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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Vielzahl an Kathoden und einer Vielzahl an Anoden gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Lithium-Ionen-Batterie. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer entsprechenden Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Batterien sind grundsätzlich bekannt und werden für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Bspw. werden Lithium-Ionen-Batterien als elektrische Speicher, Akkumulatoren und/oder Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen verwendet. Dabei werden die Lithium-Ionen-Batterien unterschiedlichen Anforderungen und Umweltbedingungen ausgesetzt. Zum einen müssen die Lithium-Ionen-Batterien über eine hohe Sicherheit verfügen, um die sie umgebenden Gegenstände und Personen nicht in Gefahr zu bringen. Zum anderen müssen die Lithium-Ionen-Batterien über ein wirksames Temperaturmanagement verfügen. Um diesen diversen Anforderungen und Umweltbedingungen zu entsprechen, werden Lithium-Ionen-Batterien mit Abschaltvorrichtungen, bspw. Nail-Pen-Safety-Device, ausgeführt, die die einzelnen Batteriezellen bei Überhitzung und/oder Überheizung kurzschließen können. Solche Abschaltvorrichtungen weisen speziell ausgebildete Schutzlagen auf, die an eine Standard-Anode der Batteriezelle angeschlossen werden, um das negative Potential der Anode abzugreifen, wie es beispielsweise aus der
US 2014/0113166 bekannt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung sieht vor: eine Batteriezelle für eine Lithium-Ionen-Batterie nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, eine entsprechende Lithium-Ionen-Batterie sowie ein Verfahren zum Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Batteriezelle nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle und/oder Lithium-Ionen-Batterie beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die Erfindung stellt eine Batteriezelle für eine Lithium-Ionen-Batterie bereit, aufweisend: eine Vielzahl an Kathoden, wobei jede Kathode zumindest eine erste Aktivschicht, eine Ableitschicht und eine zweite Aktivschicht aufweist, und eine Vielzahl an Anoden, wobei jede Anode zumindest eine erste Aktivschicht, eine Ableitschicht und eine zweite Aktivschicht aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle ist eine spezielle Schlussanode vorgesehen, die eine einzige Aktivschicht und eine Ableitschicht aufweist. Die vorgesehenen Kathoden und Anoden können vorzugsweise nebeneinander, insbesondere abwechselnd, in Reihe, insbesondere geometrisch, platziert sein.
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Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die letzte Anode, sogenannte Schlussanode, anders ausgestaltet ist als die übrigen Anoden der Batteriezelle. Die Schlussanode kann sich dabei in Querrichtung zu ihrer Erstreckungsebene gesehen benachbart zum Gehäuse angeordnet und mittels nur einer Isolatorschicht vom Gehäuse beabstandet sein. Bei einer Ausführung der Batteriezelle in einer zylindrischen Form, kann zumindest eine, vorzugsweise die beiden letzten Anoden, die an das Gehäuse angrenzen, die spezielle erfindungsgemäße Ausgestaltung aufweisen. Bei einer Pouch-Zelle kann nur die letzte äußerste Anodenlage als die Schlussanode ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Schlussanode weist nur von einer Flachseite eine Aktivschicht auf, die mit einer Ableitschicht beschichtet ist. Die Ableitschicht kann dabei etwas dicker aufgetragen sein, als bei den restlichen Anoden, um den elektrischen Widerstand bei Ableiten von Strom zu reduzieren. Im Normalbetrieb der Batteriezelle kann die Isolatorschicht die elektrische Verbindung der Schlussanode zum Gehäuse unterbrechen. In einem Notfallbetrieb der Batteriezelle, bspw. bei einem Unfall, einer Beschädigung, einer Überhitzung oder einer Überladung, kann die Isolatorschicht die elektrische Verbindung der Schlussanode zum Gehäuse herstellen. Die Kathoden können wiederum an das Gehäuse elektrisch angeschlossen sein. Somit bildet sich ein positives Potential am Gehäuse. Das negative Potential bildet sich an der Ableitschicht der Schlussanode. Wenn nun ein Notfall eintritt, kann die Schlussanode mit dem Gehäuse kurzgeschlossen werden, um das Potential der Batteriezelle im Notfall zu reduzieren oder ggf. auf null zu setzen. Vorteilhafterweise kann mithilfe der Erfindung eine einfach ausgeführte, gewichtsreduzierte Schlussanode bereitgestellt werden, die als eine Sicherheitsvorrichtung bzw. eine Abschaltvorrichtung für die Batteriezelle wirkt. Dabei werden separate Schutzlagen und/oder doppelte Isolatorschichten um die separaten Schutzlagen herum gespart. Dadurch wird der Aufbau der Batteriezelle nicht nur vereinfacht, sondern auch der erforderliche Bauraum für die Batteriezelle reduziert und das Gewicht der Batteriezelle optimiert. Zudem wird somit eine zuverlässig abgesicherte Batteriezelle bereitgestellt, die über ein verbessertes Temperaturmanagement verfügt.
