DE102020005816A1

DE102020005816A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102020005816A1
Application number: DE102020005816.7A
Authority: DE
Inventors: Lukas Rubacek
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (12) mit einer Tasche (14) aus einem elektrischen isolierenden Werkstoff und einer in der Tasche (14) angeordneten galvanischen Zelle (16), wobei die galvanische Zelle (16) einen Elektrolyten (46), eine den Elektrolyten kontaktierende Anodenelektrode (18) und eine den Elektrolyten (46) kontaktierende Kathodenelektrode (20) aufweist, wobei die Tasche (14) mit einem Kühlfluid beaufschlagbare Kapillarleitungen (22) aufweist, wobei die Kapillarleitungen (22) jeweils ein erstes Ende (24) und ein dem ersten Ende (24) gegenüberliegendes zweites Ende (26) aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Enden (24, 26) aus der Tasche (14) herausragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Tasche aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und einer in der Tasche angeordneten galvanischen Zelle, wobei die galvanische Zelle einen Elektrolyten, eine den Elektrolyten kontaktierende Anodenelektrode und eine den Elektrolyten kontaktierende Kathodenelektrode aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die zumindest teilweise einen Stapel bildend aufeinanderfolgend in einem Gehäuse der Batterie angeordnet sind.
Batteriezellen sowie Batterien mit Batteriezellen, insbesondere zum reversiblen Speichern von elektrischer Energie, auch Akkumulatoren genannt, sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. Solche Batterien werden nicht nur aber besonders im Bereich der Kraftfahrzeuge eingesetzt, um eine elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Darüber hinaus dienen derartige Batteriezellen beziehungsweise Batterien auch der Bereitstellung von elektrischer Energie für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder dergleichen. Ein Kraftfahrzeug ist dabei vorzugsweise ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen. Die Anwendung von Batteriezellen beziehungsweise Batterien ist jedoch nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt. Sie können beispielsweise auch in einem Bereich unterbrechungsfreier Energieversorgung eingesetzt werden, wie sie beispielsweise im Bereich einer Signaltechnik oder bei Sicherheitseinrichtungen vorgesehen sind.
Bei Kraftfahrzeugen werden solche Batterien beziehungsweise Batteriezellen häufig in Form von Blei-Säure-Zellen beziehungsweise -Batterien oder auch in Form von Nickel-Kadmium-Batterien beziehungsweise -Zellen eingesetzt. Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen kommen zwischenzeitlich vermehrt Batterien mit Batteriezellen auf Basis von Lithium-Ionen-Zellen als galvanische Zellen beziehungsweise Batteriezellen zum Einsatz. Für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge soll die Batterie vorzugsweise eine hohe elektrische Nennspannung bereitstellen, die in der Regel 60 V überschreitet und beispielsweise bis zu etwa 1.500 V, vorzugsweise beispielsweise 450 V oder 800 V betragen kann. Mit Hochvolt ist eine elektrische Spannung gemeint, die größer als etwa 60 Volt ist. Vorzugsweise entspricht der Begriff „Hochvolt“ der Norm ECE R 100.
In der Regel weist die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, die elektrisch in Reihe geschaltet, in Parallelschaltung, Kombinationen hiervon, insbesondere einer Matrixschaltung, verschaltet sein können. Häufig werden Batteriezellen innerhalb der Batterie parallelgeschaltet. Insbesondere für Anwendungen im Bereich „Hochvolt“ sind jedoch auf entsprechende Parallelschaltungen von galvanischen Zellen vorgesehen, weil die durch eine Batteriezelle beziehungsweise galvanische Zelle bereitstellbare Gleichspannung in der Regel vergleichsweise nur wenige Volt beträgt. Zur Realisierung einer Reihenschaltung ist es üblich, die Batteriezellen in der Batterie elektrisch isoliert voneinander anzuordnen, insbesondere derart anzuordnen, dass ein Elektrolyt einer ersten galvanischen Zelle nicht mit dem Elektrolyten einer weiteren galvanischen Zelle in Kontakt steht. Die Batteriezellen stellen darüber hinaus jeweilige Batteriezellenanschlüsse bereit, die mit den jeweiligen Elektroden, nämlich der jeweiligen Anodenelektrode und der jeweiligen Kathodenelektrode, elektrisch verbunden sind. Über diese Batteriezellenanschlüsse können die Batteriezellen elektrisch kontaktiert werden. Um die gewünschte Verschaltung innerhalb der Batterie erreichen zu können, ist in der Regel eine elektrische Verbindung entsprechend der gewünschten Verschaltung der Batteriezellen untereinander innerhalb der Batterie vorgesehen. Zugleich können mit dieser Verschaltung auch entsprechende Polanschlüsse der Batterie beziehungsweise Batterieanschlüsse bereitgestellt werden, an welchen zum Beispiel eine elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein kann, um einen bestimmungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten.
