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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine als Li-Ionen-Batteriezelle ausgeführte Batteriezelle, wie sie für den Aufbau einer Traktionsbatterie verwendet wird, die in einem Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug zum Einsatz kommt.
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Hybrid- oder Elektrofahrzeuge weisen eine elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf, die aus einer Traktionsbatterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei einem Hybridfahrzeug wird neben der elektrischen Maschine ein weiteres Aggregat für den Antrieb eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor. Wohingegen ein Elektrofahrzeug ausschließlich durch eine elektrische Maschine angetrieben wird. Die zum Einsatz kommenden elektrischen Maschinen sind in der Regel als Innenläufermaschinen ausgelegt, bei denen ein drehbar gelagerter Rotor von einem ortsfesten Stator umschlossen ist. Als Antriebsmaschinen können Synchronmaschinen, insbesondere Hybrid-Synchronmaschinen zum Einsatz kommen.
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Bei einer Traktionsbatterie handelt es sich um einen Hochvoltspeicher, der ein Spannungsniveau von 250 bis 420 Volt aufweisen kann. Um dieses Spannungsniveau zu erreichen ist eine Traktionsbatterie aus einer großen Anzahl von in Reihe geschalteter Batteriezellen aufgebaut. Dabei sind die Batteriezellen üblicherweise zu kleineren Gruppen, den sogenannten Batteriezellenmodulen zusammengefasst bzw. verschaltet, wobei die Batteriezellenmodule zum Ausbilden der Traktionsbatterie untereinander in Reihe geschaltet sind.
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Im Automobilbereich werden für den Aufbau einer Traktionsbatterie als Li-Ionen-Batteriezellen ausgeführte Batteriezellen eingesetzt, und zwar aufgrund folgender Vorteile: Li-Ionen-Batteriezellen können eine sehr große Anzahl von Lade-Entladezyklen absolvieren, ohne merkliche Reduzierung der Speicherkapazität. Zudem können Li-Ionen-Batteriezellen klein bauend ausgeführt sein und dennoch eine große Speicherkapazität aufweisen.
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Um gefährliche Fehlfunktionen zu vermeiden, sind Batteriezellen, insbesondere als Li-Ionen-Batteriezellen ausgeführte Batteriezellen mit bestimmten Sicherheitsvorrichtungen auszustatten. So weisen insbesondere Li-Ionen-Batteriezellen zum einen eine vorzugsweise als PTC-Keramik ausgebildete Sicherheitsabschaltung und zum anderen ein Sicherheitsventil auf. Zur Realisierung einer Sicherheitsabschaltung bzw. Sicherungsfunktion ist die PTC-Keramik so ausgelegt, dass mit zunehmender Stromstärke und damit einhergehender zunehmender Temperatur deren elektrischer Widerstand ansteigt. Ab einer bestimmten Stromstärke bzw. Temperatur nimmt die Keramik dann einen Widerstandswert an, wie er für einen Isolator charakteristisch ist. Dadurch wird der Stromfluss unterbrochen und der Batteriezelle kann kein Strom mehr entnommen werden. Mit der PTC-Keramik kann somit das Fließen eines Kurzschlussstroms vermieden werden.
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Eine große Stromstärke bewirkt, dass in einer Li-Ionen-Batteriezelle brennbare Gase, insbesondere Wasserstoff gebildet werden. Dadurch steigt der Druck in der Batteriezelle an und es stellt sich ein Überdruck ein. Um ein Explodieren der Batteriezelle zu vermeiden, müssen die unter Druck stehenden Gase aus dem Inneren der Batteriezelle entweichen können. Zu diesem Zweck ist das Sicherheitsventil vorgesehen. Bei einem eventuellen Versagen der Sicherheitsabschaltung und einem daraus resultierenden, der Batteriezelle entnommenen großen Strom, oder bei einem innerhalb der Batteriezelle auftretenden Kurzschluss, und dem damit in beiden Fällen einhergehenden Druckanstieg in der Batteriezelle öffnet das Sicherheitsventil beispielsweise bei Erreichen eines vordefinierten Druckwerts. Das geöffnete Sicherheitsventil ermöglicht ein Entweichen der Gase aus dem Inneren der Batteriezelle in die Umgebung der Batteriezelle. Durch das Sicherheitsventil wird somit ein allzu großer Druck im Inneren der Batteriezelle vermieden. Es ist ein Explosionsschutz realisiert.
