DE102014213676A1 - Ummantelung für eine Batteriezelle sowie für ein Batteriesystem, Verfahren zur Herstellung der Ummantelung sowie Batteriezelle und Batteriesystem - Google Patents

Ummantelung für eine Batteriezelle sowie für ein Batteriesystem, Verfahren zur Herstellung der Ummantelung sowie Batteriezelle und Batteriesystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ummantelung (20) für eine Batteriezelle (2) sowie für ein Batteriesystem (1), welche als Folie ausgebildet ist und eine Kernschicht (22) umfasst. Dabei enthält die Kernschicht (22) Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Ummantelung (20), wobei zunächst ein Polymersubstrat mit einem Oxidmaterial beschichtet wird, und auf eine dadurch entstandene Oxidschicht Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Batteriezelle (2), welche mindestens eine erfindungsgemäße Ummantelung (20) umfasst, sowie ein Batteriesystem (1), welches mindestens zwei Batteriezellen (2) sowie mindestens eine erfindungsgemäße Ummantelung (20) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ummantelung zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung für eine Batteriezelle sowie für ein Batteriesystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Ummantelung gemäß Anspruch 6. Die Erfindung betrifft ferner eine Batteriezelle gemäß Anspruch 9 sowie ein Batteriesystem gemäß Anspruch 10.
  • Stand der Technik
  • Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
  • Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet.
  • Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in Form eines Wickels ausgestaltet sind. Eine Elektrodeneinheit weist zwei Kollektorfolien auf, welche unter Zwischenlage eines Separators zu einem Batteriewickel gewunden werden. Die Kollektorfolien der Elektrodeneinheiten werden auf bekannte Art elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden.
  • Eine Batteriezelle weist ferner ein metallisches Gehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Das Gehäuse ist in der Regel prismatisch, beziehungsweise quaderförmig ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Nach dem Verbinden der Elektrodeneinheiten mit den Terminals wird eine Elektrolytlösung in das Gehäuse gefüllt.
  • Lithium-Ionen-Batteriezellen sind verhältnismäßig empfindlich gegen Umwelteinflüsse, insbesondere gegen Luft und Feuchtigkeit. Das erwähnte Gehäuse bietet Schutz gegen besagte Umwelteinflüsse.
  • Mehrere solcher Batteriezellen können zu einem Batteriesystem, welches auch als Batteriepack bezeichnet wird, zusammengefasst werden.
  • Batteriezellen müssen Anforderungen an elektromagnetische Verträglichkeit erfüllen. Dabei darf in der Batteriezelle keine Beeinflussung durch äußere elektromagnetische Felder auftreten und die Batteriezelle selbst darf keine elektromagnetischen Felder ausstrahlen, die eine Beeinflussung anderer, in der Nähe befindlicher Geräte verursachen.
  • Aus der EP 1 403 942 A1 sind Lithium-Ionen-Batteriezellen eines Batteriesystems bekannt, welche mit einer Ummantelung aus Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat oder einem daraus gebildeten Verbundmaterial versehen sind. Zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ist eine Beschichtung der Ummantelung vorgesehen, welche mit hoher Dichte in Acrylpräpolymer dispergiertes Nickelpulver oder Carbonyleisenpulver enthält.
  • Aus der EP 2 072 309 A1 ist eine Batterieeinheit zum Einsatz in einem elektrischen Fahrzeug bekannt. Zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ist an dem Fahrzeug eine Rahmenstruktur mit Metallelementen vorgesehen, welche die Batterieeinheit umfänglich umgeben. Zur Abschirmung kann ferner ein Einbauelement vorgesehen sein, welches in ein Kunstharz eingebettetes Metall umfasst.
  • Die EP 2 465 719 A1 offenbart ein Batteriegehäuse zur Aufnahme mehrerer Batteriemodule zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs. Das Batteriegehäuse umfasst Schalenelemente, welche Metallfolien zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird eine Ummantelung für eine Batteriezelle sowie ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Eine erfindungsgemäße Ummantelung für eine Batteriezelle sowie für ein Batteriesystem ist als Folie ausgebildet und umfasst eine Kernschicht, welche Kohlenstoffnanoröhrchen enthält.
  • Die erfindungsgemäße Ummantelung ist somit verhältnismäßig dünn und damit platzsparend ausgebildet und schirmt elektromagnetische Strahlung zuverlässig ab. Ferner ist die erfindungsgemäße Ummantelung verhältnismäßig robust und bietet somit einen zusätzlichen Schutz für die Oberfläche der Batteriezelle, beziehungsweise des Batteriesystems.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält die Kernschicht ein Oxidmaterial. Aus dem Oxidmaterial ist eine haftende Oxidschicht herstellbar, auf welcher die Kohlenstoffnanoröhrchen verhältnismäßig gut haften. Vorzugsweise sind das Oxidmaterial und die Kohlenstoffnanoröhrchen dabei in einem Verhältnis von 1:1 bis 5:1, besonders vorzugsweise in einem Verhältnis von 3:1 vorgesehen.
