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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine nachladbare Lithium-Ionen-Zelle, umfassend ein die Batteriezelle umgebendes Zellgehäuse und ein Sicherheitsventil, welches in eine Öffnung des Zellgehäuses eingesetzt ist und ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert hinaus zu öffnen und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse zu ermöglichen.
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Stand der Technik
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Eingangs genannte Batteriezellen werden in vielfältiger Weise als Energiespeicher eingesetzt. Insbesondere werden derartige Batteriezellen in Batteriesystemen eingesetzt, welche eine Mehrzahl solcher Batteriezellen aufweisen, die elektrisch miteinander zu einem oder mehreren Batteriemodulen verschaltet sind. Derartige Batteriesysteme werden insbesondere zur Bereitstellung der für den Betrieb von Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen erforderlichen Energie eingesetzt. Besonders bevorzugt werden hierbei Lithium-Ionen-Zellen als Batteriezellen eingesetzt. Besonders häufig werden dabei prismatische Batteriezellen mit einem festen metallischen Gehäuse (im Englischen und technischen Sprachgebrauch als sogenanntes Hardcase bezeichnet) eingesetzt. Das metallische Zellgehäuse schützt dabei die Batteriezellen insbesondere vor dem Eindringen von Feuchtigkeit.
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Erwärmt sich eine solche Batteriezelle über eine bestimmte Temperatur hinaus, so kann es zu einer sogenannten Entgasung der Batteriezelle kommen. Störungen, wie ein Kurzschluss zwischen den Elektroden der Batteriezelle, ein Überladen der Batteriezelle bei einem Ladevorgang oder eine extrem hohe Umgebungstemperatur, können dabei zu einer solchen kritischen Erwärmung der Batteriezelle führen. In Folge einer solchen kritischen Erwärmung können dabei ungewollte chemische Reaktionen in der Batteriezelle einsetzen, die zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (engl.: „thermal runaway“) führen können. Insbesondere kann sich ein für den Ionentransport zwischen den Elektroden einer Batteriezelle erforderlicher Elektrolyt in Folge der kritischen Erwärmung zersetzen und in einen dampf- beziehungsweise gasförmigen Zustand übergehen. Durch diese Gasbildung entsteht in kurzer Zeit ein hoher Druck innerhalb der Batteriezelle. Ein in das Zellgehäuse eingesetztes Sicherheitsventil verhindert dabei ein Platzen der Batteriezelle, da das Sicherheitsventil bei einem Überschreiten eines bestimmten Zellinnendrucks öffnet, sodass über das geöffnete Sicherheitsventil ein innerhalb der Batteriezelle gebildetes Gas sowie gegebenenfalls weitere gebildete Zersetzungsprodukte als Fluid aus dem Zellgehäuse entweichen können. Eine Lithium-Ionen-Zelle mit einem solchen Sicherheitsventil ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 103 28 862 B4 bekannt, wobei das Sicherheitsventil als metallische Berstmembran ausgebildet ist. Eine solche Berstmembran kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass diese bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks von etwa 6 bar birst.
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Nachteilig bei bislang bekannten Batteriezellen ist, dass nach einem Öffnen des Sicherheitsventils die Batteriezellkomponenten im Inneren des Zellgehäuses der Batteriezelle, insbesondere der Elektrolyt der Batteriezelle, mit der Umgebungsluft und insbesondere mit der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit in Kontakt kommen, wodurch die chemischen Reaktionen im Inneren des Zellgehäuses, die zu einem Öffnen des Sicherheitsventils geführt haben, weiter vorangetrieben werden und weiteres Gas und/oder Dämpfe gebildet werden. Insbesondere kann sich durch den Kontakt des Elektrolyten mit der Umgebungsfeuchte Wasserstoffgas (H2) bilden, welches sich aufgrund der in Folge des thermischen Durchgehens der Batteriezelle hohen Batteriezelltemperatur von mitunter mehr als 200° Celsius entzünden kann. Wasserstoff kann darüber hinaus auch durch Zersetzung bei hohen Temperaturen entstehen. Durch das geöffnete Sicherheitsventil kann mitunter entzündetes Gas aus dem Zellgehäuse der Batteriezelle entweichen und weiteren Schaden anrichten, insbesondere an anderen Batteriezellen oder weiteren Komponenten des Batteriesystems.
