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Feld der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stromkollektor, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung und/oder ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Die
US 2016/042878 A1 zeigt einen Stromkollektor für eine Lithium-Ionen-Batterie, der eine elektrisch leitfähige Folie und eine Kunststoffschicht aus Partikeln aufweist. Die Partikel weisen eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf. Die Partikel dehnen sich bei Erwärmung aus, so dass die elektrisch leitfähige Beschichtung unterbrochen wird.
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Die
US 2011/027657 A1 zeigt eine Elektrode für eine Sekundärbatterie, die eine Schicht aufweist, deren elektrischer Widerstand bei hohen Temperaturen zunimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Kern der Erfindung bei dem Stromkollektor für einen elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass der Stromkollektor einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, wobei der elektrische Widerstand des Stromkollektors eingerichtet ist, bei Erreichen eines Temperaturgrenzwertes stufenartig anzusteigen.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass in einem den erfindungsgemäßen Stromkollektor aufweisenden Energiespeicher ein Kurzschluss intrinsisch unterdrückt werden kann indem die durch den Kurzschluss entstehende Wärme zum Auslösen der Widerstandsänderung genutzt wird. Es ist kein zusätzlicher Sensor erforderlich, der den Kurzschluss erkennt. Der Kurzschluss wird automatisch an seinem Ursprung unterdrückt. Dabei bestimmt allein die Widerstandsänderung des Stromkollektors die Reaktionszeit auf den Kurzschluss.
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Unter einem stufenartigen Anstieg wird hierbei ein Anstieg verstanden, dessen Steigung infolge der Temperaturänderung zunimmt, insbesondere unstetig ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrische Widerstand des Stromkollektors eingerichtet, bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes lokal anzusteigen. Somit ist eine weitere Verwendung eines den Stromkollektor aufweisenden Energiespeichers nach einem Kurzschluss ermöglicht, da der Kurzschluss lokal unterdrückbar ist, der restliche Stromkollektor aber weiterhin verwendbar ist. Trotzdem ist der beschädigte Energiespeicher je nach Ausgestaltung der Erfindung identifizierbar, da die Selbstentladungsrate des Energiespeichers erhöht ist. Vorteilhafterweise ist die Fläche des Stromkollektors, deren Widerstand steigt, kleiner als 10 % der Gesamtfläche des Stromkollektors, insbesondere kleiner als 5 %, insbesondere kleiner als 1 % der Gesamtfläche.
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Von Vorteil ist es dabei, wenn der Temperaturgrenzwert zwischen 90°C und 140°C beträgt. Dadurch ist ein thermisches Durchgehen eines den Stromkollektor aufweisenden Energiespeichers vermeidbar.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der elektrische Widerstand des Stromkollektors eingerichtet ist, bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes innerhalb einer Zeitspanne von bis zu 5 Minuten, insbesondere bis zu 60 s, insbesondere 0,1 s bis 10 s, stufenartig anzusteigen. Je schneller der Widerstand ansteigt, desto geringer ist die Gefahr durch den Kurzschluss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Stromkollektor aus Kunststoff ausgeführt, insbesondere wobei der Kunststoff mit Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Stickstoff und/oder anderen Elementen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist, insbesondere wobei der Kunststoff als Matrix mit mindestens 20 % Kohlenstoff, z.B. in Form von Graphit oder Kohlenstoffnanoröhren, ausgeführt ist. Durch die Verwendung von Kunststoff ist der Stromkollektor in einfacher Art und Weise zu verarbeiten. Der Stromkollektor ist beständig gegenüber den weiteren Materialien des Energiespeichers, insbesondere einem Elektrolyten und/oder einem Aktivmaterial und/oder Kontaktmaterialien zum elektrischen Anschluss, ausführbar. Der Stromkollektor ist in einfacher Art und Weise mit dem Aktivmaterial beschichtbar.
