DE102013219223A1

DE102013219223A1 - Entgasungsventil für Batteriezellen

Info

Publication number: DE102013219223A1
Application number: DE102013219223.1A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fetzer; Alexander Reitzle; Ralf Angerbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-26
Also published as: WO2015043934A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Entgasungsventil (38) für eine Batteriezelle (12) mit einer gasdurchlässigen Membran, die als poröse Festkörpermembran ausgestaltet ist, sowie eine Batteriezelle (12) in deren Zellengehäuse (30) ein derartiges Entgasungsventil (38) angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Entgasungsventils (38). Die Erfindung betrifft außerdem ein Batterie mit mindestens einer Batteriezelle (12), die ein derartiges Entgasungsventil (38) umfasst, sowie ein Fahrzeug ausgerüstet mit mindestens einer Batteriezelle (12), die ein derartiges Entgasungsventil (38) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Entgasungsventil für eine Batteriezelle sowie eine Batteriezelle in deren Zellengehäuse ein derartiges Entgasungsventil angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Entgasungsventils. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie mit mindestens einer Batteriezelle, die ein derartiges Entgasungsventil umfasst, sowie ein Fahrzeug ausgerüstet mit mindestens einer Batteriezelle, die ein derartiges Entgasungsventil umfasst.
Wiederaufladbare Batteriezellen, welche auch als elektrochemische Zellen, Sekundärzellen oder Akkumulatorzellen bezeichnet werden, sind typischerweise in Form von galvanischen Zellen ausgeführt, die als elektrochemischer Energiespeicher und Energiewandler dienen. Die Batteriezelle umfasst ein Zellengehäuse, in das eine elektrochemische Elektrodenanordnung aufgenommen ist. Die elektrochemische Elektrodenanordnung weist positive und negative Elektrodenlagen auf, die durch Separatorlagen voneinander getrennt sind und von einem Elektrolyt umgeben sind. Beim Laden der Batteriezelle wird durch elektrochemische Reaktion elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Umgekehrt wird beim Entladen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Elektrische Energie kann somit je nach Bedarf gespeichert oder einem Verbraucher bereitgestellt werden.
Derartige Batteriezellen werden unter anderem in Form von Batteriepacks oder Batteriemodulen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eingesetzt, die eine Anzahl von in Serie oder parallel geschalteter Batteriezellen umfassen. In dieser Umgebung kann es zu einer Überbeanspruchung der Batteriezelle kommen, die einen zellinternen Kurzschluss zur Folge haben. So kann sich die Batteriezelle bei einer Überladung überhitzen. Auch mechanische Beanspruchungen beispielsweise durch Beschädigung des Zellengehäuses bei einem Unfall oder der Kontakt mit metallischen Gegenständen können zu einer starken Wärmeentwicklung führen. Hält die Separatorlage den Temperaturen nicht mehr stand, schmilzt diese und es kommt zu einem zellinternen Kurzschluss mit einer explosionsartigen Druckentwicklung. Um größere Schäden zu vermeiden, ist in dem Zellengehäuse ein Berstventil vorgesehen, das den Druck durch Ablassen der Gase abbaut.
Aus EP 2 416 404 A2 ist eine elektrochemische Zelle bekannt, die ein Gehäuse mit einer Elektrodenanordnung aufweist. In dem Gehäuse sind Öffnungen vorgesehen, in die eine gasdurchlässige Membran eingelassen ist. Als gasdurchlässige Membran wird ein Kunststofffilm eingesetzt.
JP 2007-265725 A beschreibt eine Lithium-Ionen Batterie, deren Gehäuse ein Sicherheitsventil vorsieht. Das Sicherheitsventil umfasst einen Ventilteil und einen gasdurchlässigen Teil.
In DE 10 2012 200 869 A1 ist eine Batterie mit einem Entgasungssystem beschrieben, welches eine Entgasungsleitung mit Öffnungen aufweist. Die Öffnungen verbinden Batteriemodule, die mehrere Batteriezellen umfassen, strömungstechnisch mit der Entgasungsleitung.
