DE102016013446A1

DE102016013446A1 - Zusammensetzug, geeignet als kombiniertes Wärmemanagement- und Feuerlöschmittel, insbesondere für wiederaufladbare Sekundärbatterien

Info

Publication number: DE102016013446A1
Application number: DE102016013446.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hintennach
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betritt eine Zusammensetzung, geeignet zur Verwendung als Wärmemanagement-Flüssigkeit und als Feuerlöschmittel für Wärme erzeugende elektrische, elektronische und/oder elektrochemische Einrichtungen, aufweisend wenigstens einen Fluorether, wenigstens ein Fluorketon, und wenigstens einen Fluortelomeralkohol. Ein bevorzugtes Beispiel der Zusammensetzung weist wenigstens einen Hydrofluorether mit der Summenformel C6F13OCH3, wenigstens ein Fluorketon in Form von Dodecafluor-2-methylpentan-3-on (CF3CF2C(O)CF(CF3)2) und wenigstens einen Fluortelomeralkohol in Form von 1H,1H,2H,2H-Perfluordecanol (8:2 FTOH; C10H5F17O) auf. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine elektrische, elektronische oder elektrochemische Einrichtung mit der Zusammensetzung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung, die als kombiniertes Wärmemanagement- und Feuerlöschmittel, insbesondere für wiederaufladbare Sekundärbatterien geeignet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine elektrische, elektronische oder elektrochemische Einrichtung, von der wenigstens ein Element teilweise von der Zusammensetzung umgeben ist.
Beim Betrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen entsteht bekanntermaßen Verlustwärme, die, sofern sie eine für die Lebensdauer und/oder die Betriebssicherheit der jeweiligen Einrichtung kritische Grenze erreicht oder überschreitet, gesonderte Maßnahmen und/oder Einrichtungen zur gezielten Ableitung der Verlustwärme erforderlich machen.
Ebenfalls allgemein bekannt ist, dass die Alterung von wiederaufladbaren Batteriezellen maßgeblich durch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung und erhöhte Temperaturen beeinflusst wird. Die derzeit bekannten elektrochemischen, wiederaufladbaren Energiespeicher auf Lithium-Ionen-Basis (etwa Traktionsbatterien mit einer Mehrzahl an wiederaufladbaren Batteriezellen) aber auch zukünftige ”Post-Lithium-Batteriezellen” erfordern daher zur Erreichung einer möglichst langen Lebensdauer eine gleichmäßige Temperierung (d. h. insbesondere eine möglichst gleiche Temperatur aller Batteriezellen und möglichst geringe Temperaturschwankungen bei deren Betrieb) und eine sehr gute Kühlung bei Hochstrombelastungen, wie etwa Schnellladung. Auch werden bei zukünftigen Batteriematerialien (etwa Metall-Schwefel, Hochenergie-NMC-Kathoden (NMC = Nickel Mangan Cobalt), NCA-Kathoden (NCA = Nickel Cobalt Aluminium)) größere Wärmemengen abzuführen sein, als bei derzeit bekannten, konventionellen Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Andererseits besteht bei elektrochemischen, wiederaufladbaren Energiespeichern die Notwendigkeit einer (gegebenenfalls nur leichten) Erwärmung bei sehr niedrigen Temperaturen (bspw. nahe oder unter 0°C), um den Energiespeicher oberhalb der Außentemperatur zu halten. Damit kann dem bekannten Phänomen einer niedrigen Strombelastbarkeit bzw. eines niedrigen Stromauf- und -abgabevermögens bei derzeit bekannten und zukünftig zu erwartenden elektrochemischen, wiederaufladbaren Energiespeichern bei niedrigen Temperaturen entgegengewirkt werden.
Für eine Kühlung bzw. eine Erwärmung von elektrischen und elektronischen Einrichtungen sind aus dem Stand der Technik mehrere verschiedene Lösungen bekannt.
So können für eine Kühlung Kühlkörper, etwa metallische Rippen-Kühlkörper vorgesehen sein und/oder Belüftungseinrichtungen, etwa in Form von Gebläsen und Ventilatoren. Zum Erwärmen von elektrischen und elektronischen Einrichtungen können entsprechende Temperiereinrichtungen, wie etwa eine Heizeinrichtung oder eine Klimatisierungseinrichtung vorgesehen sein.