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Erfindungsgemäß weist die Schlussanode eine einzige Aktivschicht und eine Ableitschicht auf. Mit anderen Worten ist die Schlussanode aus nur zwei Schichten einfach und unter Einsparung von Bauraum sowie Gewicht ausgebildet. Mit einer solchen Schlussanode wird nicht nur der Aufbau der Batteriezelle vereinfacht und der Bauraum reduziert, sondern außerdem eine implementierte Sicherheitsvorrichtung bzw. eine Abschaltvorrichtung für die Batteriezelle, ohne zusätzliche Bauteile, realisiert. In einem Notfall, bspw. bei einem Kraftfahrzeug-Unfall, einer Beschädigung, einer Überhitzung und/oder Überladung der Batteriezelle muss sichergestellt werden, dass die die Batteriezelle umgebenden Gegenstände, darunter weitere Batteriezellen einer zusammengesetzten Batterie, und Personen vor hohen Spannungen geschützt werden. In einem Notfall kann die negativ geladene Schlussanode mit dem Gehäuse der Batteriezelle kurzgeschlossen werden, welches an die positive Kathode angeschlossen ist. Dadurch kann das Gesamtpotential der Batteriezelle unverzüglich, d. h. ohne Zeitverlust, und zuverlässig reduziert oder auf null gesetzt werden. Somit kann eine zuverlässig abgesicherte Batteriezelle bereitgestellt werden.
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Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung bei einer Batteriezelle vorgesehen sein, dass die Ableitschicht der Schlussanode eine Materialstärke aufweist, die 20% bis 50%, vorzugsweise 40% der Materialstärke der Aktivschicht der Schlussanode beträgt. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass die Ableitschicht der Schlussanode einen reduzierten elektrischen Widerstand im Vergleich zu einer Ableitschicht einer Standard-Anode hat. Außerdem kann dadurch der Vorteil erreicht werden, dass die Ableitschicht der Schlussanode als eine Schutzlage wirken kann, um in einem Notfall die überschüssige Ladung am Gehäuse zu neutralisieren.
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Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass auf der Schlussanode eine thermisch und/oder mechanisch aktivierbare Isolatorschicht angeordnet ist. Somit kann vorteilhafterweise ein passiver Schutz für die Batteriezelle und deren Umgebung bereitgestellt werden, der ohne zusätzliche Schaltungen oder separate Schutzlagen realisiert werden kann. Eine thermisch aktivierbare Isolatorschicht kann vorteilhafterweise beim Überschreiten einer zulässigen Temperatur die Isolatorschicht leitend machen, um eine Überladung und/oder Überhitzung und/oder Degradation der Batteriezelle zu vermeiden. Eine mechanisch aktivierbare Isolatorschicht kann beim Ausdehnen der Batteriezelle oder bei mechanischer Einwirkung auf die Batteriezelle, bspw. bei einem Unfall, aktiviert werden, um eine schnelle Entladung der Batteriezelle zu ermöglichen.
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Zudem kann die Erfindung bei einer Batteriezelle vorsehen, dass die Isolatorschicht eine Polymerfolie mit thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbaren Schrumpf- und/oder Schmelzeigenschaften aufweist. Somit kann bei Überschreitung einer zulässigen Temperatur und/oder bei einer mechanischen Beanspruchung der Batteriezelle, die Isolatorschicht schrumpfen und/oder schmelzen und eine leitende Verbindung der Schlussanode zum Gehäuse herstellen. Eine Polymerfolie ist vorteilhafterweise ein kostengünstiges und leichtes Bauteil.
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Außerdem kann im Rahmen der Erfindung bei einer Batteriezelle vorgesehen sein, dass die Isolatorschicht eine thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbare Halbleiterschicht aufweist. Vorteilhafterweise bildet eine solche Isolatorschicht einen temperaturabhängigen Widerstand, welcher einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und bei hohen Temperaturen den elektrischen Strom besser leitet als bei tiefen Temperaturen. Der Vorteil einer solchen Isolatorschicht liegt dabei darin, dass die Aktivierung bzw. die Deaktivierung der Isolatorschicht sowohl zeitlich als auch räumlich über die Erstreckungsebene der Isolatorschicht gleichmäßig verlaufen kann. Somit können Sicherheitsmaßnahmen in einem Notfall unverzüglich und zuverlässig eingeleitet werden.
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Auch ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Isolatorschicht eine thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbare Dielektrikumschicht aufweisen kann. Vorteilhafterweise kann eine solche Isolatorschicht auf kostengünstigen Polymeren basieren, die entsprechend dotiert werden können. Eine solche Isolatorschicht kann somit verbesserte Gewichtseigenschaften aufweisen und sich präzise steuern lassen.
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Ferner betrifft ein weiterer Erfindungsgedanke eine Lithium-Ionen-Batterie mit mindestens einer Batteriezelle, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, wobei die Batteriezelle in zylindrischer Bauform ausgeführt ist. Dabei kann zumindest eine oder jeweils eine letzte Anode der Batteriezelle als eine Schlussanode im Sinne der Erfindung ausgeführt sein. Mithin können die erfindungsgemäßen Vorteile bei einer Batteriezelle in zylindrischer Bauform realisiert werden.
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Weiterhin kann die Erfindung durch eine Lithium-Ionen-Batterie mit mindestens einer Batteriezelle realisiert werden, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, wobei die Batteriezelle als eine Pouch-Zelle ausgeführt ist und wobei die Schlussanode durch Ausgestaltung einer äußeren Wicklung der Pouch-Zelle definiert ist. Somit können die erfindungsgemäßen Vorteile bei einer Pouch-Zelle umgesetzt werden.
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Auch umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie mit mindestens einer Batteriezelle, die wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, aufweisend: eine Vielzahl an Kathoden, wobei jede Kathode zumindest eine erste Aktivschicht, eine Ableitschicht und eine zweite Aktivschicht aufweist, und eine Vielzahl an Anoden, wobei jede Anode zumindest eine erste Aktivschicht, eine Ableitschicht und eine zweite Aktivschicht aufweist, wobei die Batteriezelle durch Kurzschließen einer Schlussanode, die eine Aktivschicht und eine Ableitschicht aufweist, und eines Gehäuses der Batteriezelle, das mit einer Kathode elektrisch verbunden ist, entladen wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle beschrieben wurden. Außerdem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es schnell, sicher und gleichmäßig ausgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Batteriezelle sowie Lithium-Ionen-Batterie und deren Weiterbildungen sowie Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Batteriezelle mit einer separaten Schutzlage und
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einer integrierten Schutzlage innerhalb einer Schlussanode.
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Die 1 zeigt einen typischen Aufbau einer Batteriezelle 100, die aus einer Vielzahl an positiv geladenen Kathoden K und eine Vielzahl an negativ geladenen Anoden A, vorzugsweise abwechselnd nebeneinander in (geometrischer) Reihe, zusammengesetzt ist. Um eine Sicherheitsvorrichtung für die Batteriezelle 100 bereitzustellen, ist eine Schutzlage 3 vorgesehen, die durch eine Isolatorschicht 2 von der letzten Anode A und durch eine weitere Isolatorschicht 40 von einem Gehäuse 50 räumlich und elektrisch getrennt ist.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Batteriezelle 100, aufweisend: eine Vielzahl an Kathoden K, wobei jede Kathode K zumindest eine erste Aktivschicht 10, eine Ableitschicht 11 und eine zweite Aktivschicht 12 aufweist, und eine Vielzahl an Anoden A, wobei jede Anode A zumindest eine erste Aktivschicht 20, eine Ableitschicht 21 und eine zweite Aktivschicht 22 aufweist. Erfindungsgemäß ist eine Schlussanode SA vorgesehen, die nur eine Aktivschicht 30 und eine etwas dicker ausgeführte Ableitschicht 31 aufweist. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Schlussanode SA nur diese zwei Schichten 30, 31 auf.
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Die Ableitschicht 31 der Schlussanode SA kann eine größere Materialstärke M1 aufweisen, die 20% bis 50%, vorzugsweise 40% der Materialstärke M der Aktivschicht 30 der Schlussanode SA beträgt. Die Ableitschicht 31 dient dazu, den elektrischen Widerstand bei Ableiten von Strom in einem Notfall zu reduzieren. Somit kann die Sicherheit im Betrieb der Batteriezelle 100 erhöht werden.