Bekannte Sicherheitsmechanismen zum Druckabbau in Batterien sehen eine Ausgangsöffnung im Zellengehäuse der Batteriezelle vor. Beim Entgasen strömt das Gas mit hohen Austrittsgeschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit aus der Ausgangsöffnung heraus und wird über das nachgelagerte Entgasungssystem kontrolliert ausgeleitet. Dabei ist das Entgasungssystem hohen Druck- und Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt, die das Entgasungssystem beschädigen können. Auch die austretenden Flüssigkeiten und Gase können die Integrität des Entgasungssytems angreifen und dieses beschädigen. So kann es zu Leckagen im Entgasungssystem kommen, die ein kontrolliertes Ableiten der gefährlichen Stoffe verhindern. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik stellt dies eine große Gefahr für Fahrer und Insassen dar. Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, den Entgasungsmechanismus in Batteriezellen möglichst sicher und zuverlässig zu gestalten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Entgasungsventil für eine Batteriezelle mit einer gasdurchlässigen Membran vorgeschlagen, wobei die gasdurchlässige Membran als poröse Festkörpermembran ausgestaltet ist.
Dabei bezeichnet die poröse Festkörpermembran ein Festkörpermaterial, das Hohlräume oder Poren in der Festkörpermatrix aufweist. So kann die poröse Festkörpermembran Porengrößen im Nanometerbereich, etwa im Bereich von 1 nm bis 100 nm, aufweisen. Insbesondere kann die Festkörpermembran mikroporös mit Porengrößen < 2 nm, mesoporös mit Porengrößen im Bereich von 2 bis 50 nm oder makroporös mit Porengrößen > 50 nm sein. Besonders geeignet ist eine mesoporöse oder makroporöse Festkörpermembran mit Porengrößen bis zu 100 nm.
In einer weiteren Ausführungsform ist die poröse Festkörpermembran im Wesentlichen offenporig ausgestaltet. Das heißt ein Anteil von mindestens 60 % der Poren ist nicht verschlossen, und die Poren bilden Kanäle in der porösen Festkörpermembran. Derartige Kanäle können zylindrisch, konisch oder gewunden ausgebildet sein. Die Grundfläche derartiger Kanäle kann unterschiedliche Formen aufweisen. Beispielsweise kann die Grundfläche rund, oval oder polygonal, etwa dreieckig, rechteckig, quadratisch, pentagonal oder hexagonal, ausgestaltet sein. Weiterhin können die Kanäle vertikal und/oder lateral in der porösen Festkörpermembran verlaufen. Vertikal oder lateral ist dabei auf die makroskopische Ausdehnung der porösen Festkörpermembran bezogen. Die Kanäle können auch eine Neigung relativ zur vertikalen oder lateralen Achse der porösen Festkörpermembran aufweisen. Weiterhin kann die poröse Festkörpermembran eine Dicke von 100 µm bis 3000 µm, bevorzugt von 500 µm bis 1000 µm aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die poröse Festkörpermembran poröses Silizium, vorzugsweise mesoporöses oder makroporöses Silizium mit Porengrößen bis zu 100 nm, poröses Aluminiumoxid, vorzugsweise mesoporöses oder makroporöses Aluminiumoxid mit Porengrößen bis zu 100 nm, oder porösen Kunststoff, vorzugsweise mesoporösen oder makroporösen Kunststoff mit Porengrößen bis zu 100 nm. Der poröse Kunststoff kann dabei Schäume oder gesinterte Granulate auf Basis mindestens eines Polymers umfassen. Geeignete Polymere sind zum Beispiel Polyamide (PA), Polyolefine, wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen-Propylen-Copolymere, Polyacrylate, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonate (PC), Polycarbonat (PC)-Legierungen, wie Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC/ABS), Polyester, wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polybutylenterephthalat (PBT), Polysulfone (PS), Polyethersulfone (PES), Polyetherketone (PEK), Polyetherimide (PEI), Polyethersulfide (PES), Polypropylenether (PPE), thermoplastische Polyurethane, wie Thermoplastisches Polyester-Polyurethan (TPU), Polyvinylidenfluoride (PVDF), Ethylvinylacetate (EVA) oder Mischungen hieraus.