DE102019105119A1 - Metal-polymer current arrester for a battery cell of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Stromableiter (1) für eine Batteriezelle, wobei der Stromableiter (1) einen Tragbereich (2) und einen Leitungsbereich (3) aufweist, wobei der Tragbereich (2) eine Polymerfolie aufweist und der Leitungsbereich (3) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und wobei der Tragbereich (2) mit dem Leitungsbereich (3) mechanisch gekoppelt ist; und wobei der Tragbereich (2) dazu ausgebildet ist, im Falle eines Kurzschlusses der Batteriezelle durch ein zumindest teilweises Abschmelzen des Tragbereiches (2) einen über den Leitungsbereich (3) führenden Stromkreis zu unterbrechen.The present invention relates to current arresters (1) for a battery cell, the current arrester (1) having a support area (2) and a line area (3), the support area (2) having a polymer film and the line area (3) an electrically conductive material and wherein the support area (2) is mechanically coupled to the line area (3); and wherein the support area (2) is designed to interrupt a circuit leading via the line area (3) by at least partial melting of the support area (2) in the event of a short circuit in the battery cell.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metall-Polymer Stromableiter für eine Batteriezelle eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batteriezelle mit dem vorstehend genannten Stromableiter gemäß Anspruch 10. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein mit dieser Batteriezelle ausgestattetes Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11.The present invention relates to a metal-polymer current arrester for a battery cell of a motor vehicle according to
Elektroden für Batteriezellen umfassen typischerweise Anoden und Kathoden mit massiven Stromableitern, welche entweder aus Kupfer oder aus Aluminium aufgebaut sind und eine Aktivmaterialbeschichtung aufweisen. Beispielsweise ist eine Anode mit massivem Kupfer Stromableiter und beidseitiger Aktivmaterialbeschichtung vorgesehen und eine Kathode mit massivem Aluminium Stromableiter und beidseitiger AktivmaterialbeschichtungElectrodes for battery cells typically include anodes and cathodes with massive current collectors, which are constructed either from copper or from aluminum and have an active material coating. For example, an anode with a solid copper current collector and an active material coating on both sides is provided, and a cathode with a solid aluminum current collector and an active material coating on both sides
Beide Stromableiter bestehen aus massivem Kupfer, typischerweise 5 bis 30 µm bzw. massivem Aluminium, typischerweise 5 bis 30 µm. Die Elektrodenbahnen werden getrennt durch Separatoren zu einem Zellwickel aufgerollt. Alternativ können auch einzelne Elektrodensheets herausgestanzt werden und getrennt von einem Separator aufeinandergestapelt werden. Diese Herstellungsweise erzeugt Batteriezellen mit Elektrodenstapeln im Gegensatz zu Batteriezellen mit Elektrodenwickel.Both current conductors are made of solid copper, typically 5 to 30 µm or solid aluminum, typically 5 to 30 µm. The electrode tracks are rolled up into a cell roll, separated by separators. Alternatively, individual electrode sheets can also be punched out and stacked on top of one another separately by a separator. This manufacturing method produces battery cells with electrode stacks in contrast to battery cells with electrode coils.
Im seitlichen Bereich ohne Aktivmaterialbeschichtung werden die einzelnen Elektrodenwindungen des Zellwickels jeweils für die Anode und die Kathode zusammengeschweißt, typischer Weise durch Ultraschallschweißen, Punktschweißen oder Laserschweißen.In the side area without active material coating, the individual electrode windings of the cell coil are welded together for the anode and the cathode, typically by ultrasonic welding, spot welding or laser welding.
Bei einem Fehlerfall in der Lithiumionenzelle, etwa durch Überhitzung, interner Kurzschluss, Überladung kann es zu einer exothermen Reaktion der Zellmaterialien miteinander kommen und im schlimmsten Fall schließlich zu einem Zellbrand.In the event of a fault in the lithium-ion cell, for example due to overheating, internal short-circuit or overcharging, the cell materials can react exothermically with one another and, in the worst case, lead to a cell fire.