In Fällen, bei denen eine Kühlung/Erwärmung mittels eines gasförmigen Mediums aufgrund des Ausmaßes an anfallender Verlustwärme und/oder aufgrund des Ausmaßes an zu der/den elektrischen und elektronischen Einrichtung(en) zu übertragenden Wärmemenge mit einem unverhältnismäßig großen apparativen und damit auch finanziellen Aufwand verbunden wäre, ist es bekannt, als Wärmeübertragungsmedium ein (jedenfalls bei Atmosphärendruck und 20°C) flüssiges Medium zu verwenden.
Üblicherweise werden für eine Kühlung/Erwärmung mittels eines flüssigen Mediums dielektrische Wärmeübertragungsmedien verwendet, da diese – im Gegensatz bspw. zu Wasser – nicht elektrisch leitend sind.
Diese flüssigen Medien können (ähnlich wie ein Trafoöl) die elektrischen, elektronischen und/oder elektrochemischen Einrichtungen (bspw. die Batteriezellen einer Traktionsbatterie) direkt umspülen und damit eine Kühlung bzw. Temperierung ermöglichen (sog. Immersionskühlung).
Um ein erhöhtes Gefährdungspotenzial zu vermeiden, müssen die Wärmemanagementmedien thermisch stabil sein und es dürfen im Falle eines Schadens (Stichwort: „Thermal Runaway”) keine erhöhten Gefahren auftreten.
Die WO 2009/088619 A1 beschreibt ein passives System zum Thermomanagement von elektrochemischen Zellen mit einem nicht-wässrigen Wärmeübertragungsmedium, wobei wenigstens eine elektrochemische Zelle wenigstens teilweise in ein nicht-wässriges, in einem Behälter befindliches Wärmeübertragungsmedium getaucht ist. Als nicht-wässrige Wärmeübertragungsmedien werden Perfluorkohlenwasserstoffe, Perfluorpolyether, Perfluoramine, Perfluorether, Hydrofluorether, Silikon-Öle und Kohlenwasserstoff-Öle vorgeschlagen.
Und aus der WO 2010/123671 A1 ist ein System für und ein Verfahren für Wärme erzeugende elektronische Einrichtungen bekannt, das sowohl zur Kühlung der Wärme erzeugenden elektronischen Einrichtungen als auch zum Brandschutz dient. Ein Thermomanagement-Fluid, das ein Feuerlöschmittel ist oder ein Feuer zu löschen vermag, wird hierzu durch eine Rohrleitung zirkuliert, die wenigsten ein Ventil aufweist. Das Ventil kann in Reaktion auf einen Stimulus, wie etwa eine Flamme oder ein Feuer geöffnet werden, wodurch das Fluid auf die Wärme erzeugende elektronische Einrichtung oder auf eine Flamme geleitet wird. Als Thermomanagement-Fluid werden Fluorkohlenwasserstoffe, wie etwa Perfluorkohlenwasserstoffe, Perfluorketone, Perfluorpolyether, Perfluorether, oder Hydrofluorkohlenwasserstoffe, wie etwa Hydrofluorether vorgeschlagen.
Medien (Flüssigkeiten), die sich als Wärmemanagementmittel eignen, haben oftmals den Nachteil, dass sich im Fall eines Brandes ab etwa 300°C unter Bildung von toxischen Stoffen zersetzen. Insbesondere die Bildung gasförmiger und toxischer Stoffe stellt ein Sicherheitsrisiko dar, insbesondere bei deren Einsatz bei automobilen Batterien.
Grundsätzlich ebenfalls zu Wärmemanagementzwecken verwendbar wären solche Medien (Flüssigkeiten) die feuerlöschende Eigenschaften aufweisen bzw. solche, die als Feuerlöschmittel eingesetzt werden. Diese Feuerlöschmittel weisen jedoch oftmals eine Siedetemperatur auf, die niedriger ist, als diejenige, die für Wärmemanagementmittel wünschenswert ist.
Vor diesem Hintergrund sind derzeit entweder Wärmemanagementmedien bekannt oder Feuerlöschmedien, jedoch keine Kombination aus beiden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil des Stands der Technik zu überwinden oder doch deutlich zu verringern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 und die elektrische, elektronische oder elektrochemische Einrichtung gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird demnach eine Zusammensetzung vorgeschlagen, die geeignet ist zur Verwendung als Wärmemanagement-Flüssigkeit und als Feuerlöschmittel für Wärme erzeugende elektrische, elektronische und/oder elektrochemische Einrichtungen.
Die Zusammensetzung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie

– wenigstens einen Fluorether,
– wenigstens ein Fluorketon, und
– wenigstens einen Fluortelomeralkohol

Bei der Zusammensetzung ist es von Vorteil, wenn

– der wenigstens eine Fluorether eine Siedetemperatur bei Atmosphärendruck im Bereich von etwa 80 bis 120°C, bevorzugt im Bereich von etwa 90 bis 110°C,
– das wenigstens eine Fluorketon eine Siedetemperatur bei Atmosphärendruck im Bereich von etwa 30 bis 70°C, bevorzugt im Bereich von etwa 40 bis 60°C, und
– der wenigstens eine Fluortelomeralkohol 6 bis 14 Kohlenstoffatome, bevorzugt 8 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei der Zusammensetzung der wenigstens eine Fluorether ein Hydrofluorether ist, die Zusammensetzung somit

– wenigstens einen Hydrofluorether,
– wenigstens ein Fluorketon, und
– wenigstens einen Fluortelomeralkohol

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn bei der Zusammensetzung das wenigstens eine Fluorketon ein perfluoriertes Fluorketon ist, die Zusammensetzung somit

– wenigstens einen Fluorether, bevorzugt einen Hydrofluorether,
– wenigstens ein perfluoriertes Fluorketon, und
– wenigstens einen Fluortelomeralkohol

Die Zusammensetzung kann in vorteilhafter Weise gebildet sein durch Zugeben von 0,5 bis 2,5 Vol.-% von wenigstens einem Fluortelomeralkohol in eine Mischung aus 90–97 Vol.-% von wenigstens einem Fluorether und 3–10-Vol.-% von wenigstens einem Fluorketon, wobei sich in der Mischung der Volumenanteil des wenigstens einen Fluorethers und der Volumenanteil des wenigstens einen Fluorketons zu 100 Vol.-% ergänzen.
Besonders vorteilhaft für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist eine Zusammensetzung, aufweisend

– wenigstens einen Hydrofluorether mit der Summenformel C₆F₁₃OCH₃,
– wenigstens ein Fluorketon in Form von Dodecafluor-2-methylpentan-3-on (CF₃CF₂C(O)CF(CF₃)₂), und
– wenigstens einen Fluortelomeralkohol in Form von 1H,1H,2H,2H-Perfluordecanol (8:2 FTOH; C₁₀H₅F₁₇O).

Von der vorliegenden Erfindung umfasst ist auch eine elektrische, elektronische oder elektrochemische Einrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Element davon teilweise von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen umgeben ist.
In vorteilhafter Weise ist oder umfasst die Einrichtung eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug, deren Batteriezellen zumindest teilweise von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen umgeben sind.
Wie von dem Erfinder überraschend herausgefunden wurde, eignet sich die erfindungsgemäße Zusammensetzung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen nicht nur als Wärmemanagementmittel, mit dem eine sehr homogene Temperaturverteilung und über alle Betriebszustände eine sehr gleichmäßige Temperatur bei elektrischen, elektronischen oder elektrochemischen Einrichtung erreicht werden kann, sondern auch als Feuerlöschmittel, mit dem eine signifikante Erhöhung der inhärenten Sicherheit von Batteriemodulen, insbesondere solche mit Immersionskühlung erreicht werden kann.
Selbst im Brandfall kann eine entstehende Flamme noch vor Übergriff auf nicht umspülte Teile erstickt werden. Eine vollständige Benetzung von (insbesondere polymeren) Werkstoffen im Batteriegehäuse sorgt selbst im Fall eines ”Thermal Runaway” einzelner Zellen eines Zellstapels dafür, dass innerhalb des Gehäuses eine sehr gute Wärmeabfuhr sichergestellt werden kann, ohne dass sich die entstehenden Dämpfe zersetzen würden. Ein Übergreifen der Wärme (Stichwort: ”Thermal Propagation”) von einer Zelle auf die jeweils nächste (Dominoeffekt) wird so ausgeschlossen.
Wie der Erfinder vermutet, ist für diese überraschend positive Wirkung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der darin enthaltene Fluortelomeralkohol verantwortlich. Dieser ist essentiell, um eine Löschwirkung der Zusammensetzung zu erzielen. Ein Teil der Löschwirkung beruht wohl auf Abkühlung, ein weiterer Teil wohl jedoch auf der Fähigkeit zum Radikalfang der Verbindungen. Die Zugabe des Fluortelomeralkohols ermöglicht eine nur vergleichsweise geringe Zudosierung an Fluorketon(en), die oftmals als Feuerlöschmittel eingesetzt werden, der/die jedoch oftmals eine für Wärmemanagementzwecke nicht optimal geeigneten Siedepunkt aufweist/aufweisen.
Fluortelomeralkohole (FTOH) sind eine zu den polyfluorierten Tensiden gehörende Stoffgruppe, deren allgemeine Summenformel CF₃(CF₂)nCH₂CH₂OH lautet. Fluortelomeralkohole werden in der Regel mittels Telomerisation hergestellt.
Der in dieser Anmeldung als bevorzugter Fluortelomeralkohol genannte 1H,1H,2H,2H-Perfluordecanol (8:2 FTOH; C₁₀H₅F₁₇O) hat bspw. die Struktur:
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck flüssige Wärmemanagementmedien bekannt. Entsprechendes gilt für Medien, die zu Feuerlöschzwecken verwendet werden. Für beide Anwendungsgebiete sind bspw. von der Fa. 3M Deutschland GmbH unter der Marke ”Novec^®” diverse Produkte erhältlich.
Im Nachfolgenden ist ein typisches Beispiel für die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung angeben. Dieses Beispiel dient selbstverständlich nur zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung auf dieses spezielle Beispiel beschränkt wäre.
Beispiel:
Es wird eine Mischung aus 90–97 Vol.-% 3M Novec^® 7300 (Funktion: Fluid für Wärmemanagement) und 3–10 Vol.-% 3M Novec^® 1230 (Funktion: Fluid als Feuer-Löschmittel) hergestellt durch einfaches Zusammengeben und gegebenenfalls Vermischen der beiden Komponenten. Die Volumenanteile von 3M Novec^® 7300 und 3M Novec^® 1230 sind jeweils so gewählt, dass sie zusammen 100 Vol.-% ergeben.
Zu dieser Mischung wird 0,5–2,5 Vol.-% des Fluortelomeralkohols 8:2 FTOH (1H,1H,2H,2H-Perfluordecanol) zugegeben.
Die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung oder eine ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen kann in bevorzugter Weise gleichzeitig als Wärmemanagement-Flüssigkeit und als Feuerlöschmittel für Wärme erzeugende elektrische, elektronische und/oder elektrochemische Einrichtungen verwendet werden.
Bspw. kann sie zur Immersionsflüssigkeitskühlung von oder als Immersionsflüssigkeit zum Wärmemanagement von elektrischen, elektronischen und/oder elektrochemischen Einrichtungen verwendet werden.
Als ein bevorzugtes Beispiel hierfür sei eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug erwähnt, deren Batteriezellen zumindest teilweise von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen umgeben sind.
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