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Poren der porösen Festkörpermembran mit einem Werkstoff verschlossen, der bei einer kritischen Temperatur der Batteriezelle schmilzt und/oder sich bei einem kritischen Druck von den Poren löst. Die kritische Temperatur oder ein kritischer Temperaturbereich bestimmt sich dabei nach den Komponenten der Batteriezelle, insbesondere nach der Schmelztemperatur des Separators der Batteriezelle, in die das Entgasungsventil eingesetzt werden soll. Bei Lithium-Ionen Batteriezellen kann der kritische Temperaturbereich zum Beispiel im Bereich von 80 bis 120 °C liegen. Weiter bevorzugt sind die Poren der porösen Festkörpermembran daher mit einem Werkstoff verschlossen, der in Abhängigkeit von der kritischen Temperatur der Batteriezelle gewählt ist, in die das Entgasungsventil eingesetzt werden soll. Der kritische Druck oder ein kritischer Druckbereich bezeichnet weiterhin einen Druckbereich, in dem sich die Bindung zwischen dem Werkstoff und den Poren löst. Der Werkstoff wird dabei quasi von den Poren „gesprengt“. Bei Lithium-Ionen Batteriezellen kann der kritische Druckbereich zum Beispiel im Bereich von 3 bis 10 bar liegen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Entgasungsventil eine Trägerschicht, in die die poröse Festkörpermembran eingebettet ist. So kann die Trägerschicht die poröse Festkörpermembran vollumfänglich umgeben. Die Trägerschicht kann ein Metall, wie Aluminium, Stahl oder Aluminiumlegierungen, einen Kunststoff, wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder eine Kombination hieraus oder eine Verbundfolie, wie Aluminiumverbundfolie, umfassen. In einer weiteren Ausführungsform ist die poröse Festkörpermembran mit einer Folie des Werkstoffes, insbesondere einer Kunststofffolie, bedeckt, wobei der Werkstoff bei der kritischen Temperatur der Batteriezelle schmilzt und/oder sich bei dem kritischen Druck von den Poren löst. Vorzugsweise ist die Folie des Werkstoffes oder die Werkstofffolie mit der Trägerschicht über den vollen Umfang der porösen Festkörpermembran verbunden. So kann die Werkstofffolie mit der Trägerschicht verklebt oder verklemmt sein. Als Werkstofffolie eignet sich Kunststofffolie, etwa eine Folie auf Basis von Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Mischungen hieraus. Die Kunststofffolie kann weiterhin einschichtig oder mehrschichtig ausgestaltet sein. Beispielsweise können Folienschichten mit unterschiedlicher Kunststoffzusammensetzung eine Verbundfolie bilden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Poren der porösen Festkörpermembran mit einem Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff oder einem Lack, gefüllt, wobei der Werkstoff bei der kritischen Temperatur der Batteriezelle schmilzt und/oder sich bei dem kritischen Druck von den Poren löst. Als Kunststoffe eignen sich zum Beispiel Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylenterephthalat (PET) oder Mischungen hieraus. Lacke bezeichnen dabei flüssige oder pulverförmige Beschichtungsstoffe, die auf die Festkörpermembran aufgetragen werden können und durch chemische oder physikalische Vorgänge, zum Beispiel durch Vernetzen oder durch Verdampfen eines Lösungsmittels, zu einem Film verfestigt werden. Lacke umfassen zum Beispiel mindestens ein Bindemittel und gegebenenfalls mindestens ein Lösemittel. Weiterhin können Hilfsmittel wie Füllstoffe oder Pigmente im Lack enthalten sein.
Weiter erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer elektrochemischen Elektrodenanordnung in einem Zellengehäuse vorgeschlagen, wobei das Zellengehäuse wenigstens eine Entgasungsöffnung aufweist, in der das erfindungsgemäße Entgasungsventil angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Entgasungsventil derart ausgestaltet, dass es das Zellengehäuse der Batteriezelle bis zu der kritischen Temperatur oder bis zu dem kritischen Druck gegenüber der Umgebung abgedichtet. So kann einerseits die elektrochemische Elektrodenanordnung im Inneren des Zellengehäuses vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Andererseits kann sichergestellt werden, dass sich das Entgasungsventil ab einer vordefinierten, kritischen Temperatur oder ab einem vordefinierten, kritischen Druck im Entgasungsfall öffnet.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Entgasungsventil eine Trägerschicht, wobei das Material der Trägerschicht in Abhängigkeit von dem Material des Zellengehäuses der Batteriezelle gewählt ist. Weiterhin kann das Entgasungsventil über die Trägerschicht mit dem Zellengehäuse verbunden sein. Beispielsweise ist das Entgasungsventil mit dem Zellgehäuse verschweißt oder verpresst. Bevorzugt ist die Trägerschicht aus Aluminium gefertigt.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Entgasungsventils für eine Batteriezelle vorgeschlagen, das folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer porösen Festkörpermembran, und
b) Verschließen von Poren der porösen Festkörpermembran.