Die Batteriezelle umfasst in der Regel die galvanische Zelle, die ihrerseits wenigstens zwei Elektroden, nämlich die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode, aufweist, die elektrochemisch miteinander in Kontakt stehen, und zwar vorzugsweise über den Elektrolyten. Aufgrund der elektrochemischen Prozesse bildet sich an den Elektroden eine elektrische Spannung aus, die zum Zwecke der Energieversorgung genutzt werden kann. Die Batteriezelle ist vorliegend dazu ausgebildet, elektrische Energie reversibel zu speichern. Insbesondere kann sie elektrische Energie aufnehmen, elektrochemisch speichern und auch wieder abgeben.
Um die Batteriezellen in dem Gehäuse der Batterie anzuordnen, ist es beispielsweise möglich, die Batteriezellen innerhalb des Batteriegehäuses in Stapelanordnung anzuordnen. Zu diesem Zweck wurden sogenannte Pouch-Zellen entwickelt. Die Pouch-Zellen als Batteriezelle umfasst eine Tasche aus einem zumindest teilweise flexiblen Material. In der Tasche ist eine galvanische Zelle angeordnet, die wenigstens eine Anodenelektrode und wenigstens eine Kathodenelektrode umfasst, die über einen Elektrolyten elektrochemisch miteinander in Wechselwirkung stehen. Die Pouch-Zelle ermöglicht es, ein geringes Gewicht bei kompakten Abmessungen, ein flexibles Design und eine nahezu beliebige Form der Batteriezelle zu realisieren. Darüber hinaus hat die Pouch-Zelle auch aus Sicherheitsaspekten Vorteile, weil sie bei einer Überbeanspruchung typischerweise lediglich bricht, wohingegen konventionelle Batteriezellen dazu neigen, zu explodieren. Eine Pouch-Zelle der gattungsgemäßen Art ist zum Beispiel durch die DE 20 2019 100 997 U1 offenbart.
Beim Aufladen beziehungsweise beim Entladen der Batteriezelle wird in der Regel durch elektrische und elektrochemische Prozesse in der Batteriezelle Wärme erzeugt. Diese Wärme kann teilweise über ein Kühlsystem abgeleitet werden. Teilweise kann sie jedoch auch zu einer steigenden Temperatur innerhalb der Batteriezelle führen. Die steigende Temperatur innerhalb der Batteriezelle ist ein unerwünschter Prozess. Nur durch eine hohe Temperatur innerhalb der Batteriezelle können Alterungsprozesse beschleunigt werden. Darüber hinaus gibt es spezifische maximale Betriebstemperaturen für die Batteriezellen, bei deren Überschreitung ein sicherer Betrieb der jeweiligen Batteriezelle nicht mehr gewährleistet werden kann. Für Batteriezellen kann diese maximale Temperatur beispielsweise bei etwa 60 °C liegen.
Natürlich kann die Erzeugung der Wärme während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Batteriezelle dadurch minimiert werden, dass der Betrieb der Batteriezelle entsprechend eingestellt wird. In der Regel sind die Wärmeverluste in der Batteriezelle in einer ersten Ordnung etwa proportional zu einem Innenwiderstand der Batteriezelle und dem Quadrat eines Batteriezellenstroms. Bestimmt die Anwendung, die durch die Batterie beziehungsweise die Batteriezelle mit elektrischer Energie versorgt wird, den Batteriezellenstrom, können die Wärmeverluste nur durch die Verringerung des Innenwiderstands der Batteriezelle reduziert werden. Bei einer vorgegebenen Konstruktion der Batteriezelle und der benutzten Werkstoffe kann eine Reduzierung des Innenwiderstands in der Regel nur mit einer Reduzierung der verfügbaren Energiedichte erreicht werden.
Darüber hinaus hat die Reduzierung des Innenwiderstands in der Regel nur eine begrenzte Auswirkung auf das thermische Verhalten der Batteriezelle. Daher ist es im Stand der Technik bekannt, ein Kühlsystem zu nutzen, um die Batteriezelle in einem gewünschten thermischen Betriebsfenster zu halten. So offenbart zum Beispiel die WO 2009/08860019 A1 ein thermisches Management für elektrochemische Zellen, die als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sind. Gemäß dieser Lehre soll Kühlfluid in Zwischenräumen zwischen den Batteriezellen durchgeführt werden, um eine entsprechende Kühlfunktion beziehungsweise Temperierung der Batteriezellen realisieren zu können. Die Batteriezellen werden bei dieser Lehre also über Oberflächen der Batteriezellen gekühlt beziehungsweise temperiert.
Darüber hinaus offenbart die DE 10 2019 109 812 B3 ein Kühlelement, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen von Batteriezellen, insbesondere für Pouch-Zellen, sowie ein Batteriepack. Gemäß dieser Lehre wird die Batteriezelle von nach Art eines Rahmens ausgebildeten Kühlmittelleitungen umfasst, um die Batteriezelle kühlen zu können.
Auch wenn sich der vorgenannte Stand der Technik insofern bewährt hat, dass hinsichtlich der Kühlung der Batteriezellen innerhalb der Batterie ein Fortschritt erzielt wurde, so verbleibt dennoch Verbesserungsbedarf. Die vorgenannten Technologien erlauben es nämlich nicht, die Batteriezelle selbst unmittelbar effektiv zu kühlen. Innerhalb der Batteriezelle erzeugte Wärme muss daher zunächst über die Batteriezelle selbst zu einer Oberfläche der Batteriezelle geleitet werden, um dann mit dem entsprechenden Kühlsystem abgeführt werden zu können. Besonders bei Batteriezellenstapeln kann dabei das Problem auftreten, dass Hotspots innerhalb der Batteriezellen auftreten können. Die Leistungsfähigkeit der Kühlung der Batteriezellen hängt dadurch auch von der Leistungsfähigkeit der Batteriezellen selbst ab, Wärme leiten zu können. Darüber hinaus erweisen sich die bekannten Kühlsysteme dahingehend als nachteilig, dass sie den Bauraum, den die Batterie beziehungsweise die Batteriezelle benötigt, deutlich vergrößern. Dies ist jedoch gerade für mobile Anwendungen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, nachteilig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlung für Batteriezellen beziehungsweise Batterien zu ermöglichen.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Batteriezelle sowie eine Batterie gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Batteriezelle wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Tasche mit einem Kühlfluid beaufschlagbare Kapillarleitungen aufweist, wobei die Kapillarleitungen jeweils ein erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Enden aus der Tasche herausragen. In Bezug auf eine gattungsgemäße Batterie wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Batteriezellen gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass die Verbesserung der Kühlung der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie dadurch verbessert werden kann, dass das Kühlmittel besser in dem Bereich der Batteriezelle beziehungsweise Batterie geführt werden kann, bei dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs die Wärme erzeugt wird. Da die Wärmeerzeugung bei den Batteriezellen nicht nur im Bereich ihrer äußeren Oberflächen erfolgt, sondern insbesondere auch innerhalb der Batteriezelle, ermöglicht es die Erfindung somit, bereits innerhalb der Batteriezelle eine ausreichende Kühlwirkung bereitstellen zu können. Es ist also nicht mehr erforderlich, die im Inneren der Batteriezelle erzeugte Wärme über eine batteriezellenseitige Wärmeleitung zu einer Batteriezellenoberfläche zu führen, um sie dann mittels eines Kühlsystems abführen zu können. Dabei nutzt die Erfindung die weitere Erkenntnis, dass die Entwärmung über ein Kühlsystem in der Regel mit einem erheblich größeren Wirkungsgrad realisiert werden kann als eine Entwärmung über eine Wärmeleitung der Batteriezelle selbst. Dadurch kann ferner erreicht werden, dass die Batteriezelle höher belastet werden kann, insbesondere mit einer größeren Leistung beaufschlagt werden kann, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Die Gefahr der Entstehung eines Hotspots innerhalb eines Batteriezellenstapels der Batterie kann ebenfalls erheblich reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden.
Die Kapillarleitungen können vorzugsweise durch Leitungen gebildet sein, die einen Innendurchmesser von vorzugsweise etwa größer 100 µm aufweisen. Vorzugsweise kann der Innendurchmesser der Kapillaren bis zu etwa 1 mm, besonders bevorzugt bis etwa 2 mm, betragen. Dabei ist eine jeweilige Kapillarleitung vorzugsweise eine langgestreckte Leitung, vorzugsweise nach Art einer mathematischen Geraden. Darüber hinaus können bedarfsweise jedoch auch zumindest teilweise gekrümmte Kapillarleitungen vorgesehen sein, um beispielsweise eine mechanische Anpassung an eine mechanische Abmessung der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie erreichen zu können. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein.
Jede Kapillarleitung weist ein erstes und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf. An einem der Enden kann ein Kühlfluid zugeführt werden, wohingegen an den anderen der beiden Enden das Kühlfluid wieder abgeführt werden kann. Bei dem Kühlfluid kann es sich zum Beispiel um eine niedrigviskose Flüssigkeit, ein Gas, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen handeln. Vorzugsweise weist das Kühlfluid eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf, sodass es zumindest teilweise auch zur elektrischen Isolation beitragen kann. Ein derartiges Kühlmittel kann zum Beispiel unter dem Markennamen „NoVec“ der Firma 3M bezogen werden. Dem Grunde nach kann das Kühlmittel jedoch auch Wasser, insbesondere destilliertes Wasser, ein Öl, besonders ein niedrigviskoses Öl, ein Gas, beispielsweise ein florierter Kohlenwasserstoff, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein. Eine jeweilige Kapillarleitung weist eine Länge auf, die größer ist als eine entsprechende Abmessung der Batteriezelle, damit das jeweilige erste und das jeweilige zweite Ende aus der Tasche der Batteriezelle herausragen können. Die Kapillarleitungen können eine Leitungswand aus einem geeigneten Werkstoff aufweisen, beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Kupfer, Aluminium, Legierungen hiervon oder dergleichen sowie auch einem geeigneten Kunststoff, insbesondere einem Polyimid oder dergleichen. Natürlich können auch entsprechend Kombinationen hiervon vorgesehen sein.
