DE102013208214A1

DE102013208214A1 - Berstelement und galvanische Zelle mit Berstelement

Info

Publication number: DE102013208214A1
Application number: DE102013208214.2A
Authority: DE
Inventors: Markus Kohlberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06
Also published as: CN104143612B; CN104143612A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Berstelement (1) zum Schutz einer galvanischen Zelle vor schädigendem Überdruck (3) umfassend einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper, wobei der Grundkörper mehrschichtig aufgebaut ist. Eine erste Schicht (4) des Grundkörpers ist dabei aus einem ersten Metall und eine zweite Schicht (5) des Grundkörpers ist dabei aus einem zweiten Metall. Bei Erwärmung des Berstelementes (1) wölbt sich das Berstelement (1) aufgrund der unterschiedlichen Metalle, sodass das Berstelement bei Erwärmung vorgespannt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine galvanische Zelle (2) mit einer Druckfreigabeöffnung (8) und einem in die Druckfreigabeöffnung (8) eingesetzten erfindungsgemäßen Berstelement (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Berstelement zum Schutz einer galvanischen Zelle vor schädigendem Überdruck umfassend einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper.
Ferner betrifft die Erfindung eine galvanische Zelle mit einer Druckfreigabeöffnung und einem in die Druckfreigabeöffnung eingesetzten Berstelement. Galvanische Zellen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Batteriezellen, Akkumulatorzellen oder Brennstoffzellen, besonders bevorzugt Lithium-Ionen-Zellen.
Stand der Technik
Berstelemente zum Schutz einer galvanischen Zelle vor schädigendem Überdruck umfassend einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper sind im Stand der Technik insbesondere als Berstmembranen oder Berstscheiben bekannt. Solche Berstelemente fungieren als Drucksicherung, und werden insbesondere bei Batteriezellen, wie Lithium-Ionen-Zellen, zum Schutz der Batteriezelle vor schädigendem Überdruck eingesetzt. Das Berstelement stellt dabei eine Art Sollbruchstelle in der inneren Abdichtung einer Batteriezelle dar. Das Berstelement öffnet dabei durch Zerbersten, wenn der Innendruck in der Batteriezelle bzw. dem Zellgehäuse der Batteriezelle einen bestimmten Wert überschreitet.
Aus der Druckschrift DE 103 28 862 B4 ist eine Lithiumbatterie bekannt, welche eine Berstmembran als Drucksicherung aufweist. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen kann es bei einer Erwärmung der Zelle, insbesondere in Folge eines Defekts, zu einer Gasbildung kommen. So können beispielsweise überhöhte Betriebstemperaturen aufgrund von fehlerhaft auftretenden hohen Strömen beim Nachladen einer Batteriezelle auftreten, die dazu führen, dass zumindest ein Teil des flüssigen Elektrolyten der Batteriezelle in einen gasförmigen Zustand übergeht, wodurch der Druck im Inneren der Zelle ansteigt. Diese Gasbildung führt dabei dazu, dass im Inneren der Zelle ein Überdruck entsteht. Ohne eine Drucksicherung, wie eine Berstmembran, besteht dabei die Gefahr, dass die Zelle platzen würde. Diese Gefahr wird durch eine in das Zellgehäuse einer solchen galvanischen Zelle eingesetzten Drucksicherung, insbesondere eine in ein Überdruckventil eingesetzte Berstmembran, reduziert. Die Drucksicherung öffnet bei einem bestimmten Druck innerhalb der Zelle, beispielsweise durch ein Zerbersten der in das Überdruckventil eingesetzten Berstmembran, sodass in der Zelle gebildetes Gas durch die freigegebene Öffnung abgeführt werden kann und der Druck im Inneren der Zelle abnimmt. Eine Berstmembran ist dabei üblicherweise in eine hierfür als Überdruckventil vorgesehene Öffnung des Zelldeckels eines Zellgehäuses der galvanischen Zelle eingeschweißt.
