DE102017219553A1

DE102017219553A1 - Sicherheitselement, Batteriezelle sowie Propagationsschutzelement

Info

Publication number: DE102017219553A1
Application number: DE102017219553.3A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Lithium Energy and Power GmbH and Co KG
Current assignee: Lithium Energy and Power GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft Sicherheitselement einer Batteriezelle (7) oder eines Propagationsschutzelements (8), umfassend zumindest eine Aufnahmeeinrichtung (2, 200), welche zu einer Aufnahme des Sicherheitselements (1, 100) durch eine Batteriezelle (7) oder durch ein Propagationsschutzelement (8) ausgebildet ist, wobei das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) umfasst, die einen mit einer Flüssigkeit (5, 500) gefüllten Innenraum (4, 400) aufweist, wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und das Aufnahmeelement (2, 200) insbesondere einstückig ausgebildet sind, und wobei das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin zumindest eine Sollbruchstelle (6, 600) umfasst, welche ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit (5, 500) nach gasförmig zu brechen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sicherheitselement nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine Batteriezelle mit einem Sicherheitselement.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Propagationsschutzelement mit einem Sicherheitselement.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Batteriemodule aus einer Mehrzahl an einzelnen Batteriezellen bestehen können, welche seriell und/oder parallel elektrisch leitend miteinander verschaltet sein können.
Zum Betrieb von Batteriezellen in einem bevorzugten Temperaturbereich ist es dazu weiterhin bekannt, dass Batteriemodule ein Kühlsystem umfassen können, welches insbesondere dafür sorgen soll, dass die Batteriezellen eine vorgegebene Temperatur nicht überschreiten.
Solche Kühlsysteme führen üblicherweise zu einer Reduktion der Energiedichte des Batteriemoduls.
Überschreiten die Batteriezellen hingegen diese vorgegebene sicherheitskritische Temperatur kann dies zu einem als „thermal runaway“ bezeichneten Durchgehens der Batteriezelle führen, was zu erheblichen Sicherheitsrisiken führt.
Weiterhin kann dies wiederrum zu einer Übertragung von Wärme auf benachbarte Batteriezellen, einer sogenannten „Propagation“, führen.
Dies stellt auch ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
Ein solches Durchgehen der Batteriezelle kann beispielsweise auf internen Kurzschlüssen innerhalb der Batteriezelle, auf überhöhten Stromflüssen oder auf einer überhöhten Aufladung beruhen.
Das Durchgehen der Batteriezelle kann dabei zu einem Überhitzten der Batteriezelle führen, wodurch innerhalb der Batteriezelle ablaufende exotherme chemische Reaktionen weiter beschleunigt werden und schließlich zu einem Feuer oder einer Explosion der Batteriezelle und auch des gesamten Batteriemoduls führen können.
Aus der Druckschrift DE 102007024869 ist ein Batteriemodul bekannt, bei welchem die Batteriezellen gekühlt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Ein Sicherheitselement einer Batteriezelle oder eines Propagationsschutzelements mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet den Vorteil, dass ein thermisch aktivierbares Sicherheitselement auf einfache und günstige Weise zur Verfügung gestellt werden kann.
Insbesondere bietet ein erfindungsgemäßes Sicherheitsventil den Vorteil, dass ein zuverlässiges Auslösen des Sicherheitsventils ausgebildet werden kann.
Dazu wird ein Sicherheitselement zur Verfügung gestellt, welches ein Sicherheitselement einer Batteriezelle oder eines Propagationsschutzelements ist.
Das Sicherheitselement umfasst dabei zumindest eine Aufnahmeeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, dass das Sicherheitselement durch eine Batteriezelle oder durch ein Propagationsschutzelement aufgenommen werden kann. Weiterhin umfasst das Sicherheitselement eine Flüssigkeitsaufnahme.
Die Flüssigkeitsaufnahme weist dabei einen Innenraum auf, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Insbesondere sind die Flüssigkeitsaufnahme und das Aufnahmeelement dabei einstückig ausgebildet.
Des Weiteren umfasst das Sicherheitselement eine Sollbruchstelle, die ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit nach gasförmig zu brechen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
An dieser Stelle soll unter einem Schutz vor einem „thermal runaway“ ein Verhindern des weiteren Erwärmens einer eine bestimmte, sicherheitskritische Temperatur überschreitenden Batteriezelle verstanden sein.
Somit kann diese wieder in einen unkritischen Zustand überführt werden und ein Durchgehen der Batteriezelle kann verhindert werden.
