DE102018120029A1

DE102018120029A1 - Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle sowie Batteriezelle

Info

Publication number: DE102018120029A1
Application number: DE102018120029.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Zipprich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2020-02-20
Also published as: CN110838598A; CN110838598B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle (1), die Batteriezelle (1) zumindest aufweisend einen Kathodenabschnitt (2), einen Anodenabschnitt (3) und einen Elektrolyten (4) wobei der Kathodenabschnitt (2) und der Anodenabschnitt (3) zumindest teilweise vom Elektrolyten (4) umgeben sind, und wobei der Elektrolyt (4) polymerisationsfähige Verbindungen (5) umfasst. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batteriezelle (1), aufweisend zumindest einen Kathodenabschnitt (2), einen Anodenabschnitt (3) und einen Elektrolyten (4), wobei der Kathodenabschnitt (2) und der Anodenabschnitt (3) zumindest teilweise vom Elektrolyten (4) umgeben sind, und wobei der Elektrolyt (4) polymerisationsfähige Verbindungen (5) umfasst, ferner aufweisend eine Kontrolleinheit (10) zum Überwachen der Batteriezelle (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle, die Batteriezelle zumindest aufweisend einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolyten, wobei der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt zumindest teilweise vom Elektrolyten umgeben sind, und wobei der Elektrolyt polymerisationsfähige Verbindungen umfasst. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Batteriezelle, aufweisend zumindest einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolyten, wobei der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt zumindest teilweise vom Elektrolyten umgeben sind, und wobei der Elektrolyt polymerisationsfähige Verbindungen umfasst, ferner aufweisend eine Kontrolleinheit zum Überwachen der Batteriezelle.
In der modernen Technik ist es grundsätzlich bekannt, Batteriezellen, insbesondere wiederaufladbare Batteriezellen, einzusetzen, um insbesondere in mobilen Anwendungen elektrische Energie bereitstellen zu können. Derartige Batteriezellen können beispielsweise auf einer Lithium-Ionen-Technologie basieren. Bekannte Batteriezellen weisen zumeist einen Anodenabschnitt mit einer Anode und einen Kathodenabschnitt mit einer Kathode sowie einen die Anode und die Kathode zumindest teilweise umgebenden Elektrolyten auf. Unter gewissen Umständen, wie beispielsweise einem internen oder externen Kurzschluss, einem Temperaturanstieg und/oder einer starken mechanischen Belastung, können derartige Batteriezellen beschädigt werden und insbesondere überhitzen, wobei eine derartige Überhitzung oftmals selbstverstärkend ist und dadurch insbesondere auch eine Gefährdung für die Umgebung der Batteriezellen darstellen kann. Eine zur Überhitzung führende thermische Reaktion startet zumeist an der Anode, beispielsweise durch eine Zersetzung einer passiven Grenzschicht (solid electrolyte interface, SEI) auf der Oberfläche der Anode und eine dadurch ausgelöste exotherme Reaktion mit einem Elektrolyten der Batteriezelle. Später kann, bedingt durch die immer weiter ansteigende Temperatur, an der Kathode insbesondere eine Sauerstofffreisetzung einsetzen, wodurch die selbstverstärkende Aufheizung noch weiter gesteigert wird.
Gemäß dem Stand der Technik ist ferner bekannt, Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, um einen derartigen selbstverstärkenden Überhitzungsprozess zu verhindern. Insbesondere ist es bekannt, im Elektrolyten der Batteriezelle, insbesondere durch eine Beimischung von polymerisationsfähigen Verbindungen in den Elektrolyten, bei einer ansteigenden Temperatur in der Batteriezelle eine Polymerisation durch eine Polymerisationsreaktion auszulösen. Auf diese Weise kann eine Reduktion und/oder Einstellung einer Elektrolytbeweglichkeit erreicht werden, wodurch es insbesondere zu einer Eindämmung der exothermen Reaktionen des Elektrolyten mit beziehungsweise an der Anode kommt. Eine Selbstverstärkung der Hitzeentwicklung wird damit unterbunden und gestoppt.