  • Vorzugsweise enthält die Kernschicht ein Polymersubstrat. Dadurch ist die Kernschicht und somit die Ummantelung elektrisch nicht leitfähig und bietet somit eine elektrische Isolierung für die Batteriezelle, beziehungsweise für das Batteriesystem.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Deckschicht vorgesehen, welche auf die Kernschicht aufgebracht ist. Die Deckschicht schützt die Kernschicht vor Umwelteinflüssen sowie vor mechanischen Beschädigungen.
  • Besonders vorteilhaft ist die Ummantelung in Form eines Sandwichs aufgebaut und weist zwei Deckschichten auf, welche die Kernschicht zwischen sich einschließen. Somit ist die zentral gelegene Kernschicht in beide Richtungen, also zu der Batteriezelle oder der Batterieeinheit hin ebenso wie nach außen hin, durch je eine Deckschicht geschützt.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Deckschicht, beziehungsweise sind beide Deckschichten, als Polymerfolie ausgebildet. Die Polymerfolie bietet bei verhältnismäßig geringer Dicke einen zuverlässigen Schutz für die Kernschicht und ist elektrisch nicht leitfähig.
  • Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Ummantelung wird ein Verfahren nach Anspruch 6 zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Erzeugung einer Oxidschicht durch Beschichten eines Polymersubstrats mit einem Oxidmaterial sowie das Aufbringen von Kohlenstoffnanoröhrchen auf die dadurch entstandene Oxidschicht. Dadurch entsteht eine Kernschicht einer erfindungsgemäßen Ummantelung.
  • Vorzugsweise wird das mit dem Oxidmaterial beschichtete Polymersubstrat vor dem Aufbringen der Kohlenstoffnanoröhrchen erhitzt. Dadurch wird eine verhältnismäßig gut haftende Oxidschicht ausgebildet, auf welcher die nachfolgend aufgebrachten Kohlenstoffnanoröhrchen gut haften.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch ein Erhitzen des mit dem Oxidmaterial beschichteten Polymersubstrats auf eine Temperatur von 100°C bis 200°C, vorzugsweise 140°C bis 160°C, insbesondere vorzugsweise 150°C, eine besonders gut haftende Oxidschicht ausgebildet wird.
  • Vorzugsweise erfolgt das Erhitzen des mit dem Oxidmaterial beschichteten Polymersubstrats in einer Vakuumkammer. Die Vakuumkammer gestattet eine Erhitzung des Polymersubstrats auf eine Temperatur von 100°C bis 200°C.
  • Vorteilhaft werden die Kohlenstoffnanoröhrchen vor dem Aufbringen auf die Oxidschicht in einer Lösung dispergiert. Anschließend wird die Lösung, welche die Kohlenstoffnanoröhrchen enthält, auf die Oxidschicht aufgebracht. Durch die Dispergierung können die Kohlenstoffnanoröhrchen einfach auf die Oxidschicht aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufsprühen oder durch Eintauchen der Oxidschicht in die Lösung. Vorzugsweise ist die Lösung, in welcher die Kohlenstoffnanoröhrchen dispergiert werden, eine organischen Lösung. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Alkohollösung. Zur Unterstützung der Dispergierung können der Lösung, insbesondere der organischen Lösung, insbesondere der Alkohollösung, alkalische Metalle, wie beispielsweise Natrium oder Kalium, zugefügt werden.
  • Vorzugsweise wird auf mindestens einer Seite der entstandenen Kernschicht anschließend eine Deckschicht aufgebracht, welche insbesondere eine Polymerfolie ist.
  • Auf der gegenüber liegenden Seite der Kernschicht wird vorzugsweise eine weitere Deckschicht aufgebracht, welche ebenfalls insbesondere eine Polymerfolie ist.
  • Ferner wird eine Batteriezelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Ummantelung umfasst, sowie ein Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10, welches mindestens zwei Batteriezellen und mindestens eine erfindungsgemäße Ummantelung umfasst.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Batteriezelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Batteriesystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Batteriesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
  • 4 einen schematischen Querschnitt durch eine Ummantelung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein Batteriesystem 1 umfasst mehrere, vorliegend vierzehn Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind prismatisch ausgeführt und parallel zueinander in Form eines Batteriezellenstapels ausgerichtet.