Weiterhin soll unter einem Propagationsschutz an dieser Stelle auch das Verhindern eines Erwärmens einer Batteriezelle, welche benachbart zu einer Batteriezelle angeordnet ist, die eine bestimmte, sicherheitskritische Temperatur überschritten hat, verstanden sein.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80 °C aufweist.
Bevorzugt ist es, wenn die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 70 °C aufweist.
Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 60 °C aufweist.
Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert stets oberhalb von 50 °C aufweist.
Beispielsweise kann die Verdampfungstemperatur aber auch einen Wert zwischen 0 °C und 80 °C aufweisen.
Dabei sind die Auswahl der Flüssigkeit und insbesondere deren Verdampfungstemperatur von den jeweiligen Anforderungen abhängig.
Dadurch ist es möglich, das Sicherheitsventil in der Art auszubilden, dass die Flüssigkeit bei einer Erhöhung der Temperatur über den Wert der jeweiligen Verdampfungstemperatur verdampft und dadurch zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand übergeht, wodurch der Innendruck innerhalb des Innenraums erhöht wird und die Sollbruchstelle somit bricht.
Ein solcher Druckanstieg kann beispielsweiße zu einer kontrollieren Explosion der Flüssigkeitsaufnahme genutzt werden, wodurch das Sicherheitsventil insbesondere großflächig geöffnet ist.
Insgesamt ist somit ein thermisch aktivierbares Sicherheitsventil zur Verfügung gestellt.
Des Weiteren ist es dadurch möglich, die Temperatur, bei welcher die Sollbruchstelle bricht und damit das Sicherheitsventil öffnet in Abhängigkeit von den jeweiligen, gewünschten Nutzungsbedingungen und insbesondere auch in Abhängigkeit von einer Zellchemie einer Batteriezelle zu wählen.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass es selbstverständlich auch möglich ist, dass die jeweilige Verdampfungstemperatur unterhalb der sicherheitskritischen Temperatur liegt und erst eine weitere Druckerhöhung aufgrund einer weiteren Erwärmung des nun vorliegenden Gases ohne einen Phasenübergang zu einer Explosion führt.
Beispielsweise kann die Flüssigkeitsaufnahme als eine mit der Flüssigkeit gefüllte Kapsel oder Kugel ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise bildet die Flüssigkeitsaufnahme dabei die zumindest eine Sollbruchstelle aus.
Dadurch kann ein einfacher Aufbau des Sicherheitselements zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung umfasst das Sicherheitselement weiterhin ein Abdeckelement.
Dabei kann das Abdeckelement den Innenraum der Flüssigkeitsaufnahme zumindest teilweise begrenzen.
Des Weiteren kann das Abdeckelement an der Flüssigkeitsaufnahme angeordnet sein und insbesondere auch mit dieser mechanisch kontaktierend angeordnet sein.
Weiterhin kann die Flüssigkeitsaufnahme mit dem Abdeckelement verbunden sein, wobei an einer Verbindungsstelle zwischen der Flüssigkeitsaufnahme und dem Abdeckelement die zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, eine einfache Herstellung des Sicherheitselements zu ermöglichen.
Weiterhin kann auch das Abdeckelement die zumindest eine Sollbruchstelle ausbilden.
Dadurch kann ein einfacher Aufbau des Sicherheitselements zur Verfügung gestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batteriezelle.
Die Batteriezelle ist dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet.
Die Batteriezelle umfasst dabei ein Batteriezellengehäuse, in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle aufgenommen sind.
Des Weiteren weist die Batteriezelle zumindest eine Öffnung auf, welche durchgehend durch das Batteriezellengehäuse hindurch verlaufend ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Batteriezelle auch ein Sicherheitselement.
Das Sicherheitselement ist dabei mittels einer Aufnahmeeinrichtung des Sicherheitselements in der Öffnung des Batteriezellengehäuses aufgenommen.
Dabei umfasst das Sicherheitselement weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme. Die Flüssigkeitsaufnahme weist dabei einen Innenraum auf, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Insbesondere sind die Flüssigkeitsaufnahme und das Aufnahmeelement dabei einstückig ausgebildet.
Weiterhin umfasst die Batteriezelle zumindest eine Sollbruchstelle.
Die Sollbruchstelle ist dabei dazu ausgebildet, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit nach gasförmig zu brechen.
Vorteilhafterweise kann das Sicherheitselemente an einer Öffnung, welche ursprünglich als zu einer Befüllung der Batteriezelle mit Elektrolyt ausgebildet ist, angeordnet sein. Somit kann diese Öffnung verschlossen werden und gleichzeitig als Sicherheitsventil ausgebildet werden.
