DE102019121849A1

DE102019121849A1 - Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102019121849A1
Application number: DE102019121849.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Kritzer; Mark Boggasch; Daniela Woll; Thomas Kramer; Tanja Heislitz; Armin Striefler; Bjoern Hellbach; Tim Leichner
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-18
Also published as: WO2021028187A1; KR20220020962A; CN114223087A; US20220416326A1; EP4014275A1

Abstract

Energiespeichersystem (1), umfassend zumindest eine Speicherzelle (2), wobei die Speicherzelle (2) zumindest abschnittsweise mit einer Umhüllung (3) versehen ist, wobei die Umhüllung (3) aus Kunststoff besteht, wobei die Umhüllung (3) mit einem Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit versehen ist, wobei das Material so ausgebildet ist, dass der Wärmedurchgang im Störfall reduziert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, umfassend zumindest eine Speicherzelle, wobei die Speicherzelle zumindest abschnittsweise mit einer Umhüllung versehen ist, wobei die Umhüllung aus Kunststoff besteht.
Energiespeichersysteme sind weit verbreitet und kommen insbesondere als wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie in mobilen und stationären Systemen zum Einsatz. Dabei kommen Energiespeichersystems in Form von wiederaufladbaren Speichern in tragbaren elektronischen Geräten zum Einsatz, wie beispielsweise in Messgeräten, medizinischen Geräten, Werkzeugen oder Konsumartikeln. Ferner werden Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern zum Bereitstellen elektrischer Energien für elektrisch angetriebene Transportmittel eingesetzt. Elektrisch angetriebene Transportmittel können dabei Zweiräder, Vierräder, beispielsweise PKWs oder auch Nutzfahrzeuge wie Busse, Lastkraftwagen, Schienenfahrzeuge oder Gabelstapler sein. Darüber hinaus werden Energiespeichersysteme in Schiffen und Flugzeugen eingesetzt.
Es ist auch bekannt, Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern in stationären Anwendungen vorzusehen, beispielsweise als Backup-Systeme in Netzwerkanlagen und zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen.
Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem ist dabei ein wiederaufladbarer Speicher in Form eines Lithium-Ionen- Akkumulators. Derartige Energiespeichersysteme weisen, wie andere wiederaufladbare Speicher auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche in einem Gehäuse angeordnet sind. Mehrere in einem Gehäuse angeordnete und elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen bilden dabei ein Modul.
Weitere bekannte Energiespeichersysteme sind beispielsweise Lithium-Schwefel-Akkumulatoren, Feststoff- Akkumulatoren oder auch Metall-Luft-Akkumulatoren.
Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern weisen die maximale elektrische Kapazität in nur einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Wird das optimale Temperaturspektrum über- oder unterschritten, fällt die elektrische Kapazität des Energiespeichersystems stark ab, zumindest ist die aber Funktionalität des Energiespeichersystems beeinträchtigt.
Insbesondere zu hohe Temperaturen können zu einer Schädigung des Energiespeichersystems führen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen das sogenannte thermische Durchgehen bekannt (Thermal Runaway). Dabei werden in kurzer Zeit hohe thermische Energiemengen und gasförmige Abbauprodukte frei, was zu einem hohen Druck und hohen Temperaturen innerhalb der Speicherzellen führt. Problematisch ist dieser Effekt insbesondere bei Energiespeichersystemen mit hoher Energiedichte und dementsprechend vielen Speicherzellen auf engem Raum, wie sie beispielsweise bei Energiespeichersystemen zur Bereitstellung elektrischer Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge erforderlich ist. Die Problematik des thermischen Durchgehens vergrößert sich dabei dementsprechend in Abhängigkeit der zunehmenden Energiemenge einzelner Speicherzellen und durch Erhöhung der Packungsdichte der in einem Gehäuse angeordneten Speicherzellen.
