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Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Festkörperzellenstapel umfassend eine Anzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten elektrochemischen Festkörperzellen.
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Elektrisch (elektromotorisch) angetriebene Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen üblicherweise einen Elektromotor mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Zum Zwecke einer Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor typischerweise mit einer fahrzeuginternen (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher gekoppelt. Derartige Batterien sind beispielsweise als Akkumulatoren ausgeführt, wobei zur Erzeugung einer ausreichend hohen Betriebsspannung typischerweise mehrere einzelne Batterien modular zu einem gemeinsamen Batteriesystem verschaltet sind.
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Derartige Batteriemodule umfassen üblicherweise eine Anzahl von elektrochemischen (Dünn-)Schichtzellen, welche innerhalb eines Batteriegehäuses entlang einer Stapel- oder Reihenrichtung zu einem Zellenstapel oder Zellenpaket aneinander gereiht beziehungsweise gestapelt werden. Die Zellen weisen einen geschichteten Aufbau mit einer Kathodenschicht und mit einer Anodenschicht sowie mit einem dazwischen eingebrachten Separator auf. Zusätzlich in der Regel ein flüssiger Elektrolyt (Flüssigelektrolyt) in der Zelle vorhanden, welcher alle Bestandteile (Schichten) der Zelle durchdringt und damit ionisch leitend verbindet. Die beweglichen Ionen (Ladungsträger) sind hierbei üblicherweise Lithium-Ionen.
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Derartige Schichtzellen mit Flüssigelektrolyten weisen jedoch nachteiligerweise eine vergleichsweise geringe Energiespeicherdichte auf. Dadurch wird zur Erzeugung der benötigten Hochvoltspannung in elektromotorischen Kraftfahrzeugen eine hohe Anzahl von Schichtzellen benötigt. Das entsprechende Batteriesystem weist somit einen hohen Bauraumbedarf auf. Des Weiteren weist das Batteriesystem ein vergleichsweise hohes Baugewicht auf, welches sich nachteilig auf die Reichweite des elektromotorischen Antriebs auswirkt.
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Schichtzellen mit einem Festkörperelektrolyten, nachfolgend auch als Festkörperzellen bezeichnet, weisen bei gleichem Baugewicht eine wesentlich höhere Energiespeicherdichte als Schichtzellen mit Flüssigelektrolyten auf. Festkörperzellen weisen weiterhin verbesserte Sicherheitseigenschaften auf, da die Festkörperelektrolyten nicht entzündlich sind und ein Dendritenwachstum zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht während eines Lade- oder Entladevorgangs vermindert beziehungsweise vollständig verhindert wird. Des Weiteren werden aufgrund der Selektivität der Ladungsträger und der generell hohen Stabilität der Festelektrolyten die Zyklenstabilität sowie die Lebensdauer der Festkörperzelle verbessert.
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Während eines Lade- oder Entladevorgangs treten Volumenänderungen im Schichtverbund der Festkörperzelle auf. Die Schichtdicken der Kathodenschichten in typischen Festkörperzellen betragen etwa 30 μm bis 150 μm. Die Anodenschichten sind üblicherweise passend zu den Kathodenschichten ausgelegt und weisen somit eine Schichtdicke zwischen 5 μm bis 150 μm auf. Dabei zeigen viele Aktivmaterialien, wie beispielsweise Silizium, eine vergleichsweise große Volumenänderung zwischen Lade- und Entladevorgang von bis zu 300 %. Im Vergleich zu Flüssigelektrolyten sind derartige Volumenänderungen mittels eines Festkörperelektrolyten nicht pufferbar, wodurch eine Stapelung oder Aneinanderreihung zu einem Festkörperzellenstapel erschwert wird.
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Die Volumenänderungen im Festkörperzellenstapel können zu Kontaktverlusten zwischen den einzelnen Festkörperzellen sowie zu Beschädigungen (Risse) oder vollständigen Zerstörung der (Festkörper-)Batterie führen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass die Festkörperzellen bei einer Volumenänderung im Stapelverbund gegeneinander verschoben werden, sodass Kurzschlüsse zwischen den Festkörperzellen auftreten.