Die Kapillarleitungen ragen vorzugsweise etwa mindestens 1 mm aus der Tasche heraus. Vorzugsweise ragen sie jedoch mindestens 5 mm, besonders bevorzugt mehr als 1 cm aus der Tasche heraus.
Jede Batteriezelle umfasst ferner Batteriezellenanschlüsse, die vorzugsweise als Anschlussfahnen beziehungsweise Anschlussbleche ausgebildet sein können. Diese dienen dem elektrischen Anschluss der jeweiligen Batteriezelle innerhalb der Batterie. Vorzugsweise sind die Batteriezellenanschlüsse einer jeweiligen Batteriezelle an gegenüberliegenden mechanischen Enden der Batteriezelle ausgebildet. Dadurch können die Batteriezellen auch in gestapelter Bauweise auf einfache Weise elektrisch kontaktiert werden.
Besonders bevorzugt sind die Kapillarleitungen derart in der Batteriezelle angeordnet, dass deren Enden an gegenüberliegenden Enden der Batteriezellen aus der Tasche herausragen, an denen nicht die Batteriezellenanschlüsse ausgebildet sind. Dadurch ist es möglich, einen Anschluss der Kapillarleitungen mechanisch vom elektrischen Anschluss der Batteriezelle zu trennen und einfach und spezifisch realisieren zu können.
Durch die Erfindung kann also erreicht werden, dass die Batteriezellen auch in ihrem Inneren bereits mit Kühlfluid temperiert, insbesondere gekühlt, werden können, sodass die im Stand der Technik bekannten Nachteile weitgehend reduziert beziehungsweise vermieden werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Kapillarleitungen fluiddicht mit der Tasche verbunden. Dadurch ist es möglich, eine fluiddichte Batteriezelle bereitzustellen, insbesondere eine gasdichte Batteriezelle bereitzustellen. Dadurch kann der Betrieb der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie weiter verbessert werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb keine unerwünschten Stoffe in die Batteriezelle eindringen können. Darüber hinaus kann natürlich auch vermieden werden, dass batteriezelleneigene Stoffe aus einer jeweiligen Batteriezelle austreten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird ferner vorgeschlagen, dass die Tasche zwei Folien aufweist, zwischen denen die galvanische Zelle angeordnet ist, wobei die Folien an einen Verbindungsbereich bildenden Folienrändern der Folien, vorzugsweise fluiddicht, miteinander verbunden sind, wobei die Enden der Kapillarleitungen durch den Verbindungsbereich hindurch aus der Tasche herausragen. Dadurch kann erreicht werden, dass für das Herausragen der Kapillarleitungen aus der Tasche keine separaten Öffnungen in der Tasche vorgesehen zu sein brauchen. Darüber hinaus kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Batteriezelle deutlich erleichtert werden, weil die galvanische Zelle bereits mit Kapillarleitungen ausgerüstet sein kann, bevor die Tasche um die galvanische Zelle herum ausgebildet wird. Dadurch ist ein besonders einfaches Herstellen der erfindungsgemäßen Batteriezelle erreichbar. So kann der Verbindungsbereich eine Siegelnaht ausbilden, die zugleich eine fluiddichte Versiegelung der Batteriezelle ermöglicht. Besonders vorteilhaft kann diese Siegelnaht zugleich auch die Enden der Kapillarleitungen zumindest teilweise abdichten, sodass eine besonders einfache Herstellung erreicht werden kann. Die zwei Folien können zumindest an einer Stelle miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind die Folien mit einer Außenkontur versehen, die im Wesentlichen etwa den Abmessungen der Batteriezelle im fertiggestellten Zustand entspricht. Die Folien sind vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff oder dergleichen, der vorzugsweise im Wesentlichen auch inert in Bezug auf die Stoffe der galvanischen Zelle ist.
Grundsätzlich besteht die Pouch-Folie aus mehreren Schichten. Die Trägerschicht besteht aus Aluminium, welche von beiden Seiten mit einem Polymer beschichtet ist. Damit ist die isolierende Eigenschaft gewährleistet. Aluminium ist zu verwenden, um die Diffusion von Sauerstoff und Wasser in der Zelle langfristig zu vermeiden.
