DE102015014095A1 - Abschaltseparator für eine Einzelzelle einer Batterie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abschaltseparator (1) für eine Einzelzelle einer Batterie. Erfindungsgemäß umfasst der Abschaltseparator (1) eine thermische Leithilfe (SE), welche im Wesentlichen vollflächig an zumindest einer Separatorschicht (SA, SM) anliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abschaltseparator für eine Einzelzelle einer Batterie nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 2011/0183203 A1 beschrieben, ein thermischer Abschaltseparator bekannt, auch als shut-down separator bezeichnet. Der Abschaltseparator weist zwei äußere Schichten und eine dazwischen angeordnete Abschaltseparatorschicht auf. Erwärmt sich eine den Abschaltseparator aufweisende Einzelzelle derart, dass ihre Temperatur eine Normalbetriebstemperatur übersteigt, erweicht die Abschaltseparatorschicht, wodurch sich ihre Poren schließen, so dass sie für Ionen undurchlässig wird. Dadurch wird der Ionenfluss zwischen der Anode und der Kathode der Einzelzelle unterbrochen, wodurch die Einzelzelle abgeschaltet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Abschaltseparator für eine Einzelzelle einer Batterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Abschaltseparator für eine Einzelzelle einer Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßer Abschaltseparator für eine Einzelzelle einer Batterie umfasst eine thermische Leithilfe, welche im Wesentlichen vollflächig an zumindest einer Separatorschicht anliegt oder zumindest im Wesentlichen vollflächig mit dieser thermisch gekoppelt ist. Die thermische Leithilfe weist dabei zweckmäßigerweise eine bessere thermische Leitfähigkeit auf als die anderen Schichten des Abschaltseparators.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Funktion des Abschaltseparators verbessert und insbesondere beschleunigt. Durch den Abschaltseparator wird, wie bereits in der Würdigung des Standes der Technik erläutert, ein Ionenfluss zwischen einer Anode und einer Kathode bei einer Fehlfunktion der Einzelzelle, insbesondere bei einem internen Kurzschluss, unterbunden und dadurch eine unzulässig starke Erwärmung, welche zu einem, insbesondere unkontrollierten, Austritt von Stoffen aus der Einzelzelle und/oder zu einer Explosion der Einzelzelle führen kann, vermieden. Dies erfolgt durch ein Schließen von Poren des Abschaltseparators aufgrund von dessen Erwärmung durch die Fehlfunktion der Einzelzelle und der daraus resultierenden Erwärmung einer Zellchemie der Einzelzelle.
  • Diese Erwärmung erfolgt bei einer solchen Fehlfunktion der Einzelzelle, insbesondere bei einem internen Kurzschluss, zunächst jedoch nur punktuell an einer jeweiligen Kurzschlussstelle am Abschaltseparator, wodurch sich das Verschließen der Poren am gesamten Abschaltseparator zeitlich verzögert, bis sich der gesamte Abschaltseparator, ausgehend von der Kurzschlussstelle, ausreichend erwärmt hat. Durch die erfindungsgemäße Lösung, d. h. durch den Einsatz der thermischen Leithilfe, wird dieser flächige Erwärmungsvorgang des gesamten Abschaltseparators und somit der Abschaltvorgang beschleunigt, denn mittels der erfindungsgemäßen thermischen Leithilfe wird die an der Kurzschlussstelle entstehende Wärme abgeleitet und auf den gesamten Abschaltseparator verteilt. Dadurch wird die Temperaturerhöhung an der Kurzschlussstelle verzögert, wodurch eine unkontrolliert starke Temperaturerhöhung, welche zu weiteren nicht mehr kontrollierbaren Reaktionen in der Einzelzelle führen könnte, vermieden wird, und gleichzeitig wird die Wärme von der Kurzschlussstelle wesentlich besser lateral auf den gesamten Abschaltseparator verteilt. Dadurch wird eine gleichmäßigere Erwärmung des Abschaltseparators und dadurch ein schnelleres Schließen aller Poren des Abschaltseparators und somit ein schnelleres Unterbrechen des Ionenflusses in der Einzelzelle erreicht.