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Um Kontaktverluste während der Zyklisierung zwischen den einzelnen Festkörperzellen zu vermeiden, wird der Festkörperzellenstapel in einer kompakten und definierten Lage innerhalb des Batteriegehäuses in der Regel unter Druck gehalten. Insbesondere bei Lithium, das sich beim Zyklisieren im Wesentlichen vollständig auflöst und wieder abscheidet, tritt das Problem auf, dass anodenseitig keine feste Gerüststruktur bestehen bleibt. Dadurch muss die Zelle unter Druck betrieben werden, um eine ausreichende Stabilität und (elektrischen) Kontakt zu gewährleisten. Dieser Druck kann jedoch dazu führen, dass das Lithium innerhalb des Stapelverbunds zu fließen beginnt. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass Lithium sich ungleichmäßig abscheidet, so dass zum Beispiel an den Rändern des Zellenstapels eine größere Abscheidung erfolgt. Dadurch entstehen weitere Instabilitäten innerhalb des Zellenstapels und/oder Kurzschlüsse in den umfangsseitigen Randbereichen.
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Aus der
DE 10 2014 207 531 A1 ist ein galvanisches Element mit einem Festkörperzellenstapel bekannt, bei welchem zwischen benachbarten Festkörperzellen jeweils ein schichtartiges und elastisches Ausgleichselement eingebracht ist. Durch das Ausgleichselement wird eine Volumenänderung entlang der Stapelrichtung zumindest teilweise ausgeglichen, sodass die Gefahr von Kontaktierungsverlusten und Beschädigungen innerhalb des Stapels reduziert wird.
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Festkörperelektrolyten weisen langsamere Diffusionsvorgänge beim Ladungstransport auf als Flüssigelektrolyten. Dadurch weisen Festkörperzellen bei tiefen Temperaturen beziehungsweise außerhalb einer gewünschten Betriebstemperatur eine vergleichsweise niedrigere elektrische Leitfähigkeit und somit eine verringerte Leistung auf. Zur Verbesserung der Reichweite und der Lebensdauer sowie der abrufbaren Leistung ist es daher notwendig, dass die Festkörperzellen der Batterie eine gewisse Betriebstemperatur aufweisen. Hierbei ist es erforderlich, dass die einzelnen Festkörperzellen eine möglichst gleiche Temperatur im Verbund des Festkörperzellenstapels aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Batteriemodul anzugeben, welches insbesondere hinsichtlich einer Temperierung der Festkörperzellen verbessert ist.
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Das erfindungsgemäße Batteriemodul umfasst vorzugsweise ein Batteriegehäuse, in welchen ein Festkörperzellenstapel aufgenommen ist. Der Festkörperzellenstapel weist eine Anzahl von entlang einer Stapelrichtung gestapelten oder aneinandergereihten elektrochemischen Festkörperzellen auf. Jede Festkörperzelle ist hierbei mit einer mittels eines ersten Ableiters kontaktierten Anodenschicht und mit einer mittels eines zweiten Ableiters kontaktierten Kathodenschicht sowie mit einer zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht sandwichartig angeordneten Festelektrolytschicht ausgeführt.
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Die Festkörperzellen weisen weiterhin ein elastisch verformbares Ausgleichselement (Abstandselement, Spacer) auf, welches eine Volumenänderung des Festkörperzellenstapels entlang der Stapelrichtung zumindest teilweise ausgleicht. Das Ausgleichselement ist aus einem wärmeleitfähigen Material mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Zweckmäßigerweise ist das Ausgleichselement hierbei zumindest in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit der Festelektrolytschicht der jeweiligen Festkörperzelle.
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Durch das Einbringen der Ausgleichselemente werden einerseits die Volumenänderungen der Aktivmaterialen der Anoden- und/oder Kathodenschicht während einer Zyklisierung von Lade- und Entladevorgängen im Betrieb zumindest teilweise ausgeglichen.