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Materialien, die als Flammensperre wirken können und dabei einen Gasdurchtritt ermöglichen sind im Stand der Technik bekannt. Ein als Flammensperre wirkendes Material ist beispielsweise von der Internetseite http://www.porex.com/de/product/automotive (Stand: 11. Oktober 2013) bekannt. Dort ist offenbart, ein poröses Polytetrafluorethylen Material (POREX® Porous PTFE Materials) in Be- und Entlüftungskomponenten für Batteriegehäuse von Starterbatterien für Kraftfahrzeuge einzusetzen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batteriezelle bereitzustellen, welche vor einem Platzen in Folge eines Anstiegs eines in dem Zellgehäuse herrschenden Zellinnendrucks durch ein Sicherheitsventil geschützt ist, wobei beim Öffnen des Sicherheitsventils vorteilhafterweise ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse verhindert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Batteriezelle, insbesondere eine nachladbare Lithium-Ionen-Zelle oder Lithium-Zelle, umfassend ein die Batteriezelle umgebendes Zellgehäuse und ein Sicherheitsventil, welches in eine Öffnung des Zellgehäuses eingesetzt ist und ausgebildet ist, bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert hinaus zu öffnen, insbesondere definiert zu öffnen, und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse zu ermöglichen, vorgeschlagen, wobei die Batteriezelle ferner ein semipermeables und/oder unidirektional permeables Verschlusselement aufweist, welches zusätzlich zu dem Sicherheitsventil die Öffnung verschließt, wobei das Verschlusselement ausgebildet ist, ein aus dem Zellgehäuse ausströmendes gasförmiges Medium passieren zu lassen. Das Verschlusselement ist vorzugsweise entweder semipermeabel ausgebildet oder unidirektional permeabel ausgebildet oder im Hinblick auf eine erste Gruppe von Stoffen semipermeabel und im Hinblick auf eine zweite Gruppe von Stoffen unidirektional permeabel, insbesondere derart, dass bei einer Zellentgasung freigesetztes Gas, wie CO2, durch das Verschlusselement aus dem Zellgehäuse der Batteriezelle entweichen kann und insbesondere Feuchtigkeit nicht von der äußeren Umgebung der Batteriezelle durch das Verschlusselement in das Innere des Zellgehäuses gelangen kann.
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Vorteilhafterweise ist das Verschlusselement so ausgebildet, dass dieses bei einem Zellinnendruck, welcher den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet und somit ein Öffnen des Sicherheitsventils bewirkt, nicht zerstört wird und weiterhin die Öffnung des Zellgehäuses verschließt. Das innerhalb des Zellgehäuses der Batteriezelle gebildete Gas beziehungsweise innerhalb des Zellgehäuses gebildeter Dampf kann dabei vorteilhafterweise durch das unbeschädigte die Öffnung weiterhin verschließende Verschlusselement das Zellgehäuse verlassen. Weitere Zersetzungskomponenten, die nicht gasförmig sind, werden dabei vorteilhafterweise an einem Austritt aus der Öffnung des Zellgehäuses durch das Material des Verschlusselementes gehindert. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Sicherheitsventil bei einem Schwellenwert, der vorzugsweise zwischen 5 bar und 7 bar liegt, öffnet. Als Elektrolyt oder Elektrolytbestandteil der Batteriezelle ist insbesondere ein organisch basiertes Lösemittel, vorzugsweise Ethylencarbonat oder Ethylenmethylcarbonat, vorgesehen. Die Batteriezelle weist zudem vorzugsweise eine Interkalations-Elektrode auf.
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Insbesondere ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Verschlusselement feuchtigkeitsundurchlässig ist. Durch die Feuchtigkeitsundurchlässigkeit des Verschlusselementes wird vorteilhafterweise verhindert, dass Feuchtigkeit aus der Umgebung außerhalb des Zellgehäuses durch die Öffnung in das Zellgehäuse eindringt, insbesondere durch die von dem Sicherheitsventil freigegebene Öffnung des Zellgehäuses. Gemäß einer Ausgestaltungsvariante ist vorgesehen, dass das Verschlusselement unidirektional feuchtigkeitsundurchlässig ist, derart, dass ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung außerhalb des Zellgehäuses durch die Öffnung in das Zellgehäuse durch das Verschlusselement verhindert wird. Durch das zusätzlich zu dem Sicherheitsventil die Öffnung des Zellgehäuses verschließende semipermeable beziehungsweise unidirektional permeable Verschlusselement können vorteilhafterweise geringere Anforderungen an die Dichtigkeit des in die Öffnung des Zellgehäuses eingesetzten Sicherheitsventils gestellt werden.
