DE102013224738A1

DE102013224738A1 - Schutz von Batteriezellen vor einem Durchgehen

Info

Publication number: DE102013224738A1
Application number: DE102013224738.9A
Authority: DE
Inventors: Seyed Abbassi; Thomas Klemen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104681750A

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (1), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, beschrieben, mit einem Gehäuse, welches eine Bodenfläche (3), eine Deckelfläche (5) sowie mindestens zwei Seitenflächen (7) umfasst und wobei auf der Außenseite des Gehäuses eine Isolierung (11) angebracht ist, welche ein wärmedämmendes, poröses Material enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einer Isolierung und ein die Batteriezelle enthaltendes Batteriemodul, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben 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 2012 200 871 A1 ist ein Batteriemodul mit einem Gehäuse, in dem zumindest eine Batteriezelle angeordnet ist, offenbart. Das Gehäuse des Batteriemoduls ist mit einer wärmedämmenden Schicht versehen, durch welche eine Temperatur im Innenraum des Batteriemoduls gehalten werden kann und die Batteriezellen vor der Umgebungstemperatur geschützt sind.
In der DE 10 2008 036 894 A1 ist eine Isolationsanordnung zur Verringerung des Wärmeübergangs zwischen einem Kraftstofftank und einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Isolationsanordnung beschrieben. Die Isolationsanordnung kann Elemente aus einem faser-, gewebe-, gewirk- oder gestrickartigen thermischen Isolationsmaterial enthalten und zwischen diesen Elementen mit Aerogel versehen sein.
In der DE 10 211 331 A1 ist eine aus einem Wärme und/oder Schall dämmenden Material bestehende Dämmung für eine Außen-/Innenwand bzw. eine Decke offenbart, welche aerogelhaltig ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer Isolierung und ein die Batteriezelle enthaltendes Batteriemodul, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Batteriezelle mit Isolierung, mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Dies beruht insbesondere darauf, dass die Batteriezelle ein Gehäuse mit einer Bodenfläche, einer Deckelfläche sowie mindestens zwei Seitenflächen umfasst und auf der Außenseite des Gehäuses eine Isolierung aus einem wärmedämmenden porösen Material angebracht ist.
Die Vorteile einer Isolierung aus einem wärmedämmenden porösen Material sind, dass die Batteriezelle vor der Außentemperatur geschützt ist und selbst bei großen Temperaturunterschieden zwischen der Außentemperatur und der Temperatur in der Batteriezelle bei einer optimalen Betriebstemperatur über einen langen Zeitraum betrieben werden kann. Eine optimale Betriebstemperatur gewährleistet einen sicheren und schonenden Betrieb der Batteriezelle, wodurch die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle verbessert wird und die Bestandteile der Batteriezelle langsamer altern, was zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle führt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Isolierung elektrisch nicht leitend ist und so ein Spannungsübergriff verhindert wird. Herkömmliche Isolierungen durch Folien oder Lackierungen sind somit nicht mehr nötig, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle mit Isolierung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dadurch, dass das wärmedämmende poröse Material nicht brennbar ist. Kommt es zu einem Brand in der Batteriezelle, so kann dieser nicht auf eventuelle weitere Batteriezellen und andere Komponenten von die Batteriezelle beinhaltender Systeme übergreifen. Dies bietet einen weitreichenden Schutz vor Gefahrensituationen wie Bränden oder einem Durchgehen von Batteriezellen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wodurch die sich im Fahrzeug befindlichen Personen geschützt werden.
Da Luft ein sehr guter Wärmeisolator ist, wird durch eine hohe Porosität des Isoliermaterials eine gute Wärmedämmung erreicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird somit zur Isolierung ein Material verwendet, dessen Porosität über 50% liegt.
In Bezug auf das Gewicht der wärmedämmenden porösen Isolierung ist eine hohe Porosität ebenfalls von Vorteil. Je mehr Poren die Isolierung beinhaltet, desto leichter ist diese. Dank des geringen Gewichts ist zum einen das Arbeiten mit der Isolierung einfacher und kräftesparend und zum anderen ist es von Vorteil, eine Batteriezelle und ein diese umgebendes System möglichst leicht zu gestalten, insbesondere bei einer Anwendung im Kraftfahrzeugbereich.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein Aerogel als Isolierung eingesetzt.