  • Der Abschaltseparator weist zweckmäßigerweise eine oder mehrere Separatorschichten auf, welche die Grundfunktion des Abschaltseparators übernehmen, sowie die thermische Leithilfe, welche an zumindest einer der Separatorschichten im Wesentlichen vollflächig anliegt und welche der oben beschriebenen Wärmeleitung und somit der flächigen Wärmeverteilung von der Kurzschlussstelle auf den gesamten Abschaltseparator dient. Beispielsweise weist der Abschaltseparator zwei äußere Schichten auf, welche zum Beispiel aus Polypropylen ausgebildet sind, und eine mittlere Schicht, die zum Beispiel aus Polyethylen ausgebildet ist. Die thermische Leithilfe ist dabei zweckmäßigerweise zwischen einer der Polypropylenschichten und der Polyethylenschicht angeordnet und liegt insbesondere im Wesentlichen vollflächig an der Polyethylenschicht an, so dass er mit dieser Polyethylenschicht im Wesentlichen vollflächig gut thermisch gekoppelt ist. Bei einem Kurzschluss schmilzt diese Polyethylenschicht auf oder erweicht zumindest, so dass sich die Poren schließen. Alternativ kann die thermische Leithilfe auch an einer Außenseite des Abschaltseparators angeordnet sein.
  • Die thermische Leithilfe ist in einer vorteilhaften Ausführungsform aus zumindest einem Metall ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer und/oder Aluminium. Bei dieser Ausführungsform ist die thermische Leithilfe gegenüber ihrer Umgebung zweckmäßigerweise elektrisch isoliert, zum Beispiel durch eine Ummantelung aus Polypropylen. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist diese thermische Leithilfe als ein Metallgitter ausgebildet. Das Metallgitter kann dabei, zusätzlich zur Ummantelung mit Polypropylen, mit Polyethylen beschichtet sein.
  • Diese Ausführungsform der thermischen Leithilfe, welche als Metallgitter ausgebildet ist, dass mit Polyethylen beschichtet und mit Polypropylen ummantelt ist, kann bereits allein den Abschaltseparator bilden, so dass die oben geschilderten zusätzlichen Separatorschichten nicht mehr erforderlich sind, denn das Polyethylen, mit welchem das Metallgitter beschichtet ist, bildet bei dieser Ausführungsform die aufschmelzende oder sich zumindest erweichende Schicht, durch welche die Poren des Abschaltseparators geschlossen werden, und die Polypropylenummantelung bildet die äußeren Schichten des Abschaltseparators. Da die thermische Leithilfe bei dieser Ausführungsform mit dem Polyethylen beschichtet ist, ist eine vollflächige Anlage der thermischen Leithilfe an die Polyethylenschicht sichergestellt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm
  • 2 schematisch eine Ausführungsform eines Abschaltseparators, und
  • 3 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Abschaltseparators.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Bei Einzelzellen einer Batterie, welche als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind, kann es in Extremsituationen, beispielsweise bei einem zellinternen Kurzschluss, zum Beispiel durch eine starke externe Verformung oder aufgrund anderer Ursachen, zu einer internen Gasentwicklung kommen, wodurch sich ein Zellgehäuse der Einzelzelle auf vorgegebene Weise öffnet, um einen durch die Gasentwicklung gebildeten Überdruck gezielt zu reduzieren und dadurch ein unkontrolliertes Aufbrechen des Zellgehäuses und/oder eine Explosion der Einzelzelle, verbunden mit einem unkontrollierten Austreten von Stoffen aus der Einzelzelle, zu vermeiden. Dieses kontrollierte Öffnen des Zellgehäuses, um einen kontrollierten Überdruckabbau zu ermöglichen, wird auch als Venting bezeichnet.
  • Batterien, d. h. elektrochemische Energiespeicher, mit derartigen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten Einzelzellen werden insbesondere in Fahrzeugen, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen, als Traktionsbatterie zur Energieversorgung zumindest eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs eingesetzt. Des Weiteren sind derartige Batterien auch für stationäre Anwendungen geeignet.
