DE102013221747A1

DE102013221747A1 - Zellwickelfolie mit integrierter Heizung

Info

Publication number: DE102013221747A1
Application number: DE201310221747
Authority: DE
Inventors: Anne Heubner; Achim Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (1), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, beschrieben, mit einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, welche in gewickelter Form vorliegen und von einer Zellwickelfolie (5) umgeben sind und wobei die Zellwickelfolie (5) eine integrierte Heizung (7) aufweist. Desweiteren wird ein die Batteriezelle (1) enthaltendes Batteriesystem, sowie ein Verfahren zum Betrieb der integrierten Heizung (7) beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, deren gewickelte Komponenten von einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung umgeben sind, und ein die Batteriezelle enthaltendes Batteriesystem, sowie ein Verfahren zum Betrieb der integrierten Heizung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Batteriezelle ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.
In der DE 10 2011 108 196 ist eine Einzelzelle offenbart, welche Heizelemente, als Teil des Gehäuses in der Batteriezelle zur Erwärmung der Einzelteile im Gehäuse, umfasst. Das Heizelement kann hierbei als Folie ausgeprägt sein. Über einen Temperaturfühler, welcher Signale an ein Schalterelement ausgibt, kann die Heizung ein- oder ausgeschaltet werden.
In der DE 20 2005 016 078 ist ein schmiegsames, flächiges Heizgerät mit einem flexiblen Träger offenbart, welches durch Stromdurchfluss erhitzt werden kann. Das Heizelement kann folienartig ausgebildet sein. Der Einsatz des Heizgeräts ist allerdings nicht für den Einsatz in Batteriesystemen vorgesehen.
In der DE 10 2008 044 162 wird eine Batterie beschrieben, in deren Gehäuse Wärmeleitelemente angeordnet sind. Diese sind stab- oder plattenförmig und im zentralen Bereich der Batterie angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle, welche eine Zellwickelfolie mit integrierter Heizung umfasst, sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Dies beruht insbesondere darauf, dass eine negative Elektrode, ein Separator sowie eine positive Elektrode der Batteriezelle in gewickelter Form als Zellwickel vorliegen und von einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung umgeben sind. Die Integration der Heizung in die Zellwickelfolie der Batteriezelle ist dabei so zu verstehen, dass die Heizung vorzugsweise vollständig in die Zellwickelfolie eingebettet ist. Auf der einen Seite ist die Heizung beispielsweise auf die Zellwickelfolie aufgebracht und auf der anderen Seite wird die Heizung durch eine weitere auf die Heizung aufgebrachte Isolationsschicht, vorteilhafterweise ebenfalls eine Zellwickelfolie, isoliert. Die Integration der Heizung in die Zellwickelfolie bietet den Vorteil, dass die gewickelten Bestandteile der Batteriezelle direkt und lokal auf eine Betriebstemperatur beheizt werden können. Hierdurch wird der Zeitraum verkürzt, welchen eine Batterie bräuchte, um eine Betriebstemperatur mithilfe einer indirekten Heizung zu erreichen. Im Vergleich zu einer indirekten Beheizung beispielsweise über einen externen Fluidkreislauf werden erhebliche Energiemengen eingespart, da insbesondere die Beheizung des Gehäuses der Batteriezelle, des Fluidstromes im Thermomanagementsystem der Batteriezelle und sonstiger Bestandteile der Batteriezelle entfallen. Ein weiterer Vorteil einer lokalen Beheizung im Vergleich zu konventionellen Verfahren ist, dass über eine indirekte Beheizung zusätzlich erhitzte Bestandteile der Batteriezelle, wie beispielsweise der Fluidstrom im Thermomanagementsystem, während des weiteren Betriebs nicht wieder abgekühlt werden müssen. Zudem ist es für die sich nicht im Zellwickel befindlichen Bestandteile der Batteriezelle besser, wenn diese nicht unnötig über eine indirekte Beheizung erwärmt und schließlich wieder gekühlt werden, da oftmaliges Erhitzen und Kühlen zur schnelleren Alterung der Batteriezelle beiträgt. Die Integration einer Heizung in die Zellwickelfolie bietet außerdem den Vorteil, dass kein