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Somit ist zwar bei einer mit einem Sicherheitsventil ausgestatteten Batteriezelle sichergestellt, dass diese bei einem ansteigenden Druck in ihrem Inneren nicht unkontrolliert beschädigt wird, bzw. diese sich nicht unkontrolliert öffnet, insbesondere explodiert. Allerdings sind derart ausgestattete Batteriezellen mit Blick auf eine die Umgebung der Batteriezelle betreffende Brandgefahr, d. h. hinsichtlich des Verhinderns eines Brandes außerhalb der Batteriezelle, noch nicht optimal.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batteriezelle zu schaffen, bei der in einem kritischen Betriebszustand, bei dem der Druck im Inneren der Batteriezelle so stark ansteigt, dass es zum Öffnen des Sicherheitsventils kommt, eine in diesem Betriebszustand bzw. in dieser Situation für die Umgebung der Batteriezelle potentiell gegebene Brandgefahr, insbesondere auf ein Mindestmaß reduziert wird bzw. ein Brand in der Umgebung der Batteriezelle verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Mittel aufweist: ein Gehäuse, das eine Vielzahl von Gehäusewänden aufweist, die einen Gehäuseinnenraum umschließen, wobei das Gehäuse dazu ausgebildet ist, ein für den Betrieb der Batteriezelle benötigtes Elektrodenmaterial aufzunehmen, wobei eine der Gehäusewände eine Gehäuseöffnung mit einem Öffnungsbereich aufweist, einem Entlüftungselement, das im Bereich der Gehäuseöffnung angeordnet ist und diese gegenüber einer Umgebung der Batteriezelle verschließt, wobei das Entlüftungselement dazu ausgebildet ist, in einem von einem Normalbetriebszustand abweichenden kritischen Betriebszustand der Batteriezelle in dem Gehäuseinnenraum entstehendes Gas bei Erfüllen eines vorbestimmten Kriteriums über eine Entlüftungselementöffnung an die Umgebung der Batteriezelle abzulassen, und einem Verschlusselement, das in dem Bereich des Öffnungsbereichs angeordnet ist und den Öffnungsbereich zumindest teilumfänglich verschließt, wobei das Verschlusselement dazu ausgebildet ist, in dem kritischen Betriebszustand in dem Gehäuseinnenraum befindliche brandermöglichende Stoffe zurückzuhalten und/oder einen das Brandverhalten von brennbaren Stoffen beeinflussenden Brandbeeinflussungsstoff bereitzustellen.
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Der erfindungsgemäßen Batteriezelle liegt die Idee zugrunde, eine Batteriezelle mit einem Verschlusselement auszustatten, mit dem bei Vorliegen eines kritischen Betriebszustands der Batteriezelle, d. h. dann, wenn die Gehäuseöffnung nicht mehr durch das Entlüftungselement gegenüber der Umgebung der Batteriezelle verschlossen ist und somit die Möglichkeit besteht, dass in dem Gehäuseinnenraum entstehendes oder vorhandenes Gas oder auch nicht gasförmige Stoffe durch die Entlüftungselementöffnung aus dem Gehäuseinnenraum in die Umgebung der Batteriezelle entweichen kann, erreicht wird, dass eine bei diesem Betriebszustand für die Umgebung der Batteriezelle gegebene Brandgefahr bzw. das Risiko eines Brands reduziert wird bzw. ein Brand oder eine Explosion, beispielsweise aufgrund von Knallgas, in der Umgebung der Batteriezelle verhindert wird. Erfindungsgemäß wird dies durch zwei Maßnahmen erreicht, die alternativ oder ergänzend zum Einsatz kommen können.
