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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lithium-Zelle und eine Lithium-Batterie sowie einen Fluorabsorberbehälter hierfür.
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Stand der Technik
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Es ist abzusehen, dass zukünftig mehr und mehr Batteriesysteme in stationären Anwendungen, beispielsweise in Windkraftanlagen, in automotiven Anwendungen, beispielsweise in Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen, sowie in Consumer-Anwendungen, beispielsweise Laptops und Mobiltelefonen, eingesetzt werden, bei denen höhere Ansprüche im Hinblick auf die Verlässlichkeit, Leistung und Lebensdauer der Batteriesysteme gestellt werden.
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Eine so genannte prismatische Zell umfasst eine verpackte, beispielsweise gerollte oder gewickelte, Elektroden-Anordnung und ein metallisches Zellgehäuse, beispielsweise aus Aluminium, welches eine Hartschale um die Zelle ausbildet. Dieses äußere Zellgehäuse ist druckbeständig und kann besonders einfach in dem Batteriesystem verbaut werden.
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Lithium-Ionen-Zellen sind gegenüber äußeren Einflüssen, wie Luft und Feuchtigkeit, sehr empfindlich und sollten daher vor derartigen Einflüssen geschützt werden.
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Eine Lithium-Ionen-Batterie kann im Fall einer Überhitzung und/oder Überladung thermisch Durchgehen, was auch als Thermal Runaway bezeichnet wird. Das thermische Durchgehen kann dabei über mehrere Stadien verlaufen, welche die Zelle mehr und mehr permanent schädigen können. Durch hohe Stromstärken, Überladen und/oder hohe Außentemperaturen können Zellen zudem überhitzen. Dabei kann eine, auf der Anode ausgebildete und die Anode schützende, dünne Festelektrolytschicht geschädigt werden, so dass Elektrolyt mit der, beispielsweise kohlenstoffhaltigen, Anodenoberfläche in einer exothermen Reaktion reagieren und die Temperatur der Zelle weiter ansteigen kann. Mit Fortschreiten der exothermen Reaktionen auf der Anodenoberfläche, können auch in dem Elektrolyten enthaltene, organische Lösungsmittel zersetzt werden, wobei entflammbare Gase, wie Ethan, Methan und andere Kohlenwasserstoffgase entstehen können. Durch die Gasbildung kann wiederum der Druck innerhalb der Zelle ansteigen. Zudem können sich auch in dem Elektrolyten enthaltene Lithium-Leitsalze zersetzen. Dabei können Fluoridionen und giftiges Fluorwasserstoffgas (HF) gebildet werden.
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Neuere Lithium-Ionen-Batteriezellen können mit Sicherheitseinrichtungen, beispielsweise einem Stromunterbrechungseinrichtung (CID; Englisch: Current Interrupt Device), einem Druckabbauventil und/oder einer, im Fall einer Überladung und/oder einer zu hohen Stromstärke unterbrechenden, thermischen Unterbrechungseinrichtung ausgestattet sein.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 001 707 A1 betrifft eine Energiewandler- und/oder Energiespeichervorrichtung, welche eine oder mehrere Energiewandlerund/oder Energiespeichereinheit/en umfasst, die von einer Ummantelung umgeben sind. Die Ummantelung umfasst dabei eine erste Wandung aus einem Trägermaterial. Dabei ist ein Fluorabsorber auf der Innenseite und/oder der Außenseite der ersten Wandung angeordnet und/oder in dem Trägermaterial der ersten Wandung eingelagert.
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Die Druckschrift
US 2008/0206636 A1 betrifft eine Lithium-Sekundärbatterie, in welcher ein energieerzeugendes Element zusammen mit einer Absorptionsfolie in einem laminierten Gehäusematerial, welches eine metallische Schicht und eine Kunstharzschicht ist, versiegelt ist. Dabei umfasst die Absorptionsfolie eine Absorptionsschicht, welche aus mindestens einer Harzschicht ausgebildet ist, die säureabsorbierende, anorganische Partikel und wasserabsorbierende, anorganische Partikel umfasst.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 025 422 A1 betrifft eine Energiespeicherzelle mit einer Sicherheits-Berstmembran, an die angrenzend ein Absorber in Form einer Trockentablette befestigt.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 051 014 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von elektrischer Energie, welche wenigstens eine Akkumulatorzelle und ein diese umgebendes Gehäuse aufweist. In dem Gehäuse ist wenigstens ein chemischer Stoff vorhanden, welcher mit eventuell aus der Akkumulatorzelle austretenden kritischen Substanzen zu unkritischen Verbindungen oder Elementen reagiert und/oder deren Reaktion zu unkritischen Verbindungen oder Elementen fördert.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Lithium-Zelle, welche mindestens einen Lithium-Zellwickel, eine Folienverpackung, ein Hartschalenzellgehäuse und einen Fluorabsorber umfasst. Dabei ist der mindestens eine Zellwickel insbesondere innerhalb der Folienverpackung angeordnet. Die Folienverpackung ist dabei insbesondere innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet. Der Fluorabsorber ist dabei insbesondere innerhalb der Folienverpackung und/oder innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet.