Gemäß dem Stand der Technik ist insbesondere bekannt, das Auslösen der Polymerisationsreaktion durch eine thermische und dadurch passive Aktivierung der polymerisationsfähigen Verbindungen zu steuern, siehe insbesondere die DE 44 06 617 A1 , die DE 10 2012 221 761 A1 sowie die DE 10 2016 210 562 A1 . Nachteilig hierbei hat sich jedoch herausgestellt, dass das Auslösen der Polymerisationsreaktionen, wie oben beschrieben, nur passiv erfolgt, wodurch der Zeitpunkt der Auslösung nicht gesteuert werden kann. Auch ist ein präventives Auslösen der Polymerisationsreaktionen ist durch eine derartige passive thermische Aktivierung der polymerisationsfähigen Verbindungen nicht bereitstellbar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle sowie eine Batteriezelle bereitzustellen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise ermöglichen, eine aktiv gesteuerte und/oder kontrollierte Auslösung einer Polymerisationsreaktion von polymerisationsfähigen Verbindungen im Elektrolyten einer Batteriezelle zu ermöglichen, wobei insbesondere auch andere, bevorzugt nicht thermische, Auslösungskriterien berücksichtigt werden können.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Batteriezelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 4. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle und jeweils gekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle, die Batteriezelle zumindest, aufweisend einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolyten, wobei der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt zumindest teilweise vom Elektrolyten umgeben sind, und wobei der Elektrolyt polymerisationsfähige Verbindungen umfasst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Überwachung eines Betriebszustandes der Batteriezelle zum Erkennen eines Störfalls durch eine Kontrolleinheit,
b) Bei einem in Schritt a) erkannten Störfall, Ansteuern einer Strahlungsquelle durch die Kontrolleinheit zum Aussenden einer Polymerisationsstrahlung durch die Strahlungsquelle, und
c) Einbringen der in Schritt b) durch die Strahlungsquelle ausgesandten Polymerisationsstrahlung in den Elektrolyten zum Auslösen einer Polymerisationsreaktion in der polymerisationsfähigen Verbindung im Elektrolyten.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Einsatz in einer Batteriezelle vorgesehen, insbesondere um eine Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben der Batteriezelle bereitstellen zu können. Eine derartige Batteriezelle kann besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet und beispielsweise für einen Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, vorgesehen sein. Die Batteriezelle weist insbesondere einen Kathodenabschnitt mit einer Kathode und einen Anodenabschnitt mit einer Anode auf, die jeweils von einem Elektrolyten zumindest teilweise umgeben sind. Das Volumen, in dem der Elektrolyt angeordnet ist, kann bevorzugt auch durch einen, insbesondere für geladene Ionen durchlässigen, Separator in zumindest zwei Untervolumen unterteilt sein, bevorzugt wenigstens eine Untervolumen für den Anodenabschnitt und zumindest ein weiteres Untervolumen für den Kathodenabschnitt. Erfindungsgemäß ist ferner im Elektrolyten insbesondere eine polymerisationsfähige Verbindung enthalten. Insbesondere kann ferner diese polymerisationsfähige Verbindung als eine strahlungsinitiierbare polymerisationsfähige Verbindung ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann eine Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindung durch ein Einbringen einer entsprechend ausgebildeten Polymerisationsstrahlung ausgelöst werden.
Gemäß einem ersten Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Betriebszustand der Batteriezelle überwacht. Diese Überwachung kann kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durchgeführt werden, insbesondere beispielsweise durch Messungen von Betriebsparametern der Batteriezelle durch geeignete Sensorelemente. Auch eine Überwachung in Intervallen und/oder abhängig von einem Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel ein zumindest teilweises Aussetzen der Überwachung bei geparktem Fahrzeug, ist denkbar. Werden bei diesen Messungen beziehungsweise bei der Überwachung des Betriebszustands der Batteriezelle durch die Kontrolleinheit Messergebnisse erkannt, die außerhalb von insbesondere vorgebbaren Parameterbereichen liegen, kann durch die Kontrolleinheit der Batteriezelle ein Störfall erkannt werden. Die Parametergrenzen zum Erkennen eines Störfalls können bevorzugt derart gewählt sein, dass bei einem erkannten Störfall erwartet werden kann, dass eine insbesondere selbstverstärkende Überhitzung der Batteriezelle bevorstehen könnte. Parametergrenzen können im Sinne der Erfindung sowohl für feste Werte der Betriebsparameter als auch für Änderungen und/oder Gradienten der Betriebsparameter festgelegt sein.
Im nächsten Schritt b) wird, insbesondere bei Vorliegen eines im Schritt a) erkannten Störfalls, durch die Kontrolleinheit eine Strahlungsquelle angesteuert. Diese Strahlungsquelle ist insbesondere zum Aussenden einer Polymerisationsstrahlung ausgebildet. Durch die Polymerisationsstrahlung kann ferner insbesondere eine Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindungen im Elektrolyten ausgelöst werden. Mit anderen Worten ist eine Polymerisationsstrahlung im Sinne der Erfindung eine Strahlung, durch die eine Polymerisation in der polymerisationsfähigen Verbindung eingeleitet und/oder ausgelöst werden kann. Um dies bereitstellen zu können, können insbesondere die polymerisationsfähigen Verbindungen im Elektrolyten als strahlungsinitiierbare polymerisationsfähigen Verbindungen ausgebildet sein.