Bei diesem thermischen Durchgehen der Batteriezelle („Thermal Runaway“) beeinflussen insbesondere die Aluminium Stromableiter auch die Höhe der freigesetzten Energie beim Thermal Runaway. Das Aluminium reagiert als Reduktionsmittel mit den Metalloxiden aus der Kathode unter hoher Wärmefreisetzung und wird dabei oxidiert bzw. die in der Kathode enthaltenen Metalloxide werden reduziert.With this thermal runaway of the battery cell ("thermal runaway"), the aluminum current arresters in particular also influence the amount of energy released during the thermal runaway. The aluminum reacts as a reducing agent with the metal oxides from the cathode, releasing a lot of heat and is oxidized in the process, or the metal oxides contained in the cathode are reduced.
Die hohe Oberfläche der gesamten Aluminium Stromableiter in direktem Kontakt zu den Kathodenaktivmaterial-Metalloxiden verstärkt die Reaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion) zusätzlich.The high surface area of the entire aluminum current arrester in direct contact with the cathode active material metal oxides additionally intensifies the reaction (reduction-oxidation reaction).
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromableiter für eine Batteriezelle bereitzustellen, welcher einen geringen Aluminiumanteil aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a current conductor for a battery cell which has a low aluminum content.
Diese Aufgabe wird durch ein Stromableiter, eine Batteriezelle und ein Kraftfahrzeug nach den Ansprüchen 1, 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren zu entnehmen.This object is achieved by a current arrester, a battery cell and a motor vehicle according to
Der Stromableiter für eine Batteriezelle nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Tragbereich und einen Leitungsbereich, wobei der Tragbereich eine Polymerfolie aufweist und der Leitungsbereich ein elektrisch leitfähiges Material aufweist und wobei der Tragbereich mit dem Leitungsbereich mechanisch gekoppelt ist; und wobei der Tragbereich dazu ausgebildet ist, im Falle eines Kurzschlusses der Batteriezelle durch ein zumindest teilweises Abschmelzen des Tragbereiches einen über den Leitungsbereich führenden Stromkreis zu unterbrechen. The current conductor for a battery cell according to a first aspect of the present invention comprises a support area and a line area, wherein the support area comprises a polymer film and the line area comprises an electrically conductive material and wherein the support area is mechanically coupled to the line area; and wherein the support area is designed to interrupt a circuit leading via the line area in the event of a short circuit in the battery cell by at least partially melting the support area.
Gegenüber Stromableitern in Massivbauweise bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil des reduzierten Materialeinsatz von reaktiven Substanzen sowie der Anpassung der Leitungsquerschnitte Strompfade in einer Batteriezelle, um für erhöhte Stromstärken einen Sicherungsmechanismus vorzusehen.Compared to current arresters in solid construction, the present invention offers the advantage of reduced material use of reactive substances and the adaptation of the line cross-sections of current paths in a battery cell in order to provide a safety mechanism for increased currents.
Mit anderen Worten, der Stromableiter verfügt über eine Überstromschutzeinrichtung, welch durch ein Abschmelzen eines mit dem Leitungsbereich mechanisch gekoppelten Tragbereiches den Stromkreis unterbricht, um die erhöhte Stromstärke zu reduzieren.In other words, the current arrester has an overcurrent protection device which, by melting away a supporting area mechanically coupled to the line area, interrupts the circuit in order to reduce the increased current intensity.
Der Stromfluss durch die Batteriezelle kann zum einen in der Folge eines Wegschmelzens oder einer thermisch bedingten mechanischen Zerstörung des Polymersubstrates, auf dem die Metallschicht aufgebracht ist, unterbrochen werden oder zum anderen in der Folge eines Durchschmelzens/-oxidierens der auf das Polymersubstrat aufgebrachten Metallschicht. Dies kann aufgrund des verringerten Leiterquerschnitts im Vergleich zu einer massiven Stromableiterfolie passieren, analog zu einer Schmelzsicherung. Dieses Wegschmelzens oder die Zerstörung des Materials kann in denjenigen Bereichen stattfinden, in denen der Fehler auftritt, und nicht nur an einem dafür vorgesehenen Bereich.The current flow through the battery cell can be interrupted on the one hand as a result of melting away or thermally induced mechanical destruction of the polymer substrate on which the metal layer is applied, or on the other hand as a result of the metal layer applied to the polymer substrate being melted / oxidized. This can happen due to the reduced conductor cross-section compared to a solid current collector foil, similar to a fuse. This melting away or the destruction of the material can take place in those areas in which the fault occurs, and not just in an area provided for it.
