DE102016222998A1

DE102016222998A1 - Secondary electrochemical cell

Info

Publication number: DE102016222998A1
Application number: DE102016222998.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Born; Christian Kulp; Arne Menck; Sebastian Paul; Jan Philipp Schmidt; Benno Schweiger; Jens Vetter; Hermann Zehentner; Dieter Ziegltrum; Werner Seliger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Sekundäre elektrochemische Zelle (1), umfassend ein Zellgehäuse (2) und einen in dem Zellgehäuse befindlichen Flüssigelektrolyt, wobei die sekundäre elektrochemische Zelle eine Elektrolytpumpe umfasst, die Elektrolytpumpe in des Zellgehäuse integriert ist, und die Elektrolytpumpe über das elektrochemische Potential der sekundären elektrochemischen Zelle betreibbar ist, um den Flüssigelektrolyt innerhalb des Zellgehäuses zu zirkulieren.A secondary electrochemical cell (1) comprising a cell housing (2) and a liquid electrolyte disposed within the cell housing, the secondary electrochemical cell including an electrolyte pump, the electrolyte pump integrated into the cell housing, and the electrolyte pump operable via the electrochemical potential of the secondary electrochemical cell is to circulate the liquid electrolyte within the cell housing.

Description

Die Erfindung betrifft eine sekundäre elektrochemische Zelle, umfassend ein Zellgehäuse und einen in dem Zellgehäuse befindlichen Flüssigelektrolyt.The invention relates to a secondary electrochemical cell, comprising a cell housing and a liquid electrolyte located in the cell housing.

Im Stand der Technik, siehe etwa die Schrift US2013/0187618 A1 , sind sekundäre elektrochemische Zellen bekannt, die ein Zellgehäuse und einen darin befindlichen Flüssigelektrolyt aufweisen. Mit einer außerhalb der Zelle befindlichen Pumpe wird ein System gebildet, mit dem der Elektrolyt durch die Zelle nach dem Durchflussprinzip gepumpt werden kann.In the prior art, see about the font US2013 / 0187618 A1 , Secondary electrochemical cells are known which have a cell housing and a liquid electrolyte therein. With a pump located outside the cell, a system is formed with which the electrolyte can be pumped through the cell according to the flow principle.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte sekundäre elektrochemische Zelle, umfassend ein Zellgehäuse und einen in dem Zellgehäuse befindlichen Flüssigelektrolyten, bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved secondary electrochemical cell comprising a cell housing and a liquid electrolyte in the cell housing.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine sekundäre elektrochemische Zelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a secondary electrochemical cell according to claim 1. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst die sekundäre elektrochemische Zelle eine Elektrolytpumpe, die in das Zellgehäuse integriert und über das elektrochemische Potential der sekundären elektrochemischen Zelle betreibbar ist, um den Flüssigelektrolyt innerhalb des Zellgehäuses zu zirkulieren.According to the invention, the secondary electrochemical cell comprises an electrolyte pump which is integrated into the cell housing and is operable via the electrochemical potential of the secondary electrochemical cell to circulate the liquid electrolyte within the cell housing.

Durch die Zirkulation des Elektrolyt kommt es zu einem verbesserten Transport von im Zellinneren bei Ablauf der elektrochemischen Reaktionen entstehender Wärme in Richtung des Zellgehäuses. Über das Gehäuse ist eine Wärmekopplung zwischen dem Zelläußeren und dem Elektrolyt ermöglicht. Neben einer Verteilung der Wärme innerhalb der Zelle kann auch der Kühleintrag vom Zelläußeren beispielsweise beim Einsatz einer externen Kältemittelkühlung verbessert werden.The circulation of the electrolyte leads to improved transport of heat arising in the interior of the cell during the course of the electrochemical reactions in the direction of the cell housing. The housing allows thermal coupling between the exterior of the cell and the electrolyte. In addition to a distribution of heat within the cell and the cooling entry from the cell exterior can be improved, for example, when using an external refrigerant cooling.

Nach einer Variante der Erfindung ist die Elektrolytpumpe nach dem Funktionsprinzip einer Membranpumpe ausgeführt.According to a variant of the invention, the electrolyte pump is designed according to the principle of operation of a diaphragm pump.

Eine Membranpumpe ist für eine sekundäre elektrochemische Zelle geeignet, da eine Membranpumpe Komponenten aufweist, die für den Einsatz innerhalb von gängigen elektrochemischen Zellen miniaturisierbar sind.A diaphragm pump is suitable for a secondary electrochemical cell because a diaphragm pump has components that can be miniaturized for use within common electrochemical cells.