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Durch das feuchtigkeitsundurchlässig ausgebildete Verschlusselement wird insbesondere verhindert, dass bei einer Entgasung der Batteriezelle Feuchtigkeit durch das geöffnete Sicherheitsventil in das Zellgehäuse der Batteriezelle eindringt. Hierdurch wird somit vorteilhafterweise verhindert, dass die im Inneren des Zellgehäuses befindlichen Batteriebestandteile, insbesondere der Elektrolyt der Batteriezelle, in Kontakt mit Feuchtigkeit kommt, wodurch eine in Folge eines Feuchtigkeitskontaktes ausgelöste weitere Zersetzungsreaktionen, die zur Bildung von Fluorwasserstoff (HF) führen, verhindert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verschlusselement feuerundurchlässig ist. Entzündet sich ein innerhalb des Zellgehäuses gebildetes Gas durch eine entsprechend hohe Batteriezelltemperatur, so wird durch das feuerundurchlässige Verschlusselement vorteilhafterweise verhindert, dass Flammen durch das geöffnete Sicherheitsventil aus dem Zellgehäuse schlagen. Vorzugsweise ist das Verschlusselement zudem feuerfest.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verschlusselement feuchtigkeitsundurchlässig und/oder feuerundurchlässig ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist vorgesehen, dass das das Verschlusselement zumindest teilweise einen porösen Metallschaum und/oder eine poröse Keramik und/oder ein poröses Polymer und/oder einen anorganischen Stoff mit einer Schichtstruktur umfasst. Als poröser Metallschaum ist insbesondere ein Nickel-Schaum vorgesehen. Als anorganischer Stoff mit einer Schichtstruktur, welche insbesondere Dämpfe und/oder Partikel aufsaugen kann, ist insbesondere Vermiculit vorgesehen. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verschlusselement aus einem porösen Polypropylen (PP) ist, wobei das Verschlusselement vorzugsweise als Membran ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst das Verschlusselement zumindest teilweise ein POREX® Porous PTFE Material, insbesondere wenigstens eine Schicht aus diesem Material. Ein solches PFTE Material (PFTE: Polytetrafluorethylen) ist besonders bevorzugt vorgesehen. Vorteilhafterweise ermöglicht ein Verschlusselement, welches aus einem porösen Material, wie insbesondere einem porösen Metallschaum und/oder einer poröse Keramik und/oder einem poröses Polymer, ist, ein gutes Entweichen von Gas aus der durch das Sicherheitsventil freigegebenen Öffnung des Zellgehäuses. Darüber hinaus stellt ein solches poröses Material vorteilhafterweise eine Feuchtigkeitsbarriere dar. Vorteilhafterweise verbleiben bei einer Zellentgasung entstehende toxische Zersetzungsprodukte, wie HF, die auf den Rauchpartikel-Oberflächen absorbiert werden, in der Porosität beziehungsweise den Poren des Verschlusselementes, wohingegen gasförmige Zersetzungsprodukte, wie CO2, durch das poröse Material des Verschlusselementes das Zellgehäuse in die äußere Umgebung verlassen können. Insbesondere aus diesem Grund sowie aufgrund der Undurchlässigkeit von Feuchtigkeit wird das Verschlusselement als semipermeabel bezeichnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist das Verschlusselement eine semipermeable Membran oder eine unidirektional permeable Membran, vorzugsweise eine Membran aus einem porösen Polymermaterial. Ein als Membran aus einem porösen Polymermaterial, insbesondere aus einem PFTE-Material, ausgebildetes Verschlusselement ist vorteilhafterweise flexibel und weist vorteilhafterweise eine lange Haltbarkeit auf. Darüber hinaus ist ein solches Verschlusselement vorteilhafterweise elektrisch nichtleitend, sodass keine Gefahr durch elektrische Kurzschlüsse besteht. Darüber hinaus weist ein solches Verschlusselement vorteilhafterweise eine hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist vorgesehen, dass das Sicherheitsventil die Öffnung zum Inneren des Zellgehäuses hin verschließt und das Verschlusselement die Öffnung zur äußeren Umgebung des Zellgehäuses verschließt. Das heißt, dass vom Inneren