Im Bereich außerhalb der Elektrodenbeschichtung kann der Stromableiter weiterhin massives Kupfer oder massives Aluminium aufweisen. Dieser Bereich kann an den Tragbereich anschließen. Deswegen können alle weiteren Assemblierungsschritte der Batteriezelle in erster Ordnung beibehalten werden, wie etwa Ultraschallschweißen oder sonstige Herstellungsschritte.In the area outside the electrode coating, the current arrester can furthermore have solid copper or solid aluminum. This area can connect to the carrying area. That's why everyone else can Assembly steps of the battery cell are retained in the first order, such as ultrasonic welding or other manufacturing steps.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass der potentiell kritische lokale Kurzschluss - bei welchem die Stromdichte deutlich, Faktor 10 oder höher, über den normalen Betriebsstromdichten liegt - zu einem Temperaturanstieg führt, der die Tragschicht der Stromableiter-Aluminiumbeschichtung zum Schmelzen bringt oder eine mechanische Verformung der Tragschicht ermöglicht.The present invention advantageously enables the potentially critical local short circuit - in which the current density is significantly, by a factor of 10 or higher, above the normal operating current densities - to lead to a temperature rise that melts the support layer of the current conductor aluminum coating or causes mechanical deformation of the Base layer allows.
Mit anderen Worten ausgedrückt, die vorliegende Erfindung stellt eine Stromableiterschicht bzw. einen schichtförmigen Stromableiter bereit, welcher dazu ausgebildet ist, durch das Abschmelzen einer Tragschicht des schichtförmigen Stromableiters den Stromkreis zu unterbrechen, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet, analog zu einer Schmelzsicherung.In other words, the present invention provides a current collector layer or a layered current collector, which is designed to interrupt the circuit by melting off a support layer of the layered current collector if the current intensity exceeds a certain value for a sufficient time, analogous to a fuse.
Dies Schmelzsicherungsfunktion wird durch den Schmelzpunkt der Polymerfolie von etwa 100 °C oder höher ermöglicht. Besonders für hohe Ströme kann dabei vorgesehen sein, dass die dünne Metallbeschichtung auf der Polymerfolie durchbrennt, zeitlich bereits bevor die Polymerfolie sich signifikant erhitzt und wegzieht/wegschmilzt.This fuse function is made possible by the melting point of the polymer film of approximately 100 ° C. or higher. Particularly for high currents, it can be provided that the thin metal coating on the polymer film burns through before the polymer film heats up significantly and pulls away / melts away.
Mit anderen Worten ausgedrückt, die Schichtdicke der Metallbeschichtung auf der Polymerfolie ist an zu erwartende Betriebsparameter, wie Nennstrom oder Kurzschlussstrom oder auch Schmelzpunkt der Tragschicht angepasst.In other words, the layer thickness of the metal coating on the polymer film is adapted to expected operating parameters, such as nominal current or short-circuit current or also the melting point of the base layer.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass der niederohmige Kurzschluss-Strompfad über den Aluminium-Stromableiter durch die Schmelzsicherungswirkung der Tragschicht der Stromableiterschicht zerstört wird und der Strom über eine weitere Strecke durch das relativ hochohmige Kathodenaktivmaterial fließt. Dies führt zu einem deutlich höheren Kurzschlusswiederstand und somit zu einem Einbrechen der Kurzschlussleistung.The present invention advantageously enables the low-resistance short-circuit current path via the aluminum current conductor to be destroyed by the fuse effect of the support layer of the current conductor layer and for the current to flow over a further distance through the relatively high-resistance cathode active material. This leads to a significantly higher short-circuit resistance and thus to a drop in the short-circuit power.
