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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, mit einer Versiegelung, über die ein erster Ableiter aus einem Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und ein zweiter Ableiter aus einem Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit hervorstehen.
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Bei Lithium-Ionen-Batteriezellen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Pouchzellen, befindet sich aktives Elektrodenmaterial in einem folienartigen Gehäuse, welches durch eine Versiegelung dicht verschlossen ist. Durch die Versiegelung werden die beiden Ableiter derartiger Batteriezellen nach außen geführt. Die beiden Ableiter werden in der Regel aus einem Folienstreifen mit einer jeweiligen Materialstärke von 50 mm bis 500 mm gefertigt. Dabei wird in der Regel ein Ableiter aus einer Aluminium enthaltenden Legierung und der andere Ableiter aus einer Kupfer enthaltenden Legierung gefertigt. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine Kombination zwischen einem Ableiter aus einer Aluminiumlegierung und einem weiteren Ableiter aus einer Nickellegierung einzusetzen. Zum Schutz vor Korrosion werden die beiden Ableiter eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung enthaltend, häufig mit Nickel plattiert.
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Die Breite der streifenförmig ausgebildeten Ableiter richtet sich nach dem erforderlichen Stromfluss und liegt bei im Consumer Bereich eingesetzten Batteriezellen in der Größenordnung zwischen 3 mm bis 6 mm. Bei Batteriezellen hingegen, die für Anwendungen im Automobilbereich infrage kommen, liegt die Breite der streifenförmig ausgebildeten Ableiter typischerweise zwischen 50 mm bis 70 mm. In Ausnahmefällen können auch Breiten von bis zu 100 mm ausgeführt sein, wobei die beiden Ableiter in der Regel die gleichen Breiten aufweisen. Metalle besitzen unterschiedliche spezifische elektrische Leitfähigkeiten, die nachstehend angegeben sind: Nickel 13,9·106 A/(V·m), Aluminium 37,7·106 A/(V·m), Kupfer 59,1·106 A/(V·m).
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Aufgrund der unterschiedlichen spezifischen elektrischen Leitfähigkeiten entsteht an demjenigen Ableiter, welcher die niedrigere spezifische Leitfähigkeit aufweist, bei einem zu hohen Stromfluss, beispielsweise bei Auftreten eines Kurzschlusses mehr Wärme und dieser Ableiter schmilzt somit durch. Aufgrund dessen wird der Stromfluss unterbrochen. Das Durchschmelzen des Ableiters erfolgt in der Regel sehr nahe am Rand der Versiegelungen solcher Batteriezellen. Beim Durchschmelzen kann die Versiegelung beschädigt werden, so dass infolgedessen die Batteriezelle undicht werden kann. Durch die sich einstellenden chemischen Reaktionen zwischen dem eindringenden Luftsauerstoff und dem in der Batteriezelle bevorratenden Elektrolyten, sowie dem Material des Elektrodenensembles, kann Gefahr für Mensch und Umwelt entstehen.
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Selbst bei einer beinahe unbeschädigt gebliebenen Versiegelung nach dem Durchschmelzen eines Ableiters ist eine nachträgliche Entladung der betreffenden Batteriezellen nicht möglich, weil aufgrund des fehlenden Überstandes bei abgeschmolzenem Ableiter keine Kontaktierung desselben mehr möglich ist. Dies bedeutet, dass für die Entsorgung, beziehungsweise das Recycling, einer dementsprechend präparierten Batteriezelle, diese bei Vorhandensein einer Restspannung geöffnet werden muss, was ebenfalls mit Gefahren verbunden sein kann.