Es können auch zwei separate Folien genutzt werden, die während der Herstellung der Batteriezelle entsprechend miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch die Siegelnaht. Der Verbindungsbereich kann zugleich auch zum Durchführen der Batteriezellenanschlüsse genutzt werden. Auf diese Weise kann eine besonders kostengünstige und zuverlässige Herstellung der Batteriezelle erreicht werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass jeweils die ersten Enden der Kapillarleitungen und die zweiten Enden der Kapillarleitungen an eine jeweilige erste und zweite Anschlussleitung angeschlossen sind. Die Anschlussleitungen können zumindest teilweise von der Batteriezelle umfasst sein. Daneben besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Anschlussleitungen separat von der Batteriezelle ausgebildet sind und ein Anschluss der Kapillarleitungen an die Anschlussleitungen bei einer Montage der Batterie erfolgt. Die Anschlussleitungen können zu diesem Zweck in ihrer Längserstreckung entsprechende Öffnungen aufweisen, an die die Enden der Kapillarleitungen angeschlossen werden können. Zu diesem Zweck können zum Beispiel ein Einstecken, ein Ansetzen, ein Verschweißen, ein Verkleben und/oder dergleichen vorgesehen sein. Vorzugsweise wird mit dem Anschluss zugleich auch eine entsprechende Fluidabdichtung erreicht.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die erste und die zweite Anschlussleitung im Verbindungsbereich angeordnet, vorzugsweise zumindest teilweise durch den Verbindungsbereich gebildet, sind. Die Anordnung der Anschlussleitungen im Verbindungsbereich ermöglicht es, diese zugleich im Verbindungsbereich zu fixieren, um so einen Anschluss der Anschlussleitungen an die jeweiligen Enden der Kapillarleitungen zuverlässig herzustellen. Zugleich kann auch eine zuverlässige fluidtechnische Abdichtung erreicht werden.
Darüber hinaus ermöglicht es diese Ausgestaltung, dass die Anschlussleitungen zumindest teilweise auch durch den Verbindungsbereich gebildet sein können. Dadurch können separate Bauteile als Anschlussleitung zumindest teilweise eingespart werden. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Siegelnaht zugleich auch eine entsprechende Abdichtung der Anschlussleitung gegenüber den angeschlossenen Enden der Kapillarleitungen bereitstellt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Batteriezellen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass eine der Anschlussleitungen eine Zuführöffnung zum Zuführen eines Kühlfluids und die andere der Anschlussleitungen eine Abführöffnung zum Abführen des Kühlfluids aufweist. Vorzugsweise sind die Zuführöffnung und die Abführöffnung mit einem geeigneten entsprechenden Anschlussflansch versehen, der es ermöglicht, die Anschlussleitungen an ein entsprechend geeignetes Kühlsystem der Batterie anzuschließen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Kapillarleitungen derart angeordnet sind, dass eine jeweilige der Kapillarleitungen nur die Anodenelektrode oder nur die Kathodenelektrode kontaktiert. Dies hat den Vorteil, dass für die Kapillarleitungen, die innerhalb der Tasche und innerhalb der galvanischen Zelle geführt werden, eine elektrische Isolation nicht vorgesehen zu sein braucht. Insbesondere, wenn die Kapillarleitungen nur die Anodenelektrode oder nur die Kathodenelektrode kontaktieren, befinden sie sich somit im Wesentlichen auf einem gemeinsamen elektrischen Potential. Dadurch kann der Einfluss der Kapillarleitungen auf die Funktion der galvanischen Zelle beziehungsweise der Batteriezelle im Wesentlichen vermieden werden. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass Kapillarleitungen in einem Separator der galvanischen Zelle angeordnet sind, der zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode in der galvanischen Zelle positioniert ist. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, dass die Kapillarleitungen sowohl die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode jeweils kontaktieren. Dabei ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass eine jeweilige Kapillarleitung nur eine der Elektroden oder den Separator kontaktiert. Die Kapillarleitungen, die lediglich eine der Elektroden beziehungsweise nur den Separator kontaktieren, können dann gemeinsam an eine Anschlussleitung angeschlossen sein. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, dass die Anschlussleitung eine ausreichende elektrische Isolation bereitstellt, sodass sämtliche der Enden der Kapillarleitungen an ihr angeschlossen sein können, und zwar unabhängig davon, ob eine jeweilige der Kapillarleitungen die Anodenelektrode, den Separator oder die Kathodenelektrode durchragt.
Durch den geringen Durchmesser der Kapillarleitungen können die Kapillarleitungen in die galvanische Zelle gut integriert werden, sodass Auswirkungen auf den bestimmungsgemäßen Betrieb der galvanischen Zelle und letztendlich der Batteriezelle weitgehend vermieden werden können.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kapillarleitungen zumindest innerhalb der Tasche zueinander parallel angeordnet sind. Natürlich kann bedarfsweise auch eine Abweichung hiervon vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft sind sie jedoch äquidistant zueinander innerhalb der Tasche angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Kühlwirkung beziehungsweise ein möglichst gleichmäßiges Temperieren ermöglichen zu können. Je nach mechanischer Konstruktion und Abmessungen der Batteriezelle kann hiervon jedoch auch abgewichen werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kapillarleitungen zumindest innerhalb der Tasche in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die ersten und die zweiten Enden der Kapillarleitungen in einer ersten der Ebenen angeordnet sind, vorzugsweise versetzt zu den ersten und zweiten Enden der Kapillarleitungen einer zweiten der Ebenen angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlwirkung der Kapillarleitungen über das Volumen der galvanischen Zelle besser verteilt werden kann. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass für jede der Ebenen jeweilige Anschlussleitungen vorgesehen sind. Diese Anschlussleitungen können darüber hinaus auch voneinander elektrisch isoliert sein, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn eine Ebene die Anodenelektrode und die andere der Ebenen die Kathodenelektrode betrifft. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine elektrische Isolation realisieren, wobei zugleich sowohl eine Kühlung beziehungsweise Temperierung der Anodenelektrode als auch eine Kühlung beziehungsweise Temperierung der Kathodenelektrode erreicht werden kann.