Mit anderen Worten ausgedrückt, die Batteriezelle erwärmt sich kaum - Schmelzpunkt eines Kunststoffes - und nur lokal begrenzt auch im Falle eines Kurzschlusses bzw. zumindest wird eine weitere Erwärmung vermieden und die Batteriezelle bleibt trotz eines Kurzschlusses sicher. Der Stromfluss wird unterbrochen, da ein sehr hoher Kurzschlusswiderstand nach Eintreten des Schmelzsicherungseffekts der Tragschicht mit niedriger Heizleistung durch die Unterbrechung des Strompfades gegeben ist.In other words, the battery cell hardly heats up - the melting point of a plastic - and only locally limited even in the event of a short circuit or at least further heating is avoided and the battery cell remains safe despite a short circuit. The flow of current is interrupted because a very high short-circuit resistance is given after the fuse effect of the base course with low heating power due to the interruption of the current path.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass die Wirkung der stark exothermen und ungewollten Thermitreaktion des Aluminiums im Falle eines Unfalls oder thermischen Durchbrennens durch einen verminderten Masseneinsatz von Aluminium grundlegend gehemmt wird.The present invention advantageously enables the effect of the strongly exothermic and unwanted thermite reaction of aluminum in the event of an accident or thermal burnout to be fundamentally inhibited by a reduced mass use of aluminum.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass sich der Anteil des im Kathoden-Stromableiter verbauten Aluminiums deutlich verringert.The present invention advantageously enables the proportion of aluminum built into the cathode current collector to be significantly reduced.
Während ein massiver konventioneller Al-Stromableiter typischer Weise Dicken von 10 bis 25 µm besitzt, besitzt die hier vorgestellte Kathodeneinheit im beschichteten Bereich (je nach gewünschter Stromtragfähigkeit) typischer Weise nur noch 0,1 mm bis 5 µm Aluminium. Dies reduziert den Anteil an Aluminium um einen Faktor 5 bis 100.While a massive conventional Al current collector typically has thicknesses of 10 to 25 µm, the cathode unit presented here typically only has 0.1 mm to 5 µm of aluminum in the coated area (depending on the desired current-carrying capacity). This reduces the proportion of aluminum by a factor of 5 to 100.
Dementsprechend steht mit der vorliegenden Erfindung viel weniger Aluminium der Thermitreaktion zur Verfügung. Im Falle eines thermischen Durchgehens der Zelle wird somit viel weniger Energie freigesetzt, was die Sicherheit des Gesamtsystems deutlich erhöht.Accordingly, with the present invention, much less aluminum is available for the thermite reaction. In the event of a thermal runaway of the cell, much less energy is released, which significantly increases the safety of the overall system.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass der sehr dünn beschichtete Kathodenstromableiter aus Aluminium mit Dicken von beispielsweise 0,1 µm bis 5 µm gefertigt werden kann und somit deutlich dünner als konventionelle Al-Stromableitern oder AI-Ableiterfolien - beide im Bereich von 10 bis 25 µm - ausgebildet ist und somit deutlich leichter ist.The present invention advantageously enables the very thinly coated cathode current arrester to be made of aluminum with thicknesses of, for example, 0.1 μm to 5 μm and thus significantly thinner than conventional Al current arresters or Al conductor foils - both in the range from 10 to 25 μm - Is trained and is therefore significantly lighter.