Ein Aerogel ist ein poröser solider Schaum aus einem Netzwerk von miteinander verbundenen Nanostrukturen mit extrem geringer Dichte und einer Porosität von bis zu 99,98%, wodurch es zu den leichtesten bekannten Werkstoffen gehört. Aerogele sind besonders geeignet als Wärmeisolierung, besitzen eine hohe Temperaturstabilität und sind nicht brennbar. Als Ausgangsstoffe für die Synthese von Aerogel mittels des Sol-Gel-Prozesses dienen beispielsweise Metalloxide oder Polymere. Neben Aerogelen auf Kunststoff- oder Kohlenstoffbasis sind Aerogele auf Silicat-Basis die am weitesten verbreiteten.
Als Dämmstoffe kommen vor allem Aerogele aus amorpher Kieselsäure (Silica) zur Verwendung. Diese sind gute elektrische Isolatoren und haben zudem den Vorteil, dass sie inert gegenüber flüssigen Metallen sind. Der Porendurchmesser von Silica-Aerogelen liegt bei ca. 20 nm. Durch die hydrophobe Oberfläche der Aerogelpartikel sind diese zudem beständig gegen Feuchtigkeit.
Desweiteren sind auch geschäumte Kunststoffe wie Styropor^® oder Polyurethan geeignete Isolatoren. Schaumpolystyrol, welches auch unter dem Handelsnamen Styropor^® bekannt ist hat beispielsweise ein gutes Wärmedämmvermögen, eine hohe Druckfestigkeit, eine gute Stoßdämpfung und ebenfalls ein geringes Gewicht. Zudem ist es feuchteunempfindlich. Polyurethane sind sehr beständig gegen verschiedenste äußere Bedingungen, wie beispielsweise die Witterung und haben gute Dämpfungswerte und eine hohe mechanische Festigkeit.
Auch schaumförmiges Aluminiumoxid ist ein geeigneter elektrischer Isolator mit hohem Korrosionswiderstand und einer großen Temperaturstabilität. Zudem ist schaumförmiges Aluminiumoxid nicht brennbar.
Sind mindestens zwei Batteriezellen in einem Batteriemodul angeordnet, so ist es von Vorteil, wenn die Batteriezellen durch Abstandselemente, beispielsweise aus Formex^® oder anderen flammenhemmend verstärkten Polyamiden, voneinander getrennt sind.
Formex^® ist ein, von der Firma ITW Formex hergestelltes, kostengünstiges und flammenhemmendes Isoliermaterial aus Kunststoff mit einer hohen chemischen Beständigkeit.
Ein sich durch die Abstandselemente ergebender Zwischenraum zwischen den Gehäusen benachbarter Batteriezellen ist vorteilhaft mit einer Isolierung aus dem wärmedämmenden porösen Material ausgefüllt.
Ein Vorteil bei der Verwendung von Aerogel, Styropor^® und Polyurethan als wärmedämmendem porösem Material ist, dass die Zellen durch das Aerogel, Styropor^® oder Polyurethan gemäß einer weiteren Ausführungsform miteinander verspannt werden, sodass keine nachträgliche Verspannung nötig ist. Dies spart Zeit und es muss kein Verspannungskonzept erarbeitet werden. Die wärmedämmende Schicht trägt so zur Stabilität des Gehäuses bei, wodurch gegebenenfalls Material und Gewicht des eigentlichen Gehäuses eingespart werden können.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Batteriezelle bei der Herstellung in einem formgebenden Behälter mit einem Isolationsmaterial ummantelt wird. Der formgebende Behälter kann beispielsweise eine Gießform oder bevorzugt eine Verspannvorrichtung sein. Die Verspannvorrichtung bietet den Vorteil, dass es nicht nötig ist, die Batteriezelle mit der bereits aufgebrachten Isolierung wieder aus dieser zu lösen.
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 erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer Bodenfläche, einer Deckelfläche und vier Seitenflächen sowie zwei Elektrodenanschlüssen,
2: die schematische Darstellung eines Längsschnitts von A nach A der erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Isolierung,
3: die schematische Darstellung eines Batteriemoduls enthaltend Batteriezellen gemäß der 1 und 2 mit Abstandselementen an Bodenflächen und Seitenflächen,
4: die gestreckte Darstellung eines Batteriemoduls gemäß 3 in einer Verspannvorrichtung, und
5: den schematischen Längsschnitt des Batteriemoduls, in welchem Zwischenräume zwischen Batteriezellen des Batteriemoduls mit einer Isolierung ausgefüllt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine herkömmliche prismatische Batteriezelle 1 dargestellt, welche ein Gehäuse, bestehend aus einer Bodenfläche 3, einer Deckelfläche 5 und vier Seitenflächen 7, aufweist. Aus der Deckelfläche 5 ragen zwei Elektrodenanschlüsse 9 zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 1 hervor.