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Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle, beispielsweise Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium beteiligt ist. Beispielsweise kann eine Lithium-Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle oder Lithium-Metall-Zelle sein.
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Unter einem Lithium-Zellwickel kann insbesondere eine gewickelte und/oder gestapelte Zellanordnung für eine Lithium-Zelle, beispielsweise ein so genannter Jelly-Roll, verstanden werden, beispielsweise welche eine Anode und eine Kathode sowie gegebenenfalls einen Separator und/oder einen Anodenstromkollektor und/oder einen Kathodenstromkollektor umfasst.
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Unter einem Fluorabsorber kann insbesondere ein Stoff verstanden werden, welcher Fluor, zum Beispiel Fluorwasserstoff (HF) und andere fluorhaltige beziehungsweise fluoridhaltige Verbindungen, insbesondere in Form von Fluoridionen, neutralisieren und/oder binden kann.
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Dadurch, dass der Fluorabsorber innerhalb der Folienverpackung beziehungsweise innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet ist, können vorteilhafterweise Fluorwasserstoff (HF), Fluoridionen und andere fluorhaltige Chemikalien, welche sich bei einer Zersetzung von Lithium-Leitsalz, beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) bilden können, nah beziehungsweise direkt am Entstehungsort, insbesondere innerhalb des Hartschalenzellgehäuses und/oder innerhalb der Folienverpackung oder sogar direkt am Zellwickel, neutralisiert und/oder gebunden werden und auf diese Weise eine Fluorwasserstoffentwicklung direkt am Entstehungsort und insbesondere innerhalb des Hartschalenzellgehäuses eingedämmt werden.
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Insgesamt kann so vorteilhafterweise die Sicherheit der Zelle sowie einer damit ausgestatteten Batterie erhöht werden.
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Gegebenenfalls kann die Zelle zwei oder mehr Zellwickel umfassen. Dabei können die Zellwickel insbesondere innerhalb der Folienverpackung angeordnet sein. Insbesondere kann der mindestens eine Zellwickel beziehungsweise können die Zellwickel in der Folienverpackung verpackt sein.
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Der Fluorabsorber kann beispielsweise in der Folienverpackung und/oder in dem Hartschalenzellgehäuse verpackt sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst der Fluorabsorber mindestens ein Erdalkalisalz und/oder Silikagel. Beispielsweise kann der Fluorabsorber aus mindestens einem Erdalkalisalz und/oder Silikagel ausgebildet sein. Erdalkalisalze, beispielsweise Carbonate und/oder Chloride, und Silikagel können vorteilhafterweise mit Fluorwasserstoffgas reagieren. Zudem können Erdalkalisalze und Silikagel vorteilhafterweise als Trockenmittel dienen.
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Beispielsweise kann der Fluorabsorber mindestens ein Erdalkalicarbonat und/oder Erdalkalichlorid umfassen oder daraus ausgebildet sein.
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Zum Beispiel kann der Fluorabsorber mindestens ein Calciumsalz und/oder Magnesiumsalz, beispielsweise Calciumcarbonat und/oder Calciumchlorid und/oder Magnesiumcarbonat und/oder Magnesiumchlorid, umfassen oder daraus ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung umfasst der Fluorabsorber mindestens ein Calciumsalz, insbesondere Calciumcarbonat und/oder Calciumchlorid. Calciumsalze, wie Calciumcarbonat und/oder Calciumchlorid, können vorteilhafterweise mit Fluoridionen schwerlösliches Calciumfluorid bilden und auf diese Weise Fluorwasserstoff und andere fluorhaltige beziehungsweise fluoridhaltige Verbindungen besonders effektiv binden.
