DE102019105120A1 - Current arrester for a battery cell of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromableiter (1) für eine Batteriezelle, wobei der Stromableiter (1) einen Kernbereich (2) und einen Schalenbereich (3) aufweist, wobei der Kernbereich (2) ein erstes Material aufweist und der Schalenbereich (3) ein zweites Material aufweist, und wobei der Schalenbereich (3) den Kernbereich (2) zumindest teilweise umschließt.The present invention relates to a current arrester (1) for a battery cell, the current arrester (1) having a core area (2) and a shell area (3), the core area (2) having a first material and the shell area (3) a second Having material, and wherein the shell region (3) at least partially encloses the core region (2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromableiter für eine Batteriezelle eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batteriezelle mit dem vorstehend genannten Stromableiter gemäß Anspruch 9. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein mit dieser Batteriezelle ausgestattetes Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11.The present invention relates to a current collector 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. Etwa 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
Elektroden für Batteriezellen umfassen typischerweise Anoden und Kathoden mit massiven Stromableitern, welche entweder aus Kupfer oder aus Aluminium aufgebaut sind und eine Aktivmaterialbeschichtung aufweisen. Etwa 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 active material coating on both sides is provided and a cathode with a solid aluminum current collector and active material coating on both sides
Beide Elektroden-Stromableiter - Kathode und Anode - umfassen in Massivbauweise Kupfer, typischerweise 5 bis 30 µm, bzw. in Massivbauweise Aluminium, typischerweise 5 bis 30 µm. Die Elektrodenbahnen werden getrennt durch Separatoren zu einem Zellwickel aufgerollt.Both electrode current collectors - cathode and anode - comprise copper, typically 5 to 30 µm in solid construction, or aluminum, typically 5 to 30 µm in solid construction. The electrode tracks are rolled up into a cell roll, separated by separators.
Beispielsweise wird die Anode mit massivem Kupfer Stromableiter und beidseitiger Aktivmaterialbeschichtung ausgebildet und die Kathode mit massivem Aluminium Stromableiter und beidseitiger Aktivmaterialbeschichtung. Die Batteriezelle kann als ein Elektrodenstapel oder als Elektrodenwickel ausgebildet werden.For example, the anode is formed with a solid copper current conductor and an active material coating on both sides and the cathode with a solid aluminum current conductor and an active material coating on both sides. The battery cell can be designed as an electrode stack or as an electrode coil.
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.
Beim 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. Die hohe Oberfläche der gesamten Aluminium Stromableiter in direktem Kontakt zu den Kathodenaktivmaterial-Metalloxiden verstärkt die Reaktion zusätzlich.During 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. The high surface area of the entire aluminum current arrester in direct contact with the cathode active material metal oxides additionally intensifies the 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, 9 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 Kernbereich und einen Schalenbereich, wobei der Kernbereich ein erstes Material aufweist und der Schalenbereich ein zweites Material aufweist, und wobei der Schalenbereich den Kernbereich zumindest teilweise umschließt. Der Schalenbereich kann den Kernbereich auch vollständig umschließen.The current conductor for a battery cell according to a first aspect of the present invention comprises a core area and a shell area, wherein the core area comprises a first material and the shell area comprises a second material, and wherein the shell area at least partially encloses the core area. The shell area can also completely enclose the core area.
Mit anderen Worten, der Stromableiter ist als „Core-Shell“, englisch für „Kern-Schale“ Stromableiter ausgebildet, d.h. der Stromableiter weist einen ZweiKomponenten-Aufbau auf, die zwei Komponenten sind dabei Kern und Schale. Diese hybride Core-Shell Bauweise ermöglicht die Verwendung von unterschiedlichen Materialien mit angepassten und mit abgestimmten Materialeigenschaften.In other words, the current arrester is designed as a "core-shell", English for "core-shell" current arrester, i.e. the current arrester has a two-component structure, the two components being core and shell. This hybrid core-shell construction enables the use of different materials with adapted and coordinated material properties.
Durch den „Core-Shell“-Aufbau des Elektroden-Stromableiters kann die Menge an Aluminium im Stromableiter signifikant reduziert werden. Typischerweise hat ein konventioneller Aluminium-Stromableiter Dicken von etwa 10 bis 25 µm.The “core-shell” construction of the electrode current arrester can significantly reduce the amount of aluminum in the current arrester. A conventional aluminum current conductor typically has a thickness of approximately 10 to 25 µm.