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Andererseits wird durch die Wärmeleitfähigkeit der Ausgleichselemente auf einfache Art und Weise eine verbesserte Temperierung der Festkörperzellen beziehungsweise des Festkörperzellenstapels ermöglicht. Insbesondere wird dadurch eine besonders einfache Beheizung der Festkörperzellen bei niedrigen Umgebungstemperaturen ermöglicht. Mit anderen Worten ist es möglich, die Festkörperzellen direkt auf eine gewisse Betriebstemperatur zu erwärmen. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit des Festkörperelektrolyten verbessert, was sich in der Folge vorteilhaft auf die Leistung des Batteriemoduls überträgt.
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Durch die Elastizität beziehungsweise Flexibilität der Ausgleichselemente werden Kontaktverluste sowie Beschädigungen oder Zerstörungen im Betrieb des Batteriemoduls vorteilhaft und einfach vermieden. Des Weiteren wird einem Verrutschen oder Gleiten der einzelnen Festkörperzellen im Stapel auf einfache Art und Weise entgegengewirkt. Weiterhin wird hierdurch der benötigte Druck auf den Zellenstapel gleichmäßig über die Breite des Zellenstapels, das bedeutet quer zur Stapelrichtung, verteilt. Zudem wird durch die Ausgleichselemente vor allem bei mehreren Lagen die Stabilität des Zellenstapels erhöht.
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Unter einer Festkörperzelle ist insbesondere ein schichtartig aufgebautes galvanisches Element zu verstehen, wobei die Kathodenschicht und die Festelektrolytschicht sowie die Anodenschicht entlang der Stapelrichtung aneinander angereiht sind. Die Abscheidung oder Herstellung der einzelnen Schichten erfolgt hierbei beispielsweise mittels Gasabscheidung, nasschemischen Verfahren, Rolle-zu-Rolle-Prozesse oder Siebdruckverfahren.
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Die Kathodenschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke, das bedeutet eine Höhe der Schicht entlang der Stapelrichtung, von etwa 10 μm bis 200 μm auf.
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Die Anodenschicht ist vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen 1 μm und 150 μm ausgestaltet. Als geeignete Aktivmaterialien werden insbesondere metallisches Lithium und Lithium-Legierungen sowie Materialien basierend auf Natrium angesehen.
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Die Zwischenschicht aus dem Festkörperelektrolyt ist geeigneterweise mit einer Schichtdicke zwischen 0,001 μm bis 150 μm ausgeführt. Bevorzugterweise werden hierbei NASCION (sodium super ionic conductor), LI-SICON (lithium super ionic conductor), Sulfide, Oxide (bspw. Granatstrukturen), Phosphate, oder LiPON als Festkörperelektrolytmaterial eingesetzt. Mögliche weitere Materialien für Festkörperelektrolyte sind Polymere mit Leitsalzen, wie beispielsweise PEO-basierte Polymere mit LiTfSI oder auch hybride Elektrolyte, welche aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Zur Bildung des Festkörperzellenstapels sind vorzugsweise mehr als 3 und weniger als 10000, insbesondere mehr als 10 und weniger als 1000, Festkörperzellen entlang der Stapelrichtung aneinandergereiht. Die Schichten der gestapelten Festkörperzellen sind hierbei seriell oder parallel miteinander verbunden beziehungsweise verschaltet.
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Die ersten und zweiten Ableiter der Anoden- beziehungsweise Kathodenschichten sind insbesondere als Ableiterfähnchen, beispielweise aus Aluminium, hergestellt. Die Ableiter ragen hierbei zum Zwecke einer Kontaktierung und/oder Verschaltung zumindest teilweise seitlich über den Außenumfang der Festkörperzelle hinaus. Mit anderen Worten sind die Ableiter im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung orientiert. Dadurch ist eine einfache Kontaktierung und Verschaltung der Festkörperzellen ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der zweite Ableiter der Kathodenschicht an der dem Festelektrolytschicht abgewandten beziehungsweise gegenüberliegenden Hauptoberfläche (Stirnfläche, Planfläche) angeordnet. Entsprechend ist der erste Ableiter der Anodenschicht bevorzugt an diejenige Hauptoberfläche angeordnet, welche von der Festelektrolytschicht sowie der Kathodenschicht abgewendet ist.
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In einer geeigneten Weiterbildung ist das Ausgleichselement aus einem elektrisch nicht leitfähigen, insbesondere ionisch nicht leitfähigen, Material hergestellt. Mit anderen Worten ist das flexible Ausgleichselement zur Vermeidung von Kurschlüssen im Zellenstapel aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Polymer, einem Silikon oder einem Kautschuk hergestellt. Dadurch wird eine elektrische Isolierung zwischen den Festkörperzellen, insbesondere im Falle einer seriellen Verschaltung mehrerer gestapelter Festkörperzellen, realisiert, wodurch erforderliche Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Ausgleichselement im Wesentlichen ringförmig, wobei die Anodenschicht durch das Ausgleichselement umfangsseitig eingefasst oder umschlossen ist. Mit anderen Worten ist das Ausgleichselement insbesondere in einer gemeinsamen Schichtebene mit der Anodenschicht angeordnet, ohne dass dabei die Ionenwanderung der Festkörperzelle gestört wird. Auf diese Weise wird eine wesentliche Beeinflussung der sonstigen baulichen Merkmale, wie etwa der Baugröße und/oder das Baugewicht, der elektrochemischen Festkörperzelle vermieden, ohne dass hierbei eine negative Einschränkung der Ausgleichselement-Funktionalität auftritt.
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Das elastische Ausgleichselement ist durch den angelegten Druck auf den Festkörperzellenstapel derart komprimierbar, dass es im Wesentlichen stets die Höhe der einsitzenden Anodenschicht einnimmt. Das Ausgleichselement ist hierbei insbesondere derart konzipiert, dass es sich bei einem Zyklisieren der Dicke der Anodenschicht flexibel anpasst. Dies bedeutet, dass es bei einer Erhöhung der Anodenschichtdicke komprimiert und bei einer Erniedrigung der Anodenschichtdicke ausgedehnt oder relaxiert wird. Dadurch bildet das Ausgleichselement stets eine vollständige Begrenzung um die Anodenschicht.
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Vorzugsweise ist das Material des Ausgleichselements chemisch inert hinsichtlich des Materials der Anodenschicht. Mit anderen Worten ist das Ausgleichselement nicht reaktiv gegenüber dem Aktivmaterial der Anodenschicht, sodass im Wesentlichen eine passivierende (Mantel-)Schicht um die Anodenschicht gebildet wird.
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Die ringförmige Ausgestaltungsform des Ausgleichselements ist hierbei insbesondere vorteilhaft in Anwendungen bei welchen metallisches Lithium als Aktivmaterial der Anodenschicht eingesetzt wird. Durch die Ringform wird ein Fließen des Lithiums, auch im Falle hoher Drücke, vorteilhaft und einfach vermieden. Zusätzlich wird bei einer ungleichmäßigen Lithium-Abscheidung an der Anodenschicht sichergestellt, dass der Stapel in Form bleibt und nicht verrutscht beziehungsweise in eine Schieflage gerät.
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In einer geeigneten Ausgestaltungsform ist die Umfangsform des Ausgleichselements an das jeweilige Zellformat angepasst. Mit anderen Worten ist das Ausgleichselement insbesondere kreisringförmig ausgebildet, wenn das Batteriemodul in einer Knopfzelle eingesetzt wird. Bei Anwendungen für Pouchzellen (Pouch-Bag-Zelle, Coffee-Bag-Zelle) ist aber auch eine rechteckige Ringform denkbar.
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In einer zweckmäßigen Ausführung ist das Ausgleichselement wärmeleittechnisch an ein Wärmereservoir angebunden. Das Wärmereservoir ist beispielsweise durch das Batteriegehäuse gebildet, welches in einer möglichen Einbausituation innerhalb eines Batteriesystems mittels einer Kühlvorrichtung temperiert wird. Dadurch ist eine besonders aufwandreduzierte Temperierung des Festkörperzellenstapels realisiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Ausgleichselement hierbei insbesondere mittels des die Anodenschicht kontaktierenden ersten Ableiters an das Wärmereservoir angebunden. Der erste Ableiter ist somit einerseits in einem elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Anodenschicht und andererseits in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit dem Ausgleichselement. Mit anderen Worten werden keine zusätzlichen Wärmeleitungen oder dergleichen benötigt. Dadurch ist eine besonders einfache Möglichkeit der Erwärmung der Ausgleichselemente innerhalb der Schichtanordnung realisiert, sodass die Zelltemperatur der Festkörperzellen schnell und effizient in einen optimalen Temperaturbereich geführt wird. Dadurch wird die Leistung der Festkörperzellen beziehungsweise des Festkörperzellenstapels weiter verbessert.
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In einer möglichen Ausbildung sind die Anodenschichten jeweils zweier in Stapelrichtung benachbarter Festkörperzellen des Festkörperzellenstapels einander zugewandt angeordnet. Die Anodenschichten sind hierbei mittels eines gemeinsamen ersten Ableiters kontaktiert, wobei die Kathodenschichten entsprechend mittels eines gemeinsamen zweiten Ableiters kontaktiert sind. Dadurch ist ein paralleler Schichtaufbau des Festkörperzellenstapels ausgebildet, bei welchem die Anzahl der zur Verschaltung oder Kontaktierung benötigten ersten und zweiten Ableiter reduziert ist. Dies überträgt sich vorteilhaft auf eine Material- und Kostenersparnis bei der Herstellung des Batteriemoduls.
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In einer alternativen Ausbildung ist der erste Ableiter der Anodenschicht einer ersten Festkörperzelle und der zweite Ableiter der Kathodenschicht einer in Stapelrichtung benachbarten zweiten Festkörperzelle als gemeinsamer Ableiter ausgebildet sind. Dadurch ist eine serielle Stapelung der Festkörperzellen realisiert. Die gemeinsamen Ableiter sind hierbei beispielsweise derart miteinander verschaltet, dass unterschiedlichen Ladungszustände der Festkörperzellen untereinander ausgeglichen (symmetrisiert) werden (Balancing). Dadurch ist ein besonders geeignetes Batteriemodul realisiert.
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In einer bevorzugten Anwendung ist eine Anzahl von erfindungsgemäßen Batteriemodulen zu einem gemeinsamen Batteriesystem eines elektrisch beziehungsweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Batteriesystem ist beispielsweise für die elektrische Versorgung des Fahrzeugantriebs des insbesondere als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgestalteten Kraftfahrzeugs ausgebildet. Durch die Temperierung mittels der Ausgleichselemente ist ein für automobile Anwendungen besonders geeignetes Batteriesystem gebildet, welches hinsichtlich der Leistung, der Lebenszeit, der Reichweite sowie der Sicherheitseigenschaften verbessert ist.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
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1 in einer Schnittdarstellung ein Batteriemodul mit einem Festkörperzellenstapel mit fünf Festkörperzellen in einer parallelen Stapelung,
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2 in Draufsicht eine Festkörperzelle, und
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3 in einer Schnittdarstellung ein Batteriemodul mit einem Festkörperzellenstapel mit einer Anzahl von Festkörperzellen in einer seriellen Stapelung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in der 1 anhand einer schematischen Schnittdarstellung dargestellte Batteriemodul 2 umfasst ein lediglich beispielhaft dargestelltes Batteriegehäuse 4, in welchen ein Festkörperzellenstapel 6 aufgenommen ist. Das Batteriemodul 2 ist vorzugsweise als Teil eines Batteriesystems zur elektrischen Versorgung eines Fahrzeugantriebs eines elektrisch beziehungsweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs in diesem integriert.