Eine Problematik bei derartigen Berstelementen besteht darin, das Berstelement so zu fertigen, dass dieses bei einem gewünschten Zellinnendruck zerbirst. So soll ein Berstelement in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen in einigen Anwendungsfällen bei einem geringen Zellinnendruck zerbersten und bei anderen Anwendungsfällen erst bei einem hohen Zellinnendruck zerbersten.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung eingangs genannte Berstelemente bereitzustellen, die bei einem definierten Zellinnendruck zerbersten, insbesondere ohne dass sich die Abmessungen des jeweiligen Berstelementes bei der Auslegung für abweichendes Berstverhalten bei unterschiedlichen Zellinnendrücken wesentlich ändern. Dadurch soll es insbesondere ermöglicht werden, dass für galvanische Zellen Berstelemente eingesetzt werden können, die vorteilhafterweise anforderungsabhängig ein Zerbersten bei niedrigeren oder bei höheren Zellinnendrücken als bei einem Einsatz von herkömmlichen Berstelementen ermöglichen. Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es dabei, eine galvanische Zelle zu verbessern, insbesondere hinsichtlich eines verbesserten Berstelementes als Drucksicherung, welches insbesondere ein Zerbersten bei niedrigeren oder bei höheren Zellinnendrücken als ein herkömmliches Berstelement ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Berstelement zum Schutz einer galvanischen Zelle vor schädigendem Überdruck umfassend einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper vorgeschlagen, wobei der Grundkörper mehrschichtig aufgebaut ist, und wobei eine erste Schicht des Grundkörpers aus einem ersten Metall ist und eine zweite Schicht des Grundkörpers aus einem zweiten Metall ist. Der Grundkörper des Berstelementes kann dabei insbesondere scheiben- oder streifenförmig ausgebildet sein. Durch eine erfindungsgemäße bi-metallische Ausgestaltung des Berstelementes wird vorteilhafterweise das Berstverhalten des Berstelementes beeinflusst, insbesondere dahingehend, dass das Berstelement bei einem anderen Zellinnendruck zerbirst als ein herkömmliches Berstelement, welches vergleichbare Abmessungen aufweist. Durch die erfindungsgemäße Mehrschichtigkeit des Grundkörpers mit einer ersten metallischen Schicht aus einem ersten metallischen Werkstoff und einer zweiten metallischen Schicht aus einem zweiten metallischen Werkstoff kann in Abhängigkeit der gewählten Werkstoffkombination in Bezug auf die erste metallische Schicht und die zweite metallische Schicht vorteilhafterweise bei einer Erwärmung des Berstelementes eine positive oder negative Vorspannung des Berstelementes erzielt werden. Somit kann der Druck, bei dem das Berstelement zerbirst, vorteilhafterweise zuverlässig beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Schicht des Grundkörpers einen von der zweiten Schicht des Grundkörpers abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, vorzugsweise einen um wenigstens 5 % abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten, besonders bevorzugt einen um wenigstens 8 % abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten. Es ist also insbesondere vorgesehen, dass die erste Schicht des Grundkörpers einen um wenigstens 5 % kleineren Längenausdehnungskoeffizienten als die zweite Schicht des Grundkörpers aufweist oder dass die erste Schicht des Grundkörpers einen um wenigstens 5 % größeren Längenausdehnungskoeffizienten als die zweite Schicht des Grundkörpers aufweist. Der Längenausdehnungskoeffizient ist dabei die Proportionalitätskonstante zwischen der Temperaturänderung dT und der relativen Längenänderung dL/L eines Festkörpers.
Durch die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der ersten Schicht des Grundkörpers und der zweiten Schicht des Grundkörpers wird vorteilhafterweise das Prinzip eines Bimetallstreifens genutzt, um bei einer Erwärmung des Berstelementes, die üblicherweise erst zu einer Gasbildung in einer galvanischen Zelle führt, eine negative oder eine positive Vorspannung des Berstelementes zu erzeugen, wobei durch die Wahl des metallischen Werkstoffs für die jeweilige Schicht des Grundkörpers beeinflusst wird, ob eine negative oder eine positive Vorspannung erzeugt wird. Wird das Berstelement derart konstruiert, dass die erste Schicht des Grundkörpers zum Zellinneren einer galvanischen Zelle weist und die zweite Schicht nach außen weist, so wird eine positive Vorspannung des Berstelementes erzeugt, wenn die erste Schicht des Grundkörpers einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Schicht. Eine negative Vorspannung des Berstelementes bei einer Erwärmung des Berstelementes wird dagegen erzeugt, wenn die erste Schicht einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Schicht. Je größer der Unterschied zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Schichten ist, desto größer ist die erzeugbare Vorspannung. Das heißt also, dass sich die erste Schicht des Grundkörpers und die zweite Schicht des Grundkörpers eines erfindungsgemäßen Berstelementes bei Wärmeeinwirkung unterschiedlich ausdehnen.