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Vorteilhafterweise weist der Stromkollektor dotiertes gestreckt orientiertes Polyacetylen und/oder Polythiophen und/oder Polyanilin und/oder Polypyrrol und/oder mit Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Stickstoff und/oder anderen Elementen dotiertes Polyethylen und/oder mit Kohlenstoff und/oder Bor und/oder Stickstoff und/oder anderen Elementen dotiertes Polypropylen auf. Von Vorteil ist dabei, dass diese Materialien bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die in der Größenordnung von Aluminium oder Kupfer liegt, und/oder eine ausreichend hohe Stromtragfähigkeit zum Betrieb einer Batteriezelle aufweisen. Somit ist die elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Stromkollektors vergleichbar mit der elektrischen Leitfähigkeit von konventionellen Stromkollektoren - bei verbesserten Sicherheitseigenschaften.
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Vorteilhafterweise ist der Stromkollektor Kunststoff als Matrix mit mindestens 20 % Kohlenstoff zum Beispiel in Form von Graphit oder Kohlenstoffnanoröhren ausgeführt. Als Kunststoff können hier unter anderem Polyethylen, Polypropylen oder Polyethylenterephthalat genutzt werden. Die elektronische Leitfähigkeit wird hierbei durch die Perkolation des Kohlenstoffs in der Kunststoffmatrix erreicht. Bei Erreichen der Aktivierungstemperatur agglomeriert der Kohlenstoff in der Matrix und/oder der Kunststoff schmilzt, so dass die elektronische Leitfähigkeit gesenkt wird.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Stromkollektor zumindest zwei verschiedene Materialien aufweist, wobei die Materialien eingerichtet sind, bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes miteinander zu reagieren, insbesondere chemisch zu reagieren. Dadurch ist eine geringe Reaktionszeit ermöglicht.
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Vorteilhafterweise sind die Materialen als Lagen eines Schichtsystems ausgeführt. Somit ist der Stromkollektor in einfacher Art und Weise herstellbar.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Stromkollektor eingerichtet ist, sich bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes zumindest teilweise zu zersetzen. Dadurch ist eine lokale Widerstandsänderung ermöglicht.
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Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass der elektrische Energiespeicher zumindest einen Stromkollektor wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den Stromkollektor bezogenen Ansprüche aufweist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass ein Kurzschluss intrinsisch unterdrückt werden kann indem die durch den Kurzschluss entstehende Wärme zum Auslösen der Widerstandsänderung genutzt wird. Es ist kein zusätzlicher Sensor erforderlich, der den Kurzschluss erkennt. Der Kurzschluss wird automatisch an seinem Ursprung unterdrückt. Dabei bestimmt allein die Widerstandsänderung des Stromkollektors die Reaktionszeit auf den Kurzschluss.
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Somit sind keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Der Energiespeicher ist kompakt ausführbar. Für die weiteren Komponenten sind unter anderem konventionelle Materialien verwendbar.
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Vorteilhafterweise weist der elektrische Energiespeicher einen Elektrolyten und/oder zumindest eine Elektrode auf, wobei der Stromkollektor eingerichtet ist, bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes mit dem Elektrolyten zu reagieren, insbesondere chemisch zu reagieren. Von Vorteil ist dabei, dass eine geringe Reaktionszeit ermöglicht ist.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Anode des elektrischen Energiespeichers als erfindungsgemäßer Stromkollektor ausgeführt ist und die Kathode des elektrischen Energiespeichers Hochenergiematerialien aufweist, insbesondere Li
aNi
xCo
yAl
ZO
2 und/oder Li
aNi
xCo
yMn
ZO
2, insbesondere Li
aNi
xCo
yMn
ZO
2 aufweisend x=0.8 (80 % Nickel), y=0.1 (10 % Kobalt) und z=0.1 (10 % Mangan), 0<a<1. Dadurch ist eine verbesserte Energiedichte bei einer sicheren Energiezelle ermöglicht. Vorteilhafterweise sind Energiespeicherzellen mit mehr als 60 Ah Nennkapazität möglich.