des Zellgehäuses aus betrachtet, das Sicherheitsventil vor dem Verschlusselement angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das Verschlusselement an der Außenseite des Zellgehäuses angeordnet. Hierdurch ist vorteilhafterweise das Verschlusselement besser kontrollierbar, beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten. Insbesondere lassen sich hierbei durch einfache Sichtkontrolle Schäden an dem Verschlusselement, insbesondere an einem als Membran ausgebildetem Verschlusselement, erkennen. Darüber hinaus ist eine Austauschbarkeit des Verschlusselementes verbessert gegeben. Insbesondere lässt sich ein vorzeitig gealtertes Verschlusselement, welches aufgrund von Materialalterung Risse oder der gleichen aufweist, einfach austauschen. Darüber hinaus ist eine Anordnung des Verschlusselementes, insbesondere eine Anordnung eines als Membran ausgebildeten Verschlusselementes, an der Außenseite des Zellgehäuses vorteilhafterweise einfach realisierbar. Insbesondere bei einem als Membran ausgebildete Verschlusselementes ist vorteilhafterweise auch im Rahmen einer Nachrüstung einer Batteriezelle mit einer solchen Membran eine einfache Anordbarkeit gegeben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist vorgesehen, dass das Verschlusselement, insbesondere das als Membran ausgebildete Verschlusselement, mittels eines Heißsiegelverfahrens an dem Zellgehäuse angeordnet ist. Die Heißsiegelverbindung kann dabei insbesondere mit sogenannten anisotrop leitfähigen Klebstoffen hergestellt werden. Durch das Heißsiegelverfahren ist vorteilhafterweise eine feste und vor allem dichte Verbindung zwischen dem Verschlusselement, insbesondere einer Membran als Verschlusselement, und dem Zellgehäuse herstellbar, sodass das Verschlusselement die Batteriezelle insbesondere vor dem Eindringen von Feuchtigkeit aus der äußeren Umgebung des Zellgehäuses durch die Öffnung des Zellgehäuses schützt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle sieht vor, dass die Öffnung des Zellgehäuses durch einen rohr- oder schachtartigen Abschnitt umfasst ist, wobei das Sicherheitsventil und das Verschlusselement beabstandet voneinander die Öffnung verschließend angeordnet sind. Hierdurch ist das Verschlusselement, insbesondere eine Membran als Verschlusselement, vorteilhafterweise verbessert vor Beschädigungen durch das sich öffnende Sicherheitsventil geschützt. Zur Bereitstellung einer entsprechenden rohr- oder schachtartig ausgebildeten Öffnung ist insbesondere vorgesehen, dass die Wandung des Zellgehäuses, die die Öffnung aufweist, eine entsprechende Materialstärke aufweist, wobei die Öffnung beispielsweise durch eine Durchbohrung gebildet ist und die Durchbohrung als rohrartiger Abschnitt die Öffnung umfasst. Um eine Gewichtszunahme des Zellgehäuses durch die rohr- oder schachtartig ausgebildete Öffnung zu minimieren, kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass an der Öffnung des Zellgehäuses ein Aufsatz angebracht ist, welcher den entsprechenden rohr- oder schachtartigen Abschnitt der Öffnung bildet. An einem Ende des Aufsatzes ist dabei vorzugsweise das Verschlusselement angeordnet, am anderen Ende des Aufsatzes das Sicherheitsventil. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verschlusselement, insbesondere das als Membran ausgebildete Verschlusselement, mittels eines Heißsiegelverfahrens an einem Ende des rohr- oder schachtartig ausgebildeten Aufsatzes angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist ein solcher Aufsatz, welcher mit einer entsprechenden Membran versehen ist, mit der weiteren, nicht verschlossenen Aufsatzöffnung an der Öffnung des Zellgehäuses anordbar, insbesondere durch ein Verschweißen. Der Aufsatz ist dabei vorteilhafterweise aus einem korrosionsbeständigen Material, vorzugsweise aus Edelstahl oder Aluminium. Vorteilhafterweise ist ein solcher Aufsatz mit einem semipermeablen Verschlusselement oder unidirektional permeablen Verschlusselement an herkömmlichen Batteriezellen nachrüstbar.