Vorzugsweise dient das Verfahren zum Herstellen des vorstehend beschriebenen Entgasungsventils. In einer Variante wird die poröse Festkörpermembran in eine Trägerschicht eingebettet. Die poröse Festkörpermembran und die Trägerschicht können dabei wie vorstehend beschreiben ausgestaltet sein.
In einer weiteren Variante werden die Poren mit einem Werkstoff verschlossen, der bei der kritischen Temperatur der Batteriezelle schmilzt und/oder sich bei dem kritischen Druck von den Poren löst und damit die Poren bei der kritischen Temperatur und/oder bei dem kritischen Druck wieder öffnet. So kann die poröse Festkörpermembran von einem Werkstoff, wie einer Kunststofffolie, bedeckt werden oder die Poren der porösen Festkörpermembran können mit einem Werkstoff, wie einem Kunststoff oder einem Lack, gefüllt werden. Dabei kann der Werkstoff in Pulverform oder in Granulatform auf die poröse Festkörpermembran aufgebracht und erwärmt werden.
In einer alternativen Variante kann die poröse Festkörpermembran in den Werkstoff, etwa einen Lack oder eine Kunststoffschmelze, eingetaucht werden. Hierdurch können sich die Poren mit dem entsprechenden Werkstoff füllen, der während des Abkühlens aushärtet und damit die Poren verschließt. Die Trägerschicht der porösen Festkörpermembran kann dabei abgeklebt werden.
Weiter alternativ kann der Werkstoff, etwa ein Lack oder eine Kunststoffschmelze, direkt in die Poren der porösen Festkörpermembran eingebracht werden. Dazu kann der Werkstoff beispielsweise mit entsprechenden Düsen direkt auf die poröse Festkörpermembran aufgebracht werden.
Beim Herstellen einer Batteriezelle wird demzufolge zumindest ein Zellengehäuse mit einer Entgasungsöffung bereitgestellt und das vorstehend beschriebene Entgasungsventil eingesetzt. Bevorzugt befindet sich dabei die Entgasungsöffung im Deckel des Zellengehäuses. Weiter bevorzugt wird die Trägerschicht des Entgasungsventils mit dem Zellengehäuse verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Entgasungsventil und der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschriebenen Merkmale gelten für das Verfahren zum Herstellen des Entgasungsventils und das Verfahren zum Herstellen der Batteriezelle entsprechend. Umgekehrt gelten die für das Verfahren zum Herstellen des Entgasungsventils und das Verfahren zum Herstellen der Batteriezelle beschriebenen Merkmale entsprechend für das Entgasungsventil und die Batteriezelle.
Weiterhin können mindestens zwei der erfindungsgemäßen Batteriezellen in einem Batteriemodul umfasst sein. Die Batteriezellen können dabei in Serie oder parallel geschaltet sein. Weiterhin können mehrere Batteriezellen in einer Matrix verschaltet sein, wobei die Batteriezellen strangweise in Serie oder parallel geschaltet sind.
Zusätzlich wird erfindungsgemäß eine Batterie mit mindestens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, bevorzugt mit mehreren Batteriemodulen, vorgeschlagen, die weiter bevorzugt ein Entgasungssystem aufweist. Dabei kann das Entgasungssystem derart ausgestaltet sein, dass im Entgasungsfall, also bei Öffnen des erfindungsgemäßen Entgasungsventils, austretende Gase kontrolliert abgeleitet werden. Beispielsweise kann das Entgasungssystem mehrere der erfindungsgemäßen Batteriezellen oder gegebenenfalls mehrere Batteriemodule über Rohrleitungen miteinander verbinden.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung mindestens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem Fahrzeug, insbesondere als Antriebsaggregat in einem Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle insbesondere als Antriebsaggregat umfasst.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, Batteriezellen mit einem einfach zu realisierenden Schutzmechanismus zu versehen, der insbesondere im Entgasungsfall die austretenden Gase sicher ableitet. Der Einsatz einer porösen Festkörpermembran bietet dazu eine wirkungsvolle Präventionsmaßnahme. So werden überhöhte Drücke oder Druckspitzen im Entgasungsfall effektiv reduziert beziehungsweise eliminiert. Dabei hat die verringerte Austrittsgeschwindigkeit des Gasgemisches einen positiven Effekt auf die Druckentwicklung im Entgasungssystem und bietet dadurch einen effizienten Schutz. Zusätzlich kann die poröse Festkörpermembran eine Filterwirkung aufweisen und zumindest teilweise Entgasungsprodukte zurückhalten. Die Betriebssicherheit von Batterien wird somit deutlich verbessert.