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Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung und/oder dem Fahrzeug besteht darin, dass die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug zumindest einen elektrischen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf den elektrischen Energiespeicher bezogenen Ansprüche aufweist.
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Hintergrund der Erfindung ist, dass die Energiedichte des Energiespeichers für die Vorrichtung und/oder das Fahrzeug vergrößerbar ist. Dadurch ist das Gewicht und/oder die Größe der Vorrichtung und/oder des Fahrzeugs reduzierbar. Alternativ ist die Reichweite der Vorrichtung und/oder des Fahrzeugs vergrößerbar.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromkollektors 1 und eines Widerstandes (R3, Rsc, Rd) zwischen dem erfindungsgemäßen Stromkollektor 1 und einem weiteren Stromkollektor 2, jeweils
- a) in unversehrtem Zustand;
- b) bei einem Kurzschluss SC und
- c) nach einem Passivieren des Stromkollektors 1;
- 2 eine Spannung Ucell und eine Temperatur Tcell eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers als Funktion der Zeit t;
- 3 eine schematische Darstellung von Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 des elektrischen Energiespeichers und Widerständen (R1, R2, R3, ..., Rn) zwischen den Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 im unversehrtem Zustand;
- 4 eine schematische Darstellung von Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 des elektrischen Energiespeichers und Widerständen (R1, R2, R3, ..., Rn) zwischen den Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 bei einem Kurzschluss zwischen einem Stromkollektor 1 und einem weiteren Stromkollektor 2;
- 5 eine schematische Darstellung von Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 des elektrischen Energiespeichers und Widerständen (R1, R2, R3, ..., Rn) zwischen den Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 nach Aktivierung des erfindungsgemäßen Stromkollektors;
und
- 6 eine schematische Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stromkollektors 1 und eines resultierenden Strompfades (7, 7a), jeweils
- a) in unversehrtem Zustand;
- b) bei einem internen Kurzschluss SC und
- c) nach Aktivierung des erfindungsgemäßen Stromkollektors 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1a) ist der erfindungsgemäße Stromkollektor 1, insbesondere eine Stromkollektorfolie, eines erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers dargestellt. Der Stromkollektor 1 ist beabstandet von einem weiteren Stromkollektor 2 angeordnet. Zwischen dem Stromkollektor 1 und dem weiteren Stromkollektor 2 ist ein Widerstand R3 angeordnet, der den elektronischen Widerstand zwischen den beiden Stromkollektoren widergibt.
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In der 1b) sind der Stromkollektor 1 und der weitere Stromkollektor 2 dargestellt. Der Stromkollektor 1 und der weitere Stromkollektor 2 sind mittels eines internen Kurzschlusses SC verbunden. Der Kurzschluss SC resultiert in einem Kurzschlusswiderstand Rsc, der zwischen dem Stromkollektor 1 und dem weiteren Stromkollektor 2 und parallel geschaltet zu dem Widerstand R3 angeordnet ist. Dabei ist der Kurzschlusswiderstand Rsc kleiner als der Widerstand R3.
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In der 1c) sind der Stromkollektor 1 und der weitere Stromkollektor 2 dargestellt. Der Stromkollektor 1 weist eine Passivierung d auf, die den Kurzschluss SC umgibt. Die den Kurzschluss SC umgebende Passivierung d resultiert in einem Passivierungswiderstand Rd, der in Reihe geschaltet zu dem Kurzschlusswiderstand Rsc angeordnet ist. Dabei ist der Passivierungswiderstand Rd größer als der Kurzschlusswiderstand Rsc. Die Summe aus dem Passivierungswiderstand Rd und dem Kurzschlusswiderstand Rsc ist in der Regel kleiner oder gleich dem Widerstand R3, kann aber je nach Ausführung des erfindungsgemäßen Stromkollektors und des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichers sogar auch größer als dieser sein.