Eine solche Batteriezelle bietet den Vorteil, dass bei einer Erwärmung der Batteriezelle, insbesondere aufgrund von innerhalb des Batteriezellengehäuses auftretenden Fehlern oder auch aufgrund von außerhalb des Batteriezellengehäuses auftretenden Wärmequellen, wobei sich insbesondere die innerhalb des Batteriezellengehäuses aufgenommenen elektrochemischen Komponenten erwärmen, die zumindest eine Sollbruchstelle in Abhängigkeit von der Temperatur bricht. Dadurch ist es zuverlässig möglich, das Sicherheitsventil in der Art auszubilden, dass dieses bei einem Überschreiten einer definierten Temperatur innerhalb des Batteriezellengehäuses bricht, wodurch zuverlässig die Sicherheit der Batteriezelle und somit des Batteriemoduls und des Batteriepacks erhöht werden kann.
Insbesondere bietet ein solches thermisch aktivierbares Sicherheitsventil gegenüber Sicherheitsventilen, welche bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckes öffnen, den Vorteil einer vergleichbar schnelleren und einfacheren Aktivierung.
Insbesondere da der Innendruck einer Batteriezelle über der Lebensdauer der Batteriezelle stetig ansteigt, ist der bestimmte, zu überschreitende Druck eines druckbasierten Sicherheitsventiles höher zu wählen, wodurch die Sicherheit erniedrigt ist.
Die zumindest eine Sollbruchstelle ist dabei in der Art ausgebildet bzw. in der Art angeordnet, dass bei einem Brechen der Sollbruchstelle eine durch das Batteriezellengehäuse hindurch verlaufende Öffnung ausgebildet ist, welche insbesondere auch zumindest teilweise der Öffnung des Batteriezellengehäuses entspricht.
Beispielsweise kann die in dem Innenraum der Flüssigkeitsaufnahme aufgenommene Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80 °C aufweisen, bevorzugt einen Wert unterhalb von 70 °C aufweisen und insbesondere einen Wert unterhalb von 60 °C aufweisen.
Dabei kann der Wert der Verdampfungstemperatur stets oberhalb von 50 °C liegen.
Beispielsweise kann der Wert der Verdampfungstemperatur auch zwischen 0° C und 80° C liegen.
Eine solche Ausbildung bietet den Vorteil, dass bei einer Öffnung des Sicherheitsventils in einem solchen Temperaturbereich ein Verdampfen bzw. ein Sieden eines innerhalb des Batteriezellengehäuses aufgenommenen Elektrolyts ermöglicht ist, wodurch die Temperatur aufgrund der Verdampfungsenthalpie des Elektrolyten innerhalb des Batteriezellengehäuses deutlich verringert werden kann.
Beispielsweise kann eine solche Temperaturverringerung in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien im Bereich von mehreren 10 K liegen.
Ein Verdampfen des Elektrolyten reduziert des Weiteren auch die elektrische Leitfähigkeit der elektrochemischen Komponenten innerhalb des Batteriezellengehäuses und somit auch den elektrischen Stromfluss, wodurch eine weitere Erwärmung der Batteriezelle eingeschränkt werden kann.
An dieser Stelle sei noch einmal angemerkt, dass aufgrund der thermischen Aktivierung des Sicherheitsventils ein deutlich schnelleres Verdampfen bzw. Sieden des Elektrolyten im Vergleich zu druckbasierten Sicherheitsventilen ausgebildet werden kann, insbesondere auch bevor eine sicherheitskritische Temperatur der Batteriezelle erreicht ist.
Somit kann die Sicherheit der Batteriezelle deutlich erhöht werden, da eine Selbstaufheizung der Batteriezelle und somit auch eine Selbstbeschleunigung ablaufender exothermer chemischer Reaktionen verhindert bzw. stark verringert werden kann.
Somit ist es auch möglich, beispielsweise aufgrund des zusätzlichen Auslassens von Gas aus dem Batteriezellengehäuse, eine Übertragung des thermischen Durchgehens einer Batteriezelle auf eine andere Batteriezelle zu verhindern bzw. zu verlangsamen, wodurch auch die Sicherheit erhöht werden kann.
Ein Auslassen von Gas aus dem Batteriezellengehäuse mit einem vergleichbar kälteren Elektrolyten verringert zudem weiterhin auch die Gefahr einer Selbstentzündung des Elektrolytdampfes.
Der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass es dadurch natürlich auch möglich ist, ein Aufbauen eines kritischen Innendrucks innerhalb des Batteriezellengehäuses, welcher beispielsweise auch zu einer Explosion führen kann, zu verhindern.