  • An diese Batterien, insbesondere bei einem Einsatz in Fahrzeugen, besteht die Anforderung, dass es zu keiner Entzündung oder Flammentwicklung beim ventingvorgangbedingten Austritt eines Elektrolyten oder anderer Stoffe (auch als Masseaustritt bezeichnet) aus der Einzelzelle kommt. Werden keine speziellen Maßnahmen getroffen, kann ein interner Kurzschluss zu einer Eigenerwärmung der Einzelzelle über eine in 1 in einem Temperatur T-Zeit t-Diagramm dargestellte kritische Reaktionstemperatur Tkrit hinaus führen, wie anhand eines ersten Temperaturverlaufs VT1 dargestellt. In der Folge kann dies, insbesondere aufgrund dann auftretender Prozesse der Zellchemie der Einzelzelle, zu einem so genannten thermischen Durchgehen der Einzelzelle führen, auch als Thermal Runaway bezeichnet, wie anhand des stark ansteigenden ersten Temperaturverlaufs VT1 nach Überschreiten der kritischen Reaktionstemperatur Tkrit erkennbar ist.
  • Zur Verkürzung einer Kurzschlussdauer bzw. zur Reduzierung eines Kurzschlussstromes wird daher in derartigen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildeten Einzelzellen zweckmäßigerweise zumindest ein Abschaltseparator 1, auch als Shut-down Separator bezeichnet, eingesetzt. Dieser Abschaltseparator 1 ist zwischen einer Anode A und einer Kathode K der Einzelzelle angeordnet. Zweckmäßigerweise weisen derartige Einzelzellen eine Mehrzahl von Anoden A und Kathoden K und somit auch eine Mehrzahl solcher Abschaltseparatoren 1 auf. Diese Anordnung aus Anoden A, Abschaltseparatoren 1 und Kathoden K der Einzelzelle wird auch als Elektrodenanordnung 2 oder Elektrodenfolienanordnung der Einzelzelle bezeichnet.
  • In 2 ist eine solche Elektrodenanordnung 2 einer solchen als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildeten Einzelzelle schematisch dargestellt. Der jeweilige Abschaltseparator 1 befindet sich jeweils zwischen einer Anode A und einer Kathode K und besteht im dargestellten Beispiel aus drei Separatorschichten SA, SM. Er ist undurchlässig für Elektronen, jedoch im Normalzustand, in welchem er sich während eines Normalbetriebs der Einzelzelle befindet, durchlässig für Lithium-Ionen.
  • Die beiden äußeren Separatorschichten SA bestehen aus dem gleichen Material, beispielsweise aus Polypropylen. Die mittlere Separatorschicht SM besteht aus einem Material mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der beiden äußeren Separatorschichten SA, beispielsweise aus Polyethylen. Der Schmelzpunkt liegt beispielsweise bei ca. 130°C. Durch den Kurzschlussstrom kommt es zu einer Erwärmung. Dies führt zum Aufschmelzen oder zumindest Erweichen der mittleren Separatorschicht SM im Abschaltseparator 1. Dadurch verliert die mittlere Separatorschicht SM ihre Porosität und ein Ionenstrom zwischen der Anode A und der Kathode K, zwischen denen der jeweilige Abschaltseparator 1 angeordnet ist, und ein elektrischer Stromfluss werden reduziert bzw. vollständig unterbunden. Vorteilhafterweise erreicht die Temperatur T der Einzelzelle dadurch nie die kritische Reaktionstemperatur Tkrit, wie in 1 anhand eines zweiten Temperaturverlaufs VT2 verdeutlicht wird. Weist die Elektrodenanordnung 2 der Einzelzelle nur eine Anode A und eine Kathode K auf, so wird die Einzelzelle bereits dadurch vollständig abgeschaltet. Weist die Elektrodenanordnung 2, wie in 2 gezeigt, mehrere Anoden A und Kathoden K und dazwischen jeweils angeordnete Abschaltseparatoren 1 auf, so führt das Aufschmelzen oder zumindest Erweichen der mittleren Separatorschicht SM eines dieser Abschaltseparatoren 1 zunächst nur zur Unterbrechung des Ionenstroms zwischen der an diesen Abschaltseparator 1 angrenzenden Anode A und Kathode K, jedoch noch nicht zum vollständigen Abschalten der Einzelzelle. Ist die Erwärmung in der Einzelzelle jedoch stark genug und/oder setzt sie sich weiter fort, führt dies auch zum Aufschmelzen oder zumindest Erweichen der mittleren Separatorschicht SM der anderen Abschaltseparatoren 1 der Einzelzelle und somit zum vollständigen Abschalten der Einzelzelle.
