DE102018208017A1 - Energy storage protected by a composite material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verbundmaterials umfassend Fasern und Graphitfolie zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers, z.B. des sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs.The present invention relates to the use of a composite material comprising fibers and graphite foil to protect an energy store which heats up during charging and / or discharging, e.g. the energy storage of a vehicle that heats up during charging and / or discharging.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung bestimmter Verbundmaterialien zum Schutz von Energiespeichern, die sich beim Laden und/oder Entladen erwärmen, insbesondere von Energiespeichern, die einen dem Antrieb eines Fahrzeugs dienenden Elektromotor antreiben, wie von Lithiumionenbatterien in Elektroautos.The present invention relates to the use of certain composite materials to protect energy storage devices which heat up during charging and / or discharging, in particular energy storage devices which drive an electric motor driving a vehicle, such as lithium-ion batteries in electric cars.
Batterien werden umhüllt, z.B. durch ein Batteriegehäuse. Im Allgemeinen dienen die Hüllen dazu, mehrere elektrochemischer Zellen relativ zueinander in Position zu halten und um die Batterie in der gewünschten Position, z.B. in einem Fahrzeug, fest zu verankern.Batteries are enveloped, e.g. through a battery case. In general, the sheaths serve to hold a plurality of electrochemical cells in position relative to each other and to position the battery in the desired position, e.g. in a vehicle, firmly anchored.
Das
Die
Das
Das Gebrauchsmuster
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeicher vor Beschädigung durch einwirkende Kräfte, etwa bei Steinschlag oder beim Aufprall eines Fahrzeugs zu schützen und gleichzeitig seine passive Kühlfähigkeit zu verbessern.The object of the present invention is to protect an energy store, which heats up during charging and / or discharging, from damage by acting forces, for example during rockfall or when a vehicle collides, and at the same time to improve its passive cooling capability.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Verbundmaterials umfassend Fasern und Graphitfolie zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers, z.B. des sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs.This object is achieved by the use of a composite material comprising fibers and graphite foil to protect an energy store which heats up during charging and / or discharging, e.g. the energy storage of a vehicle that heats up during charging and / or discharging.
Es kann sich um einen stationären Energiespeicher, z.B. um eine stationäre Batterie oder um einen mobilen Energiespeicher, z.B. um eine mobile Batterie, handeln. Unter Batterien werden im Zusammenhang mit dieser Erfindung aufladbare Batterien verstanden.It can be a stationary energy storage, eg a stationary battery or a mobile energy storage, such as a mobile battery act. Batteries are understood to mean rechargeable batteries in the context of this invention.
Auch bei stationären Energiespeichern, die oft erheblich größer sind, als mobile Energiespeicher, ist der Schutz vor Beschädigung durch einwirkende Kräfte, besonders wichtig. Durch solche Energiespeicher können bei Beschädigung große Energiemengen freigesetzt werden. Entsprechend hoch sind die Risiken für Menschen in der Umgebung. Dies gilt für stationären Batterien in großen Gebäuden, die etwa im Falle von Erdbeben nicht durch herunterstürzende Gebäudeteile beschädigt werden dürfen. Ähnliches gilt für stationäre Batterien an Orten, an denen deren Beschädigung durch Unfälle mit Luft-, Schienen- oder Straßenfahrzeuge droht. Gerade hier kommt es darauf an, eine Beschädigung des Energiespeichers durch einwirkende Kräfte zu verringern und die passive Kühlfähigkeit zu verbessern.Even with stationary energy storage, which are often considerably larger than mobile energy storage, the protection against damage by acting forces, is particularly important. Such energy storage can be released in case of damage large amounts of energy. Accordingly, the risks are high for people in the area. This applies to stationary batteries in large buildings, which may not be damaged in case of earthquakes by falling building parts. The same applies to stationary batteries in places where they may be damaged by accidents involving air, rail or road vehicles. Especially here it is important to reduce damage to the energy storage by acting forces and to improve the passive cooling ability.