Vorteilhafterweise bildet die Flüssigkeitsaufnahme die zumindest eine Sollbruchstelle auf.
Dadurch kann eine einfache Ausbildung der Batteriezelle zur Verfügung gestellt werden.
Es ist zweckmäßig, wenn die Batteriezelle weiterhin ein Abdeckelement umfasst. Das Abdeckelement kann dabei den Innenraum der Flüssigkeitsaufnahme zumindest teilweise begrenzen.
Das Abdeckelement kann dabei auch an der Flüssigkeitsaufnahme angeordnet sein und insbesondere mechanisch kontaktierend mit der Flüssigkeitsaufnahme angeordnet sein.
Weiterhin kann das Abdeckelement mit dem Batteriezellengehäuse verbunden sein, wobei an einer Verbindungsstelle zwischen dem Abdeckelement und dem Batteriezellegehäuse die zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet ist.
Weiterhin kann die Flüssigkeitsaufnahme mit dem Abdeckelement verbunden sein, wobei an einer Verbindungsstelle zwischen der Flüssigkeitsaufnahme und dem Abdeckelement die zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet ist.
Des Weiteren kann auch das Abdeckelement die zumindest eine Sollbruchstelle ausbilden.
Dadurch ist es insgesamt möglich, unterschiedliche Ausführungsformen einer Batteriezelle zur Verfügung zu stellen, welche an unterschiedliche Anforderung angepasst sein können.
Insgesamt bietet eine erfindungsgemäße Batteriezelle dabei weiterhin den Vorteil, dass aufgrund einer thermischen Aktivierbarkeit des Sicherheitsventils ein frühzeitiges Ausgasen der Batteriezelle eine Selbstbeschleunigung innerhalb des Batteriezellengehäuses ablaufender exothermer chemischer Reaktionen zwischen Aktivmaterialen und Elektrolyt verhindern bzw. reduzieren kann, da insgesamt weniger Elektrolyt für eine solche Reaktion zur Verfügung steht.
Ferner betrifft die Erfindung auch ein Propagationsschutzelement eines Batteriemoduls.
Das Propagationsschutzelement weist dabei ein Gehäuse auf, in welchem ein Temperierfluid mit einer Verdampfungstemperatur mit einem Wert zwischen 50 °C und 80 °C aufgenommen ist.
Dabei weist das Propagationsschutzelement weiterhin zumindest eine durchgehend durch das Gehäuse hindurch verlaufende Öffnung auf.
Des Weiteren umfasst das Propagationsschutzelement ein Sicherheitselement. Das Sicherheitselement ist dabei mittels einer Aufnahmeeinrichtung des Sicherheitselements in der Öffnung des Gehäuses aufgenommen.
Dabei umfasst das Sicherheitselement weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme.
Die Flüssigkeitsaufnahme weist dabei einen Innenraum auf, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Insbesondere sind dabei die Flüssigkeitsaufnahme und das Aufnahmeelement einstückig ausgebildet.
Weiterhin umfasst das Propagationsschutzelement zumindest eine Sollbruchstelle, welche dazu ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit nach gasförmig zu brechen.
An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass das Propagationsschutzelement dazu ausgebildet ist, eine Batteriezelle mit einer Temperatur, welche oberhalb einer sicherheitskritischen Temperatur für die Batteriezelle liegt, zu kühlen.
Dazu umfasst das Propagationsschutzelement das Temperierfluid, welches eine solche Verdampfungstemperatur zwischen 50 °C und 80 °C aufweist, dass die stattfindende Verdampfung, also der Phasenübergang von fest nach gasförmig bzw. von flüssig nach gasförmig, aufgrund der Verdampfungsenthalpie die sicherheitskritische Batteriezelle kühlen kann.
Dabei dient das Sicherheitsventil insbesondere dazu, bei dem Phasenübergang entstehendes Gas aus dem Propagationsschutzelement auszulassen, so dass die Verdampfung weiter ablaufen kann.
Dabei kann das Propagationsschutzelement beispielsweise als ein wärmeleitend zwischen zwei Batteriezellen angeordnetes Propagationsschutzelement ausgebildet sein oder auch als ein zusätzlich als ein Kühlelement des Batteriemoduls ausgebildetes Spannelement des Batteriemoduls ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise weist die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80 °C auf.
Bevorzugt weist die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 70 °C auf.
Insbesondere weist die Flüssigkeit eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 60 °C auf.
Dabei weist die Flüssigkeit bevorzugt stets eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert oberhalb von 50 °C auf.
Es ist zweckmäßig, wenn die Flüssigkeitsaufnahme die zumindest eine Sollbruchstelle ausbildet.
