DE102017216105A1

DE102017216105A1 - Wärmeableitelement

Info

Publication number: DE102017216105A1
Application number: DE102017216105.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Köck; Werner Langer
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14
Also published as: KR20200052337A; JP2020535241A; JP7034268B2; EP3681969A1; WO2019053059A1; US20200212522A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeableitelement und dessen Verwendung zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, Lastkraftwagen (LKW) oder Pedelec.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeableitelement und dessen Verwendung zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, Lastkraftwagen (LKW) oder Pedelec.
Für Li-Ionen Batterien im Automobil, LKW oder Pedelec werden Wärmeableitelemente verwendet, die aber das Problem aufweisen, dass bei niedrigen Temperaturen, wie es im Winter der Fall ist, immer ein oder mehrere Heizelemente benötigt werden, die die Li-Ionen Batterie vor dem Start vorheizen. Zudem nimmt die Kapazität der Li-Ionen Batterie bei niedrigen Temperaturen ab und die Ladezeit verlängert sich. Aber gerade zu Beginn einer Fahrt werden sowohl für die Temperierung der Fahrgastzelle als auch für die Fahrt selbst viel Energie benötigt. Die verwendeten Wärmeableitelemente aus Aluminium oder Graphitwerkstoffen können keine Temperaturen halten, was zur Folge hat, dass diese mit der gesamten Struktur auskühlen. Allgemein wird beispielsweise in der EP2825611 A1 die Kühlung durch Wärmeableitelemente beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, Wärmeelemente für Li-Ionen Batterien, die die Temperatur der Li-Ionen Batterie auf eine festgelegte Temperatur stabilisieren können und mit dem die oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, LKW oder Pedelec, umfassend Graphit und mikroverkapseltes Phase-Change-Material (PCM) gelöst. Die Wärmeableitelemente werden in der Li-Ionen Batterie zwischen den sogenannten Pouchzellen angeordnet, so dass je nach Aufbau der Li-Ionen Batterie eine oder mehrere Wärmeableitelemente verwendet werden.
Vorteilhafterweise wird der Graphit aus der Gruppe bestehend aus Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandiertem Graphit oder Mischungen davon ausgewählt.
Zur Herstellung von expandiertem Graphit mit einer wurmförmigen Struktur wird üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Interkalaten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, vermischt und bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt. ( DE10003927A1 )
Expandierter Graphit stellt einen Graphit dar, der im Vergleich zu natürlichem Graphit in der Ebene senkrecht zu den hexagonalen Kohlenstoffschichten beispielsweise um den Faktor 80 oder mehr expandiert ist. Aufgrund der Expansion zeichnet sich expandierter Graphit durch eine hervorragende Formbarkeit und gute Verzahnbarkeit aus. Expandierter Graphit kann in Folienform verwendet werden, wobei bevorzugt eine Folie mit einer Dichte von 0,7 bis 1,8 g/cm³ verwendet wird. Eine Folie aufweisend diesen Dichtebereich weist Wärmeleitfähigkeiten von 150 W/(m·K) bis 500 W/(m·K) auf. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels der Angström-Methode („Ångström's Method of Measuring Thermal Conductivity“; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt.
Unter einem Phase-Change-Material wird im Rahmen der Erfindung ein Material verstanden, welcher einem Phasenübergang unterliegen, wenn Wärme zugeführt oder abgegeben wird. Dies kann beispielsweise ein Übergang von der festen in die flüssige Phase oder umgekehrt sein. Bei der Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr aus dem PCM, bleibt beim Erreichen des Phasenübergangspunktes die Temperatur konstant, bis das Material vollständig umgewandelt ist. Die beim Phasenübergang zugeführte oder abgeführte Wärme, die keine Temperaturänderung in dem Material verursacht, wird als latente Wärme bezeichnet.
Vorteilhafterweise wird das PCM aus der Gruppe bestehend aus Zuckeralkoholen, Paraffine, Wachsen, Salzhydraten, Fettsäuren, bevorzugt aus der Gruppe bestehend als Paraffinen, Salzhydraten und Wachsen ausgewählt. Als Zuckeralkohole können beispielsweise Pentaerythritol, Trimethylolethan, Erythritol, Xylitol, Mannitol, Neopentylglykol und jede beliebige Mischung davon verwendet werden. Als Paraffine können gesättigte Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n+2 verwendet werden, wobei die Zahl n zwischen 18 und 32 liegen kann. Die molare Masse derartiger Paraffine liegt damit zwischen 275 und 600 Gramm pro Mol. Als Salzhydrate können beispielweise Calciumchloridhexahydrat, Magnesiumchloridhexahydrat, Lithiumnitrattrihydrat und Natriumacetattrihydrat eingesetzt werden. Als Fettsäuren könne beispielsweise Caprinsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure und jede beliebige Mischung davon zum Einsatz kommen. Die Auswahl des PCM hängt von dem Temperaturbereich in der Verwendung ab.
Vorteilhafterweise weist das PCM einen Schmelzbereich zwischen -20 und 130 °C, bevorzugt zwischen -10 und100 °C, besonders bevorzugt zwischen 0 und 70 °C auf. Die Temperaturstabilisierung im Schmelzbereich von weniger als -20°C und größer als 130°C lässt sich durch Phasenwechselmaterialien nur durch erhöhten Aufwand und Gewicht realisieren. Darüber hinaus kommen diese Temperaturen selten vor, so dass das vorgehaltene Material fast ausschließlich ohne Funktion mitgeführt wird. Um dies vorzubeugen, ist der Temperaturbereich zwischen -20°C und 130°C ausgewählt. Durch die Auswahl des geeigneten PCMs wird die Temperatur der Li-Ionen Batterie stabilisiert, beispielsweise kann die Temperatur beim Abkühlen in der Nacht auf 6°C stabilisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Batterie im Stillstand nicht so stark abkühlt, was wiederum bedingt, dass die Kapazität der Li-Ionen Batterie auf einem höheren Niveau bleibt und es mehr Energie beispielsweise zur Erwärmung der Fahrgastzelle zur Verfügung steht. Darüber hinaus lässt sich die Batterie, die durch den Einsatz des Phasenwechselmaterials auf einer höheren Temperatur bleibt, schneller laden.
Erfindungsgemäß weist das mikroverkapselte PCM eine Größe von ≤ 5 mm, bevorzugt ≤ 1 mm, besonders bevorzugt ≤ 100 µm auf. Wenn die Partikelgrößen 5 mm überschreiten, kommt es zu einem signifikanten Abfall des Wärmeeintrages in die Kapsel selbst und das PCM im Inneren der Kapsel schmilzt nur noch sehr langsam auf. Dies heißt, dass oftmals nicht die gesamte Wärmekapazität genutzt werden kann. Wird die Kapsel zu klein ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis von PCM und nichtaktiver Kapselhülle, was die Wärmekapazität wiederum negativ beeinflusst. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet, welche Graphit und mikroverkapseltem PCM umfasst oder als eine Platte oder eine Folie ausgebildet, umfassend Graphit und mikroverkapseltem PCM, wobei auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltem PCM aufgebracht ist. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Wärmeableitelement oder als eine Graphitfolie oder Graphitplatte ausgebildet und umfasst mindestens eine aufgebrachte Schicht mikroverkapseltem PCM. Die verschiedenen Ausführungsformen des Wärmeableitelements können in beliebiger Kombination für die Temperierung einer Li-Ionen-Batterie verwendet werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM in der Platte oder Folie umfassend Graphit, mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder 10 Gew.% bis 98 Gew.%, bevorzugt 20 Gew.% bis 80 Gew.%, besonders bevorzugt 45 Gew.% bis 70 Gew.%. Bei einem Anteil von weniger als 10 Gew.% an mikroverkapseltem PCM wird keine Stabilisierung der Temperatur der Li-Ionen Batterie durch Phasenwechsel erreicht. Bei mehr als 98 Gew.% ist der Effekt der Wärmeleitfähigkeit, welche durch den Anteil an Graphit im Wärmeableitelement erhalten wird, sehr gering.
Erfindungsgemäß beträgt der Anteil an Binder an der Platte umfassend Graphit, mikroverkapseltem PCM und zusätzlich Binder 2 bis 30 Gew%, bevorzugt 5 bis 20 Gew%. Durch den Binderanteil lässt sich die Festigkeit des Verbundwerkstoffes steigern und die Wärmekapazität wird nur geringfügig beeinflusst. Im bevorzugten Fall wird die Wärmekapazität nur um 10 % verringert.
Erfindungsgemäß kann der Binder aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen (wie beispielsweise Araldite 2000 (2014)), Phenolharzen, Silikonharzen, Acrylatharzen, Kautschuk (z.B. Litex SX1014) oder Thermoplasten ausgewählt werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 10 bis 98 Gew.%, bevorzugt 15 bis 95 Gew.%, besonders bevorzugt 30 bis 88 Gew.%. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.% beträgt. Bei einem Anteil von weniger als 10 Gew.% an mikroverkapseltem PCM in der Schicht wird keine Stabilisierung der Temperatur der Li-Ionen Batterie durch Phasenwechsel erreicht. Bei einem Anteil von mehr als 98 Gew.% mikroverkapseltem PCM in der Schicht kann die Stabilität der Schicht nicht gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an Binder der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 1 bis 40 Gew.%, bevorzugt 2 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 20 Gew.%. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an Binder der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 1 bis 40 Gew.%, bevorzugt 2 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 20 Gew.%. Bei weniger als 1 Gew.% Binder reicht der Anteil an Binder nicht mehr für genügend Festigkeit aus und bei mehr als 40 Gew.% Binder ist der Anteil an Binder zu hoch, so dass die Wärmekapazität der Schicht, bedingt durch das mikroverkapselte PCM, negativ beeinflusst wird.
Neben den aufgeführten Bestandteilen der Platte, Folie oder Schicht können diese noch ein Dispergierhilfsmittel enthalten, wobei der Anteil zwischen 0 bis 5 Gew.% beträgt. Als Dispergierhilfsmittel kann beispielsweise Polyvinylpyrolidon (PVP) verwendet werden.
Um die erfindungsgemäßen Eigenschaften der Schicht zu erreichen, können alle Kombinationen der Komponenten der Schicht gewählt werden. Der Binderanteil sorgt für eine feste und kompakte Schicht, wohingegen bei einer gewünschten hohen Schmelzenthalpie ein entsprechend hoher Anteil an mikroverkapseltem PCM zu wählen ist.
Je nach Anwendung und Anforderungsprofil kann es nötig sein, dass bei der Herstellung der Platte oder Folie oder der Schicht weitere hochwärmeleitfähige Additive beigemischt werden. Diese Leitadditive können beispielsweise aus Carbon Nanotubes (CNTs), Graphen, Graphenoxid oder hexagonales Bornitrid bestehen.
Die auf die Platte, Folie, Graphitplatte oder Graphitfolie aufgebrachte Schicht kann sowohl auf einer als auch auf mehreren Seiten der Platte, Folie, Graphitplatte oder Graphitfolie aufgebracht werden.
Vorteilhafterweise weist die mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM eine Dicke von < 5 mm, bevorzugt 1 bis 3mm, besonders bevorzugt 100 bis 500 µm auf. Bei einer Dicke der Schicht von größer als 5 mm wird durch die Dicke Schicht, die Flexibilität des Verbundes in erheblichen Maße negativ beeinflusst. Darüber hinaus kommt es zu Adhäsionsproblemen der Beschichtung auf dem Trägersubstrat.
Erfindungsgemäß weist die Folie oder Graphitfolie eine Dicke von 10 µm bis 1 mm, bevorzugt 25 bis 500 µm, besonders bevorzugt 25 bis 100 µm auf. Bei kleiner als 10 µm tritt kein Effekt bedingt durch die Graphitfolie mehr auf.
Vorteilhafterweise weist die Platte oder Graphitplatte eine Dicke von >1 bis 5 mm, bevorzugt 2 bis 4mm, besonders bevorzugt 2 bis 3 mm auf. Bei größer als 5 mm wird der erfindungsgemäße Effekt nicht erzielt.
Erfindungsgemäß liegt die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Wärmeableitelements oberhalb von 150 W/(m·K).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeableitelement, das Graphit und mikroverkapseltes PCM umfasst, wobei das Wärmeableitelement als Platte oder Folie ausgebildet ist und auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM aufgebracht ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung wird durch die Figuren nicht beschränkt.

1 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt.
2 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt.
3 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt.

1 zeigt ein Wärmeableitelement aus einer Graphitfolie (1) und einer darauf aufgebrachten Schicht aus mikroverkapseltes PCM (3) mit einem Binder (2).
2 zeigt ein Wärmeableitelement als eine Platte aus Graphit (4), mikroverkapseltem PCM (3) und Binder (2).
3 zeigt ein Wärmeableitelement als eine Platte aus Graphit (4), mikroverkapseltem PCM (3) und Binder (2) und eine darauf aufgebrachte Schicht aus mikroverkapseltem PCM (3) und Binder(2).
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
Ausführungsbeispiel 1:
Eine Graphitfolie mit einer Dicke von 150 µm und einer Dichte von 1,3 g/cm³ (kommerziell bei der SGL Carbon GmbH) wird einseitig mit einer Mischung aus mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), einem Kautschukbinder und einem Dispergierhilfsmittel beschichtet. Die Zusammensetzung der Mischung ist 24,5 g Wasser, 1,5 g Litex SX 1014, 10,4 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1g Polyvinylpyrolidon (PVP). Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage mit einem Rakel, Rakelhöhe 500 µm aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 200 µm dünne Schicht auf der Graphitfolie.
Ausführungsbeispiel 2:
Eine Graphitfolie mit einer Dicke von 150 µm und einer Dichte von 1,3 g/cm³ (kommerziell bei der SGL Carbon GmbH) wird doppelseitig mit einer Mischung aus mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), 5 µm feinem Graphitpulver, einem Kautschukbinder und einem Dispergierhilfsmittel beschichtet. Die Zusammensetzung der Mischung ist 31,5 g Wasser, 2 g Litex SX 1014, 20 g Graphitpulver, 10,4 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1g Polyvinylpyrolidon (PVP). Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage bei 55°C mit einem Rakel, Rakelhöhe 600 µm aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 400 µm dünne Schicht auf der Graphitfolie.
Ausführungsbeispiel 3:
Eine Platte mit mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF) zur Anwendung als Wärmeableitelement. Die Zusammensetzung der Platte ist wie folgt: 135 g Graphitpulver (50 µm), 67,5 g Graphitpulver (150 µm), 810 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 337,5 g Elastosil M4642A als Binder und Elastosil M4642B als Härter. Die einzelnen Mischungsbestandteile werden nacheinander in einem Eirichmischer zugegeben und insgesamt 10 Minuten vermischt. Anschließend wird die Rohmasse in einer Presse in eine 5 mm starke Platte verpresst.
Ausführungsbeispiel 4:
Eine Platte mit mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF) zur Anwendung als Wärmeableitelement. Die Zusammensetzung der Platte ist wie folgt: 135 g Graphitpulver (50 µm), 67,5 g Graphitpulver (150 µm), 810 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 337,5 g Elastosil M4642A als Binder und Elastosil M4642B als Härter. Die einzelnen Mischungsbestandteile werden nacheinander in einem Eirichmischer zugegeben und insgesamt 10 Minuten vermischt und zu eine 5 mm starke Platte verpresst. Anschließend wird die Platte einseitig mit einer Mischung aus mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), einem Kautschukbinder und einem Dispergierhilfsmittel beschichtet. Die Zusammensetzung der Mischung ist 24,5 g Wasser, 1,5 g Litex SX 1014, 10,4g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1g Polyvinylpyrolidon (PVP). Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage mit einem Rakel, Rakelhöhe 500 µm aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 200 µm dünne Schicht.
Bezugszeichenliste

1: Graphitfolie
2: Binder
3: mikroverkapseltes PCM
4: Graphit
5: Wärmeableitelement

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

EP 2825611 A1 [0002]
DE 10003927 A1 [0006]

Claims

Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement, umfassend Graphit und mikroverkapseltes Phase-Change-Material (PCM) zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil oder LKW oder Pedelec.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit aus der Gruppe bestehend aus Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandiertem Graphit oder Mischungen davon ausgewählt wird.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM aus der Gruppe bestehend aus Zuckeralkoholen, Paraffinen, Wachsen, Salzhydraten, Fettsäuren oder Mischungen davon ausgewählt wird.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroverkapselte PCM einen Schmelzbereich zwischen -20 und 130 °C aufweist.
Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroverkapselte PCM eine Größe von ≤ 5 mm aufweist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet ist oder, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet ist, wobei auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltem PCM aufgebracht ist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Graphitfolie oder Graphitplatte ausgebildet ist und mindestens eine aufgebrachte Schicht mikroverkapseltem PCM umfasst.
Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.% beträgt.
Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.% beträgt.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mindestens einen Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM < 5 mm ist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte umfassend mikroverkapseltes PCM oder Graphitplatte eine Dicke von >1 mm bis 5 mm aufweist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie oder Graphitfolie eine Dicke von 10 µm bis 1 mm aufweist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit oberhalb von 150 W/(m·K) liegt.
Wärmeableitelement zur Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement Graphit und mikroverkapseltes PCM umfasst, wobei das Wärmeableitelement als Platte oder Folie ausgebildet ist und auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM aufgebracht ist.