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Zum einen kann das erfindungsgemäße Verschlusselement derart ausgebildet sein, dass brandermöglichende Stoffe im Inneren der Batteriezelle oder im Inneren des Verschlusselements zurückgehalten werden. Bei dieser Maßnahme gelangen somit solche Stoffe, die die Ursache für einen Brand sein können bzw. die einen Brand oder eine Explosion verursachen können, gar nicht erst in die Umgebung der Batteriezelle. Mit anderen Worten: bei dieser Ausgestaltung des Verschlusselements wird dafür Sorge getragen, dass keine für das Ausbrechen eines Brandes oder einer Explosion bzw. Aufrechterhalten eines Brandes erforderlichen bzw. daran beteiligten Stoffe in die Umgebung der Batteriezelle gelangen können.
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Zum anderen kann das erfindungsgemäße Verschlusselement derart ausgebildet sein, dass ein das Brandverhalten von brennbaren Stoffen beeinflussender Brandbeeinflussungsstoff bereitgestellt wird. Mit dieser Maßnahme wird zwar nicht verhindert, dass brennbare Stoffe und somit auch brandermöglichende Stoffe in die Umgebung der Batteriezelle gelangen können, es wird jedoch insofern die Brandgefahr bzw. das Risiko für einen Brand oder eine Explosion in der Umgebung der Batteriezelle reduziert bzw. ein Brand in der Umgebung der Batteriezelle verhindert, als dass durch das Bereitstellen des Brandbeeinflussungsstoffes insbesondere die Brennbarkeit oder Entflammbarkeit von Stoffen verringert oder gar ganz eliminiert wird, eine Flammenbildung erschwert oder gar verhindert wird oder bereits vorhandene Flammen erstickt werden. Mit anderen Worten: obwohl potentiell brandermöglichende bzw. brennbare Stoffe in die Umgebung der Batteriezelle gelangen können, wird die Wahrscheinlichkeit für das Ausbrechen eines Brandes oder einer Explosion bzw. für das Aufrechterhalten eines Brandes verkleinert.
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Vorteilhafterweise kommen beide Maßnahmen in Kombination zum Einsatz. Dadurch ist sichergestellt, dass selbst bei einem ungewollten Austritt von brandermöglichenden bzw. brennbaren Stoffen das Risiko für einen Brand oder eine Explosion in der Umgebung der Batteriezelle auf ein Mindestmaß reduziert ist.
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Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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Bevor auf die vorteilhaften Ausgestaltungen der Batteriezelle eingegangen wird, soll an dieser Stelle der Begriff Elektrodenmaterial erläutert werden. Für die Realisierung des Betriebs der Batteriezelle ist entsprechend geeignetes Elektrodenmaterial erforderlich. Für das Ausbilden einer positiven Elektrode ist ein erstes Elektrodenmaterial und für das Ausbilden einer negativen Elektrode ist ein zweites Elektrodenmaterial vorzusehen. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Elektrodenmaterial zu sogenannten Dünnschichtelektroden ausgebildet. Zum Ausbilden beispielsweise einer als Rundzelle oder als prismatischer Zelle ausgebildeten Batteriezelle wird sowohl eine aus dem ersten Elektrodenmaterial bestehende erste Dünnschichtelektrode als auch eine aus dem zweiten Elektrodenmaterial bestehende zweite Dünnschichtelektrode in einen zylindrischen Grundkörper bzw. in einen prismatischen Grundkörper eingebracht, wobei die beiden Dünnschichtelektroden durch einen zwischen ihnen liegenden Separator getrennt sind, wobei der Separator üblicherweise den Elektrolyt trägt bzw. enthält. Zur Erzielung großer Speicherkapazitäten werden die beiden Dünnschichtelektroden mit dem dazwischen liegenden Separator mehrfach gestapelt oder gewickelt. Wenn vorstehend oder nachfolgend der Begriff „Elektrodenmaterial” verwendet wird, so soll hierunter folgender Verbund verstanden werden: die beiden Elektrodenmaterialen bzw. Dünnschichtelektroden; der dazwischen angeordnete Separator mitsamt Elektrolyt; und die Stromableiter, die benötigt werden, um die beiden Elektrodenmaterialien mit externen Anschlüssen der Batteriezelle verbinden zu können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Verschlusselement