Im letzten Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, die in Schritt b) durch die Strahlungsquelle ausgesandte Polymerisationsstrahlung in den Elektrolyten einzubringen. Dies kann beispielsweise durch ein direktes Platzieren der Strahlungsquelle im Elektrolyten bereitgestellt werden. Auch ein Einstrahlen der Polymerisationsstrahlung der Strahlungsquelle, welche in diesem Fall außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist, durch eine geeignete Einstrahlöffnung ins Innere des mit dem Elektrolyten gefüllten Batterievolumens der Batteriezelle und damit in den Elektrolyten, kann vorgesehen sein. Auch mehrere Strahlungsquellen, bevorzugt gleichmäßig in und/oder an der Batteriezelle angeordnet, können zur Bereitstellung der Polymerisationsstrahlung eingesetzt werden. Durch die in den Elektrolyten eingebrachte Polymerisationsstrahlung wird eine Polymerisationsreaktion der strahlungsinitiierbaren polymerisationsfähigen Verbindungen ausgelöst. Auf diese Weise kann somit eine Polymerisation des gesamten Elektrolyten herbeigeführt werden. Diese Polymerisationsreaktion führt insbesondere zu einer Reduktion und/oder einer Einstellung einer Elektrolytbeweglichkeit und damit zu einer Eindämmung der Reaktionen des Elektrolyten mit beziehungsweise an der Anode des Anodenabschnitts. Eine weitere Beschädigung der Batteriezelle durch Überhitzung und insbesondere eine Gefährdung einer Umgebung der Batteriezelle, insbesondere von weiteren Batteriezellen, kann auf diese Weise verhindert werden.
Zusammenfassend kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren eine Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle dahin gehend verbessert werden, dass bei einem Erkennen eines bevorstehenden und/oder möglichen Störfalls eine Polymerisationsreaktion im Elektrolyten der Batteriezelle ausgelöst wird. Dieses Auslösen der Polymerisationsreaktion wird durch ein Einbringen einer Polymerisationsstrahlung, ausgesandt durch eine Strahlungsquelle, aktiv gesteuert bereitgestellt. Mit anderen Worten kann dieses Bereitstellen durch ein Ansteuern der Strahlungsquelle aktiv durch die Kontrolleinheit gesteuert und kontrolliert werden. Auf diese Weise kann die Polymerisationsreaktion im Elektrolyten besonders frühzeitig und insbesondere auch präventiv ausgelöst werden, eine Maßnahme, die bei einer rein passiven Auslösung einer Polymerisationsreaktion im Elektrolyten nicht zur Verfügung steht.
Ferner kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass für die Überwachung in Schritt a) zumindest einer der folgenden Betriebsparameter durch einen Störfallsensor ermittelt wird, wobei insbesondere ein Messergebnis des Störfallsensors mit einem Störfallgrenzwert verglichen wird:

- Temperatur
- Spannung
- Strom
- Leistungsabgabe
- mechanische Belastung

Diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass insbesondere auch weitere Betriebsparameter, soweit technisch möglich und sinnvoll, für eine Überwachung eines Betriebszustands der Batteriezelle eingesetzt werden können. Insbesondere können auch mehrere dieser Betriebsparameter durch entsprechend ausgebildete Störfallsensoren ermittelt werden, wobei für jeden der Betriebsparameter bevorzugt ein eigener Störfallgrenzwert eingesetzt wird. Dadurch ist auch eine Kombination von zwei oder mehr überwachten Betriebsparametern und deren Störfallgrenzwerten bereitstellbar. Ein Störfallgrenzwert im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein einfacher Wert, der auf eine Über- beziehungsweise Unterschreitung überprüft wird, sein. Auch ein Wertebereich, innerhalb beziehungsweise außerhalb dem sich der überwachte Betriebsparameter in einem Regelbetrieb der Batteriezelle befinden soll, kann einen Störfallgrenzwert im Sinne der Erfindung darstellen. Eine besonders umfassende Überwachung eines Betriebszustands einer Batteriezelle kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahin gehend weiterentwickelt sein, dass die Polymerisationsstrahlung zumindest eine der folgenden Strahlungsarten verwendet wird:

- UV-Strahlung
- IR-Strahlung
- sichtbares Licht
- Röntgenstrahlung
- Elektronen
- Mikrowellen

Auch diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass, falls sinnvoll und möglich, auch andere und weitere Polymerisationsstrahlungen eingesetzt werden können. Durch die verschiedenen Polymerisationsstrahlungen kann insbesondere eine Vielzahl von verschiedenen polymerisationsfähigen Verbindungen als Teil des jeweiligen Elektrolyten der Batteriezelle eingesetzt werden. Entsprechend können auch die jeweils eingesetzten Strahlungsquellen zum Aussenden der jeweiligen Polymerisationsstrahlung ausgebildet sein. Als Beispiel sei hier eine Diode zum Aussenden von UV-Strahlung angeführt. Je nach verwendeten Elektrolyten kann insbesondere auch eine passende, insbesondere den Regelbetrieb der Batteriezelle möglichst nicht oder zumindest nur wenig beeinflussende polymerisationsfähige Verbindung gewählt werden. Eine besonders große Bandbreite an Batteriezellen, an oder in denen ein erfindungsgemäßes Verfahren angewandt werden kann, kann auf diese Weise ermöglicht werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Batteriezelle, aufweisend zumindest einen Kathodenabschnitt, einen Anodenabschnitt und einen Elektrolyten, wobei der Kathodenabschnitt und der Anodenabschnitt zumindest teilweise vom Elektrolyten umgeben sind, und wobei der Elektrolyt polymerisationsfähige Verbindungen umfasst, ferner aufweisend eine Kontrolleinheit zum Überwachen der Batteriezelle. Eine erfindungsgemäße Batteriezelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die polymerisationsfähigen Verbindungen als strahlungsinitiierbare polymerisationsfähige Verbindungen ausgebildet sind und dass die Batteriezelle eine ansteuerbare Strahlungsquelle zum Aussenden einer Polymerisationsstrahlung für ein gesteuertes Auslösen einer strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindungen des Elektrolyten aufweist.