Anders ausgedrückt führt eine Erwärmung des wenigstens zweischichtig ausgebildeten Berstelementes bei Verwendung von unterschiedlichen Metallen mit unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten für die jeweilige Schicht vorteilhafterweise dazu, dass sich das Berstelement wölbt. Die Seite des Berstelementes mit der Schicht, die den kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, wölbt sich dabei vorteilhafterweise konvex aus, während die Seite des Berstelementes mit der Schicht, die den größeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, sich vorteilhafterweise konkav wölbt.
Wird ein erfindungsgemäßes Berstelement also mit der ersten Schicht des Grundkörpers in Richtung einer Wärmequelle angeordnet, wobei die erste Schicht einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, als die zweite Schicht, so verformt sich das Berstelement bei Erwärmung in Richtung der Wärmequelle, also insbesondere zum Zellinneren einer galvanischen Zelle. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass eine zusätzliche Kraft notwendig ist, um das Berstelement zum Bersten zu bringen. Das Berstelement weist durch die vorgenannte Verformung somit eine positive Vorspannung auf. Aus diesem Grund muss bei einer Erwärmung einer galvanischen Zelle der zum Bersten des Berstelementes erforderliche Zellinnendruck höher sein als bei einem Berstelement, welches im Wesentlichen gleiche Abmessung aufweist, aber aus nur einem Werkstoff gefertigt ist.
Wird das erfindungsgemäße Berstelement dagegen derart ausgestaltet, dass die erste Schicht, welche zum Zellinneren einer galvanischen Zelle weist, einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, als die zweite Schicht, so verformt sich das Berstelement bei Erwärmung der galvanischen Zelle nach außen, also vom Zellinneren weg. Durch diese Verformung wird das Berstelement vorteilhafterweise bereits mit einer bestimmten Kraft beansprucht und sozusagen negativ vorgespannt. Dies führt zu dem vorteilhaften Effekt, dass bei einer Erwärmung der galvanischen Zelle der zum Bersten des erfindungsgemäßen Berstelementes erforderliche Zellinnendruck niedriger sein wird, als bei einem Berstelement, welches vergleichbare Abmessungen aufweist, aber aus nur einem einzigen Werkstoff, beispielsweise ausschließlich aus Aluminium, gefertigt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Berstelementes ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Schicht des Grundkörpers und der zweiten Schicht des Grundkörpers wenigstens eine dritte Schicht angeordnet ist. Diese dritte Schicht des Grundkörpers ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass elektrochemische Reaktionen zwischen dem Metall der ersten Schicht des Grundkörpers und dem Metall der zweiten Schicht des Grundkörpers verhindert werden.