Beim „Core-Shell“ Aufbau des Elektroden-Stromableiters der vorliegenden Erfindung kann die darauf prozessierte Aluminiumschicht deutlich dünner sein, etwa mit Dicken von 10 nm bis 1 µm, eine solche Dünnschichtbeschichtung ist bereits ausreichend, um eine Exposition des Kupfers nach außen hin zu verhindern. Daher kann durch das Konzept der vorliegenden Erfindung die Menge an verbautem Aluminium der Batteriezelle um einen Faktor
Die Menge an in der Batteriezelle vorhandenem Aluminium für eine mögliche, ungewollte Thermitreaktion ist somit deutlich reduziert und somit auch die beim „Thermal Runaway“ der Batteriezelle freigesetzte Energiemenge. Die Batteriezelle und auch das die Batteriezelle(n) enthaltende Gesamtsystem aus Modul und Batteriepack sind sicherer in der Handhabung und im Betrieb, d.h. es ist eine reduzierte Brandlast durch den verringerten Aluminiumgehalt vorhanden und es ist eine verringerte Wahrscheinlichkeit gegeben, dass die Batteriezelle zur ungewollten Zündquelle wird, da auch die absolute Wahrscheinlichkeit für das starten einer Thermitreaktion deutlich reduziert ist. The amount of aluminum present in the battery cell for a possible, unwanted thermite reaction is thus significantly reduced and thus also the amount of energy released during the “thermal runaway” of the battery cell. The battery cell and also the overall system of module and battery pack containing the battery cell (s) are safer to handle and operate, i.e. there is a reduced fire load due to the reduced aluminum content and there is a reduced probability that the battery cell will become an unwanted ignition source as the absolute probability of starting a thermite reaction is significantly reduced.
Dadurch, dass man Elektroden-Stromableiter aus Kupfer deutlich dünner herstellen kann als aus Aluminium, können durch Verwendung dieses Core-Shell Stromableiters potentiell höhere Energiedichten für die Batteriezelle erreicht werden. Kupfer-Stromableiter haben typischerweise eine Dicke in einem Bereich von 6 µm bis 12 µm, Aluminium Stromableiter eine Dicke in einem Bereich vo10 µm bis 25 µm Dicke aufgrund der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit.Because electrode current collectors can be made much thinner from copper than from aluminum, the use of this core-shell current collector can potentially achieve higher energy densities for the battery cell. Copper current collectors typically have a thickness in a range from 6 µm to 12 µm, aluminum current collectors a thickness in a range from 10 µm to 25 µm due to the poor electrical conductivity.
Selbst nach Beschichtung mit beispielsweise Aluminium, sind somit Cu-Al Core-Shell Stromableiter für die Kathode etwa um einen Faktor
Dadurch kann die volumetrische Energiedichte der Zelle bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit vergrößert werden. Aufgrund der höheren spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Kuper gegenüber Aluminium kann die absolute Leitfähigkeit des Kathoden-Stromableiters trotz des geringeren Dicken gewahrt werden.As a result, the volumetric energy density of the cell can be increased while at the same time increasing safety. Due to the higher specific electrical conductivity of copper compared to aluminum, the absolute conductivity of the cathode current arrester can be maintained despite its lower thickness.
Aufgrund der fast doppelt so hohen thermischen Wärmleitfähigkeit von Kupfer, ca. 398 W/mK, gegenüber Aluminium, ca. 234 W/mK, kann je nach Dickenverhältnis von konventionellem Stromableiter gegen Core-Shell (Cu/Al) Stromableiter eine mindestens genauso leistungsfähige wenn nicht sogar eine leistungsverbesserte Kühlung des Elektrodenstacks während des Betriebs der Batteriezelle erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für ein gutes Alterungsverhalten der Batteriezelle, besonders bei Extrembedingungen, wie etwa bei einer Schnellladung der Batteriezelle.Due to the almost twice as high thermal conductivity of copper, approx. 398 W / mK, compared to aluminum, approx. 234 W / mK, depending on the thickness ratio of the conventional current arrester to the core-shell (Cu / Al) current arrester, an at least just as powerful if it is not even possible to achieve an improved cooling of the electrode stack during operation of the battery cell. This is advantageous for good aging behavior of the battery cell, particularly under extreme conditions, such as rapid charging of the battery cell.