Es ist vorteilhaft, wenn die Membranpumpe eine Membran umfasst, die von dem Flüssigelektrolyt umgeben und gegenüber dem Flüssigelektrolyt chemisch beständig ist, und wenn die Membranpumpe dazu eingerichtet ist, die Membran in eine Schwingbewegung zu versetzen, um die Zirkulation des Flüssigelektrolyt innerhalb des Zellgehäuses zu bewirken.It is advantageous if the membrane pump comprises a membrane which is surrounded by the liquid electrolyte and chemically resistant to the liquid electrolyte, and when the membrane pump is arranged to oscillate the membrane to cause the circulation of the liquid electrolyte within the cell housing ,

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Membranpumpe einen Pumpenantrieb und einen Exzenter. Der Pumpenantrieb ist dazu eingerichtet, den Exzenter anzutreiben, der mit der Membran mechanisch verbunden und dazu eingerichtet ist, die Membran relativ zu der Ausdehnung der Membran in zwei Richtungen auszulenken, um die Membran in die Schwingbewegung zu versetzen.According to a further embodiment of the invention, the diaphragm pump comprises a pump drive and an eccentric. The pump drive is adapted to drive the eccentric which is mechanically connected to the diaphragm and adapted to deflect the diaphragm in two directions relative to the extension of the diaphragm to vibrate the diaphragm.

Es kann der Pumpenantrieb als ein elektrischer Gleichstromantrieb ausgebildet sein, der an das elektrochemische Potential der sekundären elektrochemischen Zelle anschließbar ist, um den elektrischen Gleichstromantrieb über das elektrochemische Potential der sekundären elektrochemischen Zelle zu betreiben.The pump drive may be formed as a DC electric drive connectable to the electrochemical potential of the secondary electrochemical cell to drive the DC electrical drive through the electrochemical potential of the secondary electrochemical cell.

Der Gleichstromantrieb umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, das gegen den Elektrolyt chemisch beständig ist.The DC drive preferably comprises a housing that is chemically resistant to the electrolyte.

Eine besondere Ausführungsform ergibt sich, wenn die Membran, die eine Membranfläche aufweist, in besonderer Weise zu den Elektroden der sekundären elektrochemischen Zelle räumlich ausgerichtet ist. Dies ist der Fall, wenn die Elektroden im Wesentlichen eine räumliche Hauptausdehnung in einer gemeinsamen Vorzugsrichtung oder Vorzugsebene aufweisen und die Membranfläche im Wesentlichen senkrecht auf dieser Vorzugsrichtung oder Vorzugsebene steht.A particular embodiment results when the membrane, which has a membrane surface, is spatially aligned in a special way to the electrodes of the secondary electrochemical cell. This is the case when the electrodes have substantially a spatial main extent in a common preferred direction or preferred plane and the membrane surface is substantially perpendicular to this preferred direction or preferred plane.

Durch diese Orientierung der Membran innerhalb des Zellgehäuses ist eine effektive Pumpwirkung gewährleistet, da die Fließmöglichkeiten des Elektrolyt bestmöglich genutzt werden. Diese sind entlang der räumlichen Hauptausdehnung der Elektroden orientiert. This orientation of the membrane within the cell housing ensures an effective pumping effect, since the flow possibilities of the electrolyte are utilized in the best possible way. These are oriented along the main spatial extent of the electrodes.

Insbesondere Lithium-Ionen-Zellen können ohne Beschränkung der Allgemeinheit erfindungsgemäß ausgebildet sein.In particular, lithium-ion cells can be designed according to the invention without restriction of generality.