zusätzlicher Platz benötigt wird, der für andere Zellbauteile vorgesehen ist. Die in Zellwickelfolie eingebettete Heizung wird durch die sie umgebende Zellwickelfolie geschützt. Zudem wird ungewollter Kontakt zu anderen Bauteilen der Batteriezelle vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden, in die Zellwickelfolie integrierten Heizung und des Verfahrens zum Betrieb derselben ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist es von Vorteil, wenn die Schichtdicke der Zellwickelfolie in einer ersten Ausführungsform höchstens 15mal so dick ist wie die Dicke des Heizdrahtes der integrierten Heizung. Je dünner die Zellwickelfolie der Batteriezelle, desto besser funktioniert der Wärmeübergang von der Heizung über die Zellwickelfolie in den Zellwickel. Zudem ist der thermische Widerstand zwischen Zellgehäuse und Zellwickel geringer, was bei eventuellem späterem Kühlen der Batterie ebenfalls von Vorteil ist. In einer alternativen Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die in die Zellwickelfolie integrierte Heizung höchstens die 0,5-fache Schichtdicke der Zellwickelfolie aufweist. Je dünner die Schichtdicke der Heizung, desto stabiler ist der Verbund aus Heizung und Zellwickelfolie.
Ein Vorteil beider genannter Ausführungsformen ergibt sich, wenn die in die Zellwickelfolie integrierte Heizung eine Widerstandsheizung ist, bei der sich der elektrische Leiter bei Stromfluss infolge des elektrischen Widerstands erwärmt und elektrische Energie in thermische Energie umwandelt. Als Widerstand sind verschiedene Materialien einsetzbar. Die Schichtdicke der in die Zellwickelfolie integrierten Heizung kann beispielsweise zwischen 0,1 µm und 100 µm liegen da der Wärmeübergang bei Schichtdicken in diesem Bereich gut funktioniert und die Stabilität der Zellwickelfolie mit integrierter Heizung zudem gewährleistet ist. Bevorzugt liegt die Schichtdicke der in die Zellwickelfolie integrierten Heizung zwischen 0,1 µm und 50µm, insbesondere zwischen 0,1 µm und 10 µm. Zudem ist es von Vorteil, wenn die Heizung flächig ausgeführt ist und die Zellwickelfolie zumindest teilweise bedeckt. Je größer die Fläche der Heizung, desto schneller werden die gewickelten Bestandteile der Batteriezelle erwärmt. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn in die Zellwickelfolie mehrere Heizungen an unterschiedlichen Orten integriert sind, sodass die gewickelten Bestandteile der Batteriezelle gleichmäßig von allen Seiten erwärmt werden.
In einer Ausführungsform wird die Heizung auf die Zellwickelfolie der Batteriezelle mittels Druckverfahren aufgebracht, was vergleichsweise kostengünstig und zeitsparend ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die Heizung mittels Klebeverfahren auf die Zellwickelfolie der Batteriezelle aufgebracht, was den Vorteil bietet, dass dies vergleichsweise zeitsparend ist und zusätzlich die dichtende Funktion des Klebstoffes ausgenutzt werden kann. Alternativ kann die Heizung auf die Zellwickelfolie der Batteriezelle durch Bedampfen aufgebracht werden, was den Vorteil einer hohen Flexibilität bietet und zudem preisgünstig ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird die Heizung durch ein Metallisierungsverfahren auf die Zellwickelfolie der Batteriezelle aufgebracht woraus haftfeste Oberflächen mit guter Qualität resultieren. Ein späteres Einsetzen eines Teils einer Zellwickelfolie mit bereits aufgebrachter Heizung in Aussparungen der Zellwickelfolie der Batteriezelle ist vorteilhaft, da die Handhabung beim Aufbringen der Heizung deutlich einfacher ist und zudem nur der Teil der Zellwickelfolie bei der Aufbringung der Heizung präsent sein muss, der später in die Aussparungen der Zellwickelfolie der Batteriezelle eingesetzt wird. Dies beugt eventuellen Beschädigungen vor.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Teil der Zellwickelfolie auf den bereits eine Heizung, beispielsweise mithilfe einer der genannten Möglichkeiten zur Aufbringung dieser, aufgebracht ist, auf die Zellwickelfolie der Batteriezelle aufgeklebt werden. In diesem Fall enthält die Zellwickelfolie der Batteriezelle keine Aussparungen.