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DE 103 27 203 A1 bezieht sich auf eine elektrochemische Speicherbatterie. Die elektrochemische Speicherbatterie weist Zellen auf, die mit einem Elektrolyten befüllt sind, ferner Stromableiterelemente, die mit den Zellen elektrisch verbunden sind. Die Stromableiterelemente sind mehrschichtig aufgebaut, wobei eine erste, unmittelbar mit einer Zelle verbundene Kontaktschicht eines Stromableiterelementes aus einem ersten gegen den Einfluss des Elektrolyten korrosionsfestem, leitfähigem Material besteht. Und einer zweiten an die Kontaktschicht anschließende Leitungsschicht des Stromleiterelementes aus einem zweiten Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit besteht, die größer als die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials ist.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer Versiegelung vorgeschlagen, über die ein erster Ableiter aus einem Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit und ein zweiter Ableiter aus einem Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit hervorstehen, wobei die zweite elektrische Leitfähigkeit die erste elektrische Leitfähigkeit übersteigt und ein Verhältnis der Querschnitte der Ableiter einem reziproken Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien der Ableiter entsprechen.
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Durch eine derartige Optimierung der Ableiter können die unterschiedlichen, elektrischen Leitfähigkeiten der beiden als Ableitermaterialien eingesetzten Werkstoffe ausgeglichen werden. Die eingebrachte Querschnittsverringerung an demjenigen der Ableiter, der aus einem Material mit einer niedrigeren spezifischen Leitfähigkeit gefertigt ist, lässt diesen bei einem zu hohen Stromfluss durchschmelzen und sorgt für dessen Unterbrechung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens sind die beiden Ableiter in identischen Überständen ausgebildet. Die beiden Ableiter, die sich außerhalb der Versiegelung der bevorzugt als Pouchzelle ausgebildeten Batteriezelle befinden, sind von identischer Länge.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle weist diejenige der beiden Ableiter, der aus dem Material mit der ersten spezifischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, außerhalb der Batteriezelle einen reduzierten Querschnitt auf. Der reduzierte Querschnitt des ersten Ableiters ist um mindestens 5%, bevorzugt zwischen 20% und 30%, bezogen auf den verbleibenden Querschnitt des ersten Ableiters, reduziert. Darüber hinaus liegt der reduzierte Querschnitt im ersten Ableiter in einem Mindestabstand, bezogen auf einen Siegelrand der Versiegelung der Batteriezelle, bei der es sich insbesondere um eine Pouchzelle handelt. Der Mindestabstand beträgt einige Millimeter, bevorzugt 2 mm und 3 mm, so dass nach einem Durchschmelzen des ersten Ableiters bei Auftreten eines zu hohen Stromflusses, eine sichere elektrische Kontaktierung des abgeschmolzenen Ableiterstumpfes möglich ist.
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Batteriezelle besteht die Möglichkeit, den reduzierten Querschnitt in einer Vielzahl möglicher Ausführungsvarianten zu fertigen. So kann der reduzierte Querschnitt in dem ersten Ableiter durch mindestens eine seitliche Verjüngung, beispielsweise in einer ein- oder beidseitig ausgebildeten Kerbe, ausgebildet sein. Zur Reduzierung der Kerbwirkung ist dafür Sorge zu tragen, dass zur Beibehaltung der mechanischen Festigkeit des ersten Ableiters die Kerben im Kerbgrund gerundet ausgebildet sind.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den reduzierten Querschnitt im ersten Ableiter durch eine oder mehrere Bohrungen auszubilden. Eine Bohrung kann in einem ersten Durchmesser ausgebildet sein, werden mehrere Bohrungen ausgebildet, so können diese, beispielsweise horizontal nebeneinander, sich über die Breite des ersten Ableiters erstreckend in geringerem Ausmesser ausgebildet sein, so dass sich die gewünschte Querschnittsschwächung durch den reduzierten Querschnitt im ersten Ableiter einstellt. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere Schlitzungen im Material des ersten Ableiters vorzunehmen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine sich im Wesentlichen in horizontale Richtung erstreckende Horizontalschlitzung handeln, welche zu der gewünschten Schwächung, d. h. der Ausbildung des reduzierten Querschnitts im ersten Ableiter, führt; daneben besteht die Möglichkeit, mindestens eine Vertikalschlitzung in dem zungenförmigen ersten Ableiter auszubilden.