Bei Lithium-Ionen-Zellen bildet sich insbesondere bei intensiver Zyklisierung im Zellinneren eine Wärmequelle, die in einem abfallenden Temperaturgradienten im Elektrolyten vom Zellinneren in Richtung Zellgehäuse resultiert. Durch das Zirkulieren des Flüssigelektrolyt, wobei meist Mischungen aus Carbonaten mit zugesetzten Leitsalzen eingesetzt werden, wird die Wärme effektiver als bei einem nicht zirkulierenden Elektrolyt zum Zellgehäuse transportiert, um über das Zellgehäuse z.B. an ein zelläußeres Kühl- oder Kältemittel oder an die Umgebungsluft abgegeben zu werden.In the case of lithium-ion cells, especially during intensive cyclization inside the cell, a heat source is formed, which results in a falling temperature gradient in the electrolyte from the cell interior towards the cell housing. By circulating the liquid electrolyte, usually using mixtures of carbonates with added conductive salts, the heat is more effectively transported to the cell casing than with a noncirculating electrolyte to allow the cell casing to e.g. be delivered to a cell outside coolant or refrigerant or to the ambient air.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gleichstromantrieb ein- und ausschaltbar ausgeführt. Dann kann die Zirkulation des Elektrolyt in Abhängigkeit des Betriebszustands der Zelle aktiviert bzw. deaktiviert werden. Das Schalten kann z.B. durch einen in den Gleichstromantrieb integrierten Temperaturschalter erfolgen, durch den oberhalb einer vorgebbaren Temperatur der Antrieb aktivierbar ist und bei Einhaltung einer Hysterese unterhalb dieser Temperatur deaktivierbar ist. According to a further embodiment of the invention, the DC drive is switched on and off. Then, the circulation of the electrolyte can be activated or deactivated depending on the operating state of the cell. The switching can be effected, for example, by a temperature switch integrated in the DC drive, by means of which the drive can be activated above a predeterminable temperature and can be deactivated below this temperature if a hysteresis is maintained.

Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:The invention is based on the following considerations:

In modernen Hochvoltspeichern für Automobile kommen sekundäre Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz. Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem mit einem Elektrolyt gefüllten Gehäuse befinden. Bei hohen elektrischen Leistungen, z.B. beim Laden der Zelle, entstehen durch die elektrische Verlustleistung in diesen Zellen große Wärmemengen. Diese Wärmemengen führen im Stand der Technik zu zwei ergriffenen Maßnahmen: Die Wärmemenge wird erstens über eine Kühlung abgeführt. Zweitens wird die Temperatur der Zellen durch Temperaturmessung am Zellgehäuse ermittelt, um die Betriebsgrenzen der Zellen bestimmen zu können und damit die Betriebssicherheit sicherzustellen.Modern high-voltage accumulators for automobiles use secondary lithium-ion cells. A lithium-ion cell consists of two electrodes, which are located in a housing filled with an electrolyte. At high electrical powers, e.g. When charging the cell, caused by the electrical power dissipation in these cells large amounts of heat. These amounts of heat lead in the prior art to two measures taken: The amount of heat is first removed via a cooling. Secondly, the temperature of the cells is determined by measuring the temperature on the cell housing in order to be able to determine the operating limits of the cells and thus to ensure operational safety.

Die Kühlung geschieht üblicherweise durch eine Wärmeabfuhr via Wärmeaustausch über das Zellgehäuse an verschiedene zellexterne Kühlmedien - z.B. werden an Kühltechniken eingesetzt: Flüssigkeitskühlung, Kältemittelkühlung oder Luftkühlung.The cooling is usually done by a heat dissipation via heat exchange through the cell housing to various external cell cooling media -. are used in cooling techniques: liquid cooling, refrigerant cooling or air cooling.

Da sowohl Kühlung als auch Temperaturmessung über das Zellgehäuse laufen, gibt es stellt sich ein Gradient zwischen der gemessenen Temperatur am Zellgehäuse und der tatsächlichen Zelltemperatur im Zellinneren ein. Sowohl für die Berechnung der Betriebsgrenzen als auch für die Sicherstellung der Betriebssicherheit ist aber der heißeste Punkt der Zelle im Inneren der Zelle bestimmend. Wünschenswert ist es deshalb, dass der Gradient möglichst gering ist. Dann entspricht die am Zellgehäuse gemessene Temperatur möglichst der Temperatur im Zellinneren. Zudem wäre die Wärme dann nicht im Inneren der Zelle konzentriert, sondern wäre homogener über die gesamte Zelle verteilt. Dies wiederum würde eine effektivere Kühlung der gesamten Zelle von außen ermöglichen.Since both cooling and temperature measurement run across the cell housing, there is a gradient between the measured temperature at the cell housing and the actual cell temperature inside the cell. However, the hottest point of the cell inside the cell determines both the calculation of operating limits and the assurance of operational safety. It is therefore desirable that the gradient is as low as possible. Then the temperature measured at the cell housing corresponds as possible to the temperature inside the cell. In addition, the heat would then not be concentrated inside the cell, but would be distributed more homogeneously over the entire cell. This in turn would allow more effective cooling of the entire cell from the outside.