Dies ermöglicht eine bessere gravimetrische Energiedichte der Batteriezelle. Hierbei ergibt sich die Gesamtdicke des Schichtsystems auch noch durch die Polymersubstratfolie, welche eine Dicke im Bereich von 5 bis 15 µm aufweist.This enables a better gravimetric energy density of the battery cell. The total thickness of the layer system also results from the polymer substrate film, which has a thickness in the range from 5 to 15 μm.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit bereits in der absoluten Dicke gegebenenfalls einen Vorteil im Vergleich mit den konventionellen Stromableiterfolien. Allerdings ist die Polymerfolie im Vergleich zu reinem Aluminium auch noch leichter und ermöglicht auch bei gleicher Gesamtdicke der Tragschicht eine höhere gravimetrische Energiedichte.The present invention thus enables an advantage in comparison with the conventional current collector foils even in terms of the absolute thickness. However, the polymer film is even lighter than pure aluminum and enables a higher gravimetric energy density even with the same total thickness of the base layer.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft, dass der Aluminiumstromableiter mit Dicken von beispielsweise 10 - 25 µm die Realisierung von potentiell dünneren Ableiterfolien ermöglicht. Aluminiumfolien mit Stärken unter 12 µm sind sehr schwer herzustellen und weiterzuverarbeiten. Deswegen ergibt sich für die Stärke von konventionellen Aluminium-Stromableiterfolien ein unteres Limit. Die Metall-Polymer-Stromableiter der vorliegenden Erfindung können je nach Wahl der Trägerfolie auch deutlich dünner realisiert werden bei potentiell gleich guter Weiterverarbeitbarkeit, beispielsweise durch ein Auswalzen einer zunächst dickeren auf das Polymersubstrat aufgebrachten Aluminiumfolie.The present invention advantageously enables the aluminum current arrester with thicknesses of, for example, 10-25 μm to enable the realization of potentially thinner conductor foils. Aluminum foils with a thickness of less than 12 µm are very difficult to manufacture and process. Therefore, there is a lower limit for the strength of conventional aluminum current collector foils. The metal-polymer current arresters of the present invention can, depending on the choice of the carrier film, also be made significantly thinner with potentially equally good further processing properties, for example by a Rolling out an initially thick aluminum foil applied to the polymer substrate.
Der Verbau einer dünneren Stromableiterfolie erhöht somit auch die volumetrische Energiedichte der Zelle. Je nach verbautem Material und Prozesskosten für die Metall-Polymer-Stromableiter, können potentiell sogar die Kosten der Stromableiterfolien gesenkt werden.The installation of a thinner current collector foil thus also increases the volumetric energy density of the cell. Depending on the material used and the process costs for the metal-polymer current arresters, the costs of the current arrester foils can potentially even be reduced.
Ein Teil des teuren Kupfers bzw. Aluminiums wird beispielsweise gegen günstige Plastikfolie ausgetauscht. Je dünner die konventionellen Stromableitermetallfolien sind, desto schwieriger ist die Kalandrierung des darauf beschichteten Aktivmaterials. Dadurch, dass die Polymerschicht mechanisch stabil und druckstabil ist, ergibt sich eine ähnlich gute beziehungsweise potentiell sogar bessere Prozessierbarkeit.For example, some of the expensive copper or aluminum is exchanged for cheap plastic film. The thinner the conventional conductor metal foils, the more difficult it is to calender the active material coated on them. The fact that the polymer layer is mechanically stable and pressure-resistant results in a similarly good or potentially even better processability.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material des Leitungsbereiches Kupfer oder eine Kupfer-Legierung ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the electrically conductive material of the line area is copper or a copper alloy.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Material des Leitungsbereiches Aluminium oder eine Aluminium-Legierung ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the electrically conductive material of the conduction area is aluminum or an aluminum alloy.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das der Stromableiter ferner einen Massivbereich aufweist, welcher an den Tragbereich und/oder den Leitungsbereich anschließt und welcher in Massivbauweise das elektrisch leitfähige Material aufweist.In an advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the current conductor also has a solid area which connects to the support area and / or the line area and which has the electrically conductive material in solid construction.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Leitungsbereich und der Massivbereich sich nicht gegenseitig überlappen.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the line area and the solid area do not overlap one another.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Leitungsbereich eine Dicke von 0,05 µm bis 10 µm, vorzugsweise von 0,1 µm bis 5,0 µm, besonders bevorzugt von 0,2 µm bis 2,5 µm aufweist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the line area has a thickness of 0.05 μm to 10 μm, preferably 0.1 μm to 5.0 μm, particularly preferably 0.2 μm to 2.5 μm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Leitungsbereich durch einen Walzprozess ausgedünnt ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the line area is thinned out by a rolling process.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromableiter als ein Kathodenstromableiter für eine Kathode der Batteriezelle ausgebildet ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the current arrester is designed as a cathode current arrester for a cathode of the battery cell.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Polymerfolie Polyethylenterephthalat, PET, Polyethylene, PE, Polypropylen, PP, oder Polyaramide aufweist, vorzugsweise Poly(p-phenylenterephthalamid), PPTA, oder Poly(m-phenylenisophthalamid), PMPI.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the polymer film comprises polyethylene terephthalate, PET, polyethylene, PE, polypropylene, PP, or polyaramides, preferably poly (p-phenylene terephthalamide), PPTA, or poly (m-phenylene isophthalamide), PMPI.