2 zeigt einen Längsschnitt der Batteriezelle 1 aus 1 von A nach A mit einer Isolierung 11 auf der Außenseite des Gehäuses, welche ein wärmedämmendes poröses Material enthält. Die Isolierung 11 ist rund um die Batteriezelle 1 angeordnet, sodass sie das Gehäuse der Batteriezelle 1, mit Ausnahme der beiden Elektrodenanschlüssen 9, umfasst. Vorzugsweise ist das wärmedämmende poröse Material nicht brennbar und weist eine Porosität von mindestens 50% auf. Materialien mit diesen Eigenschaften sind beispielsweise Aerogel und schaumförmiges Aluminiumoxid. Eine ebenfalls hohe Porosität weisen die Materialien Styropor^® und Polyurethan auf.
Wird Aerogel, vorzugsweise Aerogel auf Silicat-Basis, als Isolierung 11 eingesetzt, so wird die Batteriezelle 1 in einem formgebenden Behälter mit einem flüssigen Precursor des Aerogels umgossen. Die Herstellung des Aerogels kann beispielsweise mit einem bekannten Sol-Gel-Prozess erfolgen. Der noch flüssige Aerogel-Precursor polymerisiert nach dem Verguss zu Aerogel. Die Vergussmasse härtet dann nach dem Verguss der Batteriezelle 1 durch konventionelle Trocknung, insbesondere in einem Autoklaven, wobei das Lösungsmittel durch eine geeignete Temperatur und einen geeigneten Druck kritische Werte erreicht, zu einem hochporösen, nicht brennbaren Feststoff aus. In einem darauffolgenden Schritt wird die Batteriezelle 1 verschweißt. Alternativ kann der Verguss mit Aerogel auch nach dem Verschweißen der Batteriezelle 1 erfolgen.
In einer alternativen Variante zur Herstellung der Vergussmasse aus Aerogel-Precursor kann das Aerogel in die Vergussmasse als mit Bindemittel vermengtes Granulat eingebracht werden. Die Vergussmasse härtet dann nach dem Verguss der Batteriezelle 1 durch konventionelle Trocknung, insbesondere in einem Autoklaven.
Wird Styropor^® als Isolierung 11 eingesetzt, so werden beispielsweise aufgeschäumte Polystyrol-Perlen in den formgebenden Behälter gegeben und anschließend ein Zusammenfügen der Polystyrol-Perlen durch Erwärmung mit Wasserdampf bewirkt.
Wird ein Polyurethan als Isolierung 11 eingesetzt, so wird die Batteriezelle 1 in einem formgebenden Behälter mit geschäumten Polyurethan umspritzt, welches anschließend aushärtet.
Wird schaumförmiges Aluminiumoxid als Isolierung 11 eingesetzt, so wird die Batteriezelle 1 in einem formgebenden Behälter mit diesem umschüttet. Der formgebende Behälter ist insbesondere eine Komponente, die mit der Batteriezelle 1 in Kontakt bleibt, da Aluminiumoxid nicht haftend ist und somit nicht auf der Batteriezelle 1 haftet.
In 3 sind sechs Batteriezellen 1 abgebildet, welche zusammen ein Batteriemodul 13 bilden. Auf die Gehäuse der Batteriezellen 1 des Batteriemoduls 13 sind an den Bodenflächen 3 und den Seitenflächen 7 Abstandselemente 15, insbesondere aus Formex^®, angebracht. Durch die Abstandselemente 15 sind die Batteriezellen 1 voneinander getrennt und liegen weder aneinander noch an den Flächen einer das Batteriemodul 13 umgebenden Form an.
Die Batteriezellen 1 eines Batteriemoduls 13, welche vorzugsweise durch Abstandselemente 15 voneinander getrennt sind, werden in einen formgebenden Behälter überführt, welcher beispielsweise eine Gießform oder vorzugsweise eine Verspannvorrichtung 17 sein kann.
4 zeigt die gestreckte Darstellung eines Batteriemoduls 13 gemäß 3 in einer Verspannvorrichtung 17. Das Batteriemodul 13 umfasst sechs Batteriezellen 1 mit je zwei Elektrodenanschlüssen 9. Die Batteriezellen 1 sind durch Abstandselemente 15 voneinander und ebenfalls von den Flächen der Verspannvorrichtung 17 getrennt.