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Um Beschädigungen an dem Verschlusselement, insbesondere einem als Membran ausgebildeten Verschlusselement, beim Öffnen des Sicherheitsventils zu vermeiden, ist gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass, vom Inneren des Zellgehäuses aus betrachtet, das Verschlusselement vor dem Sicherheitsventil angeordnet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batteriezelle sieht vor, dass das Zellgehäuse einen Zellgehäusedeckel umfasst, in welchem die Öffnung angeordnet ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass zur vorgenannten Ausbildung eines rohr- oder schachtartigen Abschnitts, welcher die Öffnung umfasst, der Deckel zumindest in dem Bereich der Öffnung eine größere Stärke aufweist. Die Öffnung kann dabei insbesondere durch eine Durchbohrung im Bereich der größeren Stärke gebildet sein. Insbesondere ist als vorteilhafte Alternative vorgesehen, dass ein entsprechend ausgebildeter Aufsatz, wie zuvor erläutert, mit dem Zellgehäusedeckel verbunden wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Sicherheitsventil eine Berstscheibe ist, insbesondere eine metallische Berstscheibe. Die Berstscheibe ist dabei insbesondere ausgebildet, bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert hinaus, insbesondere bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert von 5 bar bis 6 bar hinaus, zu öffnen und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse zu ermöglichen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Berstscheibe zur Verbesserung des Berstverhaltens wenigstens eine Sollbruchstelle aufweist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Batteriezelle;
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2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batteriezelle, welche erfindungsgemäß mit einer semipermeablen Membran ausgerüstet wird; und
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3 in einer schematischen Darstellung einen stark vergrößerten Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verschlusselement.
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In 1 ist eine prismatische Batteriezelle 1 in einer Draufsicht dargestellt. Die Batteriezelle 1 kann insbesondere eine nachladbare beziehungsweise wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle sein. Die Batteriezelle 1 ist von einem festen Zellgehäuse 2, einem sogenannten Hardcase, umgeben. Das Zellgehäuse 2 ist dabei dicht ausgebildet und verhindert ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Batteriezelle 1. Insbesondere kann das Zellgehäuse 2 aus Aluminium oder rostfreiem Stahl sein. Als Elektrolyt oder Elektrolytbestandteil der Batteriezelle 1 ist insbesondere Ethylencarbonat oder Ethylenmethylcarbonat vorgesehen. Aus dem Zellgehäuse 2 ragen zwei Zellterminals 7, 8, welche jeweils mit einer der Elektroden der Batteriezelle 1 elektrisch leitfähig verbunden ist. Die Elektrode kann insbesondere eine Interkalations-Elektrode sein, insbesondere die positive Elektrode. Über die Zellterminals 7, 8 kann die Batteriezelle 1 insbesondere mit weiteren Batteriezellen elektrisch zu einem Batteriemodul verschaltet werden.
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Die Batteriezelle 1 umfasst ein Sicherheitsventil 3, welches in eine Öffnung 4 des Zellgehäuses 2 eingesetzt ist. Das Sicherheitsventil 3 ist vorliegend als metallische Berstscheibe ausgebildet, welche bei einem Anstieg eines innerhalb des Zellgehäuses 2 herrschenden Zellinnendrucks über einen Schwellenwert hinaus öffnet und somit ein Ausströmen eines Mediums aus dem Zellgehäuse 2 über die durch das Sicherheitsventil 3 freigegebene Öffnung 4 ermöglicht. Vorzugsweise ist die Berstscheibe 3 derart ausgebildet, dass diese bei einem Überschreiten eines Zellinnendrucks von 5 bar zerbirst und damit die Öffnung 4 des Zellgehäuses 2 freigibt.
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Oberhalb des Sicherheitsventils 3 ist an der Außenseite des Zellgehäuses 2 eine semipermeable Membran als Verschlusselement 5 angeordnet. Vom Inneren des Zellgehäuses 2 aus betrachtet, ist das Sicherheitsventil 3 also vor dem Verschlusselement 5 angeordnet. Daher ist das Sicherheitsventil 3 in 1 gestrichelt dargestellt. Vorzugsweise ist das Verschlusselement 5 mittels eines Heißsiegelverfahrens an dem Zellgehäuse 2 angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verschlusselement 5 dicht an dem Zellgehäuse 2 angeordnet ist. Das Verschlusselement 5 ist vorzugsweise aus einem porösen Polymermaterial, welches flammenundurchlässig, feuchtigkeitsundurchlässig und gasdurchlässig ist. Der Durchtritt von Gas wird dabei insbesondere durch die Poren des Materials ermöglicht. Diese sind dabei so beschaffen, dass ein Durchtritt von Feuchtigkeit nicht ermöglicht ist.