Eine erfindungsgemäße Batteriezelle weist als Hauptbestandteile insbesondere einen Kathodenabschnitt mit einer Kathode, einen Anodenabschnitt mit einer Anode sowie einen Elektrolyten auf, wobei die Kathode des Kathodenabschnitts und die Anode des Anodenabschnitts zumindest teilweise vom Elektrolyten umgeben sind. Das Volumen, in dem der Elektrolyt angeordnet ist, kann bevorzugt auch durch einen, insbesondere für geladene Ionen durchlässigen, Separator in zumindest zwei Untervolumen unterteilt sein, bevorzugt wenigstens eines für den Anodenabschnitt und zumindest ein weiteres für den Kathodenabschnitt. Durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle kann somit elektrische Energie insbesondere für mobile Anwendungen bereitgestellt werden. Der Elektrolyt einer erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst insbesondere auch polymerisationsfähige Verbindungen, durch die eine Polymerisationsreaktion des Elektrolyten ausgelöst beziehungsweise durchgeführt werden können. Eine Kontrolleinheit der Batteriezelle ermöglicht insbesondere ein Überwachen eines Betriebszustands der Batteriezelle, insbesondere um beispielsweise eine Abweichung eines Betriebszustands der Batteriezelle vom Regelbetrieb und damit einen Störfall beim Betreiben der Batteriezelle feststellen zu können. Die Kontrolleinheit kann als Teil der Batteriezelle selbst ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontrolleinheit auch getrennt von der restlichen Batteriezelle vorgesehen sein und/oder in eine übergeordnete Kontrollvorrichtung, beispielsweise eines Fahrzeugs, integriert ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß sind die im Elektrolyten enthaltenen polymerisationsfähigen Verbindungen als strahlungsinitiierbare polymerisationsfähigen Verbindungen ausgebildet. Strahlungsinitiierbar im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass die durch die polymerisationsfähigen Verbindungen bereitgestellten Polymerisationsreaktionen im Elektrolyten durch Einbringen einer Polymerisationsstrahlung einer externen Strahlungsquelle ausgelöst werden können. Für diesen Zweck weist eine erfindungsgemäße Batteriezelle insbesondere eine ansteuerbare Strahlungsquelle zum Aussenden dieser Polymerisationsstrahlung auf. Auch mehrere Strahlungsquellen, bevorzugt gleichmäßig in und/oder an der Batteriezelle angeordnet, können zur Bereitstellung der Polymerisationsstrahlung vorgesehen sein. Ansteuerbar im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere, dass die Strahlungsquelle kontrolliert, insbesondere beispielsweise gesteuert und/oder geregelt durch die Kontrolleinheit, angesteuert werden kann, wobei dadurch das Aussenden der Polymerisationsstrahlung ein- beziehungsweise auch ausgeschaltet werden kann. Die Strahlungsquelle wiederum ist insbesondere dahin gehend ausgebildet, dass durch sie eine passende Polymerisationsstrahlung für die die strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktionen der polymerisationsfähigen Verbindungen des Elektrolyten ausgesandt werden kann. Mit anderen Worten kann bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, insbesondere und bevorzugt gesteuert und/oder kontrolliert durch die Kontrolleinheit, eine Abweichung eines Betriebszustands der Batteriezelle von Sollwerten erkannt werden und insbesondere in einem Störfall die Strahlungsquelle angesteuert und dadurch ein Aussenden von Polymerisationsstrahlung der Strahlungsquelle ausgelöst werden. Die Polymerisationsstrahlung wiederum kann in den Elektrolyten der Batteriezelle eingebracht werden, wodurch die Polymerisationsreaktionen der polymerisationsfähigen Verbindungen im Elektrolyten ausgelöst werden. Durch dieses insbesondere aktive Auslösen der Polymerisationsreaktionen der polymerisationsfähigen Verbindungen kann insbesondere eine selbstverstärkende Überhitzung der Batteriezelle unterbunden werden. Eine Gefährdung für die Batteriezelle selbst und insbesondere auch für die Umgebung der Batteriezelle durch eine derartige selbstverstärkende Überhitzung kann auf diese Weise sicher vermieden werden.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batteriezelle dahin gehend ausgebildet sein, dass die Kontrolleinheit zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die ausführlich in Bezug auf ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden, deren Kontrolleinheit zum Ausführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist.