aus einem porösen Material. Diese Maßnahme hat verschiedene Vorteile. Durch die Porösität kann erreicht werden, dass bestimmte Stoffe das Verschlusselement passieren können, während andere Stoffe von diesem zurückgehalten werden. Diese selektive Durchlässigkeit kann sich in Abhängigkeit der Porengröße des Materials ergeben. Außerdem ermöglicht ein poröses Material das Einlagern eines weiteren Stoffes, der bestimmte, auf das Erzielen einer gewünschten Maßnahme hin ausgerichtete Eigenschaften aufweist. Die Formulierung, dass das Verschlusselement aus einem porösen Material betseht, kann zweierlei Bedeutung haben. Zum einen kann das Verschlusselement aus einem Material bestehen, das aufgrund seiner Materialeigenschaft über eine intrinsische Porösität verfügt, wie es beispielsweise bei bestimmten Keramiken der Fall sein kann. Zum anderen kann die Porösität erst durch eine Verarbeitung eines Ausgangsmaterials entstehen. So ist beispielsweise folgende Realisierung eines Verschlusselements denkbar: um einen metallischen Kern wird ein Wellblechstreifen, der eine geringe Dicke aufweist, eng gewickelt, d. h. so, dass die einzelnen Lagen sehr dicht aufeinander zum Liegen kommen. Dadurch dass der Wellblechstreifen über eine „Berg- und Tal-Struktur” verfügt, weist das Verschlusselement ebenfalls eine Porösität auf. Vorzugsweise bestehen der Kern und der Wellblechstreifen aus Chrom-Molybdän-Stahl,
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Was das Anbringen des Verschlusselements in der Batteriezelle angeht, so sind hier mehrere Optionen denkbar. In einer ersten Option kann das Verschlusselement so in der Batteriezelle angeordnet sein, dass es an einer dem Gehäuseinnenraum zugewandten Innenwand der Gehäusewand aufliegt. Diese Maßnahme gewährleistet eine besonders gute Abstützung des Verschlusselements. Somit ist das Verschlusselement auch bei hohen, in der Batteriezelle vorherrschenden Drücken sicher fixiert, und kann demzufolge zuverlässig seine Funktion erfüllen. Besonders bevorzugt ist das Verschlusselement als eine poröse Zusatzschicht ausgebildet, die auf im Bereich der Gehäuseöffnung auf der dem Gehäuseinnenraum zugewandten Innenwand aufgebracht ist.
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Alternativ kann als zweite Option vorgesehen sein, dass das Verschlusselement innerhalb eines Innenbereichs des Entlüftungselements angeordnet ist. Diese Maßnahme hat zum einen den Vorteil, dass hierdurch eine optimale Abdichtung des Entlüftungselements durch das Verschlusselement erreicht wird. Zum anderen vereinfacht sich durch diese Maßnahme der Fertigungsaufwand für eine Batteriezelle. So ist es möglich, das Entlüftungselement und das Verschlusselement im Vorfeld zusammen zu fügen und anschließend das so gebildete kombinierte Element in die Batteriezelle einzusetzen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verschlusselement zumindest teilumfänglich dazu ausgebildet, eine im Gehäuseinnenraum befindliche Flamme daran zu hindern, in die Umgebung der Batteriezelle auszutreten. Somit kann eine Flamme im Inneren der Batteriezelle zurückgehalten werden. Durch diese Maßnahme kann besonders effektiv und wirksam erreicht werden, dass bei einem kritischen Betriebszustand die für die Umgebung der Batteriezelle gegebene Brandgefahr bzw. das Risiko eines Brands reduziert wird bzw. ein Brand in der Umgebung der Batteriezelle verhindert wird. Das Zurückhalten der Flamme kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. Zum einen kann durch geometrische Maßnahmen, beispielsweise durch eine im Verschlusselement vorhandene, zum Gehäuseinnenraum hin gerichtete Kammer oder durch das Einbringen von Kanälen, die eine Flamme auf ihrem potenziellen Weg nach außerhalb der Batteriezelle durchlaufen müsste, erreicht werden, dass sich die Flamme quasi tot läuft, d. h. nicht in die Umgebung der Batteriezelle gelangt. Es ist auch denkbar, dass die Poren des porös ausgebildeten Verschlusselements einen so geringen Durchmesser aufweisen, dass dadurch ein Durchtritt einer Flamme verhindert wird. Alternativ oder ergänzend kann das Verschlusselement