Das erfindungsgemäße Entgasungsventil ermöglicht ein kontrolliertes Öffnen der Batteriezelle ab einer kritischen Temperatur oder einem kritischen Druck der Batteriezelle, die den Entgasungsfall in der Batteriezelle markiert. Zusätzlich kann das Entgasungsventil durch die Materialwahl, insbesondere die Wahl der porösen Festkörpermembran und des Werkstoffes zum Verschließen der Poren, an unterschiedliche Batteriezellen und Anwendungen angepasst werden. Das Entgasungsventil ist weiterhin einfach herzustellen und lässt sich ohne weitere Modifikationen in bestehende Zellengehäuse integrieren. Insbesondere kann die Trägerschicht an unterschiedliche Gehäusematerialien angepasst sein, um eine feste Verbindung des Entgasungsventil im Zellengehäuse zu gewährleisten.
Mit dem Entgasungsventil können Batteriezellen in einen sicheren Zustand überführt werden. Dadurch werden nachfolgende Reaktionen, etwa ein unkontrolliertes Austreten von giftigen Gasen und Flüssigkeiten aus dem Entgasungssystem oder ein Übergreifen auf andere Batteriezellen in einem Batteriemodul, verhindert. Derartige Schutzmaßnahmen sind insbesondere für Anwendungen im Fahrzeug von großem Interesse, um den Fahrer und die Insassen zu schützen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Teilansicht einer Batterie mit mehreren Batteriezellen gruppiert in Batteriemodulen und einem Entgasungssystem,
2 eine 3D-Darstellung einer Batteriezelle mit erfindungsgemäßem Entgasungsventil,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entgasungsventils für die Batteriezelle gemäß 2,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entgasungsventils für die Batteriezelle gemäß 2, und
5 ein Verfahrensablauf zum Herstellen des Entgasungsventils gemäß 3 und 4 in Form eines Flussdiagramms.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Teilansicht einer Batterie 10 mit mehreren Batteriezellen 12 und einem Entgasungssystem 14.
Die Batteriezellen 12 der Batterie 10 sind in Batteriemodulen 16 gruppiert. Dabei umfasst jedes Batteriemodul 16 mehrere Batteriezellen 12, die in einem Batteriemodulgehäuse 18 angeordnet sind. Die Batteriezellen 12 können hierbei in Serie, parallel oder in einer Matrix strangweise in Serie oder parallel geschaltet sein.
Weiterhin umfasst die Batterie 10 ein Entgasungssystem 14, das eine Entgasungsleitung 20 mit Öffnungen 22 aufweist. Die Entgasungsleitung 20 kann beispielsweise über Anschlüsse 24 in Form von T-Anschlüssen mit einem zwischengeschalteten Schlauch 26 gebildet sein. In den Armen der T-Anschlüsse, welche zu einem Batteriemodul 16 der Batterie 10 führen, kann jeweils ein Sperrelement 28, beispielsweise ein Rückschlagventil, angeordnet sein. Über den Anschluss 24 ist die Entgasungsleitung 20 mit dem Batteriemodulgehäuse 18 verbunden.
Entgast eine der Batteriezellen 12, öffnet sich ein erfindungsgemäßes Entgasungsventil 38, wie in 2 bis 4 näher dargestellt, und Entgasungsprodukte, im Wesentlichen Batteriegase und/oder Elektrolyt, werden innerhalb des Batteriemodulgehäuses 18 aufgefangen und über das Sperrelement 28 durch die Öffnung 22 in die Entgasungsleitung 20 geleitet. Über die Entgasungsleitung 20 gelangen die Entgasungsprodukte aus den Batteriemodulen 16 und aus ihrem Batteriemodulgehäuse 18 beispielsweise ins Freie. Auf ihrem Weg durch die Entgasungsleitung 20 werden die Entgasungsprodukte durch die Sperrelemente 28 daran gehindert, zu den Batteriezellen 12 anderer, nicht entgasender Batteriemodule 16 vorzudringen. Somit wird verhindert, dass die anderen Batteriemodule 16 der Batterie 10, die von der Entgasung einer Batteriezelle 12 nicht betroffen sind, durch die korrosive Wirkung der Entgasungsprodukte geschädigt werden.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Batteriezelle 12 mit Entgasungsventil 38 in 3D-Darstellung.