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Auf der Schlussanode SA kann schließlich eine thermisch und/oder mechanisch aktivierbare Isolatorschicht 40 angeordnet sein, durch welche die Schlussanode SA in einem Normalbetrieb der Batteriezelle 100 von einem Gehäuse 50 der Batteriezelle 100 räumlich und elektrisch getrennt ist.
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Wie es durch einen Vergleich der 1 und 2 ersichtlich ist, können mithilfe der erfindungsgemäßen Batteriezelle 100 gemäß der 2 mindestens drei Schichten 1, 2, 3 im Vergleich zur Batteriezelle 100 gemäß der 1 gespart werden. Darunter befindet sich eine ungenutzte Aktivschicht 1 der letzten Anode A, eine zusätzliche Isolatorschicht 2 zwischen der Anode A und der Schutzlage 3, sowie die extra ausgebildet Schutzlage 3 selbst.
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Gemäß der Erfindung wird somit eine bauraum- und gewichtsoptimierte Batteriezelle 100 bereitgestellt.
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Die Isolatorschicht 40 im Sinne der Erfindung kann außerdem thermisch und/oder mechanisch aktivierbar sein. Denkbar sind dabei:
- 1) eine Polymerfolie mit thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbaren Schrumpf- und/oder Schmelzeigenschaften,
- 2) eine thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbare Halbleiterschicht NTC, oder
- 3) eine thermisch, vorzugsweise ab 70°C, und/oder mechanisch aktivierbare Dielektrikumschicht TSD.
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Die erste Ausführungsvariante ist vorteilhaft aufgrund einer kostengünstigen und gewichtsoptimierten Lösung. Die zweite Variante lässt sich schnell und präzise schalten. Die dritte Variante vereint Kosten- und Gewichtsvorteile mit Vorteilen einer schnellen und präzisen Schaltung.
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Die 2 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Batteriezelle 100 in einer zylindrischen Form lediglich beispielsweise. Dabei kann zumindest eine, vorzugsweise beide Anoden A, die an das Gehäuse 50 angrenzen, die spezielle erfindungsgemäße Ausgestaltung aufweisen.
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Selbstverständlich ist es außerdem denkbar, dass die erfindungsgemäße Batteriezelle 100 in Form einer Pouch-Zelle ausgeführt sein kann. Dabei ist es denkbar, dass nur die letzte bzw. äußerste Anodenlage als die Schlussanode SA im Sinne der Erfindung ausgebildet sein kann.
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Die erfindungsgemäße Schlussanode SA weist nur von einer Flachseite eine Aktivschicht 30 auf, die mit der Ableitschicht 31 beschichtet ist. Im Normalbetrieb der Batteriezelle 100 kann die Isolatorschicht 40 die elektrische Verbindung der Schlussanode SA zum Gehäuse 50 unterbrechen. In einem Notfallbetrieb der Batteriezelle 100, bspw. bei einem Unfall, einer Beschädigung, einer Überhitzung oder einer Überladung, kann die Isolatorschicht 40 die elektrische Verbindung der Schlussanode SA zum Gehäuse 50 herstellen. Somit kann die Schlussanode SA mit dem Gehäuse 50 kurzgeschlossen werden, um das Potential der Batteriezelle 100 zu reduzieren oder ggf. im Notfall auf null zu setzen.
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Somit kann mithilfe der Erfindung nicht nur eine einfach ausgeführte, gewichtsreduzierte Schlussanode SA bereitgestellt werden, die als eine integrierte Sicherheitsvorrichtung bzw. eine Abschaltvorrichtung für die Batteriezelle 100 wirkt, sondern auch eine zuverlässig abgesicherte Batteriezelle 100.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in einem Notfall, bspw. bei einem Kraftfahrzeug-Unfall, einer Beschädigung, einer Überhitzung und/oder Überladung der Batteriezelle 100, zum Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie im Sinne der Erfindung, die mit mindestens einer Batteriezelle 100 gemäß der 2 ausgeführt sein kann, die Batteriezelle 100 durch Kurzschließen der Schlussanode SA und des Gehäuses 50 der Batteriezelle 100 entladen werden. Eine Entladung der Batteriezelle 100 erfolgt dabei unverzüglich, gleichmäßig und ohne Zeitverlust.
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Die voranstehende Beschreibung der 2 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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