Aufgrund der deutlich höheren Zug- und Reißfestigkeit von Kupfer gegenüber Aluminium, kann potentiell selbst mit einer dünneren Core-Shell (Cu/Al) Stromableiterfolie eine deutlich bessere Prozessierbarkeit, wie beispielsweise etwa beim Beschichten und Kalandrieren der Elektroden erreicht werden.Due to the significantly higher tensile and tear strength of copper compared to aluminum, a significantly better processability can potentially be achieved even with a thinner core-shell (Cu / Al) current collector foil, for example when coating and calendering the electrodes.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Material Kupfer oder eine Kupfer-Legierung ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the first material is copper or a copper alloy.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Material Aluminium oder eine Aluminium-Legierung ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the second material is aluminum or an aluminum alloy.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Material ein elektrischer Leiter ist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the second material is an electrical conductor.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalenbereich dazu ausgebildet ist, von einem Elektrodenaktivmaterial umschlossen zu werden.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the shell area is designed to be enclosed by an electrode active material.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kernbereich dazu ausgebildet ist, eine elektrische Leitfähigkeit des Stromableiters bereitzustellen.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the core area is designed to provide electrical conductivity of the current conductor.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kernbereich dazu ausgebildet ist, eine thermische Leitfähigkeit des Stromableiters bereitzustellen.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the core area is designed to provide thermal conductivity of the current conductor.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalenbereich dazu ausgebildet ist, den Kernbereich vor Korrosion zu schützen und/oder eine Exposition des Kernbereiches zu vermeiden.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the shell area is designed to protect the core area from corrosion and / or to avoid exposure of the core area.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kernbereich als eine Elektrodenfolie ausgebildet ist und eine Dicke von 4 µm bis 16 µm, vorzugsweise von 6 µm bis 12 µm, besonders bevorzugt von 8 µm bis 10 µm aufweist und wobei der Schalenbereich als eine Beschichtung der Elektrodenfolie ausgebildet ist und eine Dicke von bis zu 1 µm, vorzugsweise von bis zu 100 nm, besonders bevorzugt von bis zu 10 nm aufweist.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the core area is designed as an electrode film and has a thickness of 4 μm to 16 μm, preferably 6 μm to 12 μm, particularly preferably 8 μm to 10 μm, and the shell area as a coating of the electrode film is formed and has a thickness of up to 1 μm, preferably of up to 100 nm, particularly preferably of up to 10 nm.
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 der Schalenbereich den Kernbereich derart umschließt, so dass für den Kernbereich eine abschirmende Wirkung gegen Materialien der Batteriezelle erzielt wird.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the shell area encloses the core area in such a way that a shielding effect against materials of the battery cell is achieved for the core area.
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 die Batteriezelle ferner ein Elektrodenaktivmaterial aufweist, wobei der Schalenbereich des Stromableiters dazu ausgebildet ist, von dem Elektrodenaktivmaterial umschlossen zu werden.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, wherein the battery cell further comprises an electrode active material, wherein the shell region of the current conductor is designed to be enclosed by the electrode active material.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Batteriezelle ferner ein Elektrodenaktivmaterial aufweist, wobei der Schalenbereich des Stromableiters dazu ausgebildet ist, von dem Elektrodenaktivmaterial umschlossen zu werden.In an advantageous embodiment of the present invention it is provided that the battery cell also has an active electrode material, the shell area of the current conductor being designed to be enclosed by the active electrode material.
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. 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.Further features, advantages and possible applications of the present invention emerge from the following description of the exemplary embodiments and the figures. 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 von herkömmlichen Stromableitern mit beidseitiger Elektrodenbeschichtung zur Erläuterung der Erfindung; -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrodenstapels bzw. -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 einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
1 shows a schematic representation of conventional current conductors with double-sided electrode coating to explain the invention; -
2 shows a schematic representation of an electrode stack or 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 battery cell according to an embodiment of the present invention.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf
Die
In
Die
Die
Für eine korrekte Funktionsweise der Batteriezelle, ist es im Falle der Ausbildung des Stromableiters als ein Kathoden-Stromableiter, wie in dem Ausführungsbeispiel wie in
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren nur schematisierte Querschnitte gezeigt. Beispielsweise sind die Kernstrukturen bzw. der Stromableiter größtenteils oder sogar vollständig mit beispielsweise Aluminium überzogen. Somit ist der Kern überall umschlossen und nicht nur innerhalb oder außerhalb der Aktivmaterialbeschichtung.For a better understanding of the present invention, only schematic cross-sections are shown in the figures. For example, the core structures or the current arrester are largely or even completely covered with, for example, aluminum. The core is thus enclosed everywhere and not just inside or outside the active material coating.
Der in der
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Stromableiterfolie aus Metall ausgebildet werden, auch aus Nichtkupfermetallen, welche bei den Umgebungsparametern eines Thermal Runaway weitestgehend stabil sind.According to a further exemplary embodiment of the present invention, the current collector foil can be formed from metal, including from non-copper metals, which are largely stable in the environmental parameters of a thermal runaway.
Durch Bedampfung, Elektrochemische Abscheidung, Sputtern, Kathodenzerstäubung, Lamination, Heißpressen oder Heißwalzen kann eine Beschichtung als Shell-Schicht bzw. Schalenbereich
Die umhüllende Aluminium-Schicht kann als Schalenbereich
Alternativ, anstelle von Aluminium, kann als der Schalenbereich
Ferner kann die umhüllende Aluminium-Schicht bzw. der Schalenbereich
Die
Die
Die Beschichtung
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
- KernbereichCore area
- 33
- SchalenbereichShell area
- 44th
- ElektrodenaktivmaterialElectrode active material
- 66th
- Separatorseparator
- 1010
- BatteriezelleBattery cell
- 2020th
- KraftfahrzeugMotor vehicle
Claims (11)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102019105120.7A DE102019105120A1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Current arrester for a battery cell of a motor vehicle |
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DE102019105120.7A DE102019105120A1 (en) | 2019-02-28 | 2019-02-28 | Current arrester for a battery cell of a motor vehicle |
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |