DE102019111180A1 - Thermischer Abschirmschild für Batterien - Google Patents

Thermischer Abschirmschild für Batterien Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Abschirmschild (3), insbesondere für Lithiumionenakkumulatoren für Elektrofahrzeuge, wobei der thermische Abschirmschild (3) ein Verbundmaterial ist mit einer Silikonharzmatrix mit darin eingebetteten Mineralfasern, insbesondere Mineralfasergelege oder - gewebe, aus Basalt- oder Glasfasern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Abschirmschild für Batterien einschließlich Akkumulatoren und insbesondere für Lithiumionenbatterien bzw. - akkumulatoren für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.
  • Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind insbesondere im Hinblick auf Raumersparnis und geringem Gewicht Batterien gewünscht und im Einsatz, die eine möglichst hohe Energiedichte aufweisen. Im Hinblick auf diese Anforderungen wie geringer Raumanspruch, geringes Gewicht haben sich Lithiumionenbatterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte als besonders geeignet erwiesen.
  • Für die vorliegende Erfindung wird der Begriff „Batterie“ zusammenfassend für Batterien als auch Akkumulatoren verwendet.
  • Für den Betrieb in einem Fahrzeug wird eine vorgegebene Anzahl von Batteriezellen zu einem Batteriestapel oder -modul und mehrere solcher Batteriestapel zu einem Batteriepack zusammengefasst.
  • Wegen der hohen Energiedichte von Lithiumionenakkumulatoren ergibt sich jedoch auch ein besonderes Sicherheitsrisiko für das Fahrzeug. Im Versagensfall der Batterie oder auch nur einer einzelnen Zelle, z. B. bei Kurzschluss oder Beschädigung, kann es zum Austritt eines heißen Gases aus der Batteriezelle kommen. Das Gas erreicht dabei eine Austrittsgeschwindigkeit von bis zu 400 m/sec und entzündet sich schlagartig durch Reaktion von gebildetem Kohlenwasserstoff und Wasserstoff mit Luftsauerstoff. Es können dabei Temperaturen von bis zu 1.200 °C entstehen. Eine solche Flamme oder Lichtbogen kann Brände und sogar Explosionen hervorrufen. Das Gas reißt zudem Feststoffpartikel aus zersetzten Zellmaterial mit sich, die auf Karosserieteile treffen und diese aufgrund der hohen Austrittsgeschwindigkeit zusätzlich beschädigen können. Versagt eine Zelle und kommt es zum Brand dieser Zelle, muss verhindert werden, dass der Brand auf benachbarte Zellen bzw. Module übergreift oder den Fahrgastraum in Brand setzt.
  • Zur Vermeidung eines unkontrollierten Gasaustritts und zum Schutz benachbarter Zellen sind in den Batteriezellen Sicherheitsventile oder so genannte Berstscheiben vorgesehen, durch die das entstehende Gas in eine vorgegebene Richtung gelenkt werden kann, um z. B. ein Übergreifen des Kurzschlusses auf eine benachbarte Zelle zu vermeiden und insbesondere den entstehenden Gasstrom weg von der Fahrgastkabine zu lenken.
  • Unabhängig davon besteht ein Bedarf nach Schutzvorrichtungen, mit denen ein Ausbreiten eines Batteriebrandes verhindert oder zumindest verzögert werden kann.
    Ein Problem bei der Entwicklung von derartigen Schutzvorrichtungen für Batterien ist der geringe zur Verfügung stehende Platz.
  • Zudem sollte sich die Schutzvorrichtung möglichst in eine steife 3-dimensionale Form bringen lassen, wie z. B. eine Sandwich- oder Wabenstruktur, wodurch sich die Assemblierung in eine bestehende Batterieanordnung oder Batteriegehäuse, z. B. insbesondere zwischen Deckel und Zellen, vereinfachen lässt.
  • Im Hinblick auf die gewünschte kompakte Ausführung der Batterien sollten diese Schutzvorrichtungen so wenig Platz wie möglich beanspruchen, d. h. so dünn wie möglich sein, ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, aber dennoch einen ausreichenden Schutz gegen ein Ausbreiten eines Batteriebrandes bieten.