Vorteilhafterweise ist die dritte Schicht eine galvanische Trennschicht. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die dritte Schicht dünner ausgebildet ist, als die erste Schicht und als die zweite Schicht. Die dritte Schicht ist somit also die dünnste Schicht des Grundkörpers und beeinflusst das erfindungsgemäße Vorspannen des Berstelementes somit vorteilhafterweise nicht oder zumindest nicht wesentlich. Die dritte Schicht verhindert vorteilhafterweise das elektrochemische Reaktionen zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht des Grundkörpers auftreten. Die galvanische Trennschicht kann insbesondere als Lackschicht ausgebildet sein. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der die erste Schicht des Grundkörpers aus Aluminium ist und die zweite Schicht des Grundkörpers aus Kupfer ist, kann die dritte Schicht insbesondere auch eine Chromschicht sein. Die dritte Schicht ist vorteilhafterweise nur so dick ausgebildet wie erforderlich, um eine elektrochemische Reaktion zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht des Grundkörpers des Berstelementes zu verhindern.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Berstelementes ist vorgesehen, dass die Schichten des Grundkörpers stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Zur Erstellung des Stoffschlusses zwischen den Schichten des Grundkörpers können bekannte Verfahren, insbesondere Kaltschweißverfahren oder Walzverfahren, eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Berstelementes ist vorgesehen, dass die erste Schicht des Grundkörpers und/oder die zweite Schicht des Grundkörpers wenigstens eine Sollbruchstelle aufweist. Durch die Ausgestaltung der wenigstens einen Sollbruchstelle kann vorteilhafterweise das Berstverhalten des erfindungsgemäßen Berstelementes weiter beeinflusst werden, und dabei insbesondere beeinflusst werden, bei welchem Druck das Berstelement zerbersten soll. Die wenigstens eine Sollbruchstelle wird dabei vorteilhafterweise durch wenigstens einen Einschnitt, insbesondere wenigstens eine Einkerbung, in die erste Schicht des Grundkörpers und/oder in die zweite Schicht des Grundkörpers realisiert. Weisen die erste Schicht des Grundkörpers und die zweite Schicht des Grundkörpers jeweils Sollbruchstellen auf, so ist insbesondere vorgesehen, dass diese deckungsgleich sind, also die Sollbruchstelle der ersten Schicht an der gleichen Stelle angeordnet ist, wie die Sollbruchstelle der zweiten Schicht. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Sollbruchstelle nach dem stoffschlüssigen Verbinden der Schichten des Grundkörpers, insbesondere durch Einkerbung, hergestellt wird, wobei je nach Tiefe der Einkerbung somit sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht des Grundkörpers eine Sollbruchstelle aufweisen können. Insbesondere kann der Grundkörper des Berstelementes somit wenigstens eine Sollbruchstelle aufweisen, durch welche das Berstverhalten des Berstelementes weiter beeinflusst wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Schicht des Grundkörpers aus Aluminium oder aus rostfreiem Stahl ist, vorzugsweise einem rostfreiem Stahl mit der Werkstoffnummer (W-Nr.) 1.4301. Die erste Schicht des Berstelementes weist dabei bei einem späteren Einsetzten in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle zum Zellinneren. Soll dabei eine positive Vorspannung des erfindungsgemäßen Berstelementes erzeugt werden, sind die in der nachfolgenden Tabelle dargestellten Materialkombinationen besonders vorteilhaft. Dabei ist in der linken Spalte der Tabelle jeweils ein Werkstoff für die erste Schicht des Berstelementes angeführt, dem jeweils zwei vorteilhafte Alternativen für einen für die zweite Schicht des Berstelementes zu wählenden Werkstoff zugeordnet sind.

erste Schicht		zweite Schicht
Werkstoff	Längenausdehnungskoeffizient (K^–1)	Werkstoff	Längenausdehnungskoeffizient (K^–1)
Aluminium	23,8 × 10^–6	Magnesium Zink	26 × 10^–6 29 × 10^–6
Rostfreier Stahl (W-Nr. 1.4301)	16 × 10^–6	CuZn-Legierung Zink	18,5 × 10^–6 29 × 10^–6

Soll das erfindungsgemäße Berstelement eine negative Vorspannung aufweisen, so sind die in der nachfolgenden Tabelle angeführten Materialkombinationen für die erste Schicht und die zweite Schicht des Grundkörpers des erfindungsgemäßen Berstelementes besonders vorteilhaft, wobei das Berstelement bei einem späteren Einsetzten in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle mit der ersten Schicht des Grundkörpers zum Zellinneren weisen muss. Dabei ist in der linken Spalte der Tabelle jeweils ein Werkstoff für die erste Schicht des Berstelementes angeführt, dem jeweils drei vorteilhafte Alternativen für einen für die zweite Schicht des Berstelementes zu wählenden Werkstoff zugeordnet sind.