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Beispielsweise kann der Fluorabsorber direkt, beispielsweise lose, innerhalb der Folienverpackung und/oder innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet sein. So kann die Zelle auf besonders einfache Weise mit dem Fluorabsorber ausgestattet werden. Insbesondere kann der Fluorabsorber direkt, beispielsweise lose, innerhalb der Folienverpackung angeordnet sein. Gegebenenfalls können zusätzlich Silikagel und/oder andere Trockenmittel innerhalb der Folienverpackung und/oder innerhalb des Hartschalenzellgehäuses enthalten sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst die Zelle weiterhin einen Fluorabsorberbehälter. Der Fluorabsorberbehälter kann insbesondere Fluorabsorber enthalten beziehungsweise aufnehmen und beispielsweise verpacken. Die Verwendung eines Fluorabsorberbehälters ermöglicht es vorteilhafterweise größere Mengen an Fluorabsorber bereitzuhalten und bei der Montage und/oder im Regelbetrieb unerwünschte Wechselwirkungen und/oder Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber und Komponenten der Zelle zu vermeiden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter innerhalb der Folienverpackung und/oder innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet. Beispielsweise kann der Fluorabsorberbehälter in der Folienverpackung und/oder in dem Hartschalenzellgehäuse verpackt sein.
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Beispielsweise kann der Fluorabsorberbehälter innerhalb der Folienverpackung angeordnet, zum Beispiel in der Folienverpackung verpackt, sein. Die Folienverpackung kann dabei wiederum innerhalb des Hartschalenzellgehäuses angeordnet, beispielsweise in dem Hartschalenzellgehäuse verpackt, sein. Dabei können durch den Fluorabsorberbehälter vorteilhafterweise größere Mengen an Fluorabsorber in unmittelbarer Nähe zum Zellwickel bereitgehalten und im Regelbetrieb unerwünschte Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber und Komponenten des Zellwickels vermieden werden. Durch die Folienverpackung, beispielsweise in Form eines Beutels, kann der Fluorabsorberbehälter zudem besonders einfach in das Hartschalenzellgehäuse eingebracht werden.
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Der Fluorabsorberbehälter kann jedoch insbesondere auch direkt innerhalb des Hartschalenzellgehäuses und insbesondere außerhalb der Folienverpackung angeordnet sein. So können durch den Fluorabsorber fluorhaltige Verbindungen am Verlassen des Hartschalenzellgehäuses gehindert werden.
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Der Fluorabsorberbehälter kann insbesondere zumindest abschnittsweise aus einem thermoplastischen Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Fluorabsorberbehälter zumindest abschnittsweise aus einem, insbesondere niedrig schmelzenden, thermoplastischen Material, beispielsweise mit einer Erweichungstemperatur und/oder Schmelztemperatur in einem Bereich von ≥ 80 °C bis ≤ 180 °C, zum Beispiel von ≥ 100 °C bis ≤ 130 °C, ausgebildet sein. Im Fall eines thermischen Durchgehens kann sich so vorteilhafterweise der Fluorabsorber öffnen und eine Fluorwasserstoffentwicklung, insbesondere frühzeitig, eindämmen.
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Der Fluorabsorberbehälter kann beispielsweise ein einfacher Beutel aus einem zumindest abschnittsweise, thermoplastischen Material sein. Abschnittsweise kann der Fluorabsorberbehälter jedoch auch aus einem polymeren, insbesondere nicht-thermoplastischen, und/oder keramischen Material ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Fluorabsorberbehälter jedoch einen Fluorabsorberbehältergrundkörper und einen Fluorabsorberbehälterdeckel auf. Dabei kann insbesondere der Fluorabsorberbehältergrundkörper den Fluorabsorber enthalten beziehungsweise aufnehmen. Der Fluorabsorberbehältergrundkörper und der Fluorabsorberdeckel können insbesondere aus einem polymeren, insbesondere nichtthermoplastischen, und/oder keramischen Material ausgebildet sein. Dabei können der Fluorabsorberbehältergrundkörper und der Fluorabsorberbehälterdeckel jedoch insbesondere durch ein thermoplastisches Material abgedichtet sein. Im Fall eines thermischen Durchgehens kann dabei die Dichtung aus dem thermoplastischen Material schmelzen, so dass sich vorteilhafterweise der Fluorabsorberbehälterdeckel vom Fluorabsorberbehältergrundkörper lösen und eine größere Menge Fluorabsorber auf einmal fluorhaltigen Verbindungen, wie Fluorwasserstoff, aussetzen kann. Beispielsweise können der Fluorabsorberbehältergrundkörper und der Fluorabsorberbehälterdeckel durch ein, insbesondere niedrig schmelzendes, thermoplastisches Material, beispielsweise mit einer Erweichungstemperatur und/oder Schmelztemperatur in einem Bereich von ≥ 80 °C bis ≤ 180 °C, zum Beispiel von ≥ 100 °C bis ≤ 130 °C, abgedichtet sein. So kann der Fluorabsorber im Schadensfall vorteilhafterweise besonders frühzeitig freigegeben und damit eine Fluorwasserstoffentwicklung frühzeitig eingedämmt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Fluorabsorberbehältergrundkörper eine obere oder seitliche, durch den Fluorabsorberbehälterdeckel zumindest teilweise abdeckbare Öffnung auf.