Bei dem Energiespeicher handelt es sich bevorzugt um einen sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers eines Fahrzeugs, insbesondere um einen sich beim Laden und/oder Entladen mit elektrischem Strom erwärmenden Energiespeicher eines Fahrzeugs. Vorzugsweise treibt der Energiespeicher mindestens einen dem Antrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor an. Dann kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen. Es wurde gefunden, dass sowohl die geringe Masse des Verbundmaterials, also auch die passive Kühlfähigkeit letztlich zu einer Steigerung der Reichweite des Fahrzeugs beitragen. Die verringerte Masse wirkt sich unmittelbar auf den Energieverbrauch aus. Die verbesserte passive Kühlung verringert den Bedarf energieaufwändiger aktiver Kühlung des Energiespeichers, so dass ein höherer Anteil der im Energiespeicher gespeicherten Energie zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann. Gleichzeitig erhöht sich die Lebensdauer des Energiespeichers. Die Lebensdauer erhöht sich insbesondere wenn es sich bei dem Energiespeicher um eine Batterie handelt. Batterien und insbesondere Lithiumionenbatterien altern bei erhöhten Temperaturen schneller. Es wird vermutet, dass das erfindungsgemäße Verbundmaterial Temperaturspitzen ausgleicht und dadurch die Lebensdauer der Batteriezellen steigt. Somit lässt sich das mit dem Energiespeicher betriebene Fahrzeug insgesamt besonders effizient antreiben. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Landfahrzeug (z.B. eine HEV oder BEV) oder ein Luftfahrzeug.The energy store is preferably an energy store of a vehicle that heats up during charging and / or discharging, in particular an energy store of a vehicle that heats up when charging and / or discharging with electric current. Preferably, the energy storage drives at least one of the drive of the vehicle serving electric motor. Then the advantages of the invention come into play especially. It has been found that both the low mass of the composite material and the passive cooling capability ultimately contribute to increasing the range of the vehicle. The reduced mass has a direct effect on energy consumption. The improved passive cooling reduces the need for energy-consuming active cooling of the energy store, so that a higher proportion of the energy stored in the energy store can be used to drive the vehicle. At the same time, the life of the energy storage increases. The life increases especially if it is the energy storage is a battery. Batteries, and especially lithium-ion batteries, age faster at elevated temperatures. It is believed that the composite material according to the invention compensates for temperature peaks and thereby increases the service life of the battery cells. As a result, the vehicle operated with the energy store can be driven particularly efficiently overall. The vehicle is preferably a land vehicle (e.g., a HEV or BEV) or an aircraft.
Die Erfindung betrifft auch einen Energiespeicher für ein Fahrzeug, der sich beim Laden und/oder Entladen erwärmt und mindestens teilweise von einem Verbundmaterial umgeben ist, wobei das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie umfasst.The invention also relates to an energy storage device for a vehicle that heats up during loading and / or unloading and is at least partially surrounded by a composite material, wherein the composite material comprises fibers and graphite foil.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand ist ein Fahrzeug aufweisend einen Energiespeicher, der sich beim Laden und/oder Entladen erwärmt, wobei der Energiespeicher mindestens teilweise von einem Verbundmaterial umgeben ist und das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie umfasst.A further object according to the invention is a vehicle having an energy store which heats up during loading and / or unloading, wherein the energy store is at least partially surrounded by a composite material and the composite material comprises fibers and graphite foil.
Typischerweise ist das Verbundmaterial flächig. Es weist vorzugsweise zwei Hauptflächen auf, wobei eine der Hauptflächen dem Energiespeicher zugewandt ist und die andere Hauptfläche vom Energiespeicher abgewandt.Typically, the composite material is planar. It preferably has two main surfaces, one of the main surfaces facing the energy store and the other main surface facing away from the energy store.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewandten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, dem Untergrund, auf dem sich das Fahrzeug befindet, etwa einer Straße, zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher vor mechanischer Beschädigung von unten, etwa vor Steinschlag.In the vehicle according to the invention, part of the main surface facing away from the energy store or the entire main surface facing away from the energy store may face the ground on which the vehicle is located, for example a road. This protects the energy storage from mechanical damage from below, for example against falling rocks.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewandten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, der Front des Fahrzeugs und/oder dem Heck des Fahrzeugs zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher insbesondere bei Auffahrunfällen, bei denen das Fahrzeug mit der Front oder dem Heck auf einen Gegenstand, z.B. ein anderes Fahrzeug, auffährt.In the vehicle according to the invention, part of the main surface remote from the energy store or the entire main surface facing away from the energy store may face the front of the vehicle and / or the rear of the vehicle. This protects the energy storage, especially in rear-end collisions, in which the vehicle with the front or the rear on an object, e.g. another vehicle, opens up.
Im erfindungsgemäßen Fahrzeug kann ein Teil der vom Energiespeicher abgewandten Hauptfläche oder die gesamte, vom Energiespeicher abgewandte Hauptfläche, der Fahrerseite oder der Beifahrerseite des Fahrzeugs zugewandt sein. Dies schützt den Energiespeicher insbesondere bei Auffahrunfällen, bei denen ein anderes Fahrzeug auf eine der Seiten des erfindungsgemäßen Fahrzeugs aufprallt.In the vehicle according to the invention, part of the main surface remote from the energy store or the entire main surface facing away from the energy store may face the driver's side or the passenger side of the vehicle. This protects the energy storage, especially in rear-end collisions, in which another vehicle impacts one of the sides of the vehicle according to the invention.