erste Schicht		zweite Schicht
Werkstoff	Längenausdehnungskoeffizient (K^–1)	Werkstoff	Längenausdehnungskoeffizient (K^–1)
Aluminium	23,8 × 10^–6	Chrom Nickel Kupfer	8,4 × 10^–6 13 × 10^–6 17 × 10^–6
Rostfreier Stahl (W-Nr. 1.4301)	16 × 10^–6	Chrom Nickel W-Nr. 1.4016	8,4 × 10^–6 13 × 10^–6 10 × 10^–6

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Schicht des Grundkörpers eine größere Fläche aufweist als die wenigstens eine weitere Schicht des Grundkörpers, wobei die wenigstens eine weitere Schicht derart in Bezug auf die erste Schicht angeordnet ist, dass die erste Schicht wenigstens einen Seitenrand, vorzugsweise einen umlaufenden Seitenrand, ausbildet. Mittels dieses Seitenrandes lässt sich das erfindungsgemäße Berstelement besonders vorteilhaft in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle einschweißen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren eine galvanische Zelle mit einer Druckfreigabeöffnung und einem in die Druckfreigabeöffnung eingesetzten Berstelement vorgeschlagen, wobei das Berstelement ein erfindungsgemäßes Berstelement ist. Das Berstelement kann dabei in jeglicher Kombination der vorgenannten Ausgestaltungen ausgestaltet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der galvanischen Zelle ist vorgesehen, dass die erste Schicht des Grundkörpers des Berstelementes aus dem gleichen Material ist wie das die Druckfreigabeöffnung aufweisende Element der galvanischen Zelle. Hierdurch ist vorteilhafterweise ein artgleiches beziehungsweise stoffgleiches Einschweißen des Berstelementes in die Druckfreigabeöffnung der galvanischen Zelle ermöglicht. Die Druckfreigabeöffnung ist dabei vorzugsweise in dem Zelldeckel eines Zellgehäuses angeordnet, wobei das Zellgehäuse die galvanische Zelle umgibt.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der galvanischen Zelle ist vorgesehen, dass das Berstelement mit der ersten Schicht des Grundkörpers zum Zellinneren weisend in die Druckfreigabeöffnung der galvanischen Zelle eingesetzt ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die erste Schicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder aus rostfreiem Stahl ist. Ist die erste Schicht des Berstelementes so gewählt, dass diese einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite, nach außen weisende Schicht des Grundkörpers, so führt dies zu dem vorteilhaften Effekt, dass sich das Berstelement bei Erwärmung der galvanischen Zelle nach außen, also vom Zellinneren weg, verformt. Das Berstelement wird dadurch bereits mit einer bestimmten Kraft beansprucht und quasi vorgespannt. Diese Vorspannung führt dazu, dass bei einer Erwärmung der galvanischen Zelle der zum Bersten des Berstelementes erforderliche Zellinnendruck gegenüber einem Berstelement mit vergleichbaren Abmessungen, welches aus nur einem Material besteht, beispielsweise ausschließlich aus Aluminium, sinkt. Durch den wenigstens zweischichtigen Aufbau des Grundkörpers des Berstelementes, wobei die erste Schicht einen gegenüber der zweiten Schicht abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, wird somit vorteilhafterweise erreicht, dass eine entsprechend ausgebildete galvanische Zelle ein Entweichen von von der galvanischen Zelle gebildetem Gas früher ermöglicht als ein herkömmliches Berstelement.
