DE102020005084A1

DE102020005084A1 - Stapelbatterie mit den Überstrom unterbrechenden Kontakten

Info

Publication number: DE102020005084A1
Application number: DE102020005084.0A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stapelbatterie mit Stromkontakten, die an die Endplatten der Stapelbatterie gefügt sind, und mit Spannungskontakten, die an die Bipolarelektroden gefügt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stapelbatterie mit Stromkontakten und Spannungskontakten, wobei die Stapelbatterie aus einer Abfolge von übereinander gestapelten, bipolar aufgebauten Elektroden und Separatorschichten besteht. Die Abfolge der Elektroden und Separatoren wird von zwei Endplatten in der Stapelrichtung begrenzt. An den Endplatten sind Stromkontakte vorhanden, durch die der Betriebsstrom in die Stapelbatterie geleitet wird. An den Elektroden sind jeweils Spannungskontakte vorhanden, über die zum Zweck der Überwachung im Betrieb der Stapelbatterie die Zwischenpotentiale an den einzelnen galvanischen Zellen gemessen und daraus Zustandsgrößen ermittelt werden.
Der aktuelle Trend in der Batterietechnik geht dahin, durch eine verbesserte Integration die Energiedichten von elektrochemischen Speichern zu erhöhen. Ein dabei verfolgter Ansatz ist die Verwendung der sogenannten Bipolarbatteriestruktur. Dabei werden die Elektroden der Batterie als Bipolarelektroden ausgeführt, das bedeutet, es sind flächige Elemente, mit auf beiden Seiten befindlichen Aktivmaterialschichten, die jeweils durch Materialauswahl unterschiedliche Elektrodenpotentiale besitzen.
Der Vorteil dieser Bauart von Batterien liegt darin, dass wenig Totvolumen vorhanden und wenig passive Komponenten, das heißt, nicht an der Energiespeicherung beteiligte Komponenten, verbaut sind, was wesentlich Kosten und Gewicht einspart.
Bei Stapelbatterien, die auch als Bipolarbatterien bezeichnet werden, erhält man durch das Stapeln der Bipolarelektroden eine elektrische Reihenschaltung von galvanischen Zellen.
Um die für die jeweilige Anwendung gewünschte Batteriekapazität (in Amperestunden) zu erhalten, kann es erforderlich sein, Stapelbatterien elektrisch parallel zu schalten. Eine gebräuchliche Möglichkeit besteht darin, die Stromkontakte an den Endplatten und die Spannungskontakte an den Bipolarelektroden entsprechend ihres elektrischen Potentials zu verbinden, das bedeutet, der Stromkontakt an der unteren Endplatte einer ersten Stapelbatterie wird mit dem Stromkontakt an der unteren Endplatte einer zweiten Stapelbatterie verbunden und der Spannungskontakt an einer ersten Bipolarelektrode einer ersten Stapelbatterie wird mit dem Spannungskontakt an einer ersten Bipolarelektrode einer zweiten Stapelbatterie verbunden und der Spannungskontakt an einer zweiten Bipolarelektrode einer ersten Stapelbatterie wird mit dem Spannungskontakt an einer zweiten Bipolarelektrode einer zweiten Stapelbatterie verbunden und der Spannungskontakt an einer dritten Bipolarelektrode einer ersten Stapelbatterie wird mit dem Spannungskontakt an einer dritten Bipolarelektrode einer zweiten Stapelbatterie verbunden und so weiter.
Der interne Kurzschluss einer galvanischen Zelle innerhalb eine Batterie, das heißt, innerhalb einer Verschaltung mehrerer galvanischer Zellen, ist ein Fehler, der infolge von beispielsweise Überlastung, Missbrauch, Alterung oder Fertigungsfehlern auftreten kann. Es handelt sich dabei um einen schwerwiegenden Fehler, der ein thermisches Ereignis zur Folge haben kann, wodurch ernsthafte Personenschäden und Beschädigungen umliegender Gerätschaften entstehen können. Die Fehlerschwere hängt davon ab, inwiefern ein einzelner interner Kurzschluss einer galvanischen Zelle die Beschädigung weiterer galvanischer Zellen zur Folge hat. Je mehr galvanische Zellen als Resultat eines ersten Kurzschlusses beschädigt und ebenfalls in den Zustand des internen Kurzschlusses geraten, desto schwerwiegender ist der potentielle Schaden. Die Verbreitung eines solchen Fehlers innerhalb einer Batterie kann thermisch erfolgen, das heißt, eine Zelle erwärmt im Fehlerfall die jeweils benachbarten Zellen so stark, dass diese ebenfalls einen internen Kurzschluss erleiden. Eine zweite Art der Fehlerausbreitung erfolgt derart, dass ein Zellkurzschluss dafür sorgt, dass sich die zur betroffene Zelle parallelgeschalteten Zellen in die kurzgeschlossene Zelle entladen. Dies hat zur Folge, dass der Kurzschlussstrom in der betroffenen Zelle sehr groß ist und sich deshalb diese defekte Zelle über allen Maßen stark erwärmt und es hat zur Folge, dass sich die parallel geschalteten Zellen ebenfalls stark erwärmen, da diese kurzgeschlossen sind, und somit durch Überlastung ebenfalls in Kurzschuss geraten können, wenn zellinterne Sicherheitsmechanismen versagen. Diese Verbreitungsformen eines Zellkurzschlusses bedingen sich gegenseitig und es wird deutlich, dass das Risiko einer Verbreitung eines Einzelzellkurzschlusses bei parallelgeschalteten Batterie größer ist, als wenn die Batterie nur aus einer Reihenschaltung von galvanischen Zellen besteht.