Zum Schutz des Energiespeichers können mehrere Verbundmaterialien verwendet werden, wobei erfindungsgemäß mindestens eines der Verbundmaterialien Fasern und Graphitfolie umfasst. Beispielsweise können im wesentlichen ebene Verbundmaterialien auf unterschiedlichen Seiten des Energiespeichers angeordnet sein, z.B. unterhalb des Energiespeichers, vorn am Energiespeicher, hinten am Energiespeicher und/oder an einer oder beiden Seiten des Energiespeichers.To protect the energy storage device, a plurality of composite materials may be used, wherein according to the invention at least one of the composite materials comprises fibers and graphite foil. For example, substantially planar composite materials may be disposed on different sides of the energy store, e.g. below the energy store, at the front of the energy store, at the back of the energy store and / or on one or both sides of the energy store.
Alternativ kann das Verbundmaterial sich so um den Energiespeicher herum erstrecken, dass es sich zugleich in einen Bereich unterhalb des Energiespeichers und in mindestens einen Bereich vorn am Energiespeicher und/oder hinten am Energiespeicher erstreckt; oder dass es sich zugleich in einen Bereich unterhalb des Energiespeichers und in mindestens einen Bereich an einer oder beiden Seiten des Energiespeichers erstreckt. Hierzu muss das Verbundmaterial mindestens einen Knick oder eine Biegung aufweisen.Alternatively, the composite material can extend around the energy store in such a way that it at the same time extends into an area below the energy store and into at least one area at the front of the energy store and / or at the rear of the energy store; or that it is at the same time in an area below the energy store and in at least one area at one or both Sides of the energy store extends. For this purpose, the composite material must have at least one kink or bend.
Die Angaben „unterhalb“, „vorn“, „hinten“, „an einer oder beiden Seiten des Energiespeichers“ beziehen sich auf die Ausrichtung des Energiespeichers, wenn dieser bestimmungsgemäß im Fahrzeug verbaut wird. „vorn“ bezeichnet also die der Front des Fahrzeugs zugewandte Seite des bestimmungsgemäß im Fahrzeug verbauten Energiespeichers und „hinten“ die dem Heck des Fahrzeugs zugewandte Seite des bestimmungsgemäß im Fahrzeug verbauten Energiespeichers.The information "below", "front", "rear", "on one or both sides of the energy storage" refer to the orientation of the energy storage device, if it is intended to be installed in the vehicle. Thus, "front" refers to the side of the energy accumulator installed as intended in the vehicle, and "rear" to the front of the vehicle, and the side of the energy accumulator installed as intended in the vehicle that faces the rear of the vehicle.
Vorzugweise ist mindestens ein Teil des Verbundmaterials in Fahrtrichtung vor oder hinter dem elektrischen Energiespeicher angeordnet oder unter dem elektrischen Energiespeicher angeordnet.Preferably, at least a portion of the composite material in the direction of travel is arranged in front of or behind the electrical energy storage or arranged under the electrical energy storage.
Im Allgemeinen ist das Verbundmaterial nahe am Energiespeicher angeordnet. Es kann z.B. an der Oberfläche des Energiespeichers anliegen. Jeder Punkt der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Verbundmaterials hat einen bestimmten Abstand d zum Energiespeicher. Vorzugsweise gilt für jeden Punkt der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche:
- n
- für 3; insbesondere für 2;
vorzugsweise für 1,5; besonders bevorzugt für 1 steht; und
- A
- die Oberfläche der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Verbundmaterials ist.
- n
- for 3; especially for 2; preferably for 1.5; particularly preferably 1; and
- A
- the surface of the energy storage facing main surface of the composite material is.
Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Verbundmaterial nahe am Energiespeicher befindet. Dies verringert das Risiko einer Beschädigung des Energiespeichers durch zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher gelangende Fahrzeugteile bei Unfällen oder durch zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher gelangende Steine bei Steinschlag. Denn der Raum zwischen Energiespeicher und Verbundmaterial ist durch dieses Merkmal begrenzt.This will ensure that the composite material is close to the energy store. This reduces the risk of damage to the energy storage by reaching between composite material and energy storage vehicle parts in accidents or passing between composite material and energy storage stones in case of rockfall. Because the space between energy storage and composite material is limited by this feature.