eine Struktur, beispielsweise eine gewebeartige Struktur aufweisen, die eine Flamme am Austritt in die Umgebung hindert. Durch diese Maßnahme wird die Flamme quasi gebremst. Zum anderen kann das Verschlusselement, und zwar alternativ oder ergänzend, aus einem Material bestehen, das eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweist. Dadurch kann dem ausströmenden Medium Energie entzogen werden, wodurch eine größere Aktivierungsenergie erforderlich wird, das ausströmende Medium zu entflammen. Das Verschlusselement dient quasi als Wärmesenke. Ein Material das sich hierfür eignet, ist beispielsweise Messing. Vorteilhafterweise kann das aus Messing ausgebildete Verschlusselement eine Porenstruktur aufweisen, was beispielsweise dadurch erreicht wird, dass für das Herstellen des Verschlusselements entsprechendes Sintermaterial verwendet wird. Vorzugsweise ist das Verschlusselement stoffschlüssig mit dem Entlüftungselement verbunden. D. h. es liegt eine dichte Verbindung von dem als Flammensperre ausgebildeten Verschlusselement und dem Entlüftungselement vor. Dies kann beispielsweise mittels einer Lötverbindung oder einer Schweißverbindung erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verschlusselement dazu ausgebildet, Feststoffe zurückzuhalten, die eine Temperatur aufweisen, die sehr viel größer als die Normalbetriebstemperatur der Batteriezelle ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass bei einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle keine glühenden Partikel oder Teilchen und somit kein Zündfunke aus dem Inneren der Batteriezelle in deren Umgebung gelangen können. Dadurch ist sichergestellt, dass außerhalb der Batteriezelle befindliche brennbare Stoffe nicht in Brand gesetzt werden können. Üblicherweise weist eine Batteriezelle, insbesondere eine Li-Ionen Batteriezelle eine Normalbetriebstemperatur auf, die in einem Bereich von 0 bis 40°C liegen kann. Insofern soll unter der Formulierung „sehr viel größere Temperatur” eine Temperatur verstanden werden, die in der Größenordnung von 500°C oder höher liegt, wie es für glühende Partikel oder Teilchen charakteristisch ist. Vorzugsweise kann das Verschlusselement aus einem keramischen Material bestehen, beispielsweise Ceran, das vorzugsweise bedingt durch ein entsprechendes Fertigungsverfahren, eine Porenstruktur aufweisen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verschlusselement dazu ausgebildet, ein zündfähiges Gemisch zurückzuhalten. Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass das Verschlusselement aus einem porösen Material aufgebaut ist, dessen Poren einen genügend kleinen Durchmesser oder eine genügend kleine Spaltweite haben. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass für den Fall, dass die Batteriezelle in einer brand- oder explosionsgefährdeten Umgebung betrieben wird, in einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle keine brandermöglichenden und somit keine brennbaren Stoffe aus der Batteriezelle in deren Umgebung gelangen können. Das zündfähige Gemisch kann flüssig sein und zu einem großen Anteil bzw. vollständig aus Elektrolyt bestehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Verschlusselement dazu ausgebildet, den Brandbeeinflussungsstoff in Abhängigkeit einer auf das Verschlusselement einwirkenden Temperatur bereitzustellen. Vorzugsweise wird das Brandbeeinflussungsmittel gebildet oder freigesetzt, wenn die auf das Verschlusselement einwirkende Temperatur größer als ein vorgegebener Temperaturwert ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass der Brandbeeinflussungsstoff situativ abhängig bereitgestellt wird, nämlich in einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle, bei dem eine entsprechend hohe, über der Normalbetriebstemperatur liegende Temperatur der Batteriezelle vorliegt. Der Brandbeeinflussungsstoff wird somit bei einem genügend großen Wärmeeintrag gebildet oder freigesetzt. Bei dem Brandbeeinflussungsstoff kann es sich um flammverhindernde oder um flammerstickende Substanz handeln. Vorteilhafterweise bewirkt die flammerstickende Substanz einen Pyrolysevorgang.