Ist das erfindungsgemäße Berstelement dagegen derart ausgebildet, dass die erste Schicht des Grundkörpers des Berstelementes einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Schicht des Grundkörpers, so verformt sich das Berstelement bei Erwärmung der galvanischen Zelle aufgrund des bimetallischen Grundkörpers zum Zellinneren hin. Das Berstelement wird dadurch quasi vorgespannt. Hierdurch ist eine zusätzliche Kraft nötig, um das Berstelement zum Bersten zu bringen. Aus diesem Grund ist bei einer Erwärmung der galvanischen Zelle der zum Bersten des erfindungsgemäßen Berstelementes erforderliche Druck im Zellinneren der galvanischen Zelle höher als bei Verwendung eines herkömmlichen Berstelementes, welches bei vergleichbaren Abmessungen aus nur einem einzigen Werkstoff, beispielsweise ausschließlich aus Aluminium, hergestellt ist.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Berstelement;
2 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Berstelement;
3 in einer schematischen Darstellung eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße galvanische Zelle mit einem erfindungsgemäßen Berstelement;
4 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels für ein in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle eingesetztes erfindungsgemäßes Berstelement; und
5 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle eingesetztes erfindungsgemäßes Berstelement.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein als Berstmembran ausgebildetes Berstelement 1 dargestellt. Das Berstelement 1 umfasst einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper, welcher mehrschichtig aufgebaut ist. Das Berstelement 1 weist dabei eine erste Schicht 4 aus einem ersten Metall und eine zweite Schicht 5 aus einem zweiten Metall auf, wobei das erste Metall einen um wenigstens 5 % größeren Längenausdehnungskoeffizienten als das zweite Metall aufweist. Die erste Schicht 4 des Berstelementes 1 kann dabei beispielsweise aus Aluminium sein und die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1 aus Zink. Die erste Schicht 4 und die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise mittels eines Kaltschweißverfahrens.
Das in 1 dargestellte Berstelement 1 weist eine Sollbruchstelle 6 auf. Diese wurde bevorzugt nach dem stoffschlüssigen Verbinden der ersten Schicht 4 und der zweiten Schicht 5 eingeprägt. Durch die Sollbruchstelle 6 wird das Berstverhalten des Berstelementes 1 vorteilhafterweise weiter verbessert.
Bei dem in 1 dargestellten Berstelement 1 weist die erste Schicht 4 des Berstelementes 1 eine größere Fläche auf als die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1. Dabei ist die zweite Schicht 5 derart in Bezug auf die erste Schicht 4 angeordnet, dass die erste Schicht 4 einen umlaufenden Seitenrand 7 ausbildet. Mit diesen Seitenrand 7 kann das Berstelement 1 vorteilhafterweise in eine Druckfreigabeöffnung einer galvanischen Zelle eingeschweißt werden.
In 2 ist eine Seitenansicht eines als Berstmembran ausgebildeten Berstelementes 1 dargestellt. Das Berstelement 1 weist dabei einen zweischichtig aufgebauten Grundkörper auf. Eine erste Schicht 4 aus einem ersten metallischen Werkstoff ist dabei stoffschlüssig mit einer zweiten Schicht 5 aus einem zweiten metallischen Werkstoff verbunden. Die erste Schicht 4 des Berstelementes 1 weist dabei einen von der zweiten Schicht 5 des Berstelementes 1 abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten auf. Der Grundkörper des Berstelementes 1 ist somit nach Art eines Bi-Metallstreifens aufgebaut. Der Grundkörper des Berstelementes 1 weist zudem eine Einkerbung 6 als Sollbruchstelle auf. Durch die Sollbruchstelle 6 wird vorteilhafterweise das Berstverhalten des Berstelementes 1 weiter in gewünschter Weise beeinflusst.
In 3 ist eine galvanische Zelle 2 dargestellt. Die galvanische Zelle 2 kann dabei insbesondere eine nachladbare Lithium-Ionen-Zelle sein. Die galvanische Zelle 2 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als prismatische Zelle mit einem Zellgehäuse 11 und einem Zelldeckel 12 ausgebildet. Durch den Zelldeckel 12 ragen Zellterminals 13, welche mit der negativen Elektrode und der positiven Elektrode der galvanischen Zelle elektrisch leitend verbunden sind und der elektrischen Kontaktierung der galvanischen Zelle 2 dienen. Zwischen den Zellterminals 13 befindet sich in dem Zelldeckel 12 eine Druckfreigabeöffnung 8. In die Druckfreigabeöffnung 8 ist ein erfindungsgemäßes Berstelement 1, welches als Berstmembran ausgebildet ist, eingebracht und mit dem Zelldeckel 12 verschweißt, sodass die galvanische Zelle 2 im Normalbetrieb insbesondere gegen Feuchtigkeit abgedichtet ist. Die Druckfreigabeöffnung 8 zusammen mit dem darin eingesetzten Berstelement 1 stellt dabei quasi ein Überdruckventil dar. Das Berstelement 1 weist eine Sollbruchstelle 6 auf.