Die Batteriezelle 12 umfasst ein Zellengehäuse 30, in dem eine elektrochemische Elektrodenanordnung (nicht dargestellt) aufgenommen ist. Das Zellengehäuse 30 ist weiterhin mit einem Terminaldeckel 32 verschlossen, der eine elektrische Anbindung von außerhalb des Zellengehäuses 30 an die elektrochemische Elektrodenanordnung ermöglicht. Dazu stellt der Terminaldeckel 32 Kollektoren 34 bereit, die jeweils mit einer positiven und einer negativen Elektrodenlage der Elektrodenanordnung elektrisch verbunden sind.
Das Zellengehäuse 30 der 2 ist als Hardcase in zylindrische Formen mit eckiger Grundfläche ausgeführt. In anderen Ausführungsformen kann das Zellengehäuse 30 auch andere etwa zylindrische Formen mit runder Grundfläche annehmen. Das Zellengehäuse 30 kann weiterhin aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Für Hardcases eignen sich beispielsweise elektrisch leitende Metalle, wie Stahl, Aluminium oder Aluminiumlegierungen, oder Kunststoffe. Neben der Hardcaseausführung des Zellengehäuses 30 sind auch Softpackausführungen möglich, die beispielsweise aus Folien, insbesondere Verbundfolien wie Aluminium-Verbundfolie, hergestellt sind.
Im Terminaldeckel 32 des Zellengehäuses 30 ist eine Entgasungsöffnung 36 mit einem Entgasungsventil 38 angeordnet. Das Entgasungsventil 38 dient dazu, die austretenden Gase und Flüssigkeiten im Entgasungsfall in das Entgasungssystem 14 abzuleiten. Um das hohe Gefahrenpotential einer hohen Austrittsgeschwindigkeit des emittierten Gasgemisches einer oder mehrerer Batteriezellen 12 und die damit verbundene Gefahr der schlagartigen Zerstörung des Entgasungssystems 14 zu verringern, umfasst das Entgasungsventil 38 eine poröse Festkörpermembran 40. Diese baut den Überdruck sowie Druckspritzen des emittierten Gasgemisches vor Eintritt in das Entgasungssystem 14 ab und vermindert so die Druckbelastung auf das Entgasungssystem 14. Das Entgasungsventil 38 kann dabei, wie in den 3 und 4 näher dargestellt, ausgeführt sein.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entgasungsventils 38 für die Batteriezelle 12 gemäß 2.
Das Entgasungsventil 38 umfasst die poröse Festkörpermembran 40, die von einer Trägerschicht 42 umgeben ist. Die poröse Festkörpermembran 40 kann beispielsweise als nanoporöse Siliziummembran oder als nanoporöse Kunststoffmembran ausgeführt sein. Wie in der Ausführungsform der 3 dargestellt sind die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 als vertikale Kanäle mit hexagonaler Grundform ausgestaltet. Die Trägerschicht 42 kann aus Metall, wie Aluminium, oder aus Kunststoff gefertigt sein. Die poröse Festkörpermembran 40 ist in die Trägerschicht 42 eingebettet und kann mit der Trägerschicht 42 verschweißt oder verpresst sein.
Weiterhin ist die poröse Festkörpermembran 40 mit einer Kunststofffolie 44 bedeckt. Dazu ist die Kunststofffolie 44 über dem gesamten Umfang der porösen Festkörpermembran 40 mit der Trägerschicht 42 verbunden. Die Kunststofffolie 44 kann zum Beispiel aufgeklebt oder eingeklemmt sein. Sie verschließt das Entgasungsventil 38 und dichtet die Batteriezelle 12 vollständig gegenüber der Umwelt ab.