In bestimmten Ausführungsformen gilt für jeden Punkt der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche:
- m
- für 0,005; insbesondere für 0,01; vorzugsweise für 0,02; besonders bevorzugt für 0,05 und ganz besonders bevorzugt für 0,1 steht; und
- A
- die Oberfläche der dem Energiespeicher zugewandten Hauptfläche des Verbundmaterials ist.
- m
- for 0.005; in particular for 0.01; preferably for 0.02; more preferably 0.05, and most preferably 0.1; and
- A
- the surface of the energy storage facing main surface of the composite material is.
Dadurch wird sichergestellt, dass das Verbundmaterial einen definierten Abstand zum Energiespeicher einhält. Dies verringert das Risiko einer unerwünschten elektrischen Aufladung der Graphitfolie des Verbundmaterials durch den Energiespeicher und gewährleistet, dass zwischen Verbundmaterial und Energiespeicher überall ausreichend Platz für einen Wärmeleiter besteht. Letztlich wird dadurch die Betriebssicherheit erhöht, insbesondere das Risiko eines Stromschlags bei zu einem Unfallort gelangenden Personen, die in Kontakt mit dem Verbundmaterial geraten können.This ensures that the composite material maintains a defined distance to the energy store. This reduces the risk of unwanted electrical charging of the graphite foil of the composite material through the energy storage device and ensures that there is sufficient space for a heat conductor everywhere between the composite material and the energy store. Ultimately, this increases the reliability, in particular the risk of electric shock when reaching a place of accident people who may come in contact with the composite material.
Erfindungsgemäß umfasst das Verbundmaterial Fasern und Graphitfolie.According to the invention, the composite material comprises fibers and graphite foil.
Graphitfolien lassen sich bekanntermaßen dadurch herstellen, dass man Graphit mit bestimmten Säuren behandelt, wobei sich ein Graphitsalz bildet, mit zwischen Graphenschichten eingelagerten Säure-Anionen. Das Graphitsalz wird anschließend expandiert, indem man es hohen Temperaturen von z.B. 800 °C aussetzt. Das bei der Expansion erhaltene Graphitexpandat wird anschließend zur Graphitfolie verpresst. Ein Verfahren zur Herstellung von Graphitfolien ist z.B. in der
Grundsätzlich können erfindungsgemäß beliebige Fasern eingesetzt werden. Es sind keine Fasern bekannt, die sich mit Graphitfolie nicht zu einem Verbundmaterial verarbeiten lassen. Jedoch ist es allgemein bevorzugt, besonders feste Fasern einzusetzen. Beispielsweise haben die Fasern eine Festigkeit von mehr als 600 MPa, insbesondere mehr als 1200 MPa, vorzugsweise mehr als 1500 MPa, besonders bevorzugt mehr als 2000 MPa. Die Festigkeit ist die Zugfestigkeit. Sie kann mit Messverfahren bestimmt werden, die dem Fachmann wohlbekannt sind. Der Einsatz besonders fester Fasern bietet den Vorteil, dass sich schon mit geringem Faserflächengewicht, also z.B. mit besonders dünnen Faserschichten ein sehr hoher Schutz des Energiespeichers gegenüber unerwünschten mechanischen Einwirkungen, wie eindringen Fahrzeugteile bei Unfällen oder Steinen bei Steinschlag erzielen lässt. Die Fasern können z.B. Carbonfasern, Aramidfasern und/oder Glasfasern umfassen. Carbonfasern sind besonders bevorzugt.In principle, according to the invention, any fibers can be used. There are no known fibers that can not be processed with graphite foil into a composite material. However, it is generally preferred to use particularly strong fibers. For example, the fibers have a strength of more than 600 MPa, in particular more than 1200 MPa, preferably more than 1500 MPa, particularly preferably more than 2000 MPa. The strength is the tensile strength. It can be determined by measuring methods well known to those skilled in the art. The use of particularly strong fibers offers the advantage that even with a low fiber basis weight, thus e.g. with very thin fiber layers a very high protection of the energy storage against unwanted mechanical effects, such as penetration vehicle parts in case of accidents or stones in case of rockfall can be achieved. The fibers may e.g. Carbon fibers, aramid fibers and / or glass fibers include. Carbon fibers are particularly preferred.
Die Graphitfolie und die Fasern können in eine Schicht des Verbundmaterials eingearbeitet sein.The graphite foil and the fibers may be incorporated in a layer of the composite material.
