößerte Freiraum gewährleistet eine erhöhte Sicherheit gegen das Auftreten eines Lichtbogens, der durch die in der elektrochemischen Zelle gespeicherte elektrische Energie entstehen kann. Eine Entzündung von Elektrolyten oder Gasen in der elektrochemischen Zelle wird verhindert. Die Funktionsweise der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schutzeinrichtung ist inhärent sicher, so dass das Risiko einer Selbstentzündung von Elektrolyten oder Gasen in der elektrochemischen Zelle infolge eines Kurzschlusses bei einem Unfall weiter minimiert wird.If the second portion of the at least one protective element is arranged vertically, the tensile stress of the melting region by the at least one electrode or the at least one electrode ensemble causes the electrode-side end of the at least one protective element to lower in a molten state of the melting region due to its own weight. The lowering of the electrode-side end region of the melting region of the at least one protective element creates a clearance between the end regions. The increased clearance ensures increased safety against the occurrence of an arc, which can be caused by the electrical energy stored in the electrochemical cell. Ignition of electrolytes or gases in the electrochemical cell is prevented. The operation of the invention proposed The protective device is inherently safe, so that the risk of spontaneous ignition of electrolytes or gases in the electrochemical cell due to a short circuit in an accident is further minimized.
Des Weiteren verfließt in der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung die Ummantelung beim Auftreten eines Kurzschlusses gleichzeitig mit dem Schmelzbereich. Das Verfließen des Werkstoffs der geschmolzenen Ummantelung gewährleistet einen Einschluss der Endbereiche des geschmolzenen Schmelzbereichs und verhindert ein Entstehen eines Lichtbogens zwischen den getrennten Endbereichen des mindestens einen Schutzelements. Das Schmelzen und Zerfließen des Werkstoffs der Ummantelung wird unmittelbar durch ein Schmelzen des Schmelzbereichs des mindestens einen Schutzelements ausgelöst. Ferner gewährleistet eine Volumenausdehnung von 5% bis 15% des Werkstoffs der Ummantelung im geschmolzenen Zustand einen durchgehenden und zuverlässigen Einschluss der Endbereiche des Schmelzbereichs und erzeugt eine elektrische Isolation der mindestens einen Elektrode oder des mindestens einen Elektrodenensembles. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung verbessert insgesamt die Sicherheit beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle und vereinfacht deren Einsatz sicherheitskritischen Anwendungen, wie z.B. Kraftfahrzeugen.Furthermore, in the proposed protective device, the sheath leaks simultaneously with the melting region when a short circuit occurs. The flow of the material of the molten shell ensures inclusion of the end portions of the molten melting portion and prevents arcing between the separated end portions of the at least one protective member. The melting and deliquescence of the material of the casing is triggered directly by melting the melting region of the at least one protective element. Furthermore, a volume expansion of 5% to 15% of the material of the shell in the molten state ensures a continuous and reliable enclosure of the end regions of the melting region and creates an electrical insulation of the at least one electrode or of the at least one electrode assembly. Overall, the protection device according to the invention improves the safety in the operation of an electrochemical cell and simplifies its use in safety-critical applications, such as e.g. Motor vehicles.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figuren eingehender beschrieben.Further aspects and advantages of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures.
Hierbei zeigt:Hereby shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Das mindestens eine Schutzelement
Am mindestens einen Schutzelement
In
Das mindestens eine Schutzelement
In
Das mindestens eine Schutzelement
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Der Darstellung gemäß
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102010049611 A1 [0003] DE 102010049611 A1 [0003]
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