Es ist ebenso ein Vorteil bei allen genannten Ausführungsformen einen zusätzlichen Sensor in die Zellwickelfolie der Batteriezelle zu integrieren, insbesondere einen Temperatur- oder Drucksensor. Auf diese Weise können die gewickelten Bestandteile der Batteriezelle auf eine Betriebstemperatur erwärmt werden und der Temperaturanstieg bzw. die Änderung des Drucks gleichzeitig mithilfe des Sensors gemessen werden. Zudem hat ein in die Zellwickelfolie der Batteriezelle integrierter Sensor den Vorteil, dass Parameter wie insbesondere die Temperatur oder der Druck direkt an den gewickelten Bestandteilen der Batteriezelle gemessen werden können. Dieser Wert ist somit sehr genau und kann nicht durch die Temperatur anderer Batteriebestandteile verfälscht werden. Zudem werden Veränderungen der Temperatur und der gewickelten Bestandteile der Batteriezelle unmittelbar bemerkt, sodass eine direkte Überwachung möglich ist, was zusätzlichen Schutz vor einem Kurzschluss in der Batteriezelle bietet und eine schnellere Reaktion auf ungewollte Entwicklungen in der Batteriezelle ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem seitlichen Verpressen mehrerer Batteriezellen bei der Herstellung, sodass auch die Zellwickel zusammengepresst werden. Dies verhindert zum Einen ein Aufblähen der Batteriezellen während des Ladevorgangs und zum Anderen wird dadurch eine gute thermische Kontaktierung zwischen Zellwickel und Zellwickelfolie ermöglicht, sodass der Wärmeübergang von der Heizung in die gewickelten Bestandteile der Batteriezelle effizienter erfolgt.
In einer alternativen Ausführungsform können auch mehrere Zellwickel von derselben Zellwickelfolie umgeben sein. Hierdurch werden sowohl Platz als auch Kosten eingespart.
Desweiteren ergibt sich aus dem unabhängigen Anspruch des Verfahren zum lokalen Beheizen einer Batteriezelle der Vorteil, die in die Zellwickelfolie integrierte Heizung mit Strom über einen Ableiter zu versorgen, da dies auf einfache Weise realisiert werden kann und keine zusätzlichen Komponenten in die Batteriezelle eingebaut werden müssen. Auf diese Weise wird Platz gespart, welcher eventuell für andere Komponenten der Batteriezelle vorgesehen ist, sowie zusätzliche Kosten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1: die schematische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, mit einem Zellwickel, bestehend aus einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, welche in gewickelter Form vorliegen und von einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung umgeben sind,
2: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere Zellwickel von einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung umgeben sind,
3: die schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung einer Batteriezelle gemäß den 1 und 2, und
4a: die schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung gemäß einer weiteren Variante in frontaler dreidimensionaler Ansicht, und
4b: die schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung gemäß der weiteren Variante in seitlicher Ansicht, und
4c: die schematische Darstellung einer Zellwickelfolie mit Aussparungen zur Aufnahme eines Ausschnitts einer Zellwickelfolie mit integrierter Heizung gemäß der 4a und 4b.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 mit einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, welche in gewickelter Form vorliegen und als Zellwickel 3 bezeichnet werden. Der Zellwickel 3 der Batteriezelle 1 ist von einer Zellwickelfolie 5 mit integrierter Heizung 7, welche vorzugsweise eine Widerstandsheizung ist, umgeben. Die integrierte Heizung 7 ist über eine Verbindung 9, vorzugsweise einen Draht, mit einem Ableiter 11 verbunden und wird über diesen mit Strom versorgt. Die Ableiter 11 einer Batteriezelle 1 verbinden die Elektroden elektrisch leitfähig mit den Batteriepolen auf der Außenseite der Batteriezelle 1. Durch die in die Zellwickelfolie 5 integrierte Heizung 7 wird der Zellwickel 3 auf eine Betriebstemperatur erwärmt. Vorzugsweise sind mehrere Heizungen 7 an unterschiedlichen Bereichen der Zellwickelfolie 5 integriert, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung des Zellwickels 3 von mehreren oder allen Seiten gewährleistet wird. Alternativ kann die Heizung 7 auch die gesamte Zellwickelfolie 5 durchziehen.