  • Neuerdings ist ein Hitzeschild beschrieben worden, der zwischen den einzelnen Batteriezellen platziert wird und dafür sorgen soll, dass die Wärme in einer schadhaften Zelle so lange isoliert wird, bis die Zelle abgebaut worden ist, und so ein Übergreifen auf benachbarte Zellen verhindert wird. Der Hitzeschild besteht aus einem silikonbasierten Elastomer mit waffelförmiger Struktur und hat eine Dicke von nur 1 mm. Bei einem Prüfverfahren, bei dem Proben des Hitzeschildes auf einer 600 °C heißen Oberfläche gelagert wurden, wurden nach 30 Sekunden Temperaturen von deutlich unter 200 °C gemessen. Durch den Einsatz des Hitzeschildes soll sich die Energiedichte des Akkus lediglich geringfügig verringern (Freudenberg Sealing Technologies, „Lithium Battery Heat-Shields“ https://automobilkonstruktion.industrie.de/elektronik-software/freudenbergentwickelt....).
  • Kommt es jedoch, z. B. während der Fahrt, in einem Fahrzeug zu einem Batteriebrand, ist es unbedingt erforderlich, die Fahrgastkabine so lange wie möglich vor einem Übergreifen der Flammen zu schützen, um den Fahrzeuginsassen ein Entkommen aus dem Fahrzeug zu ermöglichen.
  • Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen thermischen Abschirmschild bereit zu stellen, mit dem der Fahrgastraum eines Elektrofahrzeuges vor einem von dem Batteriepaket ausgehenden Feuer ausreichend lange nach dem Versagen der ersten Zelle geschützt werden kann, und der zudem kostengünstig ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Abschirmschild mit dem insbesondere auch ein Ausbreiten eines Batteriebrandes in die Fahrzeugkabine hinein verhindert oder zumindest verzögert werden kann. Erfindungsgemäß wird ein thermischer Abschirmschild bereitgestellt, der ein Kompositmaterial ist mit einer Matrix aus einem Silikonharz und darin eingebetteten Mineralfasern.
  • Für die Anwendung in der Praxis kann der erfindungsgemäße thermische Abschirmschild eine Dicke von 0,5 bis 3 mm und insbesondere von 0,5 bis 1,5 mm haben. Er zeigt bereits bei diesen vergleichsweisen sehr geringen Stärken eine wirksame Abschirmung bei gleichzeitig geringen Raumbedarf und geringem Gewicht. Es versteht sich, dass die Stärke des Abschirmschirmes je nach Anforderung variieren kann. Zudem sind die verwendeten Materialien kostengünstig.
  • Vorzugsweise hat der erfindungsgemäße thermische Abschirmschild eine dreidimensionale Struktur, wie eine Wabenstruktur, Wellenstruktur, Sandwich, Wellpappenstruktur oder dergleichen.
  • Der Abschirmschild kann vielseitig eingesetzt werden, z. B. als Abschirmung zwischen einzelnen Zellen, zwischen den einzelnen Stapeln, aber auch zwischen Batteriezellenstapel und Batteriegehäuse, und vorzugsweise oberhalb eines Sicherheitsventils, insbesondere zwischen Zelle(n) und Gehäusedeckel.
  • Beispiele für die Anwendung sowie den Aufbau einer Batterie bzw. Batteriemoduls ist in den Figuren gezeigt.
  • Es zeigt
    • 1 einen Batteriestapel mit einer ersten Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen thermischen Abschirmschildes, und
    • 2 einen Batteriestapel mit einer zweiten Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Abschirmschildes.
  • In den Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen denselben Gegenstand.
  • 1 zeigt eine erste Anwendung mit zwei nebeneinander befindlichen Batteriestapeln 1 aus einzelnen Batteriezellen. Auf der Oberfläche der Batteriezellen mit den Kontakten 5 befindet sich ein Sicherheitsventil 2. Zwischen den beiden Batteriestapeln 1 ist ein erfindungsgemäßer thermischer Abschirmschild 3 angeordnet. Im Falle des Versagens einer Batteriezelle und Bersten des Sicherheitsventils 2 aufgrund des entstehenden Gasdrucks trifft das entweichende Gas bzw. das brennende Gas sowie die mitgerissenen Partikel aus Zellmaterial auf den Abschirmschild 3, der den benachbart angeordneten Batteriestapel von dem brennenden Gas und den mitgerissenen Partikeln aus Zellmaterial abschirmt, und so ein Übergreifen des Brandes auf den benachbarten Batteriestapel verhindert bzw. verzögert.
  • Eine zweite Anwendung ist in 2 gezeigt. Hier ist der Abschirmschild 3 zwischen der Oberseite des Batteriestapel 1 und Batteriegehäusedeckel 4 angeordnet. Im Falle des Versagens einer Batteriezelle und Austreten von brennendem Gas aus einem Sicherheitsventil 2 wird das brennende Gas und die damit mitgerissenen Partikel aus Zellmaterial nach oben in Richtung Batteriedeckel 4 durch den Abschirmschild 3 geschützt. Ist beispielsweise der Batteriestapel unterhalb des Bodens der Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges montiert, verhindert oder zumindest verzögert der Abschirmschild 3 das Übergreifen der Flammen auf die Fahrzeugkabine, so dass sich der Zeitraum verlängert, in dem die Passagiere das Fahrzeug verlassen können.