Ferner kann bevorzugt bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgesehen sein, dass die Batteriezelle als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgebildet ist. Lithium-Ionen Batteriezellen stellen Batteriezellen mit einer besonders hohen Energiedichte dar, wodurch eine besonders große Menge an elektrischer Energie beziehungsweise Leistung durch die erfindungsgemäße Batteriezelle bereitgestellt werden kann.
Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle zum Aussenden zumindest einer der folgenden Polymerisationsstrahlungen ausgebildet ist:

Diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass auch weitere Polymerisationsstrahlungen durch eine entsprechend ausgebildete Strahlungsquelle einer erfindungsgemäßen Batteriezelle ausgesandt werden können. Eine besonders angepasste Ausgestaltung einer Strahlungsquelle einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, insbesondere angepasst an die entsprechende im Elektrolyten vorhandene strahlungsinitiierbare polymerisationsfähige Verbindung, kann auf diese Weise bereitgestellt werden.
Auch kann bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle ferner vorgesehen sein, dass der Elektrolyten zumindest eine der folgenden strahlungsinitiierbaren polymerisationsfähigen Verbindungen umfasst:

- Acryle
- Acrylester
- Methacryle
- Methacrylester
- Alkoxyverbindungen
- Etherverbindungen
- Methoxyverbindungen
- Amine

Diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass auch weitere strahlungsinitiierbare polymerisationsfähigen Verbindungen in einem Elektrolyten einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorhanden sein können. Insbesondere kann für jede Batteriezelle eine passende polymerisationsfähige Verbindung ausgewählt werden, sodass, insbesondere elektrolytabhängig, für jede Batteriezelle eine besonders gute Mischung aus Elektrolyt und polymerisationsfähige Verbindung bereitgestellt werden kann.
Bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Batteriezelle ferner dahin gehend ausgebildet sein, dass der Elektrolyt zumindest eine Initiatorverbindung, insbesondere eine thermolatente Initiatorverbindung, zum Verstärken der strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion umfasst. Bei Elektrolyten und den durch den Elektrolyten umfassten polymerisationsfähigen Verbindungen kann es vorkommen, dass beispielsweise eine Eindringtiefe der Polymerisationsstrahlung, ausgesandt durch die Strahlungsquelle, in den Elektrolyten begrenzt ist. Durch Initiatorverbindungen kann die Wirkung der Polymerisationsstrahlung, insbesondere die Polymerisationsreaktion, auch über den direkten Wirkungsbereich der Polymerstationsstrahlung hinaus in den gesamten restlichen Elektrolyten weitergeleitet werden. Ein Verstärken der strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion, insbesondere eine Erweiterung der strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion auf bevorzugt den gesamten Elektrolyten der Batteriezelle kann auf diese Weise besonders einfach bereitgestellt werden. Thermolatente Initiatorverbindungen weisen insbesondere eine hohe Temperaturstabilität auf, sodass die Vorteile der Initiatorverbindungen durch thermolatente Initiatorverbindungen über einen großen Temperaturbereich und besonders bevorzugt temperaturunabhängig bereitgestellt werden können. Ferner kann dadurch der Einsatz von stabileren polymerisationsfähigen Verbindungen ermöglicht werden, wodurch eine größere Bandbreite bei der Materialauswahl für die polymerisationsfähigen Verbindungen bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer ersten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle kann ferner vorgesehen sein, dass die strahlungsinitiierte Polymerisationsreaktion eine radikalische Polymerisationsreaktion ist, wobei der Elektrolyt zumindest eine der folgenden Initiatorverbindungen umfasst:

- Peroxidverbindungen
- Disulfidverbindungen
- Azoverbindungen

Diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass für radikalische Polymerisationsreaktionen auch weitere geeignete Initiatorverbindungen eingesetzt werden können.