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R3 stellt den elektronischen Widerstand zwischen den beiden unversehrten Stromkollektoren dar; Rsc stellt den elektronischen Widerstand zwischen den beiden Stromkollektoren aufgrund eines internen Kurzschlusses dar; Rd stellt den elektronischen Widerstand innerhalb des erfindungsgemäßen Stromkollektors nach Bildung eines internen Kurzschlusses und entsprechender Reduzierung der elektronischen Leitfähigkeit um den Kurzschluss herum dar.
In der Regel gilt R3 > Rd > Rsc, wobei der erfindungsgemäße Stromkollektor derart beschaffen sein soll, so dass gilt R3 = Rd > > Rsc.
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2 zeigt die Temperatur Tcell und die Spannung Ucell zwischen dem Stromkollektor 1 und dem weiteren Stromkollektor 2 des elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Energiespeicherzelle, als Funktion der Zeit t.
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Zu einem ersten Zeitpunkt t1 tritt ein interner Kurzschluss SC zwischen den Stromkollektoren auf. Bis zu dem ersten Zeitpunkt t1 sind die Temperatur Tcell und die Spannung Ucell konstant. Aufgrund des Kurzschlusses SC fällt die Spannung Ucell annähernd stufenartig ab und die Temperatur Tcell steigt an, insbesondere exponentiell.
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Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird der Stromkollektor 1 aktiviert. Sobald die Temperatur Tcell einen Temperaturgrenzwert überschreitet, wird die Passivierung d des Stromkollektors 1 aktiviert. Die Spannung Ucell steigt wieder an, insbesondere linear, bis sie einen konstanten Wert erreicht, der im Wesentlichen gleich der Spannung Ucell vor dem ersten Zeitpunkt t1 ist oder geringfügig darunter liegt.
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Nach dem zweiten Zeitpunkt t2 steigt die Temperatur Tcell langsamer an und nimmt, nachdem die Spannung Ucell wieder den konstanten Wert erreicht hat, exponentiell ab und nähert sich der Temperatur Tcell vor dem ersten Zeitpunkt t1 an.
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3 zeigt eine Vielzahl von parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordneten Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 im unversehrten Zustand zu einem Zeitpunkt t0, der vor dem ersten Zeitpunkt t1, zu dem der Kurzschluss SC auftritt, liegt. Es gilt also t0 < t1. Somit ist eine Batteriezelle bestehend aus mehreren Stromkollektoren, insbesondere Anoden und Kathoden, schematisch dargestellt.
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Die Stromkollektoren 1 und die weiteren Stromkollektoren 2 sind jeweils alternierend angeordnet. Die Stromkollektoren 1 sind jeweils parallel zueinander angeordnet. Die weiteren Stromkollektoren 2 sind jeweils parallel zueinander angeordnet.
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Zwischen jeweils einem Stromkollektor 1 und jeweils einem weiteren Stromkollektor 2 ist jeweils ein Widerstand (R1, R2, R3, ... Rn) angeordnet.
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Der Gesamtwiderstand
R3tot zwischen einem Stromkollektor
1 und einem weiteren Stromkollektor
2 ist zum Zeitpunkt
t0 konstant, es gilt:
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4 zeigt die Vielzahl von parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordneten Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 zu einem Zeitpunkt t3, der nach dem ersten Zeitpunkt t1, an dem ein Kurzschluss SC auftritt, liegt. Es gilt also t3 > t1.
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Zwischen einem Stromkollektor 1 und einem weiteren Stromkollektor 2 hat sich zum Zeitpunkt t1 ein Kurzschluss SC ausgebildet.