  • Es versteht sich, dass der erfindungsgemäße Abschirmschild 3 auch an anderen geeigneten Positionen in einem Batteriestapel oder Batteriepack angeordnet sein kann.
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt, kann der erfindungsgemäße Abschirmschild 3 vorteilhafterweise den Sicherheitsventilen 2 gegenüberliegend angeordnet sein. In diesem Fall schützt der Abschirmschild 3 den angrenzenden Raum vor einem Übergreifen des brennenden Gases im Falle des Versagens einer oder mehrerer Batteriezellen auf diese Seite des Abschirmschildes.
  • In besonders vorteilhafter Weise aufgrund der großen Faser- bzw. Rovingdicke kann der erfindungsgemäße Abschirmschild 3 zum Schutz der Fahrzeugkabine eingesetzt werden, wenn er in der Batterie zwischen Batteriestapel und z. B. Fahrzeugboden angeordnet ist.
  • Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials können auf diesem Technologiegebiet gängige und bekannte Verfahren eingesetzt werden.
    In dem erfindungsgemäßen Abschirmschild 3 liegen die Mineralfasern in der Silikonharzmatrix in Form eines Flächengebildes wie einem Gelege oder Gewebe etc. vor.
  • Geeignete Mineralfasern sind Basaltfasern, Glasfasern, Silicafasern und oxidkeramische Fasern. Die Flächengebilde selbst können aus Rovings oder Garnen aus diesen Fasern hergestellt sein.
  • Für die vorliegende Erfindung wird ein Fasergebilde verwendet, das ein Flächengewicht von 350 g/m2 bis 450 g/m2 und insbesondere 380 g/m2 bis 420 g/m2 aufweist.
  • Flächengewichte von weniger als 350 g/m2 haben sich bei der gewünschten geringen Dicke des Abschirmschildes als nicht ausreichend temperaturstabil erwiesen, da dann die Faser- bzw. Rovingstärke zu gering ist.
  • Bei höheren Flächengewichten wie 600 g/m2 oder mehr kann bei der gewünschten geringen Dicke des Abschirmschildes von etwa 1 mm keine ausreichend dichte Schicht erhalten werden.
  • Der Faserverlauf in dem Flächengebilde ist vorzugsweise didirektional, z. B. insbesondere 0 °C / 90 °C, jedoch kann je nach Bedarf der Verlauf auch multidirektional sein, z. B. 0 °C / 90 °C / 45 °C.
  • Praktischerweise können didirektionale Flächengebilde mit einem 0 °C / 90 °C Verlauf eingesetzt werden, wie sie z. B. kommerziell erhältlich sind.
  • Für die vorliegende Erfindung wird ein Silikonharz eingesetzt, das einen Si-O-Gehalt von mindestens 40 % bis 98 % und vorzugsweise von mindestens 45 bis 85 % aufweist.
  • Als Silikonharz werden vorzugsweise di- und/oder trifunktionelle Polysiloxane verwendet mit Methyl- und/oder Phenylsubstituenten.
  • Ein Beispiel für ein geeignetes Silikonharz ist SILRES®MK, ein Handelsname eines Methylsilikonharzes, das von der Firma Wacker hergestellt und vertrieben wird.
  • Ein derartiges Silikonharz zersetzt sich bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 600 °C ohne jedoch zu brennen anzufangen.
  • Für die vorliegende Erfindung beziehen sich die Prozentangaben für den Si-O-Gehalt des Silikonharzes auf Masseprozent.
    Die Bestimmung des Si-O-Gehalts erfolgt mittels Thermografimetriemessung, wobei der Masseverlust bis 800 °C ermittelt wird. Es wird der verbleibende anorganische Rest bestimmt.
  • In Kombination mit der hohen thermischen Stabilität der Mineralfasern wird ein Kompositmerkmal erhalten, das bei Hochtemperaturanwendungen bis zu ca. 1.400 °C über einen Zeitraum von bis zu 60 Sekunden eine gute mechanische Festigkeit bei sehr guter thermischer Beständigkeit aufweist.
  • Es wurden Vergleichsversuche mit einem Verbundmaterial aus Basaltfasern in einer Silikonmatrix vorgenommen, bei denen unterschiedliche Flächengewichte der Basaltfasern mit Silikonharzen mit unterschiedlichen Si-O-Gehalten in thermischen Tests verglichen wurden.