Im Allgemeinen ist das Verbundmaterial jedoch ein Schichtverbundmaterial, das eine Faserschicht und eine Graphitfolienschicht umfasst. Vorzugsweise sind dann die Fasern in der Faserschicht angeordnet und die Graphitfolie ist in der Graphitfolienschicht angeordnet. Schichtverbundmaterialien sind erfindungsgemäß bevorzugte Verbundmaterialien, da sie sich in besonders einfacher Weise dadurch herstellen lassen, dass man eine Graphitfolie auf einer Faserschicht anbringt, z.B. anklebt. Die Dicke der Faserschicht kann z.B. 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 0,8 bis 4 mm, besonders bevorzugt 1 bis 3 mm betragen. In general, however, the composite material is a laminar composite material comprising a fibrous layer and a graphite foil layer. Preferably, the fibers are then arranged in the fiber layer and the graphite foil is arranged in the graphite foil layer. Layered composite materials are preferred composite materials according to the invention, since they can be produced in a particularly simple manner by applying a graphite foil to a fibrous layer, for example by gluing. The thickness of the fiber layer may be, for example, 0.5 to 5 mm, preferably 0.8 to 4 mm, particularly preferably 1 to 3 mm.
In einer Ausführungsform sind die Fasern, z.B. die Faserschicht, mit einem Harz an die Graphitfolie, z.B. an die Graphitfolienschicht, gebunden. Das Harz kann z.B. ausgewählt sein unter Thermoplasten und Duroplasten wie Epoxidharzen und Phenolharzen. Vorzugsweise ist das Harz ein Epoxidharz. Als Harze eignen sich darüber hinaus unter anderem auch ungesättigte Polyester, Bismaleinimide, Polyimide, Cyanatester, Polyphenylene, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyetherketone, Polybenzimidazole, Polayamide und Polyetherimide.In one embodiment, the fibers, e.g. the fibrous layer, with a resin to the graphite foil, e.g. to the graphite foil layer, bound. The resin may e.g. be selected from thermoplastics and thermosets such as epoxy resins and phenolic resins. Preferably, the resin is an epoxy resin. Other suitable resins include, inter alia, unsaturated polyesters, bismaleimides, polyimides, cyanate esters, polyphenylenes, polysulfones, polyethersulfones, polyphenylene sulfides, polyether ketones, polybenzimidazoles, polyamides and polyetherimides.
Die Faserschicht kann ein Faserverbund von Fasern, z.B. Carbonfasern und Harzmatrix sein, worin die Fasern im Wesentlichen vollständig vom Harz umschlossen sind. Als Harzmatrix geeignete Matrixpolymere sind in dem Buch „Carbonfasern und ihre Verbundwerkstoffe, Herstellungsprozesse, Anwendungen und Marktentwicklung“, Verlag Moderne Industrie GmbH, ISBN 978-3-86236-001-7 ab Seite 28 beschrieben.The fibrous layer may be a fiber composite of fibers, e.g. Carbon fibers and resin matrix, wherein the fibers are substantially completely enclosed by the resin. As matrix matrix suitable matrix polymers are in the book "Carbon fibers and their composites, manufacturing processes, applications and market development", Verlag Moderne Industrie GmbH, ISBN 978-3-86236-001-7 from page 28 described.
In einer Ausführungsform ist das Harz der Harzmatrix das Harz, mit dem die Faserschicht an die Graphitfolie gebunden ist. Dies ist bevorzugt, da sich der Schichtverbund dann durch Aufbringung eines Prepregs auf die Graphitfolie in besonders einfacher Weise herstellen lässt. Jedoch kann das Harz der Harzmatrix auch von dem Harz, mit dem die Faserschicht an die Graphitfolie gebunden ist, verschieden sein.In one embodiment, the resin of the resin matrix is the resin with which the fibrous layer is bonded to the graphite foil. This is preferred since the layer composite can then be produced in a particularly simple manner by applying a prepreg to the graphite foil. However, the resin of the resin matrix may also be different from the resin with which the fiber layer is bonded to the graphite foil.
Die Fasern können im Wesentlichen parallel zueinander oder in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Die Faserschicht kann ein Fasergestrick, ein Fasergelege oder ein Fasergewebe, z.B. ein Carbonfasergestrick, Carbonfasergelege oder ein Carbonfasergewebe umfassen. Bei dem Gelege kann es sich um ein biaxiales Gelege oder um ein multiaxiales Gelege handeln.The fibers may be substantially parallel to each other or in different directions. The fibrous layer may be a fiber knit, a fiber web or a fibrous web, e.g. a carbon fiber fabric, carbon fiber fabric or carbon fiber fabric. The clutch may be a biaxial clutch or a multiaxial clutch.