Beim thermischen Durchgehen einer Speicherzelle können innerhalb des Energiespeichersystems lokal über eine Zeitdauer von etwa 30 Sekunden Temperaturen im Bereich von 600°C oder mehr entstehen. Durch geeignete Maßnahmen soll dabei der Energieübergang auf benachbarte Speicherzellen soweit reduziert werden, dass die Temperatur der benachbarten Speicherzellen nicht zu stark ansteigt. Bevorzugt soll die Temperatur der benachbarten Speicherzellen höchstens 100°C betragen. Dieser Wert ist allerdings stark abhängig von den für den Akkumulator verwendeten Chemikalien als auch vom Wärmeeintrag vom Zellgehäuse in den Zellwickel. Dementsprechend kann die Temperatur auch deutlich oberhalb oder unterhalb von 100°C liegen.
Zwar wird auch hierbei die betroffene Speicherzelle irreversibel beschädigt, es kann aber verhindert werden, dass die Beschädigung auf benachbarte Speicherzellen übergreift (Vermeidung einer Thermal Propagation).
Als Maßnahme ist es hierzu beispielsweise aus der WO 2019/046871 bekannt, zwischen den Speicherzellen eine Kühleinrichtung anzuordnen, wobei die Einrichtung flächig ausgebildet ist und sich abschnittsweise an den Mantel der Speicherzellen anschmiegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem bereitzustellen, welches eine verbesserte Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem umfasst zumindest eine Speicherzelle, wobei die Speicherzelle zumindest abschnittsweise mit einer Umhüllung versehen ist, wobei die Umhüllung elastisch ausgebildet ist und aus Kunststoff besteht, wobei die Umhüllung mit einem Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit versehen ist, wobei das Material so ausgebildet ist, dass der Wärmedurchgang im Störfall reduziert ist.
Die Umhüllung nimmt die von den Speicherzellen emittierte Wärme auf und leitet diese an eine Kühleinrichtung, beispielsweise an einen mit einem Kühlmedium durchflossenen Kühler ab. Dadurch, dass die Umhüllung aus Kunststoff besteht, kann die Umhüllung in hoher Stückzahl kostengünstig hergestellt werden. Des Weiteren liegt die Umhüllung aufgrund der elastischen Ausgestaltung dicht an der Außenseite der Speicherzelle an, so dass ein direkter Kontakt zwischen Speicherzelle und Umhüllung besteht, was wiederum vorteilhaft für die Wärmeleitung ist.
Die meisten Kunststoffe weisen jedoch eine verhältnismäßig schlechte thermische Leitfähigkeit auf. Durch das in die Umhüllung eingebrachte Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit verbessert sich die thermische Leitfähigkeit der aus Kunststoff ausgebildeten Umhüllung signifikant. Dadurch ist insbesondere sichergestellt, dass in einer Speicherzelle entstehende Wärmespitzen sicher abgeleitet werden können. Vorzugsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit der erfindungsgemäß ausgestalteten Umhüllung wenigstens 0,6 W/(m.K).
Die Speicherzelle kann eine Rundzelle sein. Speicherzellen in Form von Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden häufig als Rundzellen ausgeführt. Diese sind in hohen Stückzahlen und in guter Qualität herstellbar. Dabei sind insbesondere Rundzellen mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Länge von 65 mm, beziehungsweise einer Länge von 70 mm und einem Durchmesser von 21 mm besonders häufig. Die Rundzelle mit kleinerem Durchmesser findet vorwiegend bei Anwendungen ihren Einsatz bei denen eine hohe Spannung bei gleichzeitig beschränkter Systemenergie erforderlich ist. Beispielsweise werden derartige Rundzellen in Elektrofahrzeugen und auch in Elektrowerkzeugen eingesetzt. Anwendungsgebiete der größeren Rundzellen sind beispielsweise Nutzfahrzeuge wie Gabelstapler. Es sind aber auch Bauformen von Rundzellen mit größeren, beziehungsweisen kleineren Längen und Durchmessern bekannt.