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Der Widerstand
R3tot zwischen dem Stromkollektor
1 und dem zweiten Stromkollektor
2 nimmt nach dem ersten Zeitpunkt
t1 in einem Zeitabschnitt Δt ab, insbesondere im Wesentlichen stufenartig ab, bis zu dem Kurzschlusswiderstand Rsc (da Rsc <<
R3). Es gilt:
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Dabei ist der Widerstand R3 sehr viel größer als der Kurzschlusswiderstand Rsc. Der Kurzschlusswiderstand Rsc ist parallel geschaltet zu dem Widerstand R3 angeordnet.
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5 zeigt die Vielzahl von parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordneten Stromkollektoren 1 und weiteren Stromkollektoren 2 zu einem Zeitpunkt t4, der nach dem zweiten Zeitpunkt t2, an dem der Kurzschluss SC passiviert wird, liegt. Es gilt also t4 > t2 > t1.
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Um den Kurzschluss hat sich zum Zeitpunkt t2 eine Passivierung d in dem Stromkollektor 1 gebildet, der den Kurzschluss SC umgibt. Der Kurzschlusswiderstand Rsc ist in Reihe geschaltet zu dem Passivierungswiderstand Rd angeordnet.
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Der Widerstand R3tot zwischen dem Stromkollektor 1 und dem zweiten Stromkollektor 2 nimmt nach dem ersten Zeitpunkt t2 in einem Zeitabschnitt Δt2 zu, insbesondere im Wesentlichen linear zu.
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Für den Fall, dass R3tot = Rsc + Rd oder nur wenig größer oder kleiner ist, beziehungsweise im Allgemeinen gilt:
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Für den Fall dass die Summe aus dem Kurzschlusswiderstand Rsc und dem Passivierungswiderstand
Rd viel größer als
R3 ist gilt:
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In 6a) ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromkollektors 1 und eines Aktivmaterials 4 dargestellt. Das Aktivmaterial 4 ist geeignet, Lithiumionen des elektrischen Energiespeichers einzulagern. Vorzugsweise ist das Aktivmaterial 4 aus Kohlenstoffpartikeln ausgeführt, die auf dem Stromkollektor 1 angeordnet sind.
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In 6b) ist eine Penetration des auf dem Stromkollektor 1 angeordneten Aktivmaterials mittels eines Nagels 6 dargestellt, die zu einem Kurzschluss SC führt. Ein Kurzschlusspfad 7 verläuft entlang des Nagels, durchdringt das Aktivmaterial 4 und erreicht den Stromkollektor 1. Dadurch wird der Stromkollektor 1 elektrisch leitend mit dem hier nicht dargestellten weiteren Stromkollektor 2 direkt verbunden. Durch diesen Kurzschluss SC wird Wärme 5 freigesetzt, die die Passivierung d des Stromkollektors 1 aktiviert.
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In 6c sind der Stromkollektor 1, das Aktivmaterial 4 und der Nagel 6 nach der Aktivierung der Passivierung d des Stromkollektors 1 dargestellt. Durch die Passivierung d erhöht sich der Widerstand des Stromkollektors 1 im Bereich einer Berührfläche des Nagels 6 mit dem Stromkollektor 1. Dadurch wird der Kurzschlusspfad 7a über das Aktivmaterial 4 umgelenkt.
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In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stromkollektor 1 geeignet, Lithiumionen einzulagern. In diesem Fall fungiert der Stromkollektor 1 zusätzlich selbst als Aktivmaterial. Auf zusätzliches Aktivmaterial kann verzichtet werden.
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Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.
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Der elektrische Energiespeicher weist zumindest einen Stromkollektor 1 und einen weiteren Stromkollektor 2, ein Aktivmaterial, einen Separator und/oder einen Elektrolyten auf. Zwischen dem Stromkollektor 1 und dem weiteren Stromkollektor 2 ist der Separator und/oder der Elektrolyt angeordnet. Die Stromkollektoren (1, 2) sind gestapelt und/oder gewickelt in dem elektrischen Energiespeicher angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016042878 A1 [0002]
- US 2011027657 A1 [0003]