Dadurch kann eine einfache Ausbildung des Propagationsschutzelements zur Verfügung gestellt werden.
Ferner ist es auch zweckmäßig, wenn das Propagationsschutzelement weiterhin ein Abdeckelement umfasst.
Dabei kann das Abdeckelement den Innenraum der Flüssigkeitsaufnahme zumindest teilweise begrenzen.
Dabei kann das Abdeckelement an der Flüssigkeitsaufnahme angeordnet sein und insbesondere ist das Abdeckelement mechanisch kontaktierend an der Flüssigkeitsaufnahme angeordnet.
Weiterhin kann das Abdeckelement mit dem Gehäuse verbunden sein, wobei an einer Verbindungsstelle zwischen dem Abdeckelement und dem Gehäuse die zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet ist.
Weiterhin kann das Abdeckelement mit der Flüssigkeitsaufnahme verbunden sein, wobei an einer Verbindungstelle zwischen dem Abdeckelement und der Flüssigkeitsaufnahme die zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet ist. Weiterhin kann auch das Abdeckelement die zumindest eine Sollbruchstelle ausbildet.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt

1 in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements,
2 in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements,
3 in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements mit gebrochener Sollbruchstelle,
4 in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements mit entferntem Sicherheitselement und
5 in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle mit Sicherheitselement.

Die 1 zeigt in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitselements 1.
Das Sicherheitselement 1 kann dabei ein Sicherheitselement 1, 100 einer Batteriezelle 7 oder eines Propagationsschutzelements 8 sein.
Dabei umfasst das Sicherheitselement 1 eine Aufnahmeeinrichtung 2, welche zu einer Aufnahme des Sicherheitselements 1 durch die Batteriezelle 7 oder durch das Propagationsschutzelement 8, was später noch beschrieben ist, ausgebildet ist.
Weiterhin umfasst das Sicherheitselement 1 eine Flüssigkeitsaufnahme 3.
Die Flüssigkeitsaufnahme 3 weist dabei einen Innenraum 4 auf, welcher mit einer Flüssigkeit 5 gefüllt ist.
Gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Sicherheitselements 1 sind die Flüssigkeitsaufnahme 3 und das Aufnahmeelement 2 einstückig ausgebildet.
Des Weiteren umfasst das Sicherheitselement 1 eine Sollbruchstelle 6.
Die Sollbruchstelle 6 kann dabei beispielsweise als eine Perforierung oder als eine definierte Schwachstelle ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Sollbruchstelle an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, wobei bei der Anordnung der Sollbruchstelle stets darauf zu achten ist, dass ein zuverlässiges Entgasen der Flüssigkeit 5 möglich ist.
Gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Sicherheitselements 1 bildet die Flüssigkeitsaufnahme 3 die zumindest eine Sollbruchstelle 6 aus.
Die Flüssigkeit 5 weist eine Verdampfungstemperatur auf mit einem Wert bevorzugt zwischen 50 °C und 80 °C.
Anhand der folgenden 2 bis 4 sollen noch weitere Ausführungsformen des Sicherheitselements 1 beschrieben sein.
Die 2 zeigt in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 7 oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements 8, die nun im Folgenden gemeinsam beschrieben werden sollen.
Die Batteriezelle 7 weist ein Batteriezellengehäuse 9 auf, welches in der 2 ausschnittsweise gezeigt ist. In dem Batteriezellegehäuse 9 sind dabei in der 2 nicht zu erkennende elektrochemische Komponenten der Batteriezelle 7 aufgenommen.
Die Batteriezelle 7 ist dabei insbesondere als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet.
Das Propagationsschutzelement 8 weist ein Gehäuse 10 auf, welches in der 2 ausschnittsweise gezeigt ist. In dem Gehäuse 10 ist dabei ein in der 2 nicht zu erkennendes Temperierfluid aufgenommen, welches eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert zwischen 50 °C und 80 °C aufweist, und insbesondere auch zwischen 0° C und 80 °C aufweisen.
Die Batteriezelle 7 bzw. das Propagationsschutzelement 8 weisen weiterhin zumindest eine durch das Batteriezellengehäuse 9 bzw. das Gehäuse 10 durchgehend hindurch verlaufende Öffnung 11 auf.
Des Weiteren umfasst die Batteriezelle 7 bzw. das Propagationsschutzelement 8 ein Sicherheitselement 100.
Das Sicherheitselement 100 ist dabei mittels einer Aufnahmeeinrichtung 200 des Sicherheitselements 100 in der Öffnung 11 des Batteriezellengehäuses 9 bzw. des Gehäuses 10 aufgenommen.