Rundzellen weisen einen zylindrischen Mantel, einen Boden und auf der dem Boden gegenüberliegenden Seite einen Deckel auf. Boden und Mantel sind zumeist materialeinheitlich und einstückig ausgeführt. Der Deckel ist ein separates Bauteil und elektrisch zu dem Mantel, beziehungsweise dem Boden isoliert. Dementsprechend ist ein Pol zumeist dem Deckel und der andere Pol dem Mantel oder Boden zugeordnet. Bei der oben beschriebenen Ausgestaltung sind sowohl der Mantel als auch der Boden der Speicherzelle elektrisch leitfähig. Um ein unbeabsichtigtes Kurzschließen und Kriechströme innerhalb des Energiespeichersystems zu verhindern ist es daher bekannt, das Gehäuse der Speicherzellen außerhalb der Kontakte zu isolieren. Die Isolation besteht dabei zumeist aus einem isolierenden polymeren Material, welches beispielsweise als Schrumpfschlauch ausgebildet sein kann, welcher den Mantel der Speicherzelle umgibt. Dementsprechend kann auch die erfindungsgemäße Umhüllung derart ausgebildet sein, dass diese den Mantel der Speicherzelle zumindest abschnittsweise umgibt. Vorzugsweise ist die Umhüllung elektrisch isolierend ausgebildet.
Dadurch, dass die Umhüllung elastisch ausgebildet ist, kann sie leicht auf den zylindrischen Mantel der Rundzelle aufgeschoben werden und auch während des Betriebs auftretenden Dimensionsänderungen der Speicherzelle, beispielsweise beim Laden oder beim Entladen folgen und so verhindern, dass sich innerhalb der Speicherzelle ein unzulässig hoher Innendruck aufbaut. Prinzipiell ist es dabei denkbar, dass die Umhüllung aus einem textilen Flächengebilde, beispielsweise einem Vliesstoff ausgebildet ist. Derartige Flächengebilde sind komprimierbar und einfach zu montieren.
Die Umhüllung ist ferner temperaturbeständig ausgestaltet und ausgerüstet, einer Temperaturbelastung von 600°C über eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden standzuhalten. Dabei soll die Umhüllung die Speicherzelle nach einer derartigen Temperaturbelastung so umgeben, dass ein unzulässig hoher Wärmeübergang auf benachbarte Speicherzellen verhindert wird.
Die Umhüllung kann aus elastomerem Material ausgebildet sein. Zwar weisen elastomere Werkstoffe häufig nur eine begrenzte thermische Leitfähigkeit auf. Durch die erfindungsgemäße Ausrüstung des Materials mit einem Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ergibt sich aber eine ausreichend hohe thermische Leitfähigkeit, um die Wärmeentwicklung der Zellen im Normalbetrieb abführen zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in das elastomere Material ein endotherm wirksames Material eingebracht, welche beim Überschreiten einer Temperatur einmalig thermische Energie aufnimmt und dadurch um auch thermische Spitzenlasten, welche beispielsweise beim thermischen Durchgehen entstehen, ableiten zu können.
Vorteilhafte elastomere Werkstoffe sind beispielsweise silikonbasierte Elastomere oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM). Silikon-Elastomere sind sehr temperaturbeständig und weisen eine gewisse Beständigkeit gegenüber Beflammung auf. Bei der Verwendung von EPDM ist es bevorzugt, wenn das Material zusätzlich mit einem flammhemmenden Material ausgerüstet ist.
Die Umhüllung kann schlauchförmig ausgebildet sein. Eine derartig ausgebildete Umhüllung ist insbesondere im Zusammenhang mit Rundzellen vorteilhaft.
Alternativ kann die Umhüllung aus einer Bahnenware ausgebildet sein. Dies ermöglicht die Anpassung der Umhüllung an eine Vielzahl von Formen verschiedener Speicherzellen. Bei der Montage wird die bahnenförmige Umhüllung zumindest abschnittsweise um die Speicherzelle herum gelegt. Anschließend können die einander überlappenden Bereiche der Umhüllung stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Die Umhüllung kann außenseitig konturiert sein. Insbesondere ist es denkbar, dass die Umhüllungen außenseitig derart ausgestaltet sind, dass die Umhüllungen mehrerer benachbarter Speicherzellen in engem und großflächigem Kontakt zueinander gelangen. Dadurch ist ein Wärmetransport über eine Vielzahl von Speicherzellen hinweg gewährleistet. Durch die Konturierung kann sich je nach Ausbildung auch eine vergrößerte Oberfläche ergeben, so dass sich eine verbesserte Wärmeabfuhr in Richtung Umgebung ergibt.