Es wird deshalb eine Lithium-Ionen-Zelle vorgeschlagen, welche die Tatsache nutzt, dass der Elektrolyt in der Zelle im flüssigen Zustand vorliegt. Durch ein geeignetes Design des Zellgehäuses sowie der Elektroden ist es möglich, den Elektrolyt mittels einer Pumpe im Zellinneren zirkulieren zu lassen. Dadurch wird die Wärme aus dem heißeren Zellinneren an das Zellgehäuse transportiert.It is therefore proposed a lithium-ion cell, which exploits the fact that the electrolyte is in the liquid state in the cell. By a suitable design of the cell housing and the electrodes, it is possible to circulate the electrolyte by means of a pump inside the cell. As a result, the heat from the hotter cell interior is transported to the cell housing.

Es wird damit eine Homogenisierung des Temperaturverlaufs innerhalb der Zelle erreicht: Die Temperaturdifferenz zwischen der heißesten und der kältesten Stelle wird kleiner. Dadurch wird insgesamt die Wärmeabfuhr der Zelle verbessert. Zudem liefert eine Temperaturmessung am Zellgehäuse eine genauere Information über die Temperatur im Zellinneren.It is thus achieved a homogenization of the temperature profile within the cell: The temperature difference between the hottest and the coldest spot is smaller. This overall improves the heat dissipation of the cell. In addition, a temperature measurement on the cell housing provides more accurate information about the temperature inside the cell.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Gleiche Bezugszeichen stehen für gleiche technische Gegenstände. Im Einzelnen zeigen schematisch

1 Sekundäre elektrochemische Zelle mit einer Membranpumpe für einen Flüssigelektrolyt aus einer ersten Perspektive
2 Sekundäre elektrochemische Zelle mit einer Membranpumpe für einen Flüssigelektrolyt aus einer zweiten Perspektive

Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and further developments of the invention. The same reference numerals represent the same technical objects. In detail, show schematically

1 Secondary electrochemical cell with a membrane pump for a liquid electrolyte from a first perspective
2 Secondary electrochemical cell with a membrane pump for a liquid electrolyte from a second perspective

Es zeigen 1 und 2 eine elektrochemische Sekundärzelle (1), die in diesem Ausführungsbeispiel als eine Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt ist. 1 und 2 unterscheiden sich durch den jeweiligen Schnitt, der durch die Pfeile in den beiden Figuren referenziert ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 2 nicht alle Gegenstände aus 1 wiedergegeben. Die Lithium-Ionen-Zelle weist zwei in das Zellgehäuse (2) eingebrachte Elektrodenwickel (3; 3') auf, deren Bestandteile eine Anodenbahn (4) und eine Kathodenbahn (5) sind, die durch Separatorbahnen voneinander elektrisch getrennt sind. Die Blickrichtung in 2 richtet sich entlang der Wickelachse der Elektrodenwickel.Show it 1 and 2 an electrochemical secondary cell ( 1 ), which in this embodiment is designed as a lithium-ion cell. 1 and 2 differ by the respective section, which is referenced by the arrows in the two figures. To simplify the illustration are in 2 not all items 1 played. The lithium-ion cell has two in the cell housing ( 2 ) introduced electrode winding ( 3 ; 3. ' ) whose constituents are an anode web ( 4 ) and a cathode web ( 5 ) which are electrically separated from each other by separator sheets. The line of sight in 2 is directed along the winding axis of the electrode winding.

Die Elektrodenwickel und damit die darin eingewickelten Elektroden(bahnen) haben im in das Gehäuse eingebauten Zustand eine räumliche Hauptausdehnung, die in 1 als schraffierte Fläche dargestellt ist und eine Vorzugsebene bildet.The electrode winding and thus the electrodes (webs) wrapped therein have, in the state built into the housing, a major spatial extent which is in 1 is shown as a hatched area and forms a preferential plane.

Außerdem ist innerhalb des Zellgehäuses eine Membran (8) gespannt, deren im Wesentlichen flächige Ausdehnung senkrecht zu der Vorzugsebene der Wickel orientiert ist. Die Membran ist mit einem Exzenter (9) mechanisch verbunden. Der Exzenter wird von einem elektrischen Gleichstrommotor (7) angetrieben, an den im Zellinneren die elektrische Spannung des elektrochemischen Potentials der Zelle über die Zellterminals (6; 6') angelegt ist.In addition, within the cell housing a membrane ( 8th ), whose substantially planar extension is oriented perpendicular to the preferred plane of the winding. The membrane is equipped with an eccentric ( 9 ) mechanically connected. The eccentric is powered by a DC electric motor ( 7 ), in which the cell voltage inside the electrical voltage of the electrochemical potential of the cell via the cell terminals ( 6 ; 6 ' ) is created.