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Des Weiteren kann der reduzierte Querschnitt im ersten Ableiter durch eine ein- oder beidseitig ausgebildete Prägung im ersten Ableiter ausgebildet sein. Der reduzierte Querschnitt stellt sich entweder dadurch ein, dass eine beidseitige Prägung am ersten Ableiter vorgenommen wird oder im Falle der Ausbildung einer einseitigen Prägung durch die Tiefe der Prägungsriefe.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Verwendung der Batteriezelle, insbesondere einer Pouchzelle, in einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeuges (HEV), eines Plug-in-Hybridfahrzeuges (PHEV) oder eines Elektrofahrzeuges (EV).
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung hinsichtlich der Ausbildung der Querschnitte der beiden an der als Pouchzelle ausgebildeten Batteriezelle ausgeführten Ableiter kann die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit der beiden Materialien, aus denen der ersten und zweite Ableiter gefertigt werden, ausgeglichen werden. Die in den ersten Ableiter mit ersten, niedrigeren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eingebrachten reduzierten Querschnitte lassen diesen bei Auftreten eines zu hohen Stromflusses durchschmelzen. Auf diese Weise wird der Stromfluss unterbrochen. Durch die definierte Lage außerhalb der Batteriezelle, zurückzuführen auf den Mindestabstand oberhalb des Siegelrandes der Versiegelung, bleibt auch nach Auftreten eines Schmelzvorganges außerhalb der Versiegelung der Batteriezelle ein kleines Ende des ersten Ableiters erhalten, so dass die Möglichkeit besteht, die Batteriezelle zu entladen. Ferner ist die auf die Batteriezelle, insbesondere ausgebildet als Pouchzelle, einwirkende Wärme relativ gering, so dass weder die Versiegelung noch die Batteriezelle beschädigt werden.
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In vorteilhafter Weise sind die Querschnitte der beiden Ableiter auch unter Berücksichtigung des reduzierten Querschnittes so groß gewählt, dass diese einen um einen Sicherheitsfaktor erhöhten maximal zulässigen Strom leiten können. Das Auslösen der Sicherheitsfunktion, d.h. das Durchschmelzen ist von außen her eindeutig zu erkennen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine Batteriezelle, insbesondere ausgebildet als Pouchzelle, mit einem ersten Ableiter und einem zweiten Ableiter,
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2 eine erste Ausführungsmöglichkeit eines reduzierten Querschnitts im ersten Ableiter,
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3 weitere Ausführungsmöglichkeiten zur Darstellung eines reduzierten Querschnitts im ersten Ableiter,
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4 eine Darstellung eines reduzierten Querschnitts im ersten Ableiter durch Schlitzungen und
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5 eine Ausbildung eines reduzierten Querschnitts im ersten Ableiter durch eine beidseitig ausgeführte Prägung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Darstellung gemäß 1 ist in schematischer Weise eine Batteriezelle – hier eine Pouchzelle – mit zwei zungenförmig ausgebildeten Ableitern zu entnehmen.
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine als Pouchzelle 12 ausgebildete Batteriezelle 10 zu entnehmen. Eine Anzahl von Batteriezellen 10 kann elektrisch, beispielsweise in Reihen- oder Parallelschaltung, miteinander verschaltet sein und bildet in diesem Falle Batteriemodule oder Batteriepacks, die als Traktionsbatterie für Fahrzeuge, insbesondere Hybridfahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) oder für Elektrofahrzeuge (EV) eingesetzt werden können.
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Aus 1 geht hervor, dass die Batteriezelle 10 eine Versiegelung 14 aufweist, an deren Oberseite sich ein Siegelrand 16 befindet. Über den Siegelrand 16 hervorstehend sind ein erster Ableiter 18 und ein zweiter Ableiter 20 dargestellt. Die beiden Ableiter 18, 20 sind in identischer Länge in Bezug aufeinander ausgebildet. Der erste Ableiter 18 ist in einem Überstand 22 ausgeführt, über den dieser über den Siegelrand 16 hervorstehend analog zum Überstand 24, mit welchem der zweite Ableiter 20 über den Siegelrand 16 der Versiegelung 14 der Batteriezelle 10 übersteht.