Die Umhüllung kann außenseitig zumindest bereichsweise eben ausgebildet sein. In Bezug auf die Umhüllung für eine Rundzelle kann die Umhüllung beispielsweise entlang der Außenkontur D-förmig ausgebildet sein. Durch die bereichsweise Abflachung der Außenkontur der Umhüllung ergibt sich eine große Anlagefläche der Umhüllung an ein benachbartes Bauteil, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Speicherzellen mit Umhüllung auf einem flächigen Kühlelement angeordnet werden sollen. Dabei kann die Umhüllung außen- und/oder innenseitig so konturiert sein, dass um den Umfang der Umhüllung eine gleichbleibende Dicke des Materials gegeben ist.
Das Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit kann ein elektrisch isolierender, anorganischer Füllstoff sein. Derartige Werkstoffe sind beispielsweise in der Gruppe der keramischen Werkstoffe zu finden.
Zur Verbesserung der Schutzfunktion im Störfall sind solche Materialien besonders vorteilhaft, welche bei Erwärmung über 100°C einer endothermen Reaktion unterliegen, ausgelöst beispielsweise durch die Freisetzung von Kristallwasser. Derartige Materialien sind beispielsweise anorganische Hydroxide oder Oxid-Hydroxide, beispielsweise Mg(OH)₂, Al(OH)₃ oder AIOOH. Bei Überschreiten einer materialspezifischen Zersetzungstemperatur setzen diese Verbindungen unter Aufnahme von Energie Wasser frei. Besonders bevorzugt ist hierbei Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), weil sich mit diesem als Füllstoff Wärmeleitfähigkeiten bis zu 1 W/(m·K) in Mischungen (Compounds) realisieren lassen und dieser Füllstoff im Temperaturbereich zwischen 200°C und 250°C Kristallwasser freisetzt. Die endotherme Reaktion reduziert den Wärmeübergang zwischen benachbarten Speicherzellen im Schadensfall deutlich.
Daher sind derartige Materialien besonders geeignet, den im Normalbetrieb gewünschten hohen Wärmedurchgang bei Temperaturen oberhalb von 100°C zu begrenzen und dadurch die Speicherzelle thermisch zu isolieren
Vorteilhaft sind auch Materialien, welche bei Temperaturen über 100°C Gase, beispielsweise CO₂, freisetzen. Die Freisetzung von Gas innerhalb der Umhüllung führt zu einem zusätzlichen einmaligen Wärmepolster und verlangsamt den Wärmeübergang zwischen den Speicherzellen. Derartige Materialien sind in der Gruppe der Carbonate zu finden, beispielsweise K₂CO₃, Na₂CO₃ oder CaCO₃. Denkbar sind auch Gemische dieser Materialien.
Durch die hohe spezifische Wärmeaufnahme der sich zersetzenden Materialien kann die Umhüllung dünn und platzsparend ausgeführt werden. Dennoch weist die Umhüllung im Schadensfall eine gute thermische Isolierung in Richtung benachbarter Speicherzellen auf.
Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Umhüllung mit dem sich im Schadensfall zersetzenden Material unter normalen Betriebszuständen eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, im Schadensfall aber eine hohe Energiemenge innerhalb der Umhüllung durch die endotherme Reaktion aufgenommen wird, ohne dass hohe Wärmemengen auf benachbarte Speicherzellen übertragen werden. Bei normalen Betriebsbedingungen erfolgt hingegen eine Ableitung der Wärme der innerhalb der Speicherzelle emittierten Wärme in Richtung einer Kühleinrichtung.
Das Material kann derart ausgebildet sein, dass es als latenter Wärmespeicher fungiert. Derartige latente Wärmespeichermaterialien sind beispielsweise Phasenwechselmaterialien, wobei das Material vorzugsweise so gewählt ist, dass die Temperatur des Phasenübergangs zwischen fest und flüssig bei mindestens 100°C liegt.
Das Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit kann in eine flächige Matrix eingebracht sein, wobei die Matrix in die Umhüllung eingebettet ist. Die Matrix kann beispielsweise aus einem thermisch beständigen Vliesstoff bestehen. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine besonders homogene Verteilung des Materials über die Fläche der Umhüllung möglich ist, so dass große Mengen Material in die Umhüllung eingebracht werden können. Das Material kann dabei durch gängige Prozesse wie Rakeln oder Foulardierung in die Matrix eingebracht werden. Die Matrix kann alternativ oberflächennah oder entlang einer Oberfläche angeordnet sein.