Gemäß einer alternativen Weiterentwicklung kann ferner bei einer erfindungsgemäßen Batteriezelle vorgesehen sein, dass die strahlungsinitiierte Polymerisationsreaktion eine kationische Polymerisationsreaktion ist, wobei der Elektrolyt zumindest eine der folgenden Initiatorverbindungen umfasst:

- Aryldiazoniumsalze
- Arylsulfoniumsalze
- Alkoxypyridiniumsalze
- Sulfonylketone
- Cumarinderivate
- Benzoinderivate

Diese Liste ist nicht abgeschlossen, sodass insbesondere auch weitere geeignete Initiatorverbindungen zum Verstärken von kationischen Polymerisationsreaktionen im Elektrolyten eingesetzt werden können.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehenden Merkmale, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den beliebigen verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und/oder Wirkungsweise sind in den 1, 2 und 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Verfahren,
2 eine erfindungsgemäße Batteriezelle, und
3 eine weitere Ansicht der erfindungsgemäßen Batteriezelle.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, wie es beispielsweise durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1, wie sie in den 2 und 3 gezeigt ist, ausgeführt werden kann. Die einzelnen Schritte a) bis c) werden in 1 mit Großbuchstaben bezeichnet. Im Folgenden werden die 1, 2 sowie 3 gemeinsam beschrieben, wobei auf die Einzelheiten der einzelnen Figuren gesondert eingegangen wird.
2 zeigt insbesondere eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1, die bevorzugt als Lithium-Ionen-Batteriezelle 1 ausgebildet sein kann. Wesentliche Bestandteile der Batteriezelle 1 stellen insbesondere ein Kathodenabschnitt 2 mit einer Kathode, ein Anodenabschnitt 3 mit einer Anode sowie ein Elektrolyt 4 dar. Der Elektrolyt 4 der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 beinhaltet ferner eine polymerisationsfähige Verbindung 5. Die polymerisationsfähige Verbindung 5 ist bevorzugt im Elektrolyt 4 gelöst und ist in 2 lediglich zur besseren Darstellbarkeit als eigenständige Fläche gezeigt. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass im Elektrolyten 4 Initiatorverbindungen 6 vorhanden sind, die insbesondere zum Verstärken der Polymerisationsreaktionen eingesetzt werden können. Auch die Initiatorverbindungen 6 sind bevorzugt im Elektrolyt 4 gelöst und sind in 2 lediglich zur besseren Darstellbarkeit als eigenständige Fläche gezeigt. Die Kathode des Kathodenabschnitts 2 und die Anode des Anodenabschnitts 3 sind insbesondere zumindest teilweise durch den Elektrolyten 4 umgeben, um am Kathodenabschnitt 2 und am Anodenabschnitt 3 elektrische Energie abgreifen zu können.
3 zeigt die in 2 abgebildete erfindungsgemäße Batteriezelle 1 in einer weiteren Ansicht, insbesondere in einer Seitenansicht. In dieser Darstellung ist ein Separator 7 deutlich erkennbar, der in dieser bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 zwischen einem Kathodenabschnitt 2 und einem Anodenabschnitt 3 angeordnet ist. Die Kathode des Kathodenabschnitts 2 sowie die Anode des Anodenabschnitts 3 ist nicht mit abgebildet. Der Elektrolyt 4 ist in dieser Darstellung mit einer in ihm gelösten polymerisationsfähigen Verbindung 5 und einem ebenfalls in ihm gelösten Initiatorverbindung 6 gezeigt.
Eine Kontrolleinheit 10 ist für ein Überwachen eines Betriebszustands der Batteriezelle 1 ausgebildet, beispielsweise durch eine Verwendung von Störfallsensoren 11. Diese Störfallsensoren 11 können beispielsweise, wie dargestellt, als Temperatursensor 12 und/oder Spannungssensor 13 ausgebildet sein. So kann beispielsweise eine Temperatur der Batteriezelle 1 auf ein Überschreiten einer Grenztemperatur und/oder eine durch die Batteriezelle 1 bereitgestellte Spannung auf ein Unterschreiten einer Spannungsgrenze überwacht werden. Dies entspricht dem Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in 1 mit A bezeichnet. Dieses Überwachen kann bevorzugt kontinuierlich oder zumindest im Wesentlichen kontinuierlich, alternativ oder zusätzlich auch in Intervallen, durchgeführt werden, wobei durch die Kontrolleinheit 10 durch ein entsprechendes Ansteuern von weiteren, nicht abgebildeten Störfallsensoren 11, auch weitere Betriebsparameter, wie beispielsweise ein Strom, eine Leistungsabgabe und/oder eine mechanische Belastung der Batteriezelle 1 überwacht werden kann.