Die Kapillarleitungen können auch in mehr als zwei parallelen Ebenen angeordnet sein. Die Zelle besteht üblicherweise aus einer Mehrzahl von Ebenen, die aus den Teilen Anode - Separator - Kathode bestehen. Dabei können dann in jeder dieser Ebenen Kapillaren angeordnet werden.
Bevorzugt wäre, dass die Kapillaren nur in Ebenen mit gleicher elektrischer Polarität (entweder Anode oder Kathode) angeordnet sind. Damit kann auf eine Trennung der Kapillaren in zwei Gruppen und deren gegenseitige Isolierung verzichtet werden.
Die für die erfindungsgemäße Batteriezelle angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die mit den erfindungsgemäßen Batteriezellen ausgerüstete Batterie und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine schematisch perspektivische Darstellung einer Anordnung von Kapillarleitungen in einer galvanischen Zelle einer Batteriezelle;
2 in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine Batteriezelle mit der galvanischen Zelle gemäß 1;
3 eine schematisch perspektivische Ansicht der Batteriezelle gemäß 2 angeordnet in einer Folientasche;
4 eine schematisch perspektivische Ansicht der Batteriezelle gemäß 3, wobei Enden der Kapillarleitungen mit Anschlussleitungen verbunden sind, die in die Batteriezelle integriert sind; und
5 eine schematische Seitenansicht eines Batteriestapels einer Batterie mit Batteriezellen gemäß 4, bei denen die Anschlussleitungen an Versorgungsleitungen der Batterie angeschlossen sind.

1 zeigt in einer schematisch perspektivischen Ansicht eine galvanische Zelle 16 einer Batteriezelle 12 (2), bei der Kapillarleitungen 22 in der galvanischen Zelle 16 angeordnet sind. Zu erkennen ist vorliegend eine Anodenelektrode 18, die eine Anschlussfahne 40 aufweist, die einen von zwei Batteriezellenanschlüssen bereitstellt. An einer der Anschlussfahne 40 gegenüberliegenden Anschlussfahne 38 ist eine Kathodenelektrode 20 angeschlossen, wobei die Anschlussfahne 38 einen entsprechenden Batteriezellenanschluss bereitstellt. Die Anschlussfahnen 38, 40 sind aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Kupferblech oder dergleichen.
Die galvanische Zelle 16 weist vorliegend eine etwa rechteckförmige Grundfläche auf, wobei die Abmessungen dieser rechteckförmigen Grundfläche erheblich größer als eine Dicke beziehungsweise Höhe der galvanischen Zelle 16 sind. Die beiden Elektroden 18, 20 sind mittels einer Separatorschicht 46 voneinander getrennt angeordnet. Die Elektroden 18, 20 sowie die Separatorschicht 46 bilden einen Elektrodenstapel, der eine elektrochemische Reaktion erlaubt, sodass die Batteriezelle 12 beziehungsweise deren galvanische Zelle 16 elektrische Energie elektrochemisch reversibel zu speichern vermag. Im vorliegenden Fall ist die galvanische Zelle 16 als Lithium-Ion-Zelle ausgebildet. Dem Grunde nach ist die Erfindung jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch bei galvanischen Zellen eingesetzt werden, die eine abweichende Zellechemie nutzen.
Parallel zu den Seiten, an denen die Anschlussfahnen 38, 40 angeordnet sind, erstrecken sich Kapillarleitungen 22 durch die galvanische Zelle 16. Die Kapillarleitungen 22 sind vorliegend aus einem Polyimid gebildet und weisen jeweils eine Durchgangsöffnung in Längserstreckungsrichtung mit einem inneren Durchmesser von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt etwa 0,5 mm auf. In alternativen Ausgestaltungen kann der Durchmesser je nach Bedarf auch variieren. Der Durchmesser kann beispielsweise abhängig von einer Kühlleistung und/oder auch abhängig von einer Viskosität eines Kühlmittels, welches die Kapillarleitungen 22 durchströmt, gewählt sein.
Alternativ zu Polyimid können die Kapillaren aus Metallegierungen, insbesondere Kupfer, Aluminium oder Nickel bestehen, welche gegen den jeweiligen Elektrolyten stabil sein müssen.