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Der erste Ableiter 18 ausgebildet in einer Breite 26 ist aus einem Material mit einer ersten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ausgeführt, und beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Der zweite Ableiter 20 ist aus einem Material mit einer zweiten, höheren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet und beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt.
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Daneben besteht die Möglichkeit den ersten Ableiter 18 aus einer Aluminiumlegierung und den zweiten Ableiter 20 aus einer Nickellegierung zu fertigen.
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Aus der zeichnerischen Darstellung gemäß 1 ergibt sich, dass die Breite 26 des ersten Ableiters 18 höher ist, als die Breite 28 des zweiten Ableiters 20. Ein Querschnitt des ersten Ableiters 18, der aus dem Material 30 mit einer ersten spezifischen Leitfähigkeit gefertigt ist, ist durch das Bezugszeichen 58 identifiziert, während ein Querschnitt, in dem ein zweiter Ableiter 20 aus dem Material 32 mit höherer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit ausgeführt ist, mit 60 bezeichnet ist. Die Längen, beziehungsweise Überstände 22, 24, in denen die beiden Ableiter 18, beziehungsweise 20 über den Siegelrand hervorstehen, sind identisch.
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In dem ersten Ableiter
18 gefertigt aus dem Material
30 mit der ersten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit, wird ein reduzierter Querschnitt
62 ausgeführt, wobei die Ausführung des reduzierten Querschnittes
62 in mehreren Ausführungsvarianten erfolgen kann. Der im ersten Ableiter
18 ausgebildete reduzierte Querschnitt
62 lässt diesen bei einem zu hohen auftretenden Stromdurchfluss durchschmelzen, so dass eine Unterbrechung des Stromflusses erfolgt. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, werden die Querschnitte
58,
60,
62 des ersten Ableiters
18 und des zweiten Ableiters
20 so aneinander angepasst, dass das Verhältnis gebildet aus dem reduzierten Querschnitt
62 des ersten Ableiters
18 und dem Querschnitt
60 des zweiten Ableiters
20 dem reziproken Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Materialien
30 beziehungsweise
32, entspricht. Dies ist möglich, da die beiden Ableiter
18 und
20 jeweils in identischer Länge, d. h. im gleichen Überstand
22,
24, bezogen auf den Siegelrand
16 der Versiegelung
14 der Batteriezelle
10 ausgebildet sind. Demnach ist folgende Gleichung zu erfüllen:
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Ferner sind die Querschnitte 58, 62 so zu wählen, dass diese einen um einen Sicherheitsfaktor erhöhten maximal zulässigen Strom führen können.
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In den 2, 3, 4 und 5 sind mehrere Ausführungsvarianten dargestellt, wie der reduzierte Querschnitt 62 im ersten Ableiter 18, der das Material 30 mit der ersten niedrigeren spezifischen Leitfähigkeit enthält, ausgebildet sein kann.
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An dem ersten Ableiter 18 wird außerhalb der Batteriezelle 10 der reduzierte Querschnitt 62 ausgebildet. Der reduzierte Querschnitt ist um mindestens 5%, typischerweise um 20% bis 30%, in Bezug auf den originalen Querschnitt 58 des ersten Ableiters 18 ausgeführt. Deshalb schmilzt bei Auftreten eines zu großen Stromflusses der erste Ableiter 18 am reduzierten Querschnitt 62, so dass dieser als Batteriezellensicherung dient. Der reduzierte Querschnitt 62 befindet sich vorteilhafterweise in einem Mindestabstand 38, vergleiche Darstellungen der 2, 3, 4 und 5, oberhalb des Siegelrandes 16 der Versiegelung 14 der als Pouchzelle 12 ausgebildeten Batteriezelle 10. Dadurch ist während des Schmelzvorganges die Wärmeübertragung auf die Batteriezelle 10 und den Siegelrand 16 gering. Diese werden folglich nicht beschädigt. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Batteriezelle an dem verbliebenen Überstand des ersten Ableiters 18 für eine sichere Entladung nochmals kontaktiert werden kann.