Um zu verhindern, dass sich Batteriezellen, die einen internen Kurzschluss haben, durch den Strom aus parallel geschalteten Zellen noch weiter erwärmen, besitzen die meisten Lithium-Ionen-Zellen im Rundzellformat ein sogenanntes „Current Interruption Device“, welches den Kontakt der Zelle bei Überstrom mechanisch unterbricht, beispielsweise bekannt aus US7763375B2 .
Ferner sind Anwendungen von Pouch-Zellen bekannt, bei denen die Leiterquerschnitte der Kontaktbleche durch sogenanntes „Trimming“, bei dem Löcher in die Kontaktbleche (Terminals) gestanzt werden, verkleinert werden, sodass bei Überstrom in einer Reihenschaltung von Pouch-Zellen die Kontaktbleche an den verkleinerten Querschnitten aufschmelzen und den Stromfluss in einer Reihenschaltung unterbrechen.
Bei Stapelbatterien, die auch als Bipolarbatterien bezeichnet werden, kann konstruktiv kein „Current Interruption Device“ integriert werden und aufgrund des Umstands, dass die galvanischen Zellen nicht durch Verbinden externer Terminals in Reihe geschaltet werden, ist aus dem Stand der Technik keine Lösung bekannt, bei Batterien, die aus parallel geschalteten Stapelbatterien bestehen, den Kurzschlussstrom bei einem zellinternen Kurzschluss zu unterbrechen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird eine Stapelbatterie vorgeschlagen, die mit weiteren gleichartigen Stapelbatterien Zelle für Zelle parallelgeschaltet werden kann und durch Gestaltung der Stromkontakte und Spannungskontakte ein Stromfluss von parallel verbundenen Zellen im Falle eines zellinternen Kurzschlusses in die betroffene Zelle unterbrochen wird, indem die Stapelbatterie, die aus einer oberen Endplatte mit daran befestigtem Stromkontakt und einer unteren Endplatte mit daran befestigtem Stromkontakt besteht und sich zwischen den Endplatten eine Abfolge von abwechselnd übereinander gestapelten Separatoren und Bipolarelektroden mit daran befestigten Spannungskontakten befindet und die Bipolarelektroden und Separatoren mittels flächiger Dichtung gegen die Umgebung abgegrenzt sind, streifenförmige Stromkontakte besitzt, die Engstellen aufweisen und Spannungskontakte besitzt, die Engstellen aufweisen. Im Falle eines zellinternen Kurzschlusses fließt kurzzeitig ein Strom mit großer Stromstärke von den jeweils parallel verbundenen Zellen in die betroffene Zelle, wodurch die Spannungskontakte an den beiden Bipolarelektroden, die durch Positionierung zueinander die betroffene Zelle ausbilden, an den Engstellen aufschmelzen und den Strom unterbrechen. In der Folge fließen weiterhin Ströme infolge des Kurzschlusses durch die Spannungskontakte der übrigen Bipolarelektroden, die daraufhin ebenfalls an den Engstellen aufschmelzen und die Ströme unterbrechen. Zuletzt fließen über die Stromkontakte Ströme von Stapelbatterien, die elektrisch parallel mit derjenigen Stapelbatterie verbunden sind, die die vom zellinternen Kurzschluss betroffene Zelle enthält. Infolge dessen schmilzt ein Stromkontakt oder es schmelzen beide Stromkontakte an der vom Fehler betroffene Stapelbatterie an den Engstellen der Stromkontakte auf, wodurch der Stromfluss in diese Stapelbatterie unterbrochen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stapelbatterie so ausgeführt, dass die Spannungskontakte an Rand der Bipolarelektroden angeordnet und mittels Fügeverbindung, bei der sich Bipolarelektrode und Spannungskontakt teilweise überlappen, verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich konventionelle Fügeverfahren einsetzen und es besteht eine sehr gute elektrische Verbindung zwischen Spannungskontakt und Bipolarelektrode.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Spannungskontakte so am Rand der Bipolarelektroden angeordnet, dass die den Bipolarelektroden zugewandten Enden der Spannungskontakte vollständig von den Dichtungen überdeckt werden, die die Bipolarelektroden und die Separatoren gegen die Umgebung abgrenzen. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Enden der Spannungskontakte, die den Bipolarelektroden zugewandt sind, ins Innere der galvanischen Zellen ragen und dort Angriffspunkte für sogenanntes „Lithium Platting“ bilden, infolge lokaler Überhöhungen der elektrischen Feldstärke.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stapelbatterie so ausgeführt, dass die Spannungskontakte mittels Klebeband oder Lackierung ummantelt sind und nur die Enden der Spannungskontakte blank vorliegen, sodass diese einerseits an die Bipolarelektrode gefügt werden können und andererseits mit einer Überwachungselektronik elektrisch verbunden werden können. Die Ummantelung verhindert einen elektrischen Kurzschluss, für den Fall, dass sich Endplatten und Spannungskontakte unbeabsichtigt, beispielsweise bei der Montage der Batterie, berühren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stapelbatterie so ausgeführt, dass die Stromkontakte mittels Klebeband oder Lackierung ummantelt sind und nur die Enden der Stromkontakte blank vorliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stapelbatterie so ausgeführt, dass die Spannungskontakte aus Aluminiumfolienstreifen oder Nickelfolienstreifen bestehen und eine Dicke von 10 µm bis 200 µm aufweisen, wobei diese eine besonders bevorzugte Dicke von 20 µm bis 50 µm aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen

1 einen Ausschnitt einer Stapelbatterie 1 mit der unteren Endplatte 30, auf der sich vier übereinander angeordnete Bipolarelektroden 50₁, 50₂,... befinden (die Separatoren sind in der Darstellung nicht gezeigt). An der unteren Endplatte 30 befindet sich ein Stromkontakt 25₁ mit einer Engstelle 40₁. Über den Stromkontakt 25₁ wird im zusammengebauten Zustand der Ladestrom in die Stapelbatterie 1 zu einem Pol geleitet wird. An den Bipolarelektroden 50₂, 50₃, 50₄ befindet sich jeweils ein Spannungskontakt 20₁, 20₂, 20₃. An der untersten Bipolarelektrode 50₁ befindet sich kein Spannungskontakt, da sich dieses Potential durch den Stromkontakt 25₁ abnehmen lässt. Die Zellspannungen der galvanischen Zellen, die durch die Anordnung jeweils benachbarter Bipolarelektroden ausgebildet werden, lassen sich durch Abgreifen der Potentiale an den Spannungskontakten 20₁, 20₂, ... messen. Im Falle eines Fehlers, der zu hohen Strömen sowohl im Stromkontakt 25₁ als auch in den Spannungskontakten 20₁, 20₂, ... führt, erwärmt sich das Material um die Engstellen 40₁, 40₂, ... herum aufgrund der Stromwärmeverluste so stark auf, dass die Schmelztemperatur für kurze Zeit erreicht wird und sich das Material verflüssigt. Aufgrund der Oberflächenspannung zieht sich das Material um die Endstelle zurück und bildet Schmelzperlen und der metallische Übergang wird geöffnet, wodurch ein weiterer Stromfluss verhindert wird, analog dem Verhalten einer Schmelzsicherung.
2 zeigt eine Stapelbatterie 1 mit beispielshaft vier galvanischen Zellen im zusammengebauten Zustand mit der unteren Endplatte 30, auf der sich die abwechselnd gestapelten Separatoren 12₁, 12₂, ... und Bipolarelektroden 10₁, 10₂, ... befinden. Nach oben wird die Abfolge von der oberen Endplatte 31 begrenzt. Auf den Rändern der Bipolarelektroden 10₁, 10₂, ... befinden sich Dichtungen 50₁, 50₂, ..., die das Innere der galvanischen Zellen gegen die Umgebung abgrenzen. Um den Ladestrom in die Stapelbatterie 1 zu leiten, befinden sich die Stromkontakte 25₁, 25₂ an der unteren Endplatte 30 und der oberen Endplatte 31 und sind mit diesen elektrisch verbunden. An den mittleren Bipolarelektroden 10₂, 10₃, 10₄ befinden sich die Spannungskontakte 20₁, 20₂, 20₃, um die Zwischenpotentiale zum Erfassen der Einzelspannungen der galvanischen Zellen abzugreifen. Die Spannungskontakte 20₁, 20₂, 20₃ sind an den Rändern der Bipolarelektroden 10₂, 10₃, 10₄ angeordnet und mit diesen verbunden. Die den Bipolarelektroden 10₂, 10₃, 10₄ zugewandten Enden der Spannungskontakte 20₁, 20₂, 20₃ sind von den Dichtungen 50₂, 50₃, 50₄ überdeckt, sodass diese nicht in as Innere der galvanischen Zellen ragen.