  • Die Batteriezellen 2 des Batteriesystems 1 sind auf einer Trägerplatte 4 angeordnet. Zwei Seitenteile 10, welche mit Abstand zueinander angeordnet sind, umgeben die Batteriezellen 2 seitlich. Die Trägerplatte 4 und die Seitenteile 10 sind Teile eines Gehäuses, in welchem das Batteriesystem 1 angeordnet ist.
  • Jede der Batteriezellen 2 umfasst zwei Terminals 11, über die eine von der Batteriezelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden kann. Ferner kann die Batteriezelle 2 über die Terminals 11 auch geladen werden. Des Weiteren umfasst die Batteriezelle 2 ein Zellengehäuse 3, welches prismatisch, also quaderförmig, ausgebildet ist.
  • Innerhalb des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 ist eine hier nicht dargestellte Elektrodeneinheit angeordnet, welche zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, aufweist. Die Elektroden sind elektrisch mit Terminals 11 der Batteriezelle 2 verbunden. Es ist auch denkbar, dass die Batteriezelle 2 mehrere Elektrodeneinheiten umfasst, welche elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind. Innerhalb des Zellengehäuses 3 ist ferner ein Elektrolyt vorhanden.
  • Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel – in 1 und 2 dargestellt – ist jede einzelne Batteriezelle 2 von einer eigenen Ummantelung 20 umgeben. Die Ummantelung 20, auf welche noch detaillierter eingegangen wird, dient zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung.
  • Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in 3 dargestellt ist, ist das Batteriesystem 1 von einer Ummantelung 20 umgeben. Das bedeutet, alle Batteriezellen 2 des Batteriesystems 1 sind von einer gemeinsamen Ummantelung 20 umgeben.
  • Die Ummantelung 20 ist in Form einer verhältnismäßig dünnen Folie ausgebildet und umfasst, wie in 4 nicht maßstäblich dargestellt, eine Kernschicht 22, welche von einer ersten Deckschicht 24 und einer zweiten Deckschicht 26 umgeben ist. Die Ummantelung 20 ist demnach in Form eines Sandwichs ausgestaltet, mit einer zentral gelegenen Kernschicht 22 und zwei die Kernschicht 22 zwischen sich einschließenden Deckschichten 24, 26. Bei den Deckschichten 24, 26 handelt es sich vorliegend um je eine Polymerfolie.
  • Die erste Deckschicht 24 und/oder die zweite Deckschicht 26 können auch entfallen. In diesem Fall besteht die Ummantelung 20 lediglich aus der Kernschicht 22.
  • Die Kernschicht 22 der Ummantelung 20 umfasst ein Oxidmaterial und Kohlenstoffnanoröhrchen. Kohlenstoffnanoröhrchen werden auch als "Carbon Nanotubes" oder "CNT" bezeichnet. Das Oxidmaterial und die Kohlenstoffnanoröhrchen sind in der Kernschicht 22 in einem Verhältnis von 1:1 bis 5:1, vorliegend etwa 3:1, vorhanden.
  • Als Oxidmaterial kommen beispielsweise Titandioxid, Siliziumoxid, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid zur Anwendung. Auch eine Mischung aus mehreren dieser oder anderer Oxide ist als Oxidmaterial verwendbar. Die Verwendung einer Mischung aus mehreren Oxiden ermöglicht eine Herabsetzung der Ablagerungstemperatur der Oxide auf einem flexiblen Polymersubstrat.
  • Bei der Herstellung der Ummantelung 20 wird zunächst die Kernschicht 22 erzeugt. Anschließend werden die Deckschichten 24, 26 auf die Kernschicht 22 aufgebracht.
  • Bei der Herstellung der Kernschicht 22 wird zunächst eine Oxidschicht erzeugt. Anschließend werden dieser Oxidschicht Kohlenstoffnanoröhrchen zugefügt.
  • Zur Erzeugung der Oxidschicht wird zunächst ein Polymersubstrat, wie beispielsweise Polysulfon oder Polyimid oder Polyester mit einer Lösung eines Oxidmaterials, insbesondere eines Vorprodukts von Aluminium oder Titan, beispielsweise Aluminium Butoxid oder Titan Isopropoxid, in Alkohol beschichtet.
  • Die Beschichtung geschieht beispielsweise durch Eintauchen, Sprühen oder mittels Siebdruck.
  • Für eine mittels Siebdruck hergestellte Oxidschicht kommen auch Nanomaterialien aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumoxid oder Siliziumdioxid sowie Mischungen aus mindestens zwei dieser Oxide in Betracht. Eine solche Mischung weist vorzugsweise ein Gewichtsverhältnis von 0,1:10 bis 1:10 oder 1:1 oder 1:5 auf.