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Insofern der Fluorabsorberbehältergrundkörper eine obere Öffnung aufweist, kann diese durch den Fluorabsorberbehälterdeckel insbesondere teilweise abdeckbar sein. Dabei kann die Fläche des Fluorabsorberbehälterdeckels insbesondere kleiner als die Fläche der Öffnung sein. Der Zwischenraum zwischen dem Fluorabsorberbehälterdeckel und dem, die Öffnung umgebenen Fluorabsorberbehältergrundkörperabschnitt kann dabei insbesondere durch das thermoplastische Material abgedichtet sein. Im Schadenfall kann dabei das thermoplastische Material schmelzen beziehungsweise erweichen und der Fluorabsorberbehälterdeckel durch die Öffnung in den Fluorabsorberbehältergrundkörper fallen, so dass fluorhaltige Verbindungen durch die Öffnung in den Fluorabsorberbehältergrundkörper eindringen können, um dort von dem Fluorabsorber absorbiert zu werden.
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Insofern der Fluorabsorberbehältergrundkörper eine seitliche Öffnung aufweist, kann diese durch den Fluorabsorberbehälterdeckel teilweise abdeckbar oder vollständig abdeckbar, beispielsweise verschließbar, sein. Im Schadenfall kann dabei das thermoplastische Material schmelzen beziehungsweise erweichen und der Fluorabsorberbehälterdeckel seitlich abfallen und die Öffnung des Fluorabsorberbehältergrundkörper frei geben, so dass Fluorabsorber durch die Öffnung aus dem Fluorabsorberbehältergrundkörper austreten und/oder fluorhaltige Verbindungen darin eindringen können.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Folienverpackung eine, den mindestens einen Zellwickel verpackende Schutzverpackung. So kann vorteilhafterweise Verpackungsmaterial minimiert und im Schadensfall Fluorabsorber unmittelbar am Entstehungsort, nämlich dem Zellwickel, und insbesondere im gleichen Raum wie der Zellwickel bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform insofern in der als Zellwickel-Schutzverpackung dienenden Folienverpackung auch ein Fluorabsorberbehälter angeordnet ist. Durch den Fluorabsorberbehälter können dabei im Regelbetrieb unerwünschte Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber und dem Zellwickel vermieden werden, wobei im Schadensfall Fluorabsorber unmittelbar am Entstehungsort, nämlich dem Zellwickel, und insbesondere im gleichen Raum wie der Zellwickel bereitgestellt werden kann.
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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist innerhalb der Folienverpackung eine, den mindestens einen Zellwickel verpackende, insbesondere zusätzliche, Schutzverpackung angeordnet ist. Beispielsweise kann die, den mindestens einen Zellwickel verpackende Schutzverpackung wiederum in der Folienverpackung verpackt sein. So kann vorteilhafterweise im Schadensfall Fluorabsorber nah am Entstehungsort, nämlich dem Zellwickel, und insbesondere in einem, an den Zellwickelraum angrenzenden Raum bereitgestellt werden. Dabei kann der Fluorabsorber vorteilhafterweise direkt, beispielsweise lose, innerhalb der Folienverpackung angeordnet sein. So kann die Zelle auf besonders einfache Weise mit dem Fluorabsorber ausgestattet und gegebenenfalls auf einen Fluorabsorberbehälter verzichtet werden. Durch die Schutzverpackung können dabei im Regelbetrieb unerwünschte Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber und dem Zellwickel vermieden werden.
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Grundsätzlich kann die Folienverpackung, beispielsweise sowohl insofern die Folienverpackung als Schutzverpackung dient als auch insofern zusätzlich zur Folienverpackung eine Schutzverpackung vorgesehen ist, ein, insbesondere einfacher, Kunststoffbeutel oder eine laminierte Schutzverpackung, beispielsweise welche mindestens eine metallische Schicht, zum Beispiel eine Aluminiumfolie, und mindestens eine polymere Schicht umfasst, sein. Insbesondere kann jedoch die Folienverpackung, beispielsweise sowohl insofern die Folienverpackung als Schutzverpackung dient als auch insofern zusätzlich zur Folienverpackung eine Schutzverpackung vorgesehen ist, ein, insbesondere einfacher, Kunststoffbeutel sein. So kann die Folienverpackung auf besonders einfache, kostengünstige und gewichtssparende Weise realisiert werden. Da der Schutz vor äußeren Einflüssen, wie Luft und Feuchtigkeit, beziehungsweise die Luftdichtigkeit und Feuchtigkeitsdichtigkeit bereits durch das Hartschalenzellgehäuse gewährleistet werden kann, kann so zudem vorteilhafterweise auf metallische Schichten verzichtet und auf diese Weise Materialkosten, Gewicht und Isolierungsaufwand eingespart werden. Zudem kann so eine gute Dehnbarkeit beziehungsweise Elastizität der Folienverpackung erzielt werden, was es ermöglicht, dass sich die Folienverpackung im Fall einer Fluorwasserstoffentwicklung ausdehnen kann, wodurch ein Eindringen von Fluorwasserstoff in das Hartschalenzellgehäuse und beispielsweise ein Öffnen einer Entgasungsöffnung, beispielsweise einer Sicherheitsberstmembran, des Hartschalenzellgehäuses zumindest verzögert, wenn nicht sogar vermieden werden kann.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher die Folienverpackung ein Kunststoffbeutel. Beispielsweise kann die Folienverpackung ein Polymerbeutel beziehungsweise ein, aus Kunststoff beziehungsweise Polymer ausgebildeter Beutel sein. Zum Beispiel kann die Folienverpackung aus einem elastischen Polymermaterial ausgebildet sein.
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Die, insbesondere zusätzliche, Schutzverpackung kann grundsätzlich ein, insbesondere einfacher, Kunststoffbeutel oder eine laminierte Schutzverpackung, beispielsweise welche mindestens eine metallische Schicht, zum Beispiel eine Aluminiumfolie, und mindestens eine polymere Schicht umfasst, sein. Insbesondere kann jedoch auch die, insbesondere zusätzliche, Schutzverpackung ein, insbesondere einfacher, Kunststoffbeutel sein. Beispielsweise kann die Schutzverpackung ein Polymerbeutel beziehungsweise ein, aus Kunststoff beziehungsweise Polymer ausgebildeter Beutel sein. Zum Beispiel kann die Schutzverpackung aus einem elastischen Polymermaterial ausgebildet sein. So kann auch die, insbesondere zusätzliche, Schutzverpackung auf besonders einfache, kostengünstige und gewichtssparende Weise realisiert werden. Da die Feuchtigkeitsdichtigkeit – wie bereits erläutert – bereits durch das Hartschalenzellgehäuse gewährleistet werden kann, kann so zudem vorteilhafterweise auf metallische Schichten verzichtet und auf diese Weise Materialkosten, Gewicht und Isolierungsaufwand eingespart werden.
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Das Hartschalenzellgehäuse kann insbesondere einen Boden und Seitenwände aufweisen. Beispielsweise kann das Hartschalenzellgehäuse prismatisch sein.
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Das Hartschalenzellgehäuse kann insbesondere ein metallisches Hartschalenzellgehäuse sein. Zum Beispiel kann das Hartschalenzellgehäuse aus Aluminium ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Hartschalenzellgehäuse einen Zellgehäusegrundkörper (Englisch: Cell Can) und einen Zellgehäusedeckel (Englisch: Cap Plate) aufweisen. Dabei kann der Zellgehäusegrundkörper insbesondere den Boden und die Seitenwände ausbilden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter innerhalb der Folienverpackung am Boden des Hartschalenzellengehäuses angeordnet. Der Fluorabsorberbehälter kann dabei insbesondere mit dem Fluorabsorberbehälterdeckel nach oben ausgerichtet sein. So können die, im Zusammenhang mit der Folienverpackung und dem Fluorabsorberbehältergrundkörper mit oberer Öffnung erläuterten Vorteile erzielt werden. Dabei kann die Zelle beispielsweise über eine Seitenwand, insbesondere durch eine Temperiereinrichtung, temperiert werden.
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Im Rahmen einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter innerhalb der Folienverpackung an einer Seitenwand des Hartschalenzellengehäuses angeordnet. Der Fluorabsorberbehälter kann dabei insbesondere mit dem Fluorabsorberbehälterdeckel seitlich nach Innen ausgerichtet sein. So können die, im Zusammenhang mit der Folienverpackung und dem Fluorabsorberbehältergrundkörper mit seitlicher Öffnung erläuterten Vorteile erzielt werden. Dabei kann die Zelle beispielsweise über den Boden, insbesondere durch eine Temperiereinrichtung, temperiert werden.
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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter, insbesondere direkt, auf dem Boden des Hartschalenzellgehäuses angeordnet. Der Fluorabsorberbehälter kann dabei insbesondere mit dem Fluorabsorberbehälterdeckel nach oben ausgerichtet sein. So können die, im Zusammenhang mit dem Fluorabsorberbehältergrundkörper mit oberer Öffnung erläuterten Vorteile erzielt und fluorhaltige Verbindungen am Verlassen des Hartschalenzellgehäuses gehindert werden. Dabei kann die Zelle beispielsweise über eine Seitenwand, insbesondere durch eine Temperiereinrichtung, temperiert werden.
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Im Rahmen einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter, insbesondere direkt, auf einer Seitenwand des Hartschalenzellgehäuses angeordnet. Der Fluorabsorberbehälter kann dabei insbesondere mit dem Fluorabsorberbehälterdeckel seitlich nach Innen ausgerichtet sein. So können die, im Zusammenhang mit dem Fluorabsorberbehältergrundkörper mit seitlicher Öffnung erläuterten Vorteile erzielt und fluorhaltige Verbindungen am Verlassen des Hartschalenzellgehäuses gehindert werden. Dabei kann die Zelle beispielsweise über den Boden, insbesondere durch eine Temperiereinrichtung, temperiert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Innenwandung des Hartschalenzellgehäuses zumindest teilweise mit einer, Fluorabsorber enthaltenden Polymerschicht beschichtet. So kann vorteilhafterweise die Sicherheit weiter erhöht und beispielsweise das Hartschalenzellgehäuse vor Korrosion geschützt werden.
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Insbesondere insofern der Fluorabsorberbehälter, insbesondere direkt, auf dem Boden des Hartschalenzellgehäuses angeordnet ist, können, beispielsweise alle, Innenwandungen der Seitenwände des Hartschalenzellgehäuses teilweise oder vollständig mit einer, Fluorabsorber enthaltenden Polymerschicht beschichtet sein. Die Innenwandung des Bodens kann dabei unbeschichtet sein. Gegebenenfalls können dabei auch von dem Fluorabsorberbehälter abgedeckte Abschnitte der Innenwandungen der Seitenwände des Hartschalenzellgehäuses unbeschichtet sein.
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Insbesondere insofern der Fluorabsorberbehälter, insbesondere direkt, auf einer Seitenwand des Hartschalenzellgehäuses angeordnet ist, kann beispielsweise die Innenwandung des Bodens und/oder der anderen Seitenwände des Hartschalenzellgehäuses teilweise oder vollständig mit einer, Fluorabsorber enthaltenden Polymerschicht beschichtet sein. Die Innenwandung der an dem Fluorabsorberbehälter angeordneten Seitenwand kann dabei unbeschichtet sein. Gegebenenfalls können dabei auch von dem Fluorabsorberbehälter abgedeckte Abschnitte der Innenwandung des Bodens und/oder der anderen Seitenwände des Hartschalenzellgehäuses unbeschichtet sein.
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Das Hartschalenzellgehäuse kann beispielsweise eine Entgasungsöffnung, beispielsweise eine Sicherheitsberstmembran aufweisen. Die Entgasungsöffnung kann insbesondere im Zellgehäusedeckel ausgebildet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Hartschalenzellgehäuse eine, verschließbare Elektrolyteinfüllöffnung aufweisen. Die Elektrolyteinfüllöffnung kann insbesondere ebenfalls im Zellgehäusedeckel ausgebildet sein.
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Weiterhin kann das Hartschalenzellgehäuse Terminals zur elektrischen Kontaktierung des mindestens einen Zellwickels von Außen aufweisen. Die Terminals können insbesondere ebenfalls im Zellgehäusedeckel ausgebildet sein.
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Der mindestens eine Zellwickel kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein, insbesondere metallischer, Anodenstromkollektor und Kathodenstromkollektor, beispielsweise in Form einer Folie, mit einer Schlämme (Englisch: Slurry) aus dem jeweiligen, insbesondere eingewogenen, Elektrodenmaterial, insbesondere Anodenmaterial beziehungsweise Kathodenmaterial, und einem oder mehreren Lösungsmittel, zum Beispiel N-methylpyrrolidon (NMP), beschichtet wird. Als Anodenmaterial können beispielsweise Kohlenstoff, insbesondere Graphit, und/oder Titanoxid (TiO2) verwendet werden. Als Kathodenmaterial können beispielsweise Metalloxide mit Schichtstruktur, wie Lithium-Cobalt-Oxid, oder polyanionische Metallsalze, wie Lithium-Eisen-Phosphat, und/oder Spinelle, beispielsweise Lithium-Mangan-Oxid, verwendet werden. Die beschichteten Stromkollektoren können dann gepresst und vereinzelt werden. Aus den vereinzelten beschichteten Stromkollektoren können dann Zellwickel ausgebildet werden. Dabei können ein, mit Anodenmaterial beschichteter Anodenstromkollektor und ein, mit Kathodenmaterial beschichteter Kathodenstromkollektor auf gegenüberliegenden Seiten eines Separators angeordnet und gewickelt werden. Dabei können die Stromkollektoren zusammen mit dem dazwischen angeordneten Separator gewickelt werden. Die Stromkollektoren können beidseitig mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beschichtet sein. Um die äußere Elektrodenmaterialbeschichtung zu schützen, kann ein Separator auf der äußersten Schicht des Zellwickels angeordnet werden. Ein Zellwickel oder mehrere Zellwickel können dann in eine Folienverpackung beziehungsweise Schutzverpackung eingebracht werden. Zusätzlich kann Elektrolyt, beispielsweise in einer Verpackung, zum Beispiel in einem Beutel, in die Folienverpackung beziehungsweise Schutzverpackung eingebracht werden. Die Folienverpackung kann in ein Hartschalenzellgehäuse eingebracht werden. Gegebenenfalls kann dabei die Schutzverpackung in die Folienverpackung eingebracht werden. In die Folienverpackung und/oder das Hartschalenzellgehäuse kann Fluorabsorber, beispielsweise in einem Fluorabsorberbehälter, eingebracht werden. Dann können die Stromkollektoren jeweils mit Terminals verbunden werden.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fluorabsorberbehälter, der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fluorabsorberbehälter für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, insbesondere eine erfindungsgemäße Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, welcher einen Fluorabsorberbehältergrundkörper und einen Fluorabsorberbehälterdeckel umfasst. Dabei enthält der Fluorabsorberbehältergrundkörper insbesondere einen Fluorabsorber. Der Fluorabsorberbehältergrundkörper und der Fluorabsorberbehälterdeckel sind dabei insbesondere durch ein thermoplastisches Material abgedichtet.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Fluorabsorberbehälters wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Lithium-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder Lithium-Metall-Batterie, welche mindestens eine erfindungsgemäße Lithium-Zelle, beispielsweise mehrere erfindungsgemäße Lithium-Zellen, und/oder mindestens einen erfindungsgemäßen Fluorabsorberbehälter, beispielsweise mehrere erfindungsgemäße Fluorabsorberbehälter, umfasst. Die Lithium-Batterie und/oder Lithium-Zelle kann vorteilhafterweise in automotiven Anwendungen, beispielsweise in einem Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug, und/oder in stationären Anwendungen, beispielsweise in einer Windkraftanlage, und/oder in Consumer-Anwendungen, beispielsweise in einem Laptop und/oder Mobiltelefon, verwendet werden.
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Beispielsweise kann die Batterie mindestens eine Temperiereinrichtung zur Temperierung einer oder mehrerer Zellen umfassen. Die Temperiereinrichtung kann beispielsweise eine Temperierplatte, insbesondere eine so genannte Kühlplatte, sein und zum Beispiel zwischen Zellen und/oder unter Zellen angeordnet sein. Die Zellen können jedoch auch durch Luft gekühlt werden.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Fluorabsorberbehälter sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Zeichnungen
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1–3 schematische, perspektivische Ansichten unterschiedlicher Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Zellen.
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Die 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Lithium-Zellen 10, welche einen Lithium-Zellwickel 11, eine Folienverpackung 12, ein Hartschalenzellgehäuse 13 und einen Fluorabsorber 14 umfassen. Der Fluorabsorber 14 kann dabei beispielsweise mindestens ein Erdalkalisalz, zum Beispiel Carbonat und/oder Chlorid, und/oder Silikagel umfassen.