Nach einem weiteren, zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Batteriezelle vorgesehen, umfassend den Stromableiter nach dem ersten Aspekt oder einer Ausführungsform des ersten Aspektes, wobei ein Dickenverhältnis zwischen dem Tragbereich und dem Leitungsbereich derart vorgesehen ist, so dass ein Grenzwert für einen Aluminiumanteil der Batteriezelle nicht überschritten wird.According to a further, second aspect of the present invention, a battery cell is provided, comprising the current conductor according to the first aspect or an embodiment of the first aspect, a thickness ratio between the support area and the line area being provided so that a limit value for an aluminum content of the battery cell is not exceeded.
Nach einem weiteren, dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das Kraftfahrzeug umfassend eine Batteriezelle nach dem zweiten Aspekt oder einer Ausführungsform des zweiten Aspektes und umfassend den Stromableiter nach dem ersten Aspekt oder einer Ausführungsform des ersten Aspektes.According to a further, third aspect of the present invention, a motor vehicle is provided, the motor vehicle comprising a battery cell according to the second aspect or an embodiment of the second aspect and comprising the current conductor according to the first aspect or an embodiment of the first aspect.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung können soweit möglich, auch wenn es vorstehend nicht explizit beschrieben ist, miteinander kombiniert werden.The features of the present invention described above can be combined with one another as far as possible, even if it is not explicitly described above.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren.Further features, advantages and possible applications of the present invention emerge from the following description of the exemplary embodiments and the figures.
Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.All of the features described and / or shown in the figures, individually and in any combination, form the subject matter of the invention, regardless of their composition in the individual claims or their references. In the figures, the same reference symbols stand for the same or similar objects.
Nachstehend folgt eine Kurzbeschreibung von Figuren der vorliegenden Erfindung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Stromableiters zur Erläuterung der Erfindung; -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrodenstapels mit dazwischenliegendem Separator bzw. eines Wickels einer herkömmlichen Batteriezelle zur Erläuterung der Erfindung. -
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromableiters für eine Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
1 shows a schematic representation of a conventional current arrester to explain the invention; -
2 shows a schematic representation of an electrode stack with an intervening separator or a coil of a conventional battery cell to explain the invention. -
3 shows a schematic representation of a current conductor for a battery cell according to an embodiment of the present invention; -
4th shows a schematic representation of a current conductor according to an embodiment of the present invention; -
5 shows a schematic representation of a current conductor according to an embodiment of the present invention.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf
Die
Exemplarisch sind eine Anode und eine Kathode dargestellt mit Stromableitern
Entlang des Strompfades weisen die Stromableiter einen im Wesentlichen gleichbleibend großzügig dimensionierten Leitungsquerschnitt auf, so dass auch bei deutliche gegenüber dem Nennstrom erhöhten Strömen der Leitungspfad bei und aufrechterhalten wird. Die Elektroden sind vom jeweiligen Aktivmaterial
Die
Die beschichteten Elektrodenbahnen, beispielsweise sowohl für die Anode und die Kathode, werden getrennt durch Separatoren
In der in
Ein Elektrodenstapel mit dazwischenliegendem Separator bzw. ein Wickel ist schematisch in der
Die
Der in der
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Herstellung des Leitungsbereiches durch:
- - Lamination des elektrisch leitfähigen Materials auf den Tragbereich; und/oder
- - Bedampfen des Tragbereiches mit dem elektrisch leitfähigen Material zur Ausbildung des Leitungsbereiches erfolgen.
- - Lamination of the electrically conductive material on the support area; and or
- - The support area is vaporized with the electrically conductive material to form the line area.
Ferner kann die Herstellung des Leitungsbereiches durch:
- - Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapour deposition, CVD);
- - Sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt; oder
- - Elektrochemische Abscheidung, wobei beispielsweise zuerst eine dünne Kontaktschicht aufgebracht wurde.