Dabei umfasst das Sicherheitselement 100 weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme 300. Die Flüssigkeitsaufnahme 300 weist dabei einen Innenraum 400 auf, welcher mit einer Flüssigkeit 500 gefüllt ist.
Insbesondere sind dabei die Flüssigkeitsaufnahme 300 und das Aufnahmeelement 200 einstückig ausgebildet.
Weiterhin umfasst die Batteriezelle 7 bzw. das Propagationsschutzelement 8 zumindest eine Sollbruchstelle 600.
Dabei ist die zumindest eine Sollbruchstelle 600 dazu ausgebildet, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit 500 nach gasförmig zu brechen.
Die Flüssigkeit 500 weist dabei eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert bevorzugt zwischen 50 °C und 80 ° C auf, und weist insbesondere einen Wert zwischen 0° C und 80 °C auf.
Dabei unterscheidet sich die in der 2 gezeigte Ausführungsform des Sicherheitsventils 100 von der in der 1 gezeigten Ausführungsform des Sicherheitsventils 1 dadurch, dass bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform des Sicherheitsventils 1 die Flüssigkeitsaufnahme 2 die zumindest eine Sollbruchstelle 6 ausbildet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass bei der in der 2 gezeigten Ausführungsform des Sicherheitsventils 100 die Flüssigkeitsaufnahme 300 die zumindest eine Sollbruchstelle 600 ausbildet.
Gemäß der 2 umfasst die Batteriezelle 7 bzw. das Propagationsschutzelement 8 ein Abdeckelement 12.
Dabei kann das Abdeckelement 12 den Innenraum 400 der Flüssigkeitsaufnahme 300 zumindest teilweise begrenzen, was in der 2 nicht gezeigt ist. Dabei kann das Abdeckelement 12 an der der Flüssigkeitsaufnahme 300 angeordnet sein, was in der 2 gezeigt ist.
Des Weiteren kann das Abdeckelement 12 mit dem Batteriezellengehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 verbunden sein. Dabei ist an einer Verbindungsstelle 13 zwischen dem Abdeckelement 12 und dem Batteriezellegehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 die zumindest eine Sollbruchstelle 600 ausgebildet.
Ein solche Verbindung kann beispielsweise stoffschlüssig, wie geschweißt oder geklebt, ausgebildet ist.
Somit ist insbesondere keine unmittelbare stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Flüssigkeitsaufnahme 300 bzw. dem Aufnahmeelement 200 und dem Batteriezellengehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 und keine unmittelbare stoffschlüssige oder kraftschlüssige Verbindung zwischen der Flüssigkeitsaufnahme 300 und dem Abdeckelement 12 nötig.
Des Weiteren kann das Abdeckelement 12 mit der Flüssigkeitsaufnahme 300 verbunden sein. Dabei ist an einer Verbindungsstelle 14 zwischen dem Abdeckelement 12 und der Flüssigkeitsaufnahme 13 die zumindest eine Sollbruchstelle 600 ausgebildet.
Ein solche Verbindung kann beispielsweise stoffschlüssig, wie geschweißt oder geklebt, ausgebildet ist.
Des Weiteren kann auch das Abdeckelement 12 die zumindest eine Sollbruchstelle 600 ausbilden.
Die 3 zeigt in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 7 oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements 8 mit gebrochener Sollbruchstelle 600.
An dieser Stelle sei hier zunächst angemerkt, dass die Ausführungsform gemäß 3 zeigt, dass das Abdeckelement 12 den Innenraum 400 der Flüssigkeitsaufnahme 300 begrenzen kann.
Weiterhin sei hier zunächst angemerkt, dass die Ausführungsform gemäß 3 ansonsten im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 2 entspricht.
Die in dem Innenraum 400 aufgenommene Flüssigkeit 500 ist gemäß 3 zumindest teilweise in den gasförmigen Aggregatzustand übergegangen, wodurch die Sollbruchstelle 600 gebrochen ist.
Insbesondere ist dabei die Sollbruchstelle 600 an der Verbindungsstelle 13 zwischen dem Abdeckelement 12 und dem Batteriezellengehäuse 9 der Batteriezelle 7 bzw. dem Gehäuse 10 des Propagationsschutzelements 8 gebrochen. Insbesondere ist dabei die Sollbruchstelle 600 an der Verbindungsstelle 14 zwischen dem Abdeckelement 12 und der Flüssigkeitsaufnahme 13 gebrochen.