In 2 ist eine ausgehend von 1 weiterführende Ausführungsform dargestellt, in der die erfindungsgemäße Batteriezelle 1 mehrere Zellwickel 3 beinhaltet, die von einer gemeinsamen Zellwickelfolie 5 mit integrierter Heizung 7 umgeben sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind vorzugsweise mehrere Heizungen 7 an unterschiedlichen Bereichen der Zellwickelfolie 5 integriert, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung der Zellwickel 3 von mehreren oder allen Seiten gewährleistet wird.
3 zeigt die schematische Darstellung eines Ausschnitts aus der erfindungsgemäßen Zellwickelfolie 5 mit integrierter Heizung 7, wobei die Heizung 7 vollständig in die Zellwickelfolie 5 integriert ist. Die Heizung 7 kann beispielsweise durch Aufdrucken, Aufkleben, Bedampfen oder Metallisieren auf eine erste Zellwickelfolie 5a aufgebracht sein. Um die Heizung 7 elektrisch zu isolieren wird auf der nicht der Zellwickelfolie 5a zugewandten Großfläche der Heizung 7 eine weitere, isolierende Zellwickelfolie 5b aufgebracht, sodass diese vollständig von der ersten Zellwickelfolie 5a bzw. der weiteren isolierenden Zellwickelfolie 5b umgeben ist. Hierbei weist die Heizung 7 vorzugsweise eine Dicke von 0,1–100 µm auf. Die Dicke der Zellwickelfolie 5, 5a, 5b liegt vorzugsweise im Bereich von 20–200 µm. Zur Berechnung der Gesamtdicke der Zellwickelfolie 5 mit integrierter Heizung 7 addieren sich somit die Schichtdicke der ersten Zellwickelfolie 5a, die Schichtdicke der Heizung 7 und die Schichtdicke der sich auf der anderen Großfläche der Heizung befindlichen weiteren isolierenden Zellwickelfolie 5b.
In den 4a und 4b ist eine weitere Variante dargestellt, bei der die Heizung 7 lediglich auf einem bzw. auf mehrere Folienausschnitte einer ersten Zellwickelfolie 5a aufgebracht ist und anschließend auf der nicht der Zellwickelfolie 5a zugewandten Großfläche der Heizung 7 mit einem weiteren Folienausschnitt einer isolierenden Zellwickelfolie 5b isoliert wird. 4a zeigt eine frontale dreidimensionale Ansicht des Verbundes aus erster Zellwickelfolie 5a, Heizung 7 mit einem Stück der Verbindung 9, welche vorzugsweise ein Draht ist, und zweiter isolierender Zellwickelfolie 5b. Eine seitliche Ansicht selbigen Verbundes ist in 4b dargestellt. Der Verbund aus erster Zellwickelfolie 5a, Heizung 7 und zweiter isolierender Zellwickelfolie 5b wird in Aussparungen 13 der Zellwickelfolie 5 der Batteriezelle 1 eingesetzt. Eine entsprechende Zellwickelfolie 5 mit Aussparungen 13 ist in 4c dargestellt. Die Heizung 7 wird über die Stücke der Verbindung 9 mit den sich bereits in der Zellwickelfolie 5 befindlichen Verbindungen 9, vorzugsweise Drähte, verbunden, welche beispielsweise in Reihe geschaltet verlaufen und mit einem nicht dargestellten Ableiter 11 über Kontaktpunkte 9a und 9b in geeigneter Weise elektrisch kontaktiert sind.