  • Nach erfolgter Beschichtung wird das beschichtete Polymersubstrat in einer Vakuumkammer auf eine Temperatur zwischen 100° und 200° erhitzt. Die Vakuumkammer gestattet eine Erhitzung des Polymersubstrats auf eine solche Temperatur.
  • Durch diese Erhitzung wird eine haftende Oxidschicht auf dem Polymersubstrat ausgebildet. Infolge der Tieftemperatursinterung entsteht somit eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer.
  • Nach Ausbildung der haftenden Oxidschicht werden auf diese Oxidschicht Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht.
  • Dazu werden die Kohlenstoffnanoröhrchen zuvor mittels high-shear mixing in einer organischen Lösung, vorzugsweise einer Alkohollösung, dispergiert. Alkalische Metalle wie beispielsweise Kalium oder Natrium können der Alkohollösung zugefügt werden, um die Dispergierung zu unterstützen.
  • Die so entstandene hochdispergierte Lösung mit den Kohlenstoffnanoröhrchen wird auf die oben beschriebene Oxidschicht aufgebracht. Dazu wird die hochdispergierte Lösung beispielsweise auf die Oxidschicht aufgesprüht oder die Oxidschicht wird in die hochdispergierte Lösung eingetaucht. Anschließend wird die so behandelte Oxidschicht getrocknet, vorzugsweise luftgetrocknet. Es können mehrere solcher Sprühvorgänge oder Eintauchvorgänge mit anschließender Trocknung durchgeführt werden, bis die gewünschte Menge an Kohlenstoffnanoröhrchen auf der Oxidschicht vorhanden ist.
  • Durch das beschriebene Aufbringen der Kohlenstoffnanoröhrchen auf die Oxidschicht entsteht die Kernschicht 22 der Ummantelung 20.
  • Auf einer Seite der so entstandenen Kernschicht 22 wird anschließend eine Polymerfolie als erste Deckschicht 24 aufgebracht. Auf der gegenüber liegenden Seite der Kernschicht 22 wird eine weitere Polymerfolie als zweite Deckschicht 26 aufgebracht. So entsteht die Ummantelung 20 in Form einer dünnen, flexiblen Folie.
  • Die so entstandene Ummantelung 20 kann beispielswiese auf das Zellengehäuse 3 der Batteriezelle 2 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebracht werden und umschließt somit die einzelne Batteriezelle 2.
  • Die entstandene Ummantelung 20 kann beispielswiese auch auf die nebeneinander liegenden Zellengehäuse 3 der Batteriezellen 2 eines Batteriesystems 1 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebracht werden und umschließt somit alle Batteriezellen 2 des Batteriesystems 1.
  • Durch die Verwendung eines elektrisch nicht leitfähigen Polymersubstrats bei der Herstellung der Oxidschicht der Kernschicht 22 ist auch die Ummantelung 20 elektrisch nicht leitfähig.
  • Die Ummantelung 20 dient somit nicht nur zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung sondern schützt auch die Oberfläche des Zellengehäuses 3 der Batteriezelle 2 durch Bereitstellung einer erforderlichen Isolierung.
  • 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 Handels liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1403942 A1 [0009]
    • EP 2072309 A1 [0010]
    • EP 2465719 A1 [0011]

Claims (10)

  1. Ummantelung (20) für eine Batteriezelle (2) sowie für ein Batteriesystem (1), welche als Folie ausgebildet ist und eine Kernschicht (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (22) Kohlenstoffnanoröhrchen enthält.
  2. Ummantelung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (22) ein Oxidmaterial enthält.
  3. Ummantelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (22) ein Polymersubstrat enthält.
  4. Ummantelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Deckschicht (24, 26) vorgesehen ist, welche auf die Kernschicht (22) aufgebracht ist.
  5. Ummantelung (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Deckschicht (24, 26) als Polymerfolie ausgebildet ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Ummantelung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Polymersubstrat mit einem Oxidmaterial beschichtet wird, und dass auf eine dadurch entstandene Oxidschicht Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Kohlenstoffnanoröhrchen das mit dem Oxidmaterial beschichtete Polymersubstrat erhitzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen vor dem Aufbringen auf die Oxidschicht in einer Lösung dispergiert werden, und dass die die Kohlenstoffnanoröhrchen enthaltende Lösung auf die Oxidschicht aufgebracht wird.
  9. Batteriezelle (2), umfassend mindestens eine Ummantelung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  10. Batteriesystem (1), umfassend mindestens zwei Batteriezellen (2) sowie mindestens eine Ummantelung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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