Die Kapillarleitungen 22 sind vorliegend geradlinig ausgebildet und im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet angeordnet. Je nach Bedarf kann der Abstand zwischen den Kapillarleitungen 22 jedoch auch variieren. Eine axiale Länge der Kapillarleitungen 22 ist so gewählt, dass erste Enden 24 der Kapillarleitungen 22 und gegenüberliegende zweite Enden 26 der Kapillarleitungen 22 über die Erstreckung der galvanischen Zelle 16 hinausragen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Enden 22, 24 etwa 1 cm über die Abmessungen der galvanischen Zelle 16 hinausragen.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Batteriezelle 12 mit der galvanischen Zelle 16 in einer perspektivischen Seitenansicht ohne Gehäuse. Zu erkennen ist, dass die ersten Enden 24 deutlich aus der galvanischen Zelle 16 herausragen. Der sich hieraus ergebende Vorteil wird im Folgenden weiter erläutert.
Zu erkennen ist ferner, dass die Separatorschicht 46 Laschen 42, 44 ausbildet, die sich im Bereich der Anschlussfahnen 38, 40 erstrecken und dadurch eine elektrische Isolierschicht bereitstellen. In bekannter Weise werden die hierdurch gebildeten Batteriezellen 12 in gestapelter Form in einem Gehäuse einer Batterie 10 (5) angeordnet und entsprechend kontaktiert. Die Art der Kontaktierung dieser Batteriezellen 12, die vorliegend als Pouch-Zellen ausgebildet sind, ist dem Fachmann bekannt, weshalb von weiteren detaillierten Erläuterungen hierzu abgesehen wird.
3 zeigt nun die Batteriezelle 12 gemäß 2 angeordnet in einer Tasche 14, die aus zwei gegenüberliegend angeordneten Folien 28, 30 gebildet ist. Die Folien 28, 30 sind hinsichtlich ihrer Kontur im Wesentlichen gleich ausgebildet. Die Kontur ist derart gewählt, dass sie die geometrische Erstreckung der galvanischen Zelle 16 beziehungsweise der Batteriezelle 12 überragt, sodass ein einen Verbindungsbereich bildender Folienrand 54 ausgebildet werden kann. Die hierdurch gebildeten Folienränder 54 sind miteinander verschweißt. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein anderes Verbindungsverfahren vorgesehen sein, beispielsweise Kleben oder dergleichen. Der Verbindungsbereich ist vorliegend ferner fluiddicht ausgebildet.
Zu erkennen ist ferner, dass die ersten und zweiten Enden 24, 26 den durch den Folienrand 54 gebildeten Verbindungsbereich durchragen. Die durch die Enden 24, 26 gebildeten Öffnungen sind daher von außen zugänglich. Zugleich ermöglicht es der Verbindungsbereich durch das Verschweißen der Folienränder 54, dass auch die Enden 24, 26 der Kapillarleitungen 22 mit den Folienrändern 54 fest und fluiddicht verbunden sind. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die ersten und zweiten Enden 24, 26 auf einfache Weise an ein Kühlsystem (nicht dargestellt) anzuschließen und im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem die Kapillarleitungen 22 durchströmenden Kühlfluid zu beaufschlagen.
4 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht wie 3, wie die ersten und zweiten Enden 24, 26 an jeweilige erste und zweite Anschlussleitungen 32, 34 angeschlossen sind. Aus 4 ist ersichtlich, dass die ersten Enden 24 an eine erste Anschlussleitung 32 angeschlossen sind, wobei die erste Anschlussleitung 32 ebenfalls vom durch die Folienränder 54 gebildeten Verbindungsbereich umschlossen ist. Das Gleiche gilt auch für die zweite Anschlussleitung 34, an die die zweiten Enden 26 der Kapillarleitung 22 angeschlossen sind.
Zu erkennen ist ferner aus 4, dass die Anschlussleitung 32 aus dem durch die Folienränder 54 gebildeten Verbindungsbereich herausragt und eine Zuführöffnung 36 zum Zuführen des Kühlfluids bereitstellt. Ein gegenüberliegendes Ende der Anschlussleitung 32 ist geschlossen ausgebildet. Die andere der Anschlussleitungen 34 stellt eine gegenüberliegend angeordnete Abführöffnung 48 (5) bereit, was jedoch aus der 4 nicht ersichtlich ist. Auch hier ist ein gegenüberliegendes Ende der Anschlussleitung 34 geschlossen ausgebildet. An die Zuführöffnung 36 und die Abführöffnung 48 kann ein Kühlsystem der Batterie angeschlossen werden, sodass die Batteriezelle 12 entsprechend mit Kühlfluid beaufschlagt werden kann.
In der vorliegenden Ausgestaltung sind die Anschlussleitungen 32, 34 in die Batteriezelle 12 integriert angeordnet. In alternativen Ausgestaltungen können sie jedoch auch separat ausgebildet sein. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Anschlussleitungen 32, 34 integral mit den Folienrändern 54 bereitzustellen, sodass ein separate Bauteile eingespart werden können.
In weiteren Ausgestaltungen kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass die Kapillarleitungen 22 aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet sind, beispielsweise Kupfer, Aluminium, Legierungen hiervon und/oder dergleichen. In diesem Fall erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Kapillarleitungen 22 nur im Bereich einer jeweiligen der Elektroden 18, 20 angeordnet sind. Dabei kann der Vorteil genutzt werden, dass innerhalb einer jeweiligen der Elektroden 18, 20 ein elektrisches Potential im Wesentlichen konstant ist.