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Erwärmt sich die Batteriezelle 1 über eine bestimmte Temperatur hinaus, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden der Batteriezelle 1, so erhöht sich in Folge des in den gasförmigen Zustand übergehenden Elektrolyten der Druck im Inneren des Zellgehäuses 2 derart, dass der Druck einen vorbestimmten Schwellenwert, beispielsweise einen vorbestimmten Schwellenwert von 5 bar, überschreitet. Als Folge hiervon zerbirst die Berstscheibe 3 und gibt somit die Öffnung 4 des Zellgehäuses 2 frei. Das die Öffnung 4 zusätzlich zu der Berstscheibe 3 verschließende Verschlusselement 5 lässt dabei das aus dem Zellgehäuse 2 austretende Gas passieren, wodurch sich der Druck im Zellgehäuseinneren reduziert. Das Verschlusselement 5 verhindert dabei vorteilhafterweise, dass Feuchtigkeit aus der äußeren Umgebung des Zellgehäuses 2 in das Innere des Zellgehäuses 2 eindringt. Hierdurch wird insbesondere verhindert, dass Feuchtigkeit in Kontakt mit dem Elektrolyten der Batteriezelle 1 kommt, wodurch weitere chemische Reaktionen ausgelöst würden beziehungsweise die laufenden chemischen Reaktion verstärkt würden.
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2 zeigt eine von einem Zellgehäuse 2 umgebene Batteriezelle 1. Das Zellgehäuse 2 weist dabei eine Öffnung 4 auf, in welche eine metallische Berstscheibe 3 mit einer Sollbruchstelle 6 als Sicherheitsventil eingesetzt ist. Mittels eines als Membran aus einem porigen Polymer ausgebildeten Verschlusselementes 5, welches feuchtigkeitsundurchlässig und gasdurchlässig ist, wird die Batteriezelle 1 zu einer erfindungsgemäßen Batteriezelle ausgerüstet. Das Verschlusselement 5 wird dazu an dem äußeren Zellgehäuse 2 die Öffnung 4 verschließend angeordnet, vorzugsweise mittels eines Heißsiegelverfahrens.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine starke Vergrößerung eines Ausschnitts eines Verschlusselementes 5, welches aus einem porösen Material ist. Wie aus 3 ersichtlich, weist das Verschlusselement 5 eine Vielzahl von Poren 9 auf, welche derart verästelt sind, dass ein Gas das Verschlusselement 5 passieren kann. Feuchtigkeit kann vorteilhafterweise nicht durch die Poren 9 hindurchtreten. Hierdurch ist das Verschlusselement 5 vorteilhafterweise semipermeabel. Vorzugsweise ist das Verschlusselement 5 darüber hinaus flexibel und temperaturbeständig bis zu wenigstens 230° C. Vorteilhafterweise ist das Verschlusselement 5 feuerfest ausgebildet.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verschlusselement 5 aus einem porösen Polymermaterial ist und als Membran ausgebildet ist. Die Poren 9 eines solchen als Membran ausgebildeten Verschlusselementes 5 weisen dabei vorzugsweise eine Größe zwischen 1 μm und 50 μm auf (μm: Mikrometer). Die Materialstärke beziehungsweise Dicke des Verschlusselementes 5 wird insbesondere so gewählt, dass das Verschlusselement 5 dem Druckstoß beim Öffnen des Sicherheitsventils 3 standhält. Insbesondere kann das Verschlusselement 5 eine Materialstärke beziehungsweise Dicke zwischen 100 μm und 3 mm (mm: Millimeter) aufweisen. Der Gasdurchlass kann bei einer vorgenannten Porengröße insbesondere bis zu 13 l/h/cm (Liter pro Stunde und Zentimeter) betragen, bei einem Druck von 10 mbar (mbar: Millibar).
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Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausgestaltungsdetails dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.porex.com/de/product/automotive [0005]