Weiterhin der Phasenübergang der Flüssigkeit 500 dazu führen, dass das Abdeckelement 12, wie in der 3 gezeigt ist, von dem Batteriezellengehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 ausreichend bzw. vollständig gelöst wird.
Die 4 zeigt in einer Schnittansicht von der Seite eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 7 oder eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements 8.
Dabei ist die Aufnahmeeinheit 200 aufgrund eines innerhalb der Batteriezelle 7 bzw. innerhalb des Propagationsschutzelements 8 vorliegenden Innendrucks aus der Öffnung 11 entfernt.
Dadurch kann die Öffnung 11 vollständig zu einem Ausströmen von Gas aus dem Innenraum des Batteriezellengehäuses 9 bzw. des Gehäuses 10 dienen.
An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass dazu die Aufnahmeeinheit 200 insbesondere in der Art mit dem Batteriezellengehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 verbunden ist, dass selbst ein moderater Innendruck ausreicht, dass Sicherheitselement 100 vollständig aus der Öffnung 11 zu entfernen.
Insbesondere die Verbindung zwischen dem Abdeckelement 12 und dem Batteriezellengehäuse 9 bzw. dem Gehäuse 10 an der Verbindungsstelle 13 befestigt das Abdeckelement 12 und somit das gesamte Sicherheitselement 100.
Die 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 7.
Dabei ist in der 5 insbesondere das Batteriezellengehäuse 9 der erfindungsgemäßen Batteriezelle 7 gezeigt.
Das Batteriezellengehäuse 9 weist dabei beispielhaft gegenüberliegend zueinander angeordnete größte Seitenflächen 91 auf.
Weiterhin weist das Batteriezellengehäuse 9 Seitenflächen 92 auf, welche von den größten Seitenflächen 91 verschieden sind.
Dabei sind die größten Seitenflächen 91 jeweils zu einer unmittelbaren mechanischen Kontaktierung einer weiteren Batteriezelle 9 ausgebildet.
Die 5 zeigt dabei, dass an den von den größten Seitenflächen 91 verschiedenen Seitenflächen 92 eine Mehrzahl an Sicherheitselementen 1, 100 gemäß den 1 bis 4 angeordnet ist.
An dieser Stelle sei hierzu angemerkt, dass es selbstverständlich allgemein möglich ist, an allen nicht zu einer unmittelbaren Kontaktierung mit einer weiteren Batteriezelle 9 oder auch mit einem Kühlelement oder mit einem Propagationsschutzelement ausgebildeten Seitenflächen Sicherheitselemente 1, 100 anzuordnen.
Insbesondere ist es bevorzugt eine Mehrzahl an Sicherheitselement 1, 100 anzuordnen, und weiterhin jeweils ein Sicherheitselement 1, 100 unmittelbar benachbart zu einer weiteren Batteriezelle 7 anzuordnen, um möglichst schnell auf ein thermisches Durchgehen einer benachbarten Batteriezelle 7 reagieren zu können.
Selbstverständlich ist es auch bei Propagationsschutzelementen 8 möglich, an allen nicht zu einer unmittelbaren Kontaktierung mit weiteren Bauelementen ausgebildeten Seitenflächen Sicherheitselement 1, 100 anzuordnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007024869 [0006]

Claims

Sicherheitselement einer Batteriezelle (7) oder eines Propagationsschutzelements (8), umfassend zumindest eine Aufnahmeeinrichtung (2, 200), welche zu einer Aufnahme des Sicherheitselements (1, 100) durch eine Batteriezelle (7) oder durch ein Propagationsschutzelement (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) umfasst, die einen mit einer Flüssigkeit (5, 500) gefüllten Innenraum (4, 400) aufweist, wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und das Aufnahmeelement (2, 200) insbesondere einstückig ausgebildet sind, und wobei das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin zumindest eine Sollbruchstelle (6, 600) umfasst, welche ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit (5, 500) nach gasförmig zu brechen.
Sicherheitselement nach dem vorherigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (5, 500) eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80° C aufweist, bevorzugt mit einem Wert unterhalb von 70° C aufweist, und insbesondere mit einem Wert unterhalb von 60° C aufweist.
Sicherheitselement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) die zumindest eine Sollbruchstelle (6) ausbildet.
Sicherheitselement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin ein Abdeckelement (12) umfasst, welches den Innenraum (4, 400) der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) zumindest teilweise begrenzt oder welches an der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) angeordnet ist, wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) weiterhin mit dem Abdeckelement (12) verbunden ist unter Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle (600) an einer Verbindungsstelle (14) zwischen der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und dem Abdeckelement (12).