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2 zeigt die Ausbildung des reduzierten Querschnittes 62 als seitliche Verjüngung 34. Die Breite des ersten Ableiters 18, gefertigt aus dem Material 30 mit der ersten spezifischen niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit ist mit Bezugszeichen 26 gekennzeichnet. Als Material kommt beispielsweise Aluminium in Frage. Der erste Ableiter 18 weist eine seitliche Verjüngung 34 auf, die beispielsweise als zwei einander gegenüberliegende Kerben 36 ausgebildet sein kann. Die seitliche Verjüngung 34 befindet sich im Mindestabstand 38 bezogen auf den Siegelrand 16 der Versiegelung 14. Es ergibt sich der reduzierte Querschnitt 62, der deutlich geringer ist als der Querschnitt 58, den der zungenförmig ausgebildete erste Ableiter 18 in seinen übrigen Bereichen außerhalb der Batteriezelle 10 aufweist.
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3 zeigt eine Ausführungsvariante des reduzierten Querschnittes durch mindestens eine Bohrung.
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Aus den beiden Darstellungen gemäß 3 ergibt sich, dass im Material 30 des ersten Ableiters 18, unter Wahrung eines Mindestabstandes 38, eine Bohrung 40 in einem ersten Durchmesser 42 ausgebildet sein kann. Durch diese Bohrung 40 wird der reduzierte Querschnitt 62 im ersten Ableiter 18 dargestellt. Anstelle einer Bohrung 40 im ersten Durchmesser 42 können auch mehrere nebeneinanderliegende Bohrungen 40, die dann allerdings einen zweiten Durchmesser 44, der geringer ist als der erste Durchmesser 42, horizontal nebeneinanderliegend im Material des ersten Ableiters 18 ausgebildet sein. Auch die Bohrungen 40, die im zweiten, geringeren Durchmesser 44 ausgebildet sind, liegen einerseits in einem Mindestabstand 38 bezogen auf den Siegelrand 16 gemäß der Darstellung in 1 im ersten Ableiter 18 und bilden andererseits den gewünschten reduzierten Querschnitt 62 im ersten Ableiter 18, der aus dem Material 30 mit einer ersten geringeren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist.
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Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines reduzierten Querschnitts im Material des ersten Ableiters 18 zu entnehmen.
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In der Ausführungsvariante gemäß 4 sind im Material des ersten Ableiters 18 Schlitzungen 46 ausgebildet. Die Schlitzung 46 kann entweder als eine Horizontalschlitzung 48 ausgeführt sein, die sich in einem Mindestabstand 38 vom Siegelrand 16 der als Pouchzelle 12 ausgebildeten Batteriezelle 10 befindet. Alternativ besteht gemäß der Darstellung in 4 die Möglichkeit, die Schlitzung 46 als mindestens eine Vertikalschlitzung 50 auszubilden, wodurch ebenfalls der reduzierte Querschnitt 62 im Material des ersten Ableiters 18 gemäß der Darstellung in 1 erhalten wird. Gemäß der Ausführungsvarianten in den 2 und 3 bleibt die ursprüngliche Breite 26 des ersten Ableiters 18 außerhalb der Batteriezelle 10 erhalten, lediglich bei der Ausführungsvariante gemäß 2 stellt sich im Bereich der seitlichen Verjüngung 34 eine Reduktion der Breite 26 des Materials des ersten Ableiters 18 ein.
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5 zeigt eine weitere Ausbildungsmöglichkeit eines reduzierten Querschnittes im ersten Ableiter.
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Gemäß der Darstellung in 5 ist im Material 30 mit der ersten geringeren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eine beidseitige Prägung 54 ausgeführt. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Prägung 52 am ersten Ableiter 18 vorzunehmen, welche lediglich an einer Seite des ersten Ableiters 18 ausgeführt ist. Die Breite 26 des ersten Ableiters bleibt unverändert. Die Ausbildung des reduzierten Querschnittes 62 ist abhängig von der Tiefe, in der die Prägungsriefe 56 im Material 30 mit der ersten geringeren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des ersten Ableiters 18 ausgeführt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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