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Das Bilden des Brandbeeinflussungsstoffes kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein in dem Verschlusselement eingelagerter Stoff, aufgrund des Wärmeeintrags seine chemischen Eigenschaften ändert und dadurch die flammverhindernde oder flammerstickende Eigenschaft erhält. Alternativ können zwei eingelagerte Stoffe durch den Wärmeeintrag miteinander zu einem weiteren, d. h. dritten Stoff reagieren, der dann besagte Eigenschaft aufweist. Vorzugsweise besteht das Verschlusselement aus einem porösen Material und der Stoff bzw. die beiden Stoffe sind zumindest in einem Teil der Poren eingelagert. Alternativ kann das Verschlusselement ein Reservoir aufweisen, in dem der Stoff bzw. die beiden Stoffe eigelagert sind.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann ein Stoff, der bereits die flammverhindernde oder flammerstickende Eigenschaft aufweist, in dem Verschlusselement eingelagert sein, jedoch durch eine entsprechende Maßnahme in gekapselter Form. Durch den Wärmeeintrag wird dann die Kapselung aufgelöst bzw. zerstört und der Stoff dann freigesetzt. Die Kapselung kann dadurch erreicht werden, dass der Stoff beispielsweis mit einer Schutzschicht überzogen ist oder alternativ in einem in dem Verschlusselement befindlichen Reservoir enthalten ist, das durch eine dünne Membran, vorzugswiese eine dünne Metall- oder Kunststofffolie verschlossen ist und die durch den Wärmeeintrag zerstört wird.
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Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batteriezelle kann eine Speicheranordnung zum Bereitstellen elektrischer Energie aufgebaut werden. Bei der Speicheranordnung kann es sich um ein Batteriezellenmodul handeln, bei dem eine Anzahl von Batteriezellen zum Ausbilden des Modules mittels Verspannelementen untereinander verspannt sind. Die von solch einem Modul bereitgestellte elektrische Spannung liegt dabei üblicherweise unterhalb der Berührschutzgrenze von 60 Volt. Alternativ kann es sich bei der Speicheranordnung auch um einen Hochvoltspeicher handeln, der aus mehreren der vorgenannten Batteriezellenmodulen aufgebaut sein kann. Die von einem Hochvoltspeicher bereitgestellte elektrische Spannung kann durchaus in einem Bereich von 250 bis 420 Volt liegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 anhand einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer prismatischen Batteriezelle,
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2 anhand einer schematischen Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau einer Batteriezelle, wobei die Darstellung einen Normalbetriebszustand zeigt,
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3 anhand einer weiteren schematischen Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau einer Batteriezelle, wobei die Darstellung einen kritischen Betriebszustand zeigt
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4 anhand einer schematischen Schnittdarstellung den Aufbau einer alternativ ausgeführten Batteriezelle, wobei die Darstellung einen Normalbetriebszustand zeigt.
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1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Batteriezelle 10, wobei es sich um eine prismatisch ausgebildete Batteriezelle handelt. Die Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das eine Vielzahl von Gehäusewänden aufweist, von denen eine exemplarisch mit der Bezugsziffer 14 gekennzeichnet ist. Bei einer prismatisch ausgebildeten Batteriezelle sind es insgesamt 6 Gehäusewände. Bei einer der Gehäusewände handelt es sich um den Deckel 16 der Batteriezelle 10. Bei der Batteriezelle 10 sind am Deckel 16 zwei Anschlüsse 18, 20 vorgesehen, wobei es sich bei dem Anschluss 18 um den positiven Anschluss und bei dem Anschluss 20 um den negativen Anschluss der Batteriezelle 10 handeln soll. Ferner weist der Deckel 16 eine Gehäuseöffnung 22 mit einem Öffnungsbereich 24 auf. In dem Bereich der Gehäuseöffnung 22 ist ein Entlüftungselement 26 angeordnet, das die Gehäuseöffnung 22 gegenüber einer Umgebung 28 der Batteriezelle verschließt.