Sicherheitselement nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin ein Abdeckelement (12) umfasst, welches den Innenraum (4, 400) der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) zumindest teilweise begrenzt oder welches an der Flüssigkeitsaufnahme (5, 500) angeordnet ist, wobei das Abdeckelement (12) die zumindest eine Sollbruchstelle (600) ausbildet.
Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, mit einem Batteriezellengehäuse (9), in welchem elektrochemische Komponenten der Batteriezelle (7) aufgenommen sind, wobei die Batteriezelle (7) weiterhin zumindest eine durchgehend durch das Batteriezellengehäuse (9) hindurch verlaufende Öffnung (11) aufweist und weiterhin ein Sicherheitselement (1, 100) umfasst, welches mittels einer Aufnahmeeinrichtung (2, 200) des Sicherheitselements (1, 100) in der Öffnung (11) des Batteriezellengehäuses (9) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) umfasst, die einen mit einer Flüssigkeit (5, 500) gefüllten Innenraum (4, 400) aufweist, wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und das Aufnahmeelement (2, 200) insbesondere einstückig ausgebildet sind, und wobei die Batteriezelle (7) weiterhin zumindest eine Sollbruchstelle (6, 600) umfasst, welche ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit (5, 500) nach gasförmig zu brechen.
Batteriezelle nach dem vorherigen Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (5, 500) eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80° C aufweist, bevorzugt mit einem Wert unterhalb von 70° C aufweist, und insbesondere mit einem Wert unterhalb von 60° C aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) die zumindest eine Sollbruchstelle (6) ausbildet.
Batteriezelle nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (7) weiterhin ein Abdeckelement (12) umfasst, welches den Innenraum (4, 400) der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) zumindest teilweise begrenzt oder welches an der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) angeordnet ist, wobei das Abdeckelement (12) weiterhin mit dem Batteriezellengehäuse (9) verbunden ist unter Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle (600) an einer Verbindungsstelle (13) zwischen dem Abdeckelement (12) und dem Batteriezellegehäuse (9) und/oder wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) weiterhin mit dem Abdeckelement (12) verbunden ist unter Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle (6, 600) an einer Verbindungsstelle (14) zwischen der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und dem Abdeckelement (12) und/oder wobei das Abdeckelement (12) die zumindest eine Sollbruchstelle (600) ausbilden.
Propagationsschutzelement eines Batteriemoduls mit einem Gehäuse (10), in welchem ein Temperierfluid mit einer Verdampfungstemperatur mit einem Wert zwischen 50° C und 80° C aufgenommen, wobei das Propagationsschutzelement (8) weiterhin zumindest eine durchgehend durch das Gehäuse (10) hindurch verlaufende Öffnung (11) aufweist und weiterhin ein Sicherheitselement (1, 100) umfasst, welches mittels einer Aufnahmeeinrichtung (2, 200) des Sicherheitselements (1, 100) in der Öffnung (11) des Gehäuses (10) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitselement (1, 100) weiterhin eine Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) umfasst, die einen mit einer Flüssigkeit (5, 500) gefüllten Innenraum (4, 400) aufweist, wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und das Aufnahmeelement (2, 200) insbesondere einstückig ausgebildet sind, und wobei das Propagationsschutzelement (8) weiterhin zumindest eine Sollbruchstelle (6, 600) umfasst, welche ausgebildet ist, bei einem zumindest teilweisen Phasenübergang der Flüssigkeit (5, 500) nach gasförmig zu brechen.
Propagationsschutzelement nach dem vorherigen Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (5, 500) eine Verdampfungstemperatur mit einem Wert unterhalb von 80° C aufweist, bevorzugt mit einem Wert unterhalb von 70° C aufweist, und insbesondere mit einem Wert unterhalb von 60° C aufweist.
Propagationsschutzelement nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) die zumindest eine Sollbruchstelle (6) ausbildet.
Propagationsschutzelement nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (8) weiterhin ein Abdeckelement (12) umfasst, welches den Innenraum (4, 400) der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) zumindest teilweise begrenzt oder welches an der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) angeordnet ist, wobei das Abdeckelement (12) weiterhin mit dem Gehäuse (10) verbunden ist unter Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle (600) an einer Verbindungsstelle (13) zwischen dem Abdeckelement (12) und dem Gehäuse (10) und/oder wobei die Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) weiterhin mit dem Abdeckelement (12) verbunden ist unter Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle (6, 600) an einer Verbindungsstelle (14) zwischen der Flüssigkeitsaufnahme (3, 300) und dem Abdeckelement (12) und/oder wobei das Abdeckelement (12) die zumindest eine Sollbruchstelle (600) umfasst.