Die Umhüllung weist vorzugsweise eine Dicke von maximal 3 mm auf. Vorzugsweise ist die Dicke der Umhüllung kleiner als 1,5 mm.
Die Umhüllung kann auf der der Speicherzelle zugewandten Seite konturiert sein. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, Längsrippen in die Umhüllung zu integrieren. Diese können als an die Speicherzelle mündende Kanäle ausgeführt werden. Einerseits vereinfachen die Längsrippen die Montage der Umhüllung. Andererseits kann durch die Längskanäle sichergestellt werden, dass die freigesetzten Gase bei einer endothermen Reaktion des entsprechend ausgestalteten Materials gezielt aus dem Material der Umhüllung in Richtung der Längsrippen abgeführt werden, ohne dass sich unerwünscht hohe Drücke oder Spannungen im Material ausbilden.
Die Umhüllung kann auch so ausgestaltet sein, dass diese mehr als eine Speicherzelle aufnimmt und dabei die Speicherzellen elektrisch voneinander isoliert. Beispielsweise kann eine Umhüllung für zwei Speicherzellen in Form einer Acht ausgebildet sein.
Durch die auf der Innenseite der Umhüllung angebrachte Konturierung können sich in der Umhüllung Bereiche ausbilden, welche an den Speicherzellen anliegen und weitere Bereiche, welche von den Speicherzellen beabstandet sind. Dabei bilden sich Hohlräume, welche die thermische Isolierung der Umhüllung verbessern. Zudem ist es denkbar, dass die unmittelbar der Speicherzelle benachbarten Hohlräume als Kühlkanäle genutzt werden, durch welche ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium geleitet wird.
Eine derartige Strukturierung ergibt sich beispielsweise, wenn die Einrichtung rippenförmig strukturiert ist. Eine derartige Ausgestaltung ergibt sich auch, wenn die Einrichtung innenseitig über den Umfang wellenförmig profiliert ist. Bei beiden Ausgestaltungen ist vorteilhaft, dass sich diese in einem Extrusionsprozess herstellen lassen.
Die Umhüllung kann Kanäle aufweisen, welche innerhalb der Umhüllung verlaufen. Vorzugsweise verlaufen die Kanäle längs der Umhüllung. Derartige Kanäle verbessern die Isolationswirkung der Umhüllung.
In die Umhüllung können thermisch isolierende Füllstoffe eingebracht sein. Dabei sind die Füllstoffe vorzugsweise so ausgebildet, dass diese eine intrinsische Porosität und damit ein intrinsisches Gaspolster im Inneren der Umhüllung erzeugen. Dadurch ergeben sich mikroskopische Hohlräume. Derartige Materialien sind beispielsweise Glas-Hohlkugeln oder hochporöse anorganische Materialien wie Aerosile, Blähstoffe oder Aerogele. Ferner ist der Einsatz von fein verteilten Treibmitteln zur fein- bzw. mikroporigen Aufschäumung der Umhüllung denkbar. Bereits expandierte Graphite oder expandierbare Graphite wie Blähgraphite sind prinzipiell auch denkbar, aber aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit nicht bevorzugt.
Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:

1 Speicherzellen mit einer schlauchförmigen Umhüllung, wobei die Umhüllung den Mantel der Speicherzelle einmal vollständig und einmal teilweise bedeckt;
2 eine elastische Umhüllung;
3 eine D-förmig ausgebildete Umhüllung;
4 eine ovale Umhüllung;
5 eine Umhüllung mit einer außenseitigen Konturierung;
6 ein Umhüllung mit sternförmiger innen- und/oder außenseitiger Konturierung;
7 eine Anordnung von Speicherzellen mit Umhüllung.

Die Figuren zeigen ein Energiespeichersystem 1, umfassend zumindest eine Speicherzelle 2. Bei den vorliegenden Ausgestaltungen ist die Speicherzelle 2 ein Akkumulator zur Speicherung elektrischer Energie. Vorzugsweise ist der Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Ebenso kann der Akkumulator ein Lithium-Schwefel-Akkumulator, ein Feststoff-Akkumulator oder ein Metall-Luft-Akkumulator sein.
Bei den vorliegenden Ausgestaltungen ist die Speicherzelle 2 als Rundzelle ausgebildet und weist gemäß einer ersten Ausgestaltung einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm auf und in einer zweiten Ausgestaltung eine Länge von 70 mm und einen Durchmesser von 21 mm. Die Speicherzellen 2 weisen ein Gehäuse mit einem Boden 6 und einen Mantel 4 auf und sind auf der dem Boden 6 gegenüberliegenden Seite durch einen Deckel 7 verschlossen. Deckel 7 und Mantel 4 beziehungsweise Boden 6 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Die Kontaktierung der Speicherzelle 2 erfolgt über den Boden 6 und den Deckel 7.
Das Energiespeichersystem 1 umfasst ferner ein Gehäuse, in welchem eine Vielzahl von Speicherzellen 2 angeordnet ist. Dabei sind die Speicherzellen 2 aufrecht stehend nebeneinander angeordnet.
Speicherzelle 2 ist zumindest abschnittsweise mit einer Umhüllung 3 versehen. Die Umhüllung 3 ist elastisch ausgebildet und besteht aus Kunststoff, bei der vorliegenden Ausgestaltung besteht die Umhüllung 3 aus einem Silikon-Elastomer. Zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ist das elastomere Material, das Silikon-Elastomer, mit einem Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit versehen. Das Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ist ein elektrisch isolierender, anorganischer Füllstoff, vorliegend ein keramischer Werkstoff.
In diesem Zusammenhang sind vorteilhafte keramische Werkstoffe anorganische Hydroxide oder Oxid-Hydroxide, beispielsweise Mg(OH)₂, Al(OH)₃ oder AIOOH. Diese setzen bei höheren Temperaturen Wasserdampf frei.
Besonders vorteilhaft ist Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), da sich mit diesem Füllstoff Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 1 W/(m.K) in Compounds realisieren lassen und dieser Füllstoff in einem Temperaturbereich von 200°C bis 250°C Kristallwasser freisetzt.
Das aus Silikon-Elastomer und aus keramischem Material gebildete Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ausgebildete Umhüllung 3 ist elektrisch isolierend ausgebildet.
Bei den vorliegenden Ausgestaltungen ist die Umhüllung 3 schlauchförmig ausgebildet und im Extrusionsverfahren herstellbar. Gemäß einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung ist die Umhüllung 3 aus einer Bahnenware ausgebildet.
Die Umhüllung 3 hat eine Materialstärke von 1,2 mm.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung des Energiespeichersystems 1. 1 zeigt auf der linken Seite eine erste Speicherzelle 2, welche mit einer Umhüllung 3 versehen ist, welche den Mantel 4 der Speicherzelle 2 umgibt. Durch diese Ausgestaltung ist der Mantel 4 gegenüber der Umgebung, insbesondere gegenüber weiteren Speicherzellen elektrisch isoliert. Auf der rechten Seite ist eine weitere Speicherzelle 2 gezeigt, welche ebenfalls mit einer Umhüllung 3 versehen ist. Diese umgibt den Mantel 4 aber lediglich abschnittsweise.
2 zeigt im oberen Bereich eine Speicherzelle 2 mit einer schlauchförmigen Umhüllung 3 in der Draufsicht. Die Umhüllung 3 ist aus elastomerem Material ausgebildet und dadurch elastisch. Im unteren Bereich ist die Speicherzelle 2 zu sehen, welche samt Umhüllung 3 auf ein flächig ausgebildetes Kühlelement 8 aufgedrückt ist. Dabei verformt sich die Umhüllung 3 abschnittsweise, so dass sich ein teilweise flächiger Kontakt der Umhüllung 3 an das Kühlelement 8 ergibt.
Die mit einem Material zu Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit versehene Umhüllung 3 gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel weist eine thermische Leitfähigkeit von 1,1 W/(m·K) auf.
3 zeigt im oberen Bereich eine Speicherzelle 2 mit einer schlauchförmigen Umhüllung 3, welche den Mantel 4 der Speicherzelle 2 umgibt. Die Umhüllung 3 ist außenseitig konturiert und bei der vorliegenden Ausgestaltung D-förmig ausgebildet. Dadurch weist die Umhüllung 3 außenseitig eine Abflachung auf, welche zur flächigen Anlage der Umhüllung 3 an eine Kühleinrichtung 8 geeignet ist. Diese Ausgestaltung mit Kühleinrichtung ist in der unteren Darstellung zu sehen.
4 zeigt eine Speicherzelle 2, welche von einer schlauchförmigen Umhüllung 3 umgeben ist. Die Umhüllung 3 ist außenseitig derart konturiert, dass die Umhüllung 3 außenseitig ovalförmig ausgebildet ist. Eine derartig ausgebildete Umhüllung 3 eignet sich insbesondere zur Anlage an ein konkav gewölbtes Kühlelement 8, wie es im unteren Bereich der Figur gezeigt ist.
5 zeigt eine Speicherzelle 2, welche mit einer schlauchförmigen Umhüllung 3 versehen ist. Die Umhüllung 3 ist außenseitig abschnittsweise konturiert und weist hierzu über einen Teil des Umfangs verteilt Erhebungen 9 in Form von in Längsrichtung verlaufenden rechteckförmigen Rippen auf. Durch diese Konturierung vergrößert sich die Außenfläche der Umhüllung wesentlich, so dass sich ein verbesserter Wärmeübergang in Richtung der Umgebung ergibt. Im unteren Bereich der Figur ist zu erkennen, dass die Umhüllung 3 elastisch ausgebildet ist und sich bei Kontakt mit einem Kühlelement 8 elastisch verformt, so dass sich hier eine flächige Anlage der Umhüllung 3 auf das Kühlelement 8 ergibt.
6 zeigt alternative Ausgestaltung der in 5 gezeigten Umhüllung 3. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist bei dem linken Ausführungsbeispiel die Umhüllung 3 außenseitig sternförmig konturiert. Gemäß der rechten Ausgestaltung ist die Umhüllung 3 außenseitig rund ausgebildet. Beide Ausgestaltungen weisen innenseitig eine sternförmige Konturierung auf.
7 zeigt eine Anordnung 8 von Speicherzellen 2, wobei mehrere Speicherzellen 2 koaxial zueinander angeordnet sind und von einer einzigen schlauchförmig ausgebildeten Umhüllung 3 umgeben sind. Bei dieser Ausgestaltung fungiert die Umhüllung 3 als Träger für eine Anzahl von Speicherzellen 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/046871 [0010]

Claims

Energiespeichersystem (1), umfassend zumindest eine Speicherzelle (2), wobei die Speicherzelle (2) zumindest abschnittsweise mit einer Umhüllung (3) versehen ist, wobei die Umhüllung (3) aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) mit einem Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit versehen ist, wobei das Material so ausgebildet ist, dass der Wärmedurchgang im Störfall reduziert ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) elastisch ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2) eine Rundzelle ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) den Mantel (4) der Speicherzelle (2) zumindest abschnittsweise umgibt.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) elektrisch isolierend ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) aus elastomerem Material ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) schlauchförmig ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) aus einer Bahnenware ausgebildet ist, welche die Speicherzelle (2) zumindest teilweise umgibt.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (2) mit Vorspannung an dem Mantel (4) der Speicherzelle anliegt.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ein elektrisch isolierender, anorganischer Füllstoff ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit ein endotherm wirksames Material ist, welches bei Temperaturen oberhalb von 100°C einer endothermen Reaktion unterliegt und bei Temperaturen oberhalb von 100°C die thermische Leitfähigkeit reduziert.
Energiespeichersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Material ausgewählt ist aus der Gruppe der Metall-Hydroxide, der Metall-Oxyhydroxide, der Metallcarbonate oder der Metallhydrogencarbonate.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Umhüllung (3) ein elektrisch isolierender, anorganischer weiterer Füllstoff mit thermisch isolierenden Eigenschaften zur Begrenzung der thermischen Leitfähigkeit eingebracht ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Füllstoff Glas-Hohlkugeln und/oder Aerogele umfasst.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) außenseitig konturiert ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) außenseitig zumindest bereichsweise eben ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) auf der der Speicherzelle (2) zugewandten Seite (5) konturiert ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) von der Speicherzelle (2) emittierte Wärme an eine Kühleinrichtung (8) überträgt.
Energiespeichersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (3) flächig an der Kühleinrichtung (8) anliegt.