- - gas phase deposition (English chemical vapor deposition, CVD);
- - sputtering, also called cathode atomization; or
- Electrochemical deposition, for example a thin contact layer being applied first.
Der Tragbereich
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Aluminiumschicht auf der Polymerfolie wegschmilzt oder verdampft oder durchoxidiert aufgrund ihres kleinen Querschnittes.According to one embodiment of the present invention, it is provided that the aluminum layer on the polymer film melts away or evaporates or oxidizes through due to its small cross section.
Der Tragbereich
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Tragbereich
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Leitungsbereich
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die leitfähige Schicht nicht nur durch Beschichtung aufgebracht werden, sondern auch durch Aufwalzen/-laminieren einer Folie.According to one exemplary embodiment of the present invention, the conductive layer can be applied not only by coating, but also by rolling / laminating a film on.
Im Bereich außerhalb der Elektrodenbeschichtung ist der Stromableiter beispielsweise in einer Ausführungsform aus massivem Kupfer bzw. massivem Aluminium ausgebildet. Deswegen können alle weiteren Zellassemblierungsschritte in erster Ordnung beibehalten werden, etwa Ultraschallschweißen.In the area outside the electrode coating, the current arrester is formed, for example in one embodiment, from solid copper or solid aluminum. Therefore, all further cell assembly steps can be retained in the first order, such as ultrasonic welding.
Neben dem Schmelzsicherungseffekt, ist es auch möglich, dass bei Penetration bzw. Deformation der Elektrodenlagen - und dem daraus resultierenden Kurzschluss - die in den Stromableiterfolien verbaute Polymerfolie als eine Isolationsschicht wirkt.In addition to the fuse effect, it is also possible that, in the event of penetration or deformation of the electrode layers - and the resulting short circuit - the polymer film built into the current collector films acts as an insulation layer.
Zum Beispiel kann bei einer Nagelpenetration der Batteriezelle und insbesondere des Elektrodenwickels oder Elektrodenstapels die Polymerfolie nach innen verschmiert werden und den metallischen Defekt von den Elektroden zumindest teilweise isolieren und die Batteriezelle in einen zwar kurzgeschlossenen, aber zumindest sicheren Zustand bringen.For example, in the event of a nail penetration of the battery cell and in particular the electrode coil or electrode stack, the polymer film can be smeared inwards and at least partially isolate the metallic defect from the electrodes and bring the battery cell into a short-circuited, but at least safe state.
Die
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch Heißpressung, Lamination, Kleben ein Massivbereich
Durch eine Bedampfung mit Aluminium, Aufsputtern mit Aluminium, Auflamination von Aluminium-Folie oder geeigneten Verfahren wird der Leitungsbereich ausgebildet.The line area is formed by vapor deposition with aluminum, sputtering with aluminum, lamination of aluminum foil or suitable processes.
Falls zuvor durch Sputtern oder Verdampfen eine dünne - 0,01 bis 10 µm - Aluminium-Schicht aufgebracht wurde, ist auch eine nachträgliche galvanische Abscheidung einer dickeren Aluminium -Schicht möglich gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.If a thin - 0.01 to 10 μm - aluminum layer has been applied beforehand by sputtering or evaporation, a subsequent galvanic deposition of a thicker aluminum layer is also possible according to a further embodiment of the present invention.
Die
Der in der
Anschließend erfolgt ein Aufbringen einer Polymerfolie
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Zusammenwalzen und/oder Laminieren von drei Folien vorgesehen, beispielsweise zwei Aluminiumfolien und eine Polymerträgerfolie in der Mitte, zwischen den zwei Aluminiumfolien. In diesem Fall handelt es sich nicht um eine Beschichtung, sondern um das zusammenwalzen/laminieren von drei Folien - zwei Aluminiumfolien und einer Polymerträgerfolie in der Mitte.In this exemplary embodiment, three foils are rolled together and / or laminated, for example two aluminum foils and a polymer carrier foil in the middle, between the two aluminum foils. In this case it is not about a coating, but about rolling / laminating three foils together - two aluminum foils and a polymer carrier foil in the middle.