Der Grundkörper des Berstelementes 1 ist mehrschichtig aufgebaut. Der Grundkörper weist dabei eine erste Schicht aus einem ersten Metall, insbesondere aus Aluminium, auf. Darüber hinaus weist der Grundkörper eine zweite Schicht aus einem zweiten Metall, insbesondere aus Kupfer, auf. Die zweite Schicht weist somit einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten auf als die erste Schicht. Zwischen die erste Schicht und die zweite Schicht des Grundkörpers des Berstelementes 1 ist eine dritte Schicht als galvanische Trennschicht angeordnet. Die galvanische Trennschicht kann insbesondere eine Chromschicht sein. Diese Chromschicht ist dabei wesentlich dünner ausgeprägt als die erste Schicht und die zweite Schicht des Berstelementes 1. Die Schichten des Berstelementes 1 sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
Das Berstelement 1 ist mit der ersten Schicht zum Zellinneren weisend in der Druckfreigabeöffnung 8 der galvanischen Zelle 2 angeordnet. Die erste Schicht des Berstelementes 1 weist eine größere Fläche auf als die zweite Schicht und die dritte Schicht des Berstelementes 1, wobei die zweite Schicht und die dritte Schicht derart in Bezug auf die erste Schicht angeordnet sind, dass die erste Schicht einen umlaufenden Seitenrand ausbildet, mit dem das Berstelement 1 mit dem Zelldeckel 12 in der Druckfreigabeöffnung 8 verschweißt ist. Der Zelldeckel 12 der galvanischen Zelle ist dabei aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie die erste Schicht des Berstelementes 1, vorzugsweise also ebenfalls aus einem Aluminium.
Da die erste Schicht des Berstelementes 1 einen größeren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Schicht des Berstelementes 1, wölbt sich das Berstelement 1 bei einer Erwärmung der galvanischen Zelle 2 nach außen, wodurch quasi eine negative Vorspannung des Berstelementes 1 erzeugt wird. Das Berstelement 1 wird somit bereits bei einem niedrigeren Zellinnendruck zerbersten, als ein Berstelement, welches bei vergleichbaren Abmessungen, insbesondere bei vergleichbarer Dicke, nur aus einem einzigen Werkstoff besteht, beispielsweise ausschließlich aus Aluminium.
Im Zusammenhang mit 4 und 5 wird der Effekt der mehrschichtigen Ausgestaltung des Grundkörpers eines erfindungsgemäßen Berstelementes 1, wobei eine erste Schicht 4 einen von einer zweiten Schicht 5 abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten aufweist, näher erläutert. Dabei ist in 4 und 5 jeweils ein Berstelement 1 in eine Druckfreigabeöffnung 8 eines Zelldeckels 12 eingeschweißt, wobei der Zelldeckel 12 wiederum mit einem Zellgehäuse 11 verbunden ist. Das Zellgehäuse 11 umgibt dabei eine in 4 und 5 nicht näher dargestellte galvanische Zelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle. Die Berstelemente 1 in den Ausführungsbeispielen in 4 und in 5 weisen jeweils eine Sollbruchstelle 6 auf, wobei die Sollbruchstelle in den Grundkörper des Berstelementes jeweils ausgehend von der zweiten Schicht 5 des Grundkörpers in den Grundkörper des Berstelementes 1 eingebracht worden ist, vorliegend durch Einkerbung.
In 4 und 5 ist das Berstelement 1 jeweils mit der ersten Schicht 4 des Berstelementes 1 zum Zellinneren 10 weisend in der Druckfreigabeöffnung 8 angeordnet. Die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1 ist jeweils nach außen 9 weisend angeordnet.
Bei dem in 4 dargestellten Berstelement 1 weist die zweite Schicht 5 des Grundkörpers einen um wenigstens 5 % größeren Längenausdehnungskoeffizienten auf als die erste Schicht 4 des Grundkörpers. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1 einen um wenigstens 5 % kleineren Längenausdehnungskoeffizienten auf als die erste Schicht 4 des Grundkörpers.