    Es wurden didirektionale Basaltfasergelege mit 0 °/90 °C-Verlauf eingesetzt.
  • Zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften, insbesondere der thermischen Beständigkeit gegen Durchbrennen, wurden die Proben in einem Wärmedurchgangsgerät Temperaturen bis zu 1.000 °C ausgesetzt, sowie mit einem Beflammungstest, das von der Anmelderin entwickelt worden ist, Flammen mit einer Temperatur von 1.200 °C bis 1.300 °C ausgesetzt.
    Die erfindungsgemäßen Proben und Vergleichsproben hatten jeweils eine Dicke von 1 mm.
  • Die erfindungsgemäßen Proben hatten einen Basaltfaser-Flächengewicht von 380 bis 420 g/m2 und ein Silikonharz mit einem Si-O-Anteil von 50 %.
  • Als Vergleichsproben wurden 1) Verbundmaterialien verwendet mit einem Basaltfaser-Flächengewicht von weniger als 380 g/m2 bzw. von mehr als 420 g/m2 sowie einem Silikonharz mit Si-O-Anteil von 50 % sowie 2) Verbundmaterialien mit einem Basaltfaser-Flächengewicht von 380 bis 420 g/m2 und einem Si-O-Anteil von mehr als 80 %.
  • Im Ergebnis zeigten die erfindungsgemäßen Proben eine sehr gute Verarbeitbarkeit, eine gute mechanische Festigkeit und eine sehr gute thermische Beständigkeit.
    Im Gegensatz dazu zeigten die Vergleichsproben 1) und 2) ein frühzeitiges Versagen in den thermischen Tests und schlechtere Eigenschaften gegenüber thermischer Zersetzung.
  • Aufgrund der Ergebnisse wird angenommen, dass der Si-O-Anteil der Harzmatrix und die Faserdicke, ausgedrückt als Flächengewicht, miteinander wechselwirken. Es wird vermutet, dass die glasige Struktur der Fasern durch den Gehalt an thermisch aktivierbaren Si-O beeinflusst wird und eine beschleunigte bzw. katalytisch aktivierte Rekristallisation der Glasstruktur der Faser stattfindet, was sich an einer starken Versprödung der Faser zeigt.
  • Der erfindungsgemäße thermische Abschirmschild ermöglicht selbst bei einer so geringen Stärke wie 1 mm eine effektive Abschirmung eines Batteriebrandes gegen die Umgebung und trägt so zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen bei, die mit Lithiumionenbatterien oder -akkumulatoren betrieben werden.
    Zugleich ist der erfindungsgemäße Abschirmschild aus kostengünstigen Materialien gefertigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Batteriestapel
    2
    Sicherheitsventil
    3
    thermischer Abschirmschild
    4
    Batterie-Gehäusedeckel
    5
    Kontakt

Claims (10)

  1. Thermischer Abschirmschild (3), wobei der thermische Abschirmschild (3) ein Verbundmaterial ist, mit einer Silikonharzmatrix und darin eingebettet einem Flächengebilde aus mineralischen Fasern, wobei der Si-O-Anteil des Silikonharzes 40 bis 98 % und das Flächengewicht des Flächengebildes aus Mineralfasern 350 g/m2 bis 450 g/m2 ist.
  2. Thermischer Abschirmschild (3) nach Anspruch 1, wobei die Mineralfaser ausgewählt ist unter Basaltfasern, Glasfasern, Silicafasern oder oxidkeramischen Fasern.
  3. Thermischer Abschirmschild (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mineralfaser in Form von Rovings vorliegt.
  4. Thermischer Abschirmschild (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Flächengebilde ein Gelege oder Gewebe ist.
  5. Thermischer Abschirmschild (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mineralfasern Basaltfasern sind.
  6. Thermischer Abschirmschild (3) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Si-O-Anteil des Silikonharzes 45 bis 85 % und das Flächengewicht der Mineralfasern 380 g/m2 bis 420 g/m2 beträgt, und das Flächengebilde ein Gewebe oder Gelege aus Basaltfasern ist.
  7. Thermischer Abschirmschild (3) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Stärke des thermischen Abschirmschildes (3) 0,5 bis 3,0 mm beträgt.
  8. Thermischer Abschirmschild (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abschirmschild eine dreidimensionale Struktur hat.
  9. Verwendung eines thermischen Abschirmschildes (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Batterie oder einem Akkumulator.
  10. Verwendung nach Anspruch 9, wobei die Batterie oder der Akkumulator eine Lithiumionenbatterie oder - Akkumulator ist.
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DE102006048912A1 (de) * 2006-10-17 2008-04-24 Zipper-Technik Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Wärmeschutzes

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