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Die 1 bis 3 zeigen, dass dabei der Zellwickel 11 innerhalb der Folienverpackung 12 angeordnet ist. Die Folienverpackung 12 ist dabei wiederum innerhalb des Hartschalenzellgehäuses 13 angeordnet. Dabei weist das Hartschalenzellgehäuse 13 einen, einen Boden B und Seitenwände S ausbildenden Zellgehäusegrundkörper sowie einen Zellgehäusedeckel auf.
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Im Rahmen der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen umfasst die Zelle 10 einen Fluorabsorberbehälter 15 mit einem Fluorabsorberbehältergrundkörper 16 und einem Fluorabsorberbehälterdeckel 17. Dabei ist der Fluorabsorber 14 in dem Fluorabsorberbehältergrundkörper 16 enthalten. Der Fluorabsorberbehältergrundkörper 16 weist dabei eine obere Öffnung mit einer größeren Fläche als der Fluorabsorberbehälterdeckel 17 auf, weshalb die Öffnung durch den Fluorabsorberbehälterdeckel 17 nur teilweise abgedeckt ist. Der Zwischenraum zwischen dem Fluorabsorberbehälterdeckel 17 und dem, die Öffnung umgebenen Abschnitt des Behältergrunds 16 ist dabei durch ein thermoplastisches Material 18 abgedichtet. Im Schadenfall kann das thermoplastische Material 18 schmelzen beziehungsweise erweichen und der Fluorabsorberbehälterdeckel 17 durch die Öffnung in den Fluorabsorberbehältergrundkörper 16 fallen, so dass fluorhaltige Verbindungen durch die Öffnung in den Fluorabsorberbehältergrundkörper 16 eindringen können, um dort von dem Fluorabsorber 14 absorbiert zu werden.
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Im Rahmen der, in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen dient die Folienverpackung 12 gleichermaßen als eine, den Zellwickel 11 verpackende Schutzverpackung. Mit anderen Worten, der Zellwickel 11 ist im Rahmen dieser Ausführungsformen als solcher unverpackt beziehungsweise weist keine zusätzliche Schutzverpackung auf.
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Im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der, den Fluorabsorber 14 enthaltende Fluorabsorberbehälter 15 zusammen mit dem Zellwickel 11 innerhalb der Folienverpackung 12 verpackt und am Boden B des Hartschalenzellgehäuses 13 angeordnet, wobei der Fluorabsorberbehälterdeckel 17 nach oben ausgerichtet ist. Durch den Fluorabsorberbehälter 15 können dabei vorteilhafterweise im Regelbetrieb unerwünschte Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber 14 und dem Zellwickel 11 vermieden werden, wobei im Schadensfall Fluorabsorber 14 unmittelbar am Entstehungsort, nämlich dem Zellwickel 11, und insbesondere im gleichen Raum wie der Zellwickel 11, nämlich innerhalb der Folienverpackung 12, bereitgestellt werden kann.
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Im Rahmen der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Fluorabsorberbehälter 15 direkt auf dem Boden B des Hartschalenzellgehäuses 13 und insbesondere außerhalb der Folienverpackung 12 angeordnet, wobei der Fluorabsorberbehälterdeckel 17 nach oben ausgerichtet ist.
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Im Rahmen der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Fluorabsorber 14 direkt, beispielsweise lose, innerhalb der Folienverpackung 12 angeordnet. Dabei ist der Zellwickel 11 in einer Schutzverpackung (nicht dargestellt) verpackt. Die, den Zellwickel 11 verpackende Schutzverpackung (nicht dargestellt) ist dabei zusammen mit dem Fluorabsorber 14 innerhalb der Folienverpackung 12 angeordnet und insbesondere wiederum darin verpackt. Durch die Schutzverpackung (nicht dargestellt), können dabei vorteilhafterweise im Regelbetrieb unerwünschte Reaktionen zwischen dem Fluorabsorber 14 und dem Zellwickel 11 vermieden werden, wobei im Schadensfall Fluorabsorber 14 unmittelbar am Entstehungsort, nämlich dem Zellwickel 11, und insbesondere im gleichen Raum wie der Zellwickel 11, nämlich innerhalb der Folienverpackung 12, bereitgestellt werden kann.
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Da die Feuchtigkeitsdichtigkeit bereits durch das Hartschalenzellgehäuse 13 gewährleistet werden kann, kann die Folienverpackung 12 im Rahmen der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen und auch die Schutzverpackung (nicht dargestellt) im Rahmen der in 3 gezeigten Ausführungsform ein, insbesondere einfacher, Kunststoffbeutel sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001707 A1 [0007]
- US 2008/0206636 A1 [0008]
- DE 102008025422 A1 [0009]
- DE 102010051014 A1 [0010]