Im Entgasungsfall erwärmt sich die Batteriezelle 12 auf so hohe Temperaturen, dass die Kunststofffolie 44 schmilzt. Alternativ oder zusätzlich kann sich im Entgasungsfall auch ein so hoher Druck in der Batteriezelle 12 aufbauen, dass sich die Kunststofffolie 44 von der Trägerschicht 42 löst. Dadurch öffnen sich die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 und die Gase können durch die Poren 46 entweichen. Die Batteriezelle 12 wird somit abhängig von der Schmelztemperatur der Kunststofffolie 44 oder abhängig von den Druckverhältnissen in der Batteriezelle 12 automatisch geöffnet. Durch die poröse Festkörpermembran 40 wird die Austrittsgeschwindigkeit der austretenden Gase reduziert und damit die Druckbeanspruchung für das Entgasungssystem 14 minimiert.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entgasungsventils 38 für die Batteriezelle 12 gemäß 2.
Das Entgasungsventil 38 in 4 entspricht im Wesentlichen dem Entgasungsventil 38 der 3. Im Unterschied zu dem Entgasungsventil 38 der 3 ist der Verschluss der porösen Festkörpermembran 40 jedoch anders ausgestaltet. So sind die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 mit einem Werkstoff 58, wie einem Kunststoff oder einem Lack, gefüllt.
Ebenso wie in der Ausführungsform der 3 erwärmt sich im Entgasungsfall die Batteriezelle 12 auf so hohe Temperaturen, dass der Werkstoff 58, also der Kunststoff oder der Lack, bei der kritischen Temperatur schmilzt. Alternativ oder zusätzlich kann sich im Entgasungsfall auch ein so hoher Druck in der Batteriezelle 12 aufbauen, dass sich der Werkstoff 58 aus den Poren 46 löst. Dadurch öffnen sich die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 und die Gase können durch die Poren 46 entweichen. Die Batteriezelle 12 wird somit abhängig von der Schmelztemperatur des Werkstoffes 58, also des Kunststoffes oder des Lackes, oder den Druckverhältnissen in der Batteriezelle 12 automatisch geöffnet. Durch die poröse Festkörpermembran 40 wird die Austrittsgeschwindigkeit der austretenden Gase reduziert und damit die Druckbeanspruchung für das Entgasungssystem 14 minimiert.
5 zeigt einen Verfahrensablauf 50 zum Herstellen des erfindungsgemäßen Entgasungsventils 38 gemäß 3 und 4 in Form eines Flussdiagramms.
Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Entgasungsventils 38 für die Batteriezelle 12 der 2 wird in einem ersten Schritt 52 die poröse Festkörpermembran 40 bereitgestellt, in einem zweiten Schritt 54 diese in eine Trägerschicht 42 eingebettet und in einem dritten Schritt 56 die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 verschlossen. Das Verschließen der Poren 46 im dritten Schritt 56 kann in anderen Ausführungsformen auch vor dem Einbetten 54 in die Trägerschicht 42 im zweiten Schritt 54 erfolgen.
Zum Verschließen der porösen Festkörpermembran 40 im dritten Schritt 56 werden die Poren 46 mit der Kunststofffolie 44 bedeckt oder mit dem Werkstoff 58 gefüllt. So kann die poröse Festkörpermembran 40 von der Kunststofffolie 44, wie in 3 gezeigt, bedeckt werden. Alternativ können die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 mit dem Werkstoff 58, wie in 4 gezeigt, gefüllt werden.
Beim Füllen der Poren 46 wird der Werkstoff 58, etwa ein Kunststoff oder ein Lack, in Pulverform oder in Granulatform auf die poröse Festkörpermembran 40 aufgebracht und erwärmt. Beispielsweise kann der Werkstoff 58 in Pulverform oder in Granulatform auf die poröse Festkörpermembran 40 aufgebracht werden, so dass er die poröse Festkörpermembran 40 vollständig verdeckt. Der Porendurchmesser der porösen Festkörpermembran 40 ist dabei vorzugsweise geringer gewählt als der Durchmesser des Pulvers oder des Granulats. Durch das Einbringen von Wärme, beispielsweise durch Infrarotstrahlung oder durch die Verwendung eines beschichteten Heizstempels, kann der Werkstoff 58 aufgeschmolzen werden und verschließt die Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 derart, dass die Batteriezelle 12 nach Einbringen des Entgasungsventils 38 in das Zellengehäuse 30 gegenüber der Umwelt vollständig abgedichtet ist.