WO 2009/088619 A1 [0011]
WO 2010/123671 A1 [0012]

Claims

Zusammensetzung, geeignet zur Verwendung als Wärmemanagement-Flüssigkeit und als Feuerlöschmittel für Wärme erzeugende elektrische, elektronische und/oder elektrochemische Einrichtungen, aufweisend – wenigstens einen Fluorether, – wenigstens ein Fluorketon, und – wenigstens einen Fluortelomeralkohol.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei – der wenigstens eine Fluorether eine Siedetemperatur bei Atmosphärendruck im Bereich von etwa 80 bis 120°C, bevorzugt im Bereich von etwa 90 bis 110°C, und – das wenigstens eine Fluorketon eine Siedetemperatur bei Atmosphärendruck im Bereich von etwa 30 bis 70°C, bevorzugt im Bereich von etwa 40 bis 60°C, und – der wenigstens eine Fluortelomeralkohol 7 bis 13 Kohlenstoffatome, bevorzugt 8 bis 12 Kohlenstoffatome aufweist.
Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder 2, aufweisend – wenigstens einen Hydrofluorether, – wenigstens ein Fluorketon, und – wenigstens einen Fluortelomeralkohol.
Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend – wenigstens einen Fluorether, bevorzugt einen Hydrofluorether, – wenigstens ein perfluoriertes Fluorketon, und – wenigstens einen Fluortelomeralkohol.
Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gebildet durch Zugeben von 0,5 bis 2,5 Vol.-% von wenigstens einem Fluortelomeralkohol in eine Mischung aus 90–97 Vol.-% von wenigstens einem Fluorether und 3–10 Vol.-% von wenigstens einem Fluorketon, wobei sich in der Mischung der Volumenanteil des wenigstens einen Fluorethers und der Volumenanteil des wenigstens einen Fluorketons zu 100 Vol.-% ergänzen.
Zusammensetzung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend – wenigstens einen Hydrofluorether mit der Summenformel C₆F₁₃OCH₃, – wenigstens ein perfluoriertes Fluorketon in Form von Dodecafluor-2-methylpentan-3-on (CF₃CF₂C(O)CF(CF₃)₂), und – wenigstens einen Fluortelomeralkohol in Form von 1H,1H,2H,2H-Perfluordecanol (8:2 FTOH; C₁₀H₅F₁₇O)
Elektrische, elektronische oder elektrochemische Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element davon teilweise von der Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umgeben ist.
Einrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Traktionsbatterie für ein Fahrzeug ist oder umfasst, wobei die Batteriezellen der Traktionsbatterie zumindest teilweise von der Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umgeben sind.