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Dass die Gehäuseöffnung 22 und das Entlüftungselement 26 gemäß der Darstellung in 1 im Deckel 16 angeordnet sind, soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich können beide auch in einer Seitenwand der Batteriezelle 10 angeordnet sein. Entsprechendes gilt für die beiden Anschlüsse 18 und 20. Ferner soll die Darstellung einer prismatisch ausgebildeten Batteriezelle in 1 und in den nachfolgenden Figuren keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Idee auch bei anders ausgestalteten Batteriezellen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei einer Rundzelle oder bei einer Pouch-Zelle.
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2 zeigt anhand einer schematischen Schnittdarstellung den prinzipiellen Aufbau einer Batteriezelle 10, wobei sich die dargestellte Batteriezelle 10 in einem Normalbetriebszustand befinden soll.
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Die Gehäusewände 14 umschließen einen Gehäuseinnenraum 30. Das Gehäuse 12 ist dazu ausgebildet, ein für den Betrieb der Batteriezelle 10 benötigtes Elektrodenmaterial 32 in dem hierfür vorgesehenen Gehäuseinnenraum 30 aufzunehmen. Das Elektrodenmaterial 32 weist ein erstes Elektrodenmaterial zum Ausbilden einer ersten Elektrode auf, die über einen ersten Stromableiter 34 mit dem positiven Anschluss 18 der Batteriezelle 10 verbunden ist. Ferner weist das Elektrodenmaterial 32 ein zweites Elektrodenmaterial zum Ausbilden einer zweiten Elektrode auf, die über einen zweiten Stromableiter 36 mit dem negativen Anschluss 20 der Batteriezelle 10 verbunden ist. Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, ist der positive Anschluss 18 mit dem Gehäuse 12 der Batteriezelle 10 verbunden, wohingegen der negative Anschluss 20 mittels einem Isolationselement 38 gegenüber dem Gehäuse 12 isoliert ist. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Elektrodenmaterial als sogenannte Dünnschichtelektroden ausgebildet, die durch einen ein Elektrolyt tragenden Separator isoliert und zu einem Verbund gewickelt oder gestapelt sind. Bei der Batteriezelle kann es sich um eine Li-Ionen Batteriezelle handeln.
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Das Entlüftungselement 26 ist dazu ausgebildet, in einem von einem Normalbetriebszustand abweichenden kritischen Betriebszustand der Batteriezelle 10, wie er in 3 dargestellt ist, im Gehäuseinnenraum 30 entstehendes oder befindliches Gas bei Erfüllen eines vorbestimmten Kriteriums über eine Entlüftungselementöffnung 40 (3) an die Umgebung 28 der Batteriezelle 10 abzulassen. Bei dem vorbestimmten Kriterium kann es sich um einen vorgegebenen Wert für den Druck im Gehäuseinnenraum 30 handeln, d. h. um einen Schwellenwert für diesen Druck.
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In dem Bereich des Öffnungsbereichs 24 ist ein Verschlusselement 42 angeordnet, das den Öffnungsbereich 24 zumindest teilumfänglich verschließt. Vorzugsweise ist das Verschlusselement 42 dergestalt ausgebildet, dass es den Öffnungsbereich 24 größtenteils oder besonders bevorzugt vollständig verschließt. Das Verschlusselement 42 ist dazu ausgebildet, in dem kritischen Betriebszustand in dem Gehäuseinnenraum 30 befindliche brandermöglichende Stoffe zurückzuhalten und/oder einen das Brandverhalten von brennbaren Stoffen beeinflussenden Brandbeeinflussungsstoff bereitzustellen. Vorzugsweise besteht das Verschlusselement 42 aus einem porösen Material, wobei es sich vorteilhafterweise um ein keramisches Material handeln kann.
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Wie in 2 dargestellt, kann das Verschlusselement 42 an einer dem Gehäuseinnenraum 30 zugewandten Innenwand 44 des Deckels 16 aufliegen. 4 zeigt eine alternativ ausgeführte Batteriezelle 10, bei der das Verschlusselement 42' innerhalb eines Innenbereichs 46 des Entlüftungselement 26 angeordnet ist.