Im Bereich außerhalb des Tragbereichs bzw. der Polymerfolie, sind in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die beiden Aluminiumfolien in Kontakt zueinander, elektrisch und/oder mechanisch.In one embodiment of the present invention, in the area outside the support area or the polymer film, the two aluminum foils are in contact with one another, electrically and / or mechanically.
Abschließend erfolgt eine Aktivmaterial-Beschichtung zur Ausbildung der Elektrodenaktivmaterialen
Bei der in der
Durch die massive Metallfolie außerhalb des mit Aktivmaterial beschichteten Bereichs ergeben sich folgende Vorteile: Zellassemblierungsprozesse, beispielsweise durch Ultraschallschweißen der Stromableiterfolien, können beibehalten werden.The solid metal foil outside the area coated with active material results in the following advantages: Cell assembly processes, for example by ultrasonic welding of the current collector foils, can be retained.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind beide Aluminiumschichten - die obere und die untere Aluminiumschicht - und der Metall-Polymer-Stromableiter über die massive Aluminiumfolie außerhalb des beschichteten Bereichs elektrisch miteinander verbunden und werden auf dem gleichen elektrischen Potential gehalten. Dies ergibt Vorteile bei der Zyklisierung und dem Alterungsverhalten der Zellen.In one embodiment of the present invention, both aluminum layers - the upper and the lower aluminum layer - and the metal-polymer current conductor are electrically connected to one another via the solid aluminum foil outside the coated area and are kept at the same electrical potential. This results in advantages in terms of cycling and the aging behavior of the cells.
Beim Schnellladen der Batteriezelle oder bei einer starken Entladung der Batteriezelle, etwa eine Vollgas Beschleunigung bei einem Elektroauto, fließen teilweise bis zu mehrere hundert Ampere (Entlade-)Strom aus oder in die Batteriezelle. Unter diesen extremen Betriebsbedingungen der Batteriezelle muss ein Auslösen der Schmelzsicherungsfunktion des Metall-Polymer-Stromableiter der Batteriezelle verhindert werden.When fast charging the battery cell or when the battery cell is heavily discharged, such as accelerating at full throttle in an electric car, up to several hundred amperes of (discharge) current can flow out of or into the battery cell. Under these extreme operating conditions of the battery cell, triggering of the fuse function of the metal-polymer current arrester of the battery cell must be prevented.
Diese Gefahr besteht insbesondere im Bereich der nicht mit Aktivmaterial beschichteten Elektroden-Fähnchen. Dort ist die Stromdichte am höchsten und die Kühlung durch die nicht vorhandene Aktivmaterialbeschichtung am schlechtesten. Falls in diesem Bereich keine massive Metallfolie verbaut wird, könnte unter der hohen Strombelastung eine einfache metallisierte Polymerfolie ungewollt durchschmelzen.This danger exists in particular in the area of the electrode flags not coated with active material. The current density is highest there and the cooling due to the non-existent active material coating is worst. If no solid metal foil is installed in this area, a simple metalized polymer foil could inadvertently melt through under the high current load.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.In addition, it should be noted that “comprehensive” does not exclude any other elements or steps and “one” or “one” does not exclude a large number. It should also be noted that features or steps that have been described with reference to one of the above exemplary embodiments can also be used in combination with other features or steps of other exemplary embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be regarded as a restriction.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- StromableiterCurrent arrester
- 22
- TragbereichCarrying area
- 33
- LeitungsbereichManagement area
- 44th
- ElektrodenaktivmaterialElectrode active material
- 66th
- MassivbereichMassive area
- 1010
- BatteriezelleBattery cell
Claims (11)
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DE102019105119.3A DE102019105119A1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Metal-polymer current arrester for a battery cell of a motor vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019105119.3A DE102019105119A1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Metal-polymer current arrester for a battery cell of a motor vehicle |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102019105119A1 true DE102019105119A1 (en) | 2020-09-03 |
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DE102019105119.3A Pending DE102019105119A1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Metal-polymer current arrester for a battery cell of a motor vehicle |
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Citations (5)
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-
2019
- 2019-02-28 DE DE102019105119.3A patent/DE102019105119A1/en active Pending
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