In dem formgebenden Behälter, vorzugsweise der Verspannvorrichtung 17 werden die Batteriezellen 1 mit einer Isolierung 11 versehen, welche ein wärmedämmendes poröses Material umfasst, sodass der Zwischenraum zwischen den Gehäusen der Batteriezellen 1 des Batteriemoduls 13 vorzugsweise vollständig von der Isolierung 11 ausgefüllt ist.
In 5 ist ein Längsschnitt eines entsprechenden Batteriemoduls 13 dargestellt, welches sechs Batteriezellen 1 enthält. Der zwischen den Gehäusen der Batteriezellen 1 verbleibende Zwischenraum ist vollständig mit einer Isolierung 11 ausgefüllt. In 5 sind die Elektrodenanschlüsse 9 der Batteriezellen 1 nicht dargestellt. Diese ragen aus dem Gehäuse und der sich darauf befindlichen Isolierung 11 hervor.
Werden zur Isolierung der Batteriezellen 1 in einem Batteriemodul 13 die Materialien Aerogel, Styropor^® oder Polyurethan eingesetzt, so ist es nicht nötig, die Batteriezellen 1 miteinander zu verspannen, was gewöhnlich in einer Verspannvorrichtung 17 mit einem Verspannkonzept geschieht, um beispielsweise ein Aufblähen der Batteriezellen 1 während des Ladevorgangs zu verhindern. Nachdem Aerogel, Styropor^® oder Polyurethan ausgehärtet sind, sind diese so fest, dass die Zellen keinen oder nur einen sehr geringen Bewegungsspielraum haben. Die Isolierung 11 kann demnach beispielsweise in der Verspannvorrichtung 17 zwischen die Batteriezellen 1 gegeben werden, ohne dass zuvor oder anschließend aktiv verspannt werden muss.
Wird schaumförmiges Aluminiumoxid als Isolierung 11 eingesetzt, so wird die Batteriezelle 1 in einem formgebenden Behälter mit diesem umschüttet. Der formgebende Behälter muss eine Komponente sein, die im weiteren Verlauf nicht wieder entfernt wird, wie beispielsweise die Verspannvorrichtung 17, da Aluminiumoxid nicht haftend ist und somit bei einer Entfernung des formgebenden Behälters nicht auf der Batteriezelle 1 haften bleibt. Vor oder nach der Ummantelung der Batteriezelle 1 mit Aluminiumoxid werden die Batteriezellen 1 vorzugsweise miteinander verspannt, beispielsweise in der Verspannvorrichtung 17.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012200871 A1 [0003]
DE 102008036894 A1 [0004]
DE 10211331 A1 [0005]

Claims

Batteriezelle (1), insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle, mit einem Gehäuse, welches eine Bodenfläche (3), eine Deckelfläche (5) sowie mindestens zwei Seitenflächen (7) umfasst und wobei auf der Außenseite des Gehäuses eine Isolierung (11) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (11) ein wärmedämmendes, poröses Material enthält.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende, poröse Material nicht brennbar ist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des wärmedämmenden, porösen Materials über 50% liegt.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende und poröse Material Aerogel, Styropor^®, Polyurethan und/oder ein schmaumförmiges Aluminiumoxid enthält.
Batteriemodul (13), welches zumindest zwei Batteriezellen (1) gemäß einem der Ansprüche 1–4 enthält, und wobei das Gehäuse der zumindest zwei Batteriezellen (1) eine Bodenfläche (3), eine Deckelfläche (5) sowie mindestens zwei Seitenflächen (7) umfasst.
Batteriemodul (13) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) an den Bodenflächen (3) und/oder den Seitenflächen (7) des Gehäuses der Batteriezelle (1) durch Abstandselemente (15), insbesondere aus Formex^®, voneinander getrennt sind.
Batteriemodul (13) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen den Gehäusen benachbarter Batteriezellen (1) des Batteriemoduls (13) mit einer Isolierung (11) aus einem wärmedämmenden, porösen Material ausgefüllt ist.
Batteriemodul (13) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1) durch die Isolierung (11) mit dem wärmedämmenden, porösen Material miteinander verspannt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle (1) gemäß einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (1) in einem formgebenden Behälter mit einem Isolationsmaterial ummantelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der formgebende Behälter eine Gießform ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der formgebende Behälter eine Verspannvorrichtung (17) ist.