Wird in einem zweiten Schritt b), in 1 mit B bezeichnet, ein Störfall erkannt, beispielsweise durch ein Überschreiten beziehungsweise Unterschreiten eines Störfallgrenzwerts, kann durch die Kontrolleinheit 10 eine Strahlungsquelle 20 der Batteriezelle 1 angesteuert werden. Diese Strahlungsquelle 20 kann, wie abgebildet, ebenfalls im Inneren der Batteriezelle 1, insbesondere eingebettet in den Elektrolyten 4, angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle 20 auch außerhalb der Batteriezelle 1 angeordnet sein. Erfindungswesentlich kann die Strahlungsquelle 20, angesteuert durch die Kontrolleinheit 10 im Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Polymerisationsstrahlung 21 aussenden. Damit dies eine Wirkung aufweist, umfasst der Elektrolyt 4 der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 eine polymerisationsfähige Verbindung 5. Diese polymerisationsfähige Verbindung 5 ist erfindungsgemäß strahlungsinitiierbar ausgebildet, das heißt mit anderen Worten, dass bei einer Einstrahlung der Polymerisationsstrahlung 21 der Strahlungsquelle 20 eine Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindung 5 ausgelöst werden kann.
Dies entspricht dem Schritt c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens, in 1 mit C bezeichnet. Besonders einfach kann die Polymerisationsstrahlung 21 durch die Strahlungsquelle 20 im Elektrolyten 4 dann eingebracht werden, wenn die Strahlungsquelle 20 bereits im Elektrolyten 4 angeordnet ist. Bei einer externen Strahlungsquelle 20 außerhalb der Batteriezelle 1 kann bevorzugt vorgesehen sein, dass im Gehäuse und/oder einer Folieneinhausung der Batteriezelle 1 ein entsprechendes strahlungsdurchlässiges Fenster zum Einbringen der Polymerisationsstrahlung 21 in den Elektrolyten 4 vorgesehen sein kann. Je nach eingesetzter polymerisationsfähigen Verbindung 5 und verwendeter Strahlungsquelle 20 kann die Polymerisationsstrahlung 21 bevorzugt UV-Strahlung, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Mikrowellenstrahlung und/oder Elektronen sein. Durch die Polymerisationsreaktion der Polarisationsverbindung 5, ausgelöst durch das Einbringen der Polymerisationsstrahlung 21, wird eine Reduktion und/oder Einstellung einer Beweglichkeit des Elektrolyten 4 ausgelöst, wodurch es zu einer Eindämmung von Reaktionen des Elektrolyten 4 mit beziehungsweise am Anodenabschnitt 3 kommt. Mit anderen Worten wird somit eine feste Barriere zwischen dem Anodenabschnitt 3 und dem Kathodenabschnitt 2 bereitgestellt, die einen weiteren Ladungstransport zwischen dem Anodenabschnitt 3 und dem Kathodenabschnitt 2 verhindert. Insbesondere können dadurch Reaktionen verhindert werden, die zu einer selbstverstärkenden Hitzeentwicklung in der Batteriezelle 1 führen können. Je nach eingesetzter Polymerisationsstrahlung 21 und insbesondere dem in der Batteriezelle 1 verwendeten Elektrolyten 4 können verschiedene strahlungsinitiierbare polymerisationsfähigen Verbindungen 5 eingesetzt werden, beispielsweise Acryle, Methacryle, deren Ester, Alkoxyverbindungen, Etherverbindungen, Methoxyverbindungen und/oder Amine. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass im Elektrolyten 4 Initiatorverbindungen 6 vorhanden sind, die insbesondere zum Verstärken der Polymerisationsreaktionen eingesetzt werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise kompensiert werden, dass eine Polymerisationsstrahlung 21 oftmals im Elektrolyten 4 nur eine geringe Eindringtiefe aufweist. Besonders bevorzugt können derartige Initiatorverbindungen 6 thermolatent und damit nicht oder nur unwesentlich temperaturabhängig ausgebildet sein. Je nachdem, ob die Polymerisationsreaktion als eine radikalische oder eine kationische Polymerisationsreaktion ausgebildet ist, können die Initiatorverbindungen 6 dementsprechend ausgebildet sein. So kann eine radikalische Polymerisationsreaktion beispielsweise durch Peroxidverbindungen, Disulfidverbindungen und/oder Azoverbindungen als Initiatorverbindungen 6 verstärkt werden. Bei kationischen Polymerisationsreaktionen können als Initiatorverbindungen 6 beispielsweise Aryldiazoniumsalze, Arylsulfoniumsalze, Alkoxypyridiniumsalze, Sulfonylketone, Cumarinderivate und/oder Benzoinderivate eingesetzt werden.