Bevorzugt sind die einzusetzenden Ausschnitte der ersten Zellwickelfolie 5a und der weiteren isolierenden Zellwickelfolie 5b etwas größer als die Aussparungen 13 der Zellwickelfolie 5, sodass beim Einsetzen eine Überlappung erzielt wird, die gewährleistet, dass die Zellwickelfolie 5 dicht ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann die in den 1–4 beschriebene Heizung 7 auch zur Integration in weitere Folien innerhalb der Batteriezelle 1 vorgesehen sein, wie beispielsweise in die Separatorfolie oder eine zusätzliche zweckmäßig in die Batteriezelle 1 eingebrachte Folie, um Komponenten der Batterie lokal beheizen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011108196 [0003]
DE 202005016078 [0004]
DE 102008044162 [0005]

Claims

Batteriezelle (1), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einer negativen Elektrode, einem Separator und einer positiven Elektrode, welche in gewickelter Form vorliegen und von einer Zellwickelfolie (5) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwickelfolie (5) eine integrierte Heizung (7) aufweist.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Zellwickelfolie (5) höchstens 15mal so dick ist wie die Schichtdicke des Heizdrahtes der integrierten Heizung (7).
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Zellwickelfolie (5) integrierte Heizung (7) eine Widerstandsheizung ist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7) höchstens die 0,5fache Schichtdicke der Zellwickelfolie (5) aufweist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7) eine Dicke zwischen 0,1 µm und 100 µm aufweist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7) die Zellwickelfolie (5) zumindest teilweise bedeckt.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (7) auf die Zellwickelfolie (5) aufgedruckt und/oder aufgeklebt ist und/oder durch Bedampfen und/oder durch Metallisierung auf die Zellwickelfolie (5) aufgebracht ist.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwickelfolie (5) Aussparungen enthält, in die eine Folie mit aufgebrachter Heizung (7) eingesetzt wird.
Batteriezelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwickelfolie (5) zusätzlich einen integrierten Sensor enthält.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperatur- oder Drucksensor ist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Veränderungen des elektrischen Widerstandes misst und/oder dass der Sensor ein Halbleitersensor ist und/oder dass der Sensor ein kapazitver Sensor ist und/oder dass der Sensor ein Thermoelement ist.
Batterie, insbesondere eine Lithiumionen-Batterie, welche mindestens eine Batteriezelle (1) umfasst, die jeweils eine negative Elektrode, einen Separator und eine positiven Elektrode enthält, welche in gewickelter Form vorliegen und von einer Zellwickelfolie (5) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellwickelfolie (5) der mindestens einen Batteriezellen (1) eine integrierte Heizung (7) aufweist.
Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Batteriezellen (1) seitlich miteinander verpresst sind.
Batterie nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Batteriezelle (1) der Batterie mehrere Zellwickel (3) enthalten sind, die von derselben Zellwickelfolie (5) umgeben sind.
Verfahren zum lokalen Beheizen einer Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1–11 auf eine Betriebstemperatur, wobei die Batteriezelle (1) über einen Ableiter (11) der Batteriezelle (1) mit Strom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine in eine Zellwickelfolie (5) der Batteriezelle (1) integrierte Heizung (7) über den Ableiter (11) mit Stom betrieben wird.