Der Motor kann also von der Zelle selbst mit elektrischen Leistung gespeist werden, wodurch diese entweder entladen wird oder wodurch eine extern an den Terminals anliegende Ladespannung der Zelle abgegriffen wird, so dass es zum Speisen des Motors mit elektrischer Leistung durch die externe Ladequelle kommt.The motor can therefore be powered by the cell itself with electrical power, thereby this is either discharged or whereby an externally applied to the terminals charging voltage of the cell is tapped, so that it comes to power the motor with electrical power through the external charging source.

Der Motor treibt den Exzenter, welcher eine alternierende, auslenkende Bewegung auf die Membran ausübt. Die beiden maximalen Auslenkrichtungen und die korrespondierenden Positionen des Exzenters sind in durchgezogenen Linien und in punktierten Linien der gleichen Bezugszeichen (8) und (9) dargestellt. Die resultierende pulsierende bzw. schwingende Bewegung der Membran senkrecht zur räumlichen Hauptausdehnung der Elektroden führt zur Umwälzung des flüssigen Elektrolyt innerhalb des Zellgehäuses, angezeigt durch die vier Pfeile in 1.The motor drives the eccentric, which exerts an alternating, deflecting motion on the diaphragm. The two maximum deflection directions and the corresponding positions of the eccentric are in solid lines and in dotted lines of the same reference numerals (FIG. 8th ) and ( 9 ). The resulting pulsating movement of the membrane perpendicular to the main spatial extent of the electrodes leads to the circulation of the liquid electrolyte within the cell housing, indicated by the four arrows in FIG 1 ,

Der Elektrolyt strömt in einer Zirkularbewegung im Wesentlichen entlang der oben genannten räumlichen Hauptausdehnung der Elektroden, wodurch sich ein effektiver Transport der im Zellinneren entstehenden Wärme in Richtung des Zellgehäuses ergibt. Falls es über das Zellgehäuse zu einem Wärmeübertrag z.B. durch eine externe Kältemittelkühlung kommt, wird der Kälteeintrag zum Zellinneren durch die Zirkulation des Elektrolyt im Vergleich zu einem stehenden Elektrolyt verbessert.The electrolyte flows in a circular motion substantially along the above-mentioned spatial main extent of the electrodes, resulting in an effective transport of the heat generated inside the cell in the direction of the cell housing. If it is transferred to the cell housing for heat transfer e.g. by an external refrigerant cooling, the cold entry to the cell interior is improved by the circulation of the electrolyte compared to a standing electrolyte.

Die Membran, der Exzenter und der Motor sind chemisch beständig gegenüber dem Flüssigelektrolyt ausgeführt, da diese Komponenten in den Elektrolyt getaucht sind.The diaphragm, eccentric and motor are chemically resistant to the liquid electrolyte because these components are immersed in the electrolyte.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2013/0187618 A1 [0002]

Claims

Secondary electrochemical cell (1), comprising a cell housing (2) and a liquid electrolyte located in the cell housing, characterized in that - the secondary electrochemical cell comprises an electrolyte pump, - the electrolyte pump is integrated into the cell housing, and - the electrolyte pump via the electrochemical Potential of the secondary electrochemical cell is operable to circulate the liquid electrolyte within the cell housing.

Secondary electrochemical cell after Claim 1 , characterized in that - the electrolyte pump is designed according to the principle of operation of a diaphragm pump.

Secondary electrochemical cell after Claim 2 , characterized in that - the membrane pump comprises a membrane (8) surrounded by the liquid electrolyte, - the membrane is chemically resistant to the liquid electrolyte, and - the membrane pump is arranged to cause the membrane to oscillate about Circulation of the liquid electrolyte within the cell housing to effect.

Secondary electrochemical cell after Claim 3 characterized in that - the diaphragm pump comprises a pump drive (7) and an eccentric (9), - the pump drive is adapted to drive the eccentric, - the eccentric is mechanically connected to the diaphragm, and - the eccentric is adapted to to deflect the membrane in two directions relative to the extension of the membrane in order to vibrate the membrane.

Secondary electrochemical cell after Claim 4 , characterized in that - the pump drive is designed as a DC electric drive, and - the DC electric drive is connectable to the electrochemical potential (6, 6 ') of the secondary electrochemical cell to supply the DC electric drive via the electrochemical potential of the secondary electrochemical cell operate.

Secondary electrochemical cell according to one of Claims 2 to 5 with electrodes (4, 5), wherein - the electrodes have substantially a spatial main extent in a common preferred direction or preferential plane, and - the membrane has substantially a planar extension in the form of a membrane surface, characterized in that - the membrane surface is substantially perpendicular is in the preferred direction or preferred level.

Secondary electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that - the cell is formed as a lithium-ion cell.