Bevorzugte Faserverbunde sind in dem Buch „Carbonfasern und ihre Verbundwerkstoffe, Herstellungsprozesse, Anwendungen und Marktentwicklung“, Verlag Moderne Industrie GmbH, ISBN 978-3-86236-001-7 ab Seite 35 beschrieben. Bei dem Faserverbund kann es sich also um einen carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln. In dem zitierten Buch ist ab Seite 35 auch die Herstellung von CFK beschrieben. Die darin beschrieben Herstellungs- und Formgebungsverfahren können herangezogen werden, um ein CFK in die für den erfindungsgemäßen Schutz des Energiespeichers gewünschte Form zu bringen. Eine oder mehrere Graphitfolienschichten können vor oder nach einer gegebenenfalls erforderlichen Härtung des in die gewünschte Form gebrachten CFK aufgebracht werden, um das Schichtverbundmaterial, das die Faserschicht und die Graphitfolienschicht umfasst, zu erhalten.Preferred fiber composites are described in the book "Carbon fibers and their composites, manufacturing processes, applications and market development", Verlag Moderne Industrie GmbH, ISBN 978-3-86236-001-7 from page 35. The fiber composite may therefore be a carbon fiber reinforced plastic (CFRP). The cited book also describes the production of CFK from page 35 onwards. The manufacturing and molding processes described therein can be used to bring a CFRP into the desired form for the protection of the energy storage device according to the invention. One or more layers of graphite foil may be applied before or after any necessary curing of the CFRP formed to the desired shape to obtain the layered composite comprising the fibrous layer and the graphite foil layer.
In bestimmten, erfindungsgemäßen, Schichtverbundmaterialien sind die Fasern in einem Teil der Fläche des Schichtverbundmaterials im Wesentlichen vollständig vom Harz umschlossen und in einem anderen Teil der Fläche des Schichtverbundmaterials nur über die Oberfläche der Faserschicht an der Graphitfolie angebracht.In certain composite laminates according to the invention, the fibers are substantially completely enclosed by the resin in one part of the surface of the laminar material and attached to the graphite foil in another part of the surface of the laminate only over the surface of the fibrous layer.
Das Schichtverbundmaterial umfasst eine Faserschicht und eine Graphitfolienschicht. Im Allgemeinen ist die Graphitfolienschicht dem Energiespeicher zugewandt und die Faserschicht vom Energiespeicher abgewandt. Dies steigert die passive Kühlfähigkeit, da Wärme dann vom Energiespeicher ungehindert in die Graphitfolie gelangt.The layered composite material comprises a fibrous layer and a graphite foil layer. In general, the graphite foil layer faces the energy store and the fiber layer faces away from the energy store. This increases the passive cooling ability, since heat then passes unhindered from the energy storage in the graphite foil.
Das Schichtverbundmaterial kann weitere Schichten umfassen, z.B. eine weitere Faserschicht auf der dem Energiespeicher zugewandten Seite der Graphitfolienschicht. Die weitere Faserschicht ist bevorzugt sehr dünn, z.B. 0,02 bis 3 mm dick, vorzugsweise 0,05 bis 2 mm dick, um den Übertritt von Wärme vom Energiespeicher in die Graphitfolienschicht nicht unnötig zu erschweren. Ein Vorteil der weiteren Faserschicht auf der dem Energiespeicher zugewandten Seite der Graphitfolienschicht besteht in einer Steigerung der elastischen Verformbarkeit des Verbundmaterials, da die Graphitfolienschicht dann beidseitig faserarmiert ist.The layered composite material may comprise further layers, e.g. a further fiber layer on the energy storage side facing the graphite foil layer. The further fibrous layer is preferably very thin, e.g. 0.02 to 3 mm thick, preferably 0.05 to 2 mm thick, so as not to complicate the transfer of heat from the energy storage in the graphite foil layer unnecessarily. An advantage of the further fiber layer on the energy storage side facing the graphite foil layer is an increase in the elastic deformability of the composite material, since the graphite foil layer is then fiber reinforced on both sides.
Das Schichtverbundmaterial kann z.B. eine weitere Graphitfolienschicht auf der vom Energiespeicher abgewandten Seite der Faserschicht aufweisen. Durch die weitere Graphitfolienschicht lässt sich das Risiko von steinschlagbedingten Schäden verringern. Vermutlich ist dies auf eine inhärente Trockenschmierwirkung des Graphits zurückzuführen, die insbesondere flach auftreffende Gegenstände mit glatter Oberfläche „abschmieren“ lässt.The laminar material may e.g. have a further graphite foil layer on the side facing away from the energy storage side of the fiber layer. The additional layer of graphite foil reduces the risk of damage caused by stone chips. Presumably, this is due to an inherent dry lubricating effect of the graphite, which in particular "smears" flat objects with a smooth surface.