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Wie der Darstellung in 3 zu entnehmen ist, weist das Entlüftungselement 26 eine Sollbruchstelle 48 auf, die sich beim Erreichen eines genügend großen Drucks im Gehäuseinnenraum 30 öffnet, wodurch die Entlüftungselementöffnung 40 entsteht und somit Gas aus dem Inneren der Batteriezelle 10 an deren Umgebung 28 entweichen kann.
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Unabhängig davon, ob das Verschlusselement 42, 42' an einer dem Gehäuseinnenraum 30 zugewandten Innenwand 44 des Deckels 16 aufliegt oder innerhalb eines Innenbereichs 46 des Entlüftungselements 26 angeordnet ist, kann das Verschlusselement 42, 42' unterschiedlich ausgebildet sein. Zum einen kann das Verschlusselement 42, 42' dazu ausgebildet sein, in einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle 10 in dem Gehäuseinnenraum 30 befindliche brandermöglichende Stoffe zurückzuhalten. Um dies zu erreichen, kann das Verschlusselements 42, 42' unterschiedlich ausgestaltet sein, wobei denkbar ist, dass das Verschlusselements 42, 42' eine beliebige Kombination dieser Ausgestaltungen aufweisen kann:
- – Das Verschlusselement 42, 42' kann zumindest teilumfänglich dazu ausgebildet sein, eine im Gehäuseinnenraum befindliche Flamme daran zu hindern, in die Umgebung der Batteriezelle auszutreten.
- – Das Verschlusselement 42, 42' kann dazu ausgebildet sein, Feststoffe zurückzuhalten, die eine Temperatur aufweisen, die sehr viel größer als die Normalbetriebstemperatur der Batteriezelle 10 ist.
- – Das Verschlusselement 42, 42' kann dazu ausgebildet sein, ein zündfähiges Gemisch zurückzuhalten.
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Zum anderen kann das Verschlusselement 42, 42' dazu ausgebildet sein, in einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle 10 einen das Brandverhalten von brennbaren Stoffen beeinflussenden Brandbeeinflussungsstoff bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann das Verschlusselement 42, 42' dazu ausgebildet sein, den Brandbeeinflussungsstoff in Abhängigkeit einer auf das Verschlusselement einwirkenden Temperatur bereitzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Brandbeeinflussungsmittel gebildet oder freigesetzt wird, wenn die auf das Verschlusselement einwirkende Temperatur größer als ein vorgegebener Temperaturwert ist.
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Es ist denkbar, dass bei einem Verschlusselement 42, 42' lediglich eine der vorstehend aufgeführten vier Maßnahmen realisiert ist. Alternativ ist denkbar, dass bei einem Verschlusselement 42, 42' eine beliebige Kombination der vorstehend aufgeführten vier Maßnahmen realisiert ist, unter Umständen können alle vier Maßnahmen gleichzeitig realisiert sein.
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Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Batteriezelle bzw. durch die Verwendung eines Verschlusselements in einer Batteriezelle kann erreicht werden, dass bei einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle, beispielsweise bei einem in der Batteriezelle auftretenden Kurzschluss, die hierbei entstehenden Gase und/oder glühende Partikel und/oder bereits vorhandenen Flammen daran gehindert werden, durch die Entlüftungselementöffnung aus dem Inneren der Batteriezelle auszutreten und in die Umgebung der Batteriezelle zu gelangen. Somit wird bei einem kritischen Betriebszustand der Batteriezelle erreicht, dass die für die Umgebung der Batteriezelle gegebene Brandgefahr bzw. das Risiko eines Brands oder Explosion reduziert wird bzw. ein Brand in der Umgebung der Batteriezelle verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezelle
- 12
- Gehäuse
- 14
- Gehäusewand
- 16
- Deckel
- 18
- positiver Anschluss
- 20
- negativer Anschluss
- 22
- Gehäuseöffnung
- 24
- Öffnungsbereich
- 26
- Entlüftungselement
- 28
- Umgebung
- 30
- Gehäuseinnenraum
- 32
- Elektrodenmaterial
- 34
- erster Stromableiter
- 36
- zweiter Stromableiter
- 38
- Isolationselement
- 40
- Entlüftungselementöffnung
- 42
- Verschlusselement
- 44
- Innenwand
- 46
- Innenbereich
- 48
- Sollbruchstelle