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Der Festkörperzellenstapel 6 weist in dem Ausführungsbeispiel der 1 fünf aufeinandergestapelte elektrochemische Festkörperzellen 8 auf. Die Festkörperzellen 8 sind hierbei entlang einer Stapelrichtung S gestapelt beziehungsweise aneinandergereiht. Der Festkörperzellenstapel 6 ist in einer kompakten und definierten Lage innerhalb des Batteriegehäuses 4 gehalten. Dadurch werden Kontaktverlusten zwischen den einzelnen Festkörperzellen 8 während einer Zyklisierung von Lade- und Entladevorgängen vermieden. Das Batteriegehäuse 4 ist vorzugsweise ein metallisch festes Gehäuse, beispielsweise ein sogenanntes Hard-case, welches aus einem Edelstahl- oder Aluminiummaterial hergestellt ist.
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Die Festkörperzellen 8 weisen jeweils eine Anodenschicht 10 und eine Kathodenschicht 12 sowie eine zwischen der Anodenschicht 10 und der Kathodenschicht 12 sandwichartig angeordnete Festelektrolytschicht 14 auf.
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Die Anodenschicht 10 einerseits und die Kathodenschicht 12 andererseits sind mit jeweils einem Ableiter 16, 18 kontaktiert. Die vorzugsweise aus Aluminium hergestellten Ableiter 16, 18 stehen dem Festkörperzellenstapel 8 hierbei quer zur Stapelrichtung S über. Die freien Kontaktenden 16a, 18a der Ableiter 16, 18 sind aus dem Batteriegehäuse 4 herausgeführt und zur Bildung des Batteriesystems insbesondere derart miteinander verschaltet, dass eine Hochspannung zur Versorgung des Fahrzeugantriebs bereitstellbar ist. In den Figuren sind die Festkörperzellen 8 lediglich beispielhaft Bezugszeichen versehen.
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Die Festkörperzellen 8 weisen weiterhin ein elastisch verformbares Ausgleichselement (Abstandselement, Spacer) 20 auf, welches eine Volumenänderung des Festkörperzellenstapels 8 im Zuge der Zyklisierung entlang der Stapelrichtung S zumindest teilweise ausgleicht. Das Ausgleichselement 20 ist aus einem flexiblen und wärmeleitfähigen Material mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Das Ausgleichselement 20 weist – wie insbesondere in der 2 ersichtlich – im Wesentlichen eine Ringform auf, mit welcher die Anodenschicht 10 umgriffen oder eingefasst wird.
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Die Kathodenschicht 12 weist ein Aktivmaterial mit einer Schichtdicke von etwa 10 μm bis 200 μm auf. Das Aktivmaterial ist beispielsweise ein vom α-NaFeO2-Typ abgeleitetes Schichtoxid, welches zusätzlich Elemente der Übergangsmetalle enthalten kann.
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Die Anodenschicht 10 umfasst beispielsweise ein Aktivmaterial, welches dazu geeignet und eingerichtet ist, reversibel Lithium-Ionen ein- und auszulagern. Besonders bevorzugt ist hierbei metallisches Lithium als Aktivmaterial mit einer Schichtdicke zwischen 1 μm und 150 μm eingesetzt.
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Die Festelektrolytschicht 14 ist aus einem Festkörperelektrolyt mit einer Schichtdicke zwischen 0,001 μm bis 150 μm hergestellt. Der Festelektrolyt weist hierbei zweckmäßigerweise ein ionenleitendes, insbesondere Lithium-Ionen leitendes, glasartiges oder keramisches Material auf. Die Festelektrolytschicht 14 ist beispielsweise mit einem Granat oder Perovskit als Festelektrolyt ausgeführt.
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Das flexible und wärmeleitfähige Abstandselement 20 ist aus einem elektrisch isolierenden, insbesondere ionisch nicht leitfähigen, Material wie beispielsweise einem Silikon oder einem Polymer hergestellt. Bei einem Druck auf den Festkörperzellenstapel 6 wird das Abstandselement 20 derart komprimiert, dass es stets die Schichthöhe der Anodenschicht 10 einnimmt. Das Abstandselement 20 ist hierbei vorzugsweise nicht reaktiv hinsichtlich des aktiven Materials der Anodenschicht 10.