Die Erfindung betrifft auch ein Schichtverbundmaterial, das z.B. zum Schutz eines Energiespeichers eingesetzt werden kann, umfassend eine Faserschicht, z.B. die hierin beschriebene Faserschicht und eine Graphitfolienschicht, z.B. eine Graphitfolie, wobei die Graphitfolienschicht mehrere Öffnungen aufweist, die durch die Graphitfolienschicht hindurchreichen.The invention also relates to a layered composite material which can be used, for example, to protect an energy store, comprising a fibrous layer, for example those described herein A fibrous layer and a graphite foil layer, eg a graphite foil, wherein the graphite foil layer has a plurality of openings which extend through the graphite foil layer.
Vorzugsweise weist die Graphitfolienschicht eine Vielzahl an Öffnungen auf. Die Anordnung der Öffnungen definiert vorzugsweise ein sich wiederholendes Muster von Öffnungen und sich zwischen den Öffnungen befindlichen Graphitfolienschichtabschnitten.Preferably, the graphite foil layer has a plurality of openings. The arrangement of the apertures preferably defines a repeating pattern of apertures and inter-apertured graphite film layer portions.
In dem sich wiederholenden Muster liegt das Verhältnis der von den Öffnungen eingenommenen Fläche zur Grundfläche der Graphitfolienschicht vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,98, besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,90; ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,10 bis 0,85. Unter der Grundfläche der Graphitfolienschicht wird die Fläche verstanden, die in dem sich wiederholenden Muster von den Öffnungen und den sich zwischen den Öffnungen befindlichen Graphitfolienschichtabschnitten insgesamt eingenommen wird. Das Verhältnis der von den Öffnungen eingenommenen Fläche zur Grundfläche der Graphitfolienschicht sollte klein sein, wenn eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Graphitfolienschicht gewünscht ist. Andererseits lässt sich durch eine Steigerung des Verhältnisses das Flächengewicht des Verbundmaterials verringern. Insbesondere wenn das Verhältnis der von den Öffnungen eingenommenen Fläche zur Grundfläche der Graphitfolienschicht groß ist, erfüllt die Graphitfolienschicht im Schichtverbund eine ähnlich versteifende Wirkung wie eine aus Papier oder Aluminium gebildete Honeycomb-Schicht, wie sie z.B. in der
Die Öffnungen können jede beliebige Form haben. Sie können z.B. dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, rund oder oval sein. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Öffnungen rund. Runde Öffnungen lassen sich besonders leicht durch stanzen einbringen, was eine besonders effiziente Herstellung des Schichtverbunds begünstigt. Die Fläche jeder einzelnen Öffnung kann z.B. im Bereich von 0,1 mm2 bis 400 mm2, vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm2 bis 100 mm2 liegen.The openings can have any shape. For example, they can be triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, round or oval. In preferred embodiments, the openings are round. Round openings can be introduced very easily by punching, which favors a particularly efficient production of the layer composite. The area of each individual opening can be, for example, in the range from 0.1 mm 2 to 400 mm 2 , preferably in the range from 0.2 mm 2 to 100 mm 2 .
In einem erfindungsgemäßen Schichtverbundmaterial ist zumindest ein Teil der Öffnungen mindestens teilweise mit Harz gefüllt. Dies bietet den Vorteil einer weiteren Stabilisierung des Schichtverbundmaterials, da sich durch die Öffnungen hindurch eine auf einer Seite der Graphitfolie befindliche Schicht direkt mit einer auf der anderen Seite der Graphitfolie befindlichen Schicht verbinden lässt. So wird beispielsweise die Faserlage direkt mit der optionalen weiteren Faserlage verbunden.In a layered composite material according to the invention, at least a part of the openings is at least partially filled with resin. This offers the advantage of further stabilization of the layered composite material, since a layer located on one side of the graphite foil can be directly connected to a layer located on the other side of the graphite foil through the openings. For example, the fiber layer is directly connected to the optional further fiber layer.