Dies kann dann auch auf die entsprechenden Anschlussleitungen 32, 34 angewendet werden. Werden mit einer jeweiligen Anschlussleitung 32, 34 nämlich nur Kapillarleitungen 22 angeschlossen, die auf einem gemeinsamen elektrischen Potential sind, kann durch die fluidtechnische Verbindung mit der entsprechenden Anschlussleitung ein elektrischer Ausgleichsstrom und damit eine ungünstige Einwirkung auf die Batteriezelle 12 weitgehend vermieden werden. Vorteilhaft ist dann jedoch der Anschluss der Zuführöffnung 36 sowie der Abführöffnung an jeweilige Versorgungsleitungen 50, 52 eines Batteriekühlungssystems der Batterie 10 elektrisch isoliert ausgebildet, sodass Ausgleichsströme im Wesentlichen vermieden werden können.
Darüber hinaus erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn als Kühlmedium ein Stoff eingesetzt wird, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, vorzugsweise eine elektrische Isolation bereitzustellen vermag. Dies kann zum Beispiel durch ein Öl, aber auch einen anderen niedrigviskosen elektrisch isolierenden Stoff realisiert sein. Wird ein Gas als Kühlmittel eingesetzt, kann zum Beispiel ein fluorierter, insbesondere perfluorierter, Kohlenwasserstoff zum Einsatz kommen.
5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Ausschnitt von in Stapelbauweise angeordneten Batteriezellen 12 gemäß 4 in einem nicht dargestellten Gehäuse der Batterie 10. Zu erkennen ist, dass die Zuführöffnungen 36 an eine erste Versorgungsleitung 50 für das Kühlmittel angeschlossen sind, wohingegen die Abführöffnungen 48 an eine zweite Versorgungsleitung 52 des Kühlsystems der Batterie 10 angeschlossen sind. Nicht weiter dargestellt ist, dass das Kühlsystem der Batterie 10 einen Kühlkreislauf bereitstellt, der mittels eines Pumpenantriebs eine Kühlmittelströmung durch die Versorgungsleitungen 50, 52, die Anschlussleitungen 32, 34 der Batteriezellen 12 sowie die Kapillarleitungen 22 bewirkt. Ebenfalls ist nicht dargestellt, dass von der Versorgungsleitung 52 aus den Batteriezellen 12 zurückgeführtes Kühlmittel in einem Wärmetauscher auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt werden kann und dann der Versorgungsleitung 50 wieder zugeführt wird.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12: Batteriezelle
14: Tasche
16: galvanische Zelle
18: Anodenelektrode
20: Kathodenelektrode
22: Kapillarleitung
24: erstes Ende
26: zweites Ende
28: Folie
30: Folie
32: erste Anschlussleitung
34: zweite Anschlussleitung
36: Zuführöffnung
38: Anschlussfahne
40: Anschlussfahne
42: Lasche
44: Lasche
46: Separatorschicht
48: Abführöffnungen
50: erste Versorgungsleitung
52: zweite Versorgungsleitung
54: Folienrand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202019100997 U1 [0006]
WO 2009/08860019 A1 [0009]
DE 102019109812 B3 [0010]

Claims

Batteriezelle (12) mit einer Tasche (14) aus einem elektrischen isolierenden Werkstoff und einer in der Tasche (14) angeordneten galvanischen Zelle (16), wobei die galvanische Zelle (16) einen Elektrolyten (46), eine den Elektrolyten kontaktierende Anodenelektrode (18) und eine den Elektrolyten (46) kontaktierende Kathodenelektrode (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (14) mit einem Kühlfluid beaufschlagbare Kapillarleitungen (22) aufweist, wobei die Kapillarleitungen (22) jeweils ein erstes Ende (24) und ein dem ersten Ende (24) gegenüberliegendes zweites Ende (26) aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Enden (24, 26) aus der Tasche (14) herausragen.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarleitungen (22) fluiddicht mit der Tasche (14) verbunden sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (14) zwei Folien (28, 30) aufweist, zwischen denen die galvanische Zelle (16) angeordnet ist, wobei die Folien (28, 30) an einem einen Verbindungsbereich bildenden Folienrand (54) der Folien (28, 30), vorzugsweise fluiddicht, miteinander verbunden sind, wobei die Enden (24, 26) der Kapillarleitungen (22) durch den Verbindungsbereich hindurch aus der Tasche (14) herausragen.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die ersten Enden (24) der Kapillarleitungen (22) und die zweiten Enden (26) der Kapillarleitungen (22) an eine jeweilige erste und zweite Anschlussleitung (32, 34) angeschlossen sind.
Batteriezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Anschlussleitung (32, 34) im Verbindungsbereich angeordnet, vorzugsweise zumindest teilweise durch den Verbindungsbereich gebildet, sind.
Batteriezelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Anschlussleitungen (32, 34) eine Zuführöffnung (36