In den in 4 und 5 dargestellten Szenarien hat sich die galvanische Zelle gewärmt, beispielsweise aufgrund eines Zelldefektes, wobei die Auswirkung der Erwärmung der Zelle auf das Berstelement 1 in 4 und 5 dargestellt ist.
Da in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Schicht 4 des Berstelementes 1 einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1, verformt sich das Berstelement 1, wie in 4 dargestellt, zum Zellinneren 10 hin. Es entsteht eine Wölbung, die eine positive Vorspannung des Berstelementes 1 hervorruft. Aufgrund dieser Vorspannung ist ein höherer Zellinnendruck erforderlich, um das Berstelement 1 zum Bersten zu bringen als bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Da bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Schicht 5 des Berstelementes 1 einen kleineren Längenausdehnungskoeffizienten aufweist als die erste Schicht 4 des Berstelementes 1, zeigt sich bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ein anderer Effekt als bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel. Das Berstelement 1 wölbt sich bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, wie in 5 dargestellt, nach außen 9. Es entsteht eine Wölbung, die eine negative Vorspannung des Berstelementes 1 hervorruft. Aufgrund dieser Vorspannung wird das Berstelement 1 bereits bei einem Zellinnendruck bersten, der niedriger ist als der Zellinnendruck, der ein Berstelement 1 mit einem herkömmlichen Grundkörper aus nur einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einem ausschließlich aus Aluminium bestehenden Grundkörper, zum Bersten bringt. Der Zellinnendruck, bei welchem das Berstelement 1 bersten würde, ist in 4 und 5 jeweils durch Pfeile 3 symbolisch dargestellt. Durch die größere Anzahl von Pfeilen 3 in der Darstellung in 4 im Vergleich zu der Darstellung in 5 wird symbolisch dargestellt, dass der Zellinnendruck für ein Zerbersten des Berstelementes 1 in 4 deutlich höher sein muss als der Zellinnendruck in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10328862 B4 [0004]

Claims

Berstelement (1) zum Schutz einer galvanischen Zelle vor schädigendem Überdruck (3) umfassend einen im Wesentlichen flächig ausgebildeten Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mehrschichtig aufgebaut ist, wobei eine erste Schicht (4) des Grundkörpers aus einem ersten Metall ist und eine zweite Schicht (5) des Grundkörpers aus einem zweiten Metall ist.
Berstelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) des Grundkörpers einen von der zweiten Schicht (5) des Grundkörpers um wenigstens 5 % abweichenden Längenausdehnungskoeffizienten aufweist.
Berstelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Schicht (4) des Grundkörpers und der zweiten Schicht (5) des Grundkörpers wenigstens eine dritte Schicht angeordnet ist.
Berstelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht eine galvanische Trennschicht ist, wobei die dritte Schicht dünner ausgebildet ist, als die erste Schicht (4) und als die zweite Schicht (5).
Berstelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (4, 5) des Grundkörpers stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Berstelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) des Grundkörpers und/oder die zweite Schicht (5) des Grundkörpers wenigstens eine Sollbruchstelle aufweist.
Berstelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) des Grundkörpers aus Aluminium oder aus rostfreiem Stahl ist.
Berstelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) des Grundkörpers eine größere Fläche aufweist als die wenigstens eine weitere Schicht (5) des Grundkörpers, wobei die wenigstens eine weitere Schicht (5) derart in Bezug auf die erste Schicht (4) angeordnet ist, dass die erste Schicht (4) wenigstens einen Seitenrand (7) ausbildet.
Galvanische Zelle (2) mit einer Druckfreigabeöffnung (8) und einem in die Druckfreigabeöffnung (8) eingesetzten Berstelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Berstelement (1) ein Berstelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist.
Galvanische Zelle (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (4) des Grundkörpers des Berstelementes (1) aus dem gleichen Material ist wie das die Druckfreigabeöffnung (8) aufweisende Element (12) der galvanischen Zelle (2).
Galvanische Zelle (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berstelement (1) mit der ersten Schicht (4) des Grundkörpers zum Zellinneren (10) weisend in die Druckfreigabeöffnung (8) eingesetzt ist.