Zusammenfassend kann somit durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie es in 1 beziehungsweise durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle 1, wie sie in den 2 und 3 gezeigt ist, bereitgestellt werden, dass eine aktive Auslösung von Polymerisationsreaktionen von polymerisationsfähigen Verbindungen 5 im Elektrolyten 4 der Batteriezelle 1 bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann durch eine Kontrolleinheit 10 ein Betriebszustand der Batteriezelle 1 überwacht werden und basierend auf einem Überwachungsergebnis über eine Ansteuerung einer Strahlungsquelle 20 die Polymerisationsreaktion ausgelöst werden. Dies kann zum einen bei einem bereits eingetretenen Störfall, zum anderen aber auch präventiv vorgenommen werden. Insgesamt kann auf diese Weise eine Sicherheit beim Betreiben einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Kathodenabschnitt
3: Anodenabschnitt
4: Elektrolyten
5: Polymerisationsfähige Verbindung
6: Initiatorverbindung
7: Separator
10: Kontrolleinheit
11: Störfallsensor
12: Temperatursensor
13: Spannungssensor
20: Strahlungsquelle
21: Polymerisationsstrahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4406617 A1 [0004]
DE 102012221761 A1 [0004]
DE 102016210562 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erhöhung einer Sicherheit beim Betreiben einer Batteriezelle (1), die Batteriezelle (1) zumindest aufweisend einen Kathodenabschnitt (2), einen Anodenabschnitt (3) und einen Elektrolyten (4), wobei der Kathodenabschnitt (2) und der Anodenabschnitt (3) zumindest teilweise vom Elektrolyten (4) umgeben sind und wobei der Elektrolyt (4) polymerisationsfähige Verbindungen (5) umfasst, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Überwachen eines Betriebszustandes der Batteriezelle (1) zum Erkennen eines Störfalls durch eine Kontrolleinheit (10), b) Bei einem in Schritt a) erkannten Störfall, Ansteuern einer Strahlungsquelle (20) durch die Kontrolleinheit (10) zum Aussenden einer Polymerisationsstrahlung (21) durch die Strahlungsquelle (20), und c) Einbringen der in Schritt b) durch die Strahlungsquelle (20) ausgesandten Polymerisationsstrahlung (21) in den Elektrolyten (4) zum Auslösen einer Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindungen (5) im Elektrolyten (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überwachung in Schritt a) zumindest einer der folgenden Betriebsparameter durch einen Störfallsensor (11) ermittelt wird, wobei insbesondere ein Messergebnis des Störfallsensors (11) mit einem Störfallgrenzwert verglichen wird: - Temperatur - Spannung - Strom - Leistungsabgabe - mechanische Belastung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymerisationsstrahlung (21) zumindest eine der folgenden Strahlungsarten verwendet wird: - UV-Strahlung - IR-Strahlung - sichtbares Licht - Röntgenstrahlung - Mikrowellen - Elektronen.
Batteriezelle (1), aufweisend zumindest einen Kathodenabschnitt (2), einen Anodenabschnitt (3) und einen Elektrolyten (4), wobei der Kathodenabschnitt (2) und der Anodenabschnitt (3) zumindest teilweise vom Elektrolyten (4) umgeben sind und wobei der Elektrolyt (4) polymerisationsfähige Verbindungen (5) umfasst, ferner aufweisend eine Kontrolleinheit (10) zum Überwachen der Batteriezelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass die polymerisationsfähigen Verbindungen (5) als strahlungsinitiierbare polymerisationsfähigen Verbindungen (5) ausgebildet sind und dass die Batteriezelle (1) eine ansteuerbare Strahlungsquelle (20) zum Aussenden einer Polymerisationsstrahlung (21) für ein gesteuertes Auslösen einer strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion der polymerisationsfähigen Verbindungen (5) des Elektrolyten (4) aufweist.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (10) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (1) als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (1) ausgebildet ist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (20) zum Aussenden zumindest einer der folgenden Polymerisationsstrahlungen (21) ausgebildet ist: - UV-Strahlung - IR-Strahlung - sichtbares Licht - Röntgenstrahlung - Mikrowellen - Elektronen.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (4) zumindest eine der folgenden strahlungsinitiierbaren polymerisationsfähigen Verbindungen (5) umfasst: - Acryle - Acrylester - Methacryle - Methacrylester - Alkoxyverbindungen - Etherverbindungen - Methoxyverbindungen - Amine.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (4) zumindest eine Initiatorverbindung (6), insbesondere eine thermolatente Initiatorverbindung (6), zum Verstärken der strahlungsinitiierten Polymerisationsreaktion umfasst.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsinitiierte Polymerisationsreaktion eine radikalische Polymerisationsreaktion ist, wobei der Elektrolyt (4) zumindest eine der folgenden Initiatorverbindungen (6) umfasst: - Peroxidverbindungen - Disulfidverbindungen - Azoverbindungen.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsinitiierte Polymerisationsreaktion eine kationische Polymerisationsreaktion ist, wobei der Elektrolyt (4) zumindest eine der folgenden Initiatorverbindungen (6) umfasst: - Aryldiazoniumsalze - Arylsulfoniumsalze - Alkoxypyridiniumsalze - Sulfonylketone - Cumarinderivate - Benzoinderivate.