  • Ein Nachteil derartig aufgebauter Abschaltseparatoren 1 kann eine erforderliche Reaktionszeit zwischen dem Kurzschluss, dem Erreichen der erforderlichen Schmelztemperatur und dem Aufschmelzen oder zumindest Erweichen der mittleren Separatorschicht SM mit der daraus resultierenden Reduktion des Kurzschlussstromes auf einen unkritischen Wert sein. Innerhalb dieser Reaktionszeit kann so viel thermische Energie freigesetzt werden, dass die kritische Reaktionstemperatur Tkrit bereits überschritten wird, gegebenenfalls auch mit einer zeitlichen Verzögerung, so dass Folgereaktionen nicht mehr zu stoppen sind.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines im Vergleich zu 2 wesentlich verbesserten Abschaltseparators 1 dargestellt, welcher diesen Nachteil vermeidet oder zumindest die oben geschilderte Gefahr einer zu späten Reaktion der mittleren Separatorschicht SM und daraus resultierender nicht mehr vermeidbarer Folgereaktionen zumindest erheblich reduziert.
  • Hierzu weist der Abschaltseparator 1, wie in 3 dargestellt, eine thermische Leithilfe SE auf, welche eine bessere thermische Leitfähigkeit aufweist als die anderen Separatorschichten SA, SM.
  • Im in 3 dargestellten Beispiel ist die thermische Leithilfe SE als eine zusätzliche Komponente des Abschaltseparators 1 ausgebildet, welche in räumlicher Nähe zur durch den Kurzschluss aufschmelzenden oder zumindest erweichenden mittleren Separatorschicht SM im Abschaltseparator 1 angeordnet ist, im dargestellten Beispiel zwischen einer der äußeren Separatorschichten SA und der mittleren Separatorschicht SM, wobei die thermische Leithilfe SE und die mittlere Separatorschicht SM im dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel vollflächig aneinander anliegen und insbesondere vollflächig thermisch miteinander gekoppelt sind. Eine Flächengröße der thermischen Leithilfe SE entspricht zweckmäßigerweise einer Flächengröße der mittleren Separatorschicht SM.
  • Die thermische Leithilfe SE ist derart ausgebildet, dass sie eine vorgegebene Elektrolytbeständigkeit aufweist, keine Reduktion elektrischer Eigenschaften der Einzelzelle bewirkt, d. h. beispielsweise keine Innenwiderstandserhöhung, keine Einschränkung bei einer bereits bestehenden Sicherheitscharakteristik bisher üblicher Einzelzellen bewirkt und vorzugsweise keine elektrische Leitfähigkeit, jedoch eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. D. h. die thermische Leithilfe SE weist ein gut wärmeleitendes Material auf.
  • Durch die Anordnung dieser thermische Leithilfe SE im Abschaltseparator 1 wird, wenn an einer Stelle des Abschaltseparators 1 ein Kurzschluss auftritt, die dort entstehende Wärme durch das wärmeleitende Material der thermischen Leithilfe SE an das angrenzende Separatormaterial, insbesondere an die aufschmelzbare oder zumindest durch Erwärmen erweichbare mittlere Separatorschicht SM, abgeführt. Dadurch steigt die Temperatur T an der Kurzschlussstelle verzögert an, während die Temperatur T der Umgebung der Kurzschlussstelle schneller ansteigt als bei einem Abschaltseparator 1 ohne die thermische Leithilfe SE. Mittels der thermischen Leithilfe SE wird somit die Temperatur T an der Kurzschlussstelle besser auf den gesamten Abschaltseparator 1 verteilt, insbesondere besser lateral auf die gesamte mittlere Separatorschicht SM verteilt.