Alternativ wird zum Füllen der Poren 46 die poröse Festkörpermembran 40 in den Werkstoff 58, etwa den Lack oder eine Kunststoffschmelze, eingetaucht. Der Werkstoff 58 härtet dann während des Abkühlens aus und verschließt damit die Poren 46. Die Trägerschicht 42 der porösen Festkörpermembran 40 kann währenddessen abgeklebt werden.
Weiter alternativ wird der Werkstoff 58 direkt in Poren 46 der porösen Festkörpermembran 40 eingebracht werden. Dazu kann ein Lack oder eine Kunststoffschmelze direkt auf die poröse Festkörpermembran 40 aufgebracht werden, beispielsweise mit entsprechenden Düsen.
Beim Herstellen einer Batteriezelle 12 wird demzufolge zumindest ein Zellengehäuse 30 mit einer Entgasungsöffnung 36 im Terminaldeckel 32 bereitgestellt und das vorstehend beschriebene Entgasungsventil 38 eingesetzt. Dabei wird insbesondere die Trägerschicht 42 mit dem Terminaldeckel 32 verbunden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb der durch die angehängten Ansprüche angegebenen Bereiche eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2416404 A2 [0004]
JP 2007-265725 A [0005]
DE 102012200869 A1 [0006]

Claims

Entgasungsventil (38) für eine Batteriezelle (12) mit einer gasdurchlässigen Membran, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige Membran als poröse Festkörpermembran (40) ausgestaltet ist.
Entgasungsventil (38) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Festkörpermembran (40) im Wesentlichen offenporig ausgestaltet ist.
Entgasungsventil (38) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Festkörpermembran (40) aus porösem Silizium oder porösem Kunststoff gefertigt ist.
Entgasungsventil (38) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Poren (46) der porösen Festkörpermembran (40) mit einem Werkstoff (44, 58) verschlossen sind, der bei einer kritischen Temperatur der Batteriezelle (12) schmilzt und/oder sich bei einem kritischen Druck von den Poren (46) löst.
Entgasungsventil (38) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasungsventil (38) eine Trägerschicht (42) umfasst, in die die poröse Festkörpermembran (40) eingebettet ist.
Entgasungsventil (38) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Festkörpermembran (40) mit einer Folie des Werkstoffes (44) bedeckt ist, der bei der kritischen Temperatur der Batteriezelle (12) schmilzt und/oder sich bei dem kritischen Druck von den Poren (46) löst.
Entgasungsventil (38) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Poren (46) der porösen Festkörpermembran (40) mit einem Werkstoff (58) gefüllt sind, der bei der kritischen Temperatur der Batteriezelle (12) schmilzt und/oder sich bei dem kritischen Druck von den Poren (46) löst.
Batteriezelle (12) mit einer elektrochemischen Elektrodenanordnung in einem Zellengehäuse (30), wobei das Zellengehäuse (30) wenigstens eine Entgasungsöffnung (36) aufweist, in der das Entgasungsventil (38) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist
Verfahren zum Herstellen eines Entgasungsventils (38) für eine Batteriezelle (12) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer porösen Festkörpermembran (40), und b) Verschließen von Poren (46) der porösen Festkörpermembran (40).
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Festkörpermembran (40) in eine Trägerschicht (42) eingebettet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (46) mit einem Werkstoff (44, 58) verschlossen werden, der bei einer kritischen Temperatur der Batteriezelle (12) schmilzt und/oder sich bei einem kritischen Druck von den Poren (46) löst.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Festkörpermembran (40) von einem Werkstoff (44) bedeckt wird oder die Poren (46) der porösen Festkörpermembran (40) mit einem Werkstoff (58) gefüllt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (58) in Pulverform oder in Granulatform auf die poröse Festkörpermembran (40) aufgebracht und erwärmt wird, oder dass die poröse Festkörpermembran (40) in den Werkstoff (58) eingetaucht wird oder dass der Werkstoff (58) direkt in Poren (46) der porösen Festkörpermembran (40) eingebracht wird.
Batterie (10) mit mindestens einer Batteriezelle (12) gemäß Anspruch 8.
Fahrzeug umfassend mindestens eine Batteriezelle (12) gemäß Anspruch 8.