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Der Ableiter 16 ist einerseits in einem elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Anodenschicht 10 und andererseits in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit dem jeweils zugeordneten Abstandselement 20. Der Ableiter 16 ist weiterhin im Bereich des Kontaktendes 16a in einem Wärmekontakt mit dem Batteriegehäuse 4 als Wärmereservoir 22. Das Batteriesystem ist vorzugsweise an eine Kühlvorrichtung des Kraftfahrzeugs gekoppelt, wobei das Batteriegehäuse 4 geeigneterweise in einem wärmeleitfähigen Kontakt mit einer von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlleitung ist.
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Durch den Ableiter 16 und das Abstandselement 20 ist somit eine wärmeleitfähige Anbindung der Festkörperzelle 8 an das Wärmereservoir 22 beziehungsweise die Kühlvorrichtung realisiert. Im Betrieb wird die Festkörperzelle 6 auf eine Betriebstemperatur erwärmt oder gekühlt, sodass eine stets zuverlässige und effektive elektrische Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht 14 gewährleistet ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 weist der Festkörperzellenstapel 6 entlang der Stapelrichtung S einen parallelen Aufbau auf. Dies bedeutet, dass die Anodenschichten 10 jeweils zweier in Stapelrichtung S benachbarter Festkörperzellen 8 des Festkörperzellenstapels 6 einander zugewandt beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet sind. Entsprechend sind somit ebenfalls jeweils zwei Kathodenschichten 12 aufeinanderfolgend im Festkörperstapel 6 angeordnet. Die aufeinanderfolgenden Anodenschichten 10 beziehungsweise die aufeinanderfolgenden Kathodenschichten 12 sind hierbei jeweils mittels eines gemeinsamen Ableiters 16 beziehungsweise 18 kontaktiert.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 zeigt einen Festkörperzellenstapel 6 mit einer seriellen Stapelung einer Anzahl von Festkörperzellen 8, wobei die Ableiter 16 und 18 von aufeinanderfolgenden Anodenschichten 10 und Kathodenschichten 12 als ein gemeinsamer Ableiter 24 ausgebildet sind. An den Stapelstirnseiten ist der Ableiter 16 der äußersten Anodenschicht 10 sowie der hierzu an der gegenüberliegenden Stapelstirnseite angeordnete Ableiter 18 der Kathodenschicht 12 an einen Stromabnehmer des Batteriesystems gekoppelt. Die Ableiter 24 im Festkörperzellenstapel 6 werden in dieser Ausführung mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinheit des Batteriesystems an ihren jeweiligen Kontaktenden 24a überwacht. Die Steuereinheit gleicht hierbei unterschiedliche Ladungszustände innerhalb der Schichten 10, 14 aus.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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So ist es beispielsweise denkbar, dass der Festkörperzellenstapel 6 einen kombinierten Aufbau aus seriell gestapelten und parallel gestapelten Festkörperzellen 8 aufweist.
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Bevorzugterweise wird das Batteriemodul 2 in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt. Ebenso denkbar ist aber prinzipiell auch eine Ausgestaltung für ein mobiles Gerät, wie etwa einem Smartphone oder einem Tabletcomputer oder auch der Einsatz in einer stationären Anwendung.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batteriemodul
- 4
- Batteriegehäuse
- 6
- Festkörperzellenstapel
- 8
- Festkörperzelle
- 10
- Anodenschicht
- 12
- Kathodenschicht
- 14
- Festelektrolytschicht
- 16
- Ableiter
- 16a
- Kontaktende
- 18
- Ableiter
- 18a
- Kontaktende
- 20
- Abstandselement
- 22
- Wärmereservoir
- 24
- Ableiter
- 24a
- Kontaktende
- S
- Stapelrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207531 A1 [0009]