Die verwendeten Carbonfasern können unterschiedlich große Zahlen an Einzelfilamenten enthalten. Beispielsweise von 1000 (1k Fasern) bis 320 000 Einzelfilamenten (320k Fasern). Vorzugsweise haben die Carbonfasern 1000 (1k Fasern) bis 10 0000 Einzelfilamente (10k Fasern), z.B. etwa 3 000 Einzelfilamente (3k Fasern).The carbon fibers used may contain different numbers of individual filaments. For example, from 1,000 (1k fibers) to 320,000 individual filaments (320k fibers). Preferably, the carbon fibers have 1000 (1k fibers) to 10,0000 single filaments (10k fibers), e.g. about 3,000 individual filaments (3k fibers).
Erfindungsgemäß dient das Verbundmaterial zum Schutz eines sich beim Laden und/oder Entladen erwärmenden Energiespeichers. Insbesondere dient das Verbundmaterial zum Schutz des Energiespeichers vor mechanischen Schäden und vor Überhitzung.According to the invention, the composite material serves to protect an energy store which heats up during charging and / or discharging. In particular, the composite material serves to protect the energy storage against mechanical damage and overheating.
Vorzugsweise ist der Energiespeicher unter Batterien und Kondensatoren ausgewählt, insbesondere unter Batterien. Die Batterie ist z.B. eine Lithiumionenbatterie. Unter einer Lithiumionenbatterie wird eine Batterie verstanden, bei der eine Elektronenabgabe von Li unter Bildung von Li+-Ionen zur Bereitstellung des nutzbaren elektrischen Stroms beiträgt. Solche Batterien erwärmen sich beim Laden und Entladen.Preferably, the energy store is selected from batteries and capacitors, in particular batteries. The battery is eg a lithium ion battery. By a lithium-ion battery is meant a battery in which an electron donation of Li contributes to the provision of the usable electric current to form Li + ions. Such batteries heat up during charging and discharging.
Das Verbundmaterial entfaltet die gewünschte Wirkung, wenn die vom Energiespeicher abgestrahlte Wärme vom Verbundmaterial aufgenommen und darin insbesondere über die Graphitfolie abgeführt wird.The composite material develops the desired effect if the heat radiated from the energy store is absorbed by the composite material and dissipated therein, in particular via the graphite foil.
Vorzugsweise steht die Graphitfolie jedoch in thermischem Kontakt mit dem Energiespeicher. Hierzu ist ein Wärmeleitpfad zwischen Energiespeicher und Graphitfolie ausgebildet. Der Wärmeleitpfad kann wärmeleitende Feststoffe und/oder Flüssigkeiten umfassen.Preferably, however, the graphite foil is in thermal contact with the energy store. For this purpose, a heat conduction path between energy storage and graphite foil is formed. The heat conduction path may include heat conductive solids and / or liquids.
Der thermische Kontakt mit dem Energiespeicher besteht beispielsweise, indem die Graphitfolie thermisch mit einem Teil des Wärmeleitpfads in Kontakt steht und ein anderer Teil des Wärmeleitpfads thermisch mit dem Energiespeicher, z.B. mit einer Energiespeicherungszelle des Energiespeichers thermisch in Kontakt steht. Der Wärmeleitpfad kann z.B. durch eine zwischen dem Energiespeicher und der Graphitfolie umgewälzte Kühlflüssigkeit gebildet sein oder durch ein festes Wärmeleitelement, z.B. durch eine Wärmeleitplatte, wobei ein Teil der Wärmeleitplatte in Kontakt mit dem Verbundmaterial, z.B. in Kontakt mit der Graphitfolie, steht und ein anderer Teil der Wärmeleitplatte in Kontakt mit dem Energiespeicher, z.B. mit einer Zelle einer Batterie, steht.The thermal contact with the energy storage, for example, by the graphite foil is thermally in contact with a part of the Wärmeleitpfads and another part of the Wärmeleitpfads thermally in contact with the energy storage, for example with an energy storage cell of the energy storage. The heat conduction path may be formed, for example, by a cooling liquid circulated between the energy store and the graphite foil or by a solid heat conduction element, for example by a heat conduction plate, wherein a part of the Wärmeleitplatte in contact with the composite material, for example, in contact with the graphite foil is, and another part of the heat conducting in contact with the energy storage, for example with a cell of a battery is.
Erfindungsgemäß können beispielsweise wesentliche Teile der in
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
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1 ein Fahrzeug aufweisend einen mindestens teilweise von Verbundmaterial umgebenen Energiespeicher -
2A einen Ausschnitt desVerbundmaterials aus 1 , betrachtet von der dem Energiespeicher zugewandten Seite -
2B eine Seitenansicht desVerbundmaterials aus 1
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1 a vehicle having an at least partially surrounded by composite energy storage -
2A a section of thecomposite material 1 , viewed from the energy storage side facing -
2 B a side view of thecomposite material 1
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