  • Die Temperatur T zum Aufschmelzen oder zumindest zum Erweichen der mittleren Separatorschicht SM wird somit in mittelbarer Umgebung zum Kurzschlussbereich und für den gesamten Abschaltseparator 1 schneller erreicht. Dadurch wird der Kurzschlussstrom frühzeitiger reduziert bzw. vollständig eingeschränkt, bevor die resultierende Eigenerwärmung der Einzelzelle zum Erreichen der kritischen Reaktionstemperatur Tkrit führt.
  • Die thermische Leithilfe SE verbessert somit die thermische Leitfähigkeit entlang der Oberfläche des Abschaltseparators 1, insbesondere entlang der Oberfläche der durch den Kurzschluss und die daraus resultierende Erwärmung aufschmelzbaren oder zumindest aufweichbaren mittleren Separatorschicht SM und verringert somit durch ein frühzeitiges Aktivieren des Aufschmelzens bzw. Erweichens der mittleren Separatorschicht SM die Zeitdauer bis zum vollständigen Verschließen der Poren der mittleren Separatorschicht SM und somit bis zum vollständigen Unterbrechen des Ionenstroms und somit des elektrischen Stromflusses.
  • Als verwendbare Materialien für die thermische Leithilfe SE bieten sich thermisch gut leitfähige Materialien ohne elektrische Leitfähigkeit an. Eine Alternative ist der Einsatz von thermisch und elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoffen, die elektrisch isoliert sind, wie zum Beispiel ein mit Polypropylen ummanteltes Metallgitter, insbesondere Kupfergitter oder Aluminiumgitter, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellt. Das Metallgitter, insbesondere Kupfergitter oder Aluminiumgitter, kann zusätzlich mit Polyethylen beschichtet sein, zweckmäßigerweise mit dem gleichen Material wie die mittlere Separatorschicht SM, welches somit den gleichen Schmelzpunkt aufweist. Dieses zusätzliche Beschichtungsmaterial der thermischen Leithilfe SE unterstützt durch das Aufschmelzen den Verschluss des Abschaltseparators 1, genauer gesagt den Verschluss der Poren der mittleren Separatorschicht SM.
  • Eine weitere Möglichkeit kann die Verwendung der thermischen Leithilfe SE in Kombination mit einem gereckten Polymer als mittlere Separatorschicht SM sein, welches nicht schmilzt, sondern bei Temperaturerhöhung relaxiert und dabei die Poren schließt. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das gereckte Polymer als thermische Leithilfe SE verwendet wird, welches bei Temperaturerhöhung relaxiert und dabei die Poren der aus Polyethylen oder ebenfalls aus dem gereckten Polymer ausgebildeten vorzugsweise angrenzenden mittleren Separatorschicht SM schließt.
  • Eine weitere Lösungsoption ist der vollständige Ersatz des in 2 dargestellten Abschaltseparators 1 durch die thermische Leithilfe SE, welche dann zweckmäßigerweise wie oben beschrieben ausgebildet ist, d. h. welche einen thermisch gut leitfähigen metallischen Werkstoff umfasst, der mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt ist.
  • Der thermisch gut leitfähige metallische Werkstoff ist beispielsweise Kupfer oder Aluminium, welcher zweckmäßigerweise in Form eines Metallgitters, d. h. in Form eines Kupfergitters bzw. Aluminiumgitters, ausgebildet ist. Um allein durch die thermische Leithilfe SE den Abschaltseparator 1 auszubilden, ist dieser thermisch gut leitfähige Werkstoff, zweckmäßigerweise das Kupfergitter oder Aluminiumgitter, bevorzugt mit Polyethylen beschichtet und mit Polypropylen ummantelt, so dass ein ähnlicher Schichtaufbau wie bei dem in 3 dargestellten Abschaltseparator 1 erreicht wird, d. h. außen Polypropylen und innen Polyethylen, welches bei einem Kurzschluss aufschmilzt oder zumindest erweicht und seine Poren schließt, wobei das Polyethylen vollflächig an der thermischen Leithilfe SE anliegt und somit vollflächig mit dieser thermisch kontaktiert ist, da das Metallgitter der thermischen Leithilfe SE mit dem Polyethylen beschichtet ist. Durch den thermisch gut leitfähigen Werkstoff, welcher mit dem Polyethylen beschichtet ist, beispielsweise das Kupfergitter oder Aluminiumgitter, wird eine gute flächige Wärmeleitung in das Polyethylen über die gesamte Fläche des Abschaltseparators 1 und somit eine im Wesentlichen gleichmäßige Erwärmung, ein im Wesentlichen gleichmäßiges Aufschmelzen des Polyethylens und somit ein im Wesentlichen gleichmäßiges Schließen von dessen Poren erreicht. Bei dieser Lösung, d. h. bei der Verwendung der thermischen Leithilfe SE, welche vorzugsweise als Metallgitter ausgebildet ist, mit Polypropylen ummantelt ist und des Weiteren mit Polyethylen beschichtet sein kann, als Abschaltseparator 1 oder zusätzlich zu weiteren Schichten SA, SM im Abschaltseparator 1, entfällt zusätzlich die Notwendigkeit von keramischen Füllstoffen, die ein Zusammenbrechen einer Stützstruktur des Abschaltseparators 1 verhindern sollen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die thermische Leithilfe SE nicht als Gitter, sondern als ein Leitblech oder als eine Leitfolie ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die thermische Leithilfe SE zweckmäßigerweise, wie in 3 dargestellt, in den mehrschichtigen Abschaltseparator 1 integriert, d. h. der Abschaltseparator 1 weist dann zusätzlich zur thermischen Leithilfe SE zweckmäßigerweise die beiden äußeren Schichten SA, beispielsweise aus Polypropylen, und die mittlere Schicht SM, beispielsweise aus Polyethylen, auf. Auch in dieser Ausführungsform des Abschaltseparators 1 entfällt die keramische Stützhilfe durch Füllstoffe. Es können beispielsweise Kupferfolien, Aluminiumfolien und/oder Graphen und/oder Bleche und/oder Folien aus einem anderen metallischen Material als thermische Leithilfe SE eingesetzt werden. Das Blech oder die Folie ist zweckmäßigerweise ummantelt, beispielsweise mit Polyethylen und/oder Polypropylen und/oder einem anderen insbesondere elektrisch isolierenden Material.
  • Zur Reduktion des Aufwands ist es möglich, eine Anzahl der thermisch leitfähigen Komponenten zu reduzieren, d. h. nicht in jeden Abschaltseparator 1 der Elektrodenanordnung 2 der Einzelzelle eine thermische Leithilfe SE zu integrieren. Somit können Ausführungsformen von Elektrodenanordnungen 2 vorgesehen sein, welche in jedem Abschaltseparator 1 eine solche thermische Leithilfe SE aufweisen und andere Ausführungsformen von Elektrodenanordnungen 2, welche beispielsweise nur in jedem zweiten, dritten oder n-ten Abschaltseparator 1 eine solche thermische Leithilfe SE aufweisen.
  • Zusätzlich zur Integration der thermischen Leithilfe SE in den Abschaltseparator 1 oder zur Verwendung der oben beschriebenen thermischen Leithilfe SE als Abschaltseparator 1 kann vorgesehen sein, dass die thermische Leithilfe SE mit einem von außen zugänglichen thermischen Kontaktelement der Einzelzelle thermisch gekoppelt ist, über welches eine Wärmemenge von außerhalb der Einzelzelle auf die thermische Leithilfe SE übertragbar ist. Dieses zellextern gut thermisch zugängliche thermische Kontaktelement kann eine Mantelfläche der Einzelzelle oder ein zusätzliches thermisches Terminal bzw. ein thermischer Ableiter sein. Bei einer weiteren Ausführungsform der Einzelzelle wird zumindest einer der elektrischen Pole der Einzelzelle zusätzlich als ein thermischer Pol und somit als das thermische Kontaktelement verwendet. Die thermische Leithilfe SE des Abschaltseparators 1 und der elektrische Pol der Einzelzelle sind somit zellintern thermisch gekoppelt, um den elektrischen Pol auch als thermisches Kontaktelement verwenden zu können, jedoch zweckmäßigerweise voneinander elektrisch isoliert.
  • Über dieses thermische Kontaktelement kann der Abschaltseparator 1 der Einzelzelle über eine vorgegebene thermische Energiemenge extern, beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, ausgelöst werden. Hierfür können ein oder mehrere Heizelemente, wie zum Beispiel Heizmatten, eingesetzt werden. Über diese Heizelemente, welche mit dem thermischen Kontaktelement thermisch koppelbar oder gekoppelt sind, ist eine Wärmemenge von außerhalb der Einzelzelle auf die thermische Leithilfe SE des Abschaltseparators 1 übertragbar, um auf diese Weise die Erwärmung des Abschaltseparators 1 zum Schließen von dessen Poren und damit das Unterbrechen des Ionenflusses zu beschleunigen. Vorteile ergeben sich aus den verbesserten Sicherheitseigenschaften, d. h. die Einzelzelle kann nach kürzerer Zeit t in einen sicheren bzw. vorgegebenen Zustand überführt werden. Bei einem auftretendem Fehler, insbesondere bei einem zellinternen Kurzschluss in einer der Einzelzellen der Batterie, können die Einzelzellen der Batterie bzw. kann die gesamte Batterie auf diese Weise deaktiviert werden, zum Beispiel durch das Batteriemanagementsystem im Falle einer kritischen Fehlerdetektion. Hierzu wird allen Abschaltseparatoren 1, welche eine mit einem thermischen Kontaktelement gekoppelte thermische Leithilfe SE aufweisen, von außen über die thermischen Kontaktelemente der Einzelzellen eine ausreichende Wärmemenge zugeführt, um die Poren der Abschaltseparatoren 1 zu schließen und dadurch den jeweiligen Ionenfluss zu unterbrechen.
  • Die beschriebene Lösung, d. h. der Einsatz der thermischen Leithilfe SE im Abschaltseparator 1 oder auf die oben beschriebene Weise als eigenständiger Abschaltseparator 1, ermöglicht es zudem, Einzelzellen mit einer höheren Kapazität und/oder mit einem höheren Energieinhalt auszubilden, welche im Vergleich zu Einzelzellen mit in 2 dargestellten Abschaltseparatoren 1 ohne solche thermischen Leithilfen SE gleiche oder bessere Sicherheitseigenschaften aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abschaltseparator
    2
    Elektrodenanordnung
    A
    Anode
    K
    Kathode
    SA
    äußere Separatorschicht
    SE
    thermische Leithilfe
    SM
    mittlere Separatorschicht
    T
    Temperatur
    Tkrit
    kritische Reaktionstemperatur
    t
    Zeit
    VT1
    erster Temperaturverlauf
    VT2
    zweiter Temperaturverlauf
  • 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
    • US 2011/0183203 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Abschaltseparator (1) für eine Einzelzelle einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Leithilfe (SE) im Wesentlichen vollflächig an zumindest einer Separatorschicht (SA, SM) anliegt.
  2. Abschaltseparator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leithilfe (SE) aus zumindest einem Metall ausgebildet ist.
  3. Abschaltseparator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leithilfe (SE) aus Kupfer und/oder Aluminium ausgebildet ist.
  4. Abschaltseparator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leithilfe (SE) mit Polypropylen ummantelt ist.
  5. Abschaltseparator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leithilfe (SE) als ein Gitter ausgebildet ist, welches mit Polyethylen beschichtet ist.
  6. Abschaltseparator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leithilfe (SE) mit einem von außen zugänglichen thermischen Kontaktelement der Einzelzelle thermisch gekoppelt ist, über welches eine Wärmemenge von außerhalb der Einzelzelle auf die thermische Leithilfe (SE) übertragbar ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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