Bezugszeichenliste

1: Stapelbatterie
101, 102,: Bipolarelektroden
121, 122,: Separatoren
201, 202,: Spannungskontakte
251, 252: Stromkontakte
30: untere Endplatte
31: obere Endplatte
401, 402,: Engstellen
501, 502,: Dichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7763375 B2 [0007]

Claims

Stapelbatterie (1) bestehend aus einer unteren Endplatte (30) und einer oberen Endplatte (31), mit an jeder Endplatte (30, 31) angebrachten Stromkontakten (25₁, 25₂) sowie einer zwischen unterer Endplatte (30) und oberer Endplatte (31) befindlicher, mittels flächig ausgebildeter Dichtungen (50₁, 50₂, ...) zur Umgebung der Stapelbatterie (1) abgegrenzter Abfolge übereinander gestapelter Separatoren (12₁, 12₂, ...) und Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...), mit jeweils an den Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...) gefügten, seitlich herausstehenden Spannungskontakten (20₁, 20₂, ...), dadurch gekennzeichnet, dass - die Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) streifenförmig geformt sind und jeweils eine oder mehrere Engstellen (40₁, 40₂, ...) aufweisen und - die Stromkontakte (25₂, 25₂) streifenförmig geformt sind und jeweils eine oder mehrere Engstellen (40₁. 40₂, ...) aufweisen.
Stapelbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) am Rand der Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...) angeordnet sind und jeweils mit Fügeverbindungen im Überlappstoß mit den Bipolarelektrode einzeln verbunden sind.
Stapelbatterie (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) am Rand der Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...) so angeordnet sind, dass die Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...) zugewandten und mit den Bipolarelektroden (10₁, 10₂, ...) verbundenen Enden der Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) von den Dichtungen (50, 50, ...) vollständig überdeckt werden.
Stapelbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) mittels Klebeband oder Lackierung ummantelt sind und nur die Enden der Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) blank vorliegen.
Stapelbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromkontakte (25₁, 25₂, ...) mittels Klebeband oder Lackierung ummantelt sind und nur die Enden der Stromkontakte (25₁, 25₂, ...) blank vorliegen.
Stapelbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungskontakte (20₁, 20₂, ...) aus Aluminium oder Nickel bestehen und eine Dicke von 10 µm bis 200 µm aufweisen, insbesondere eine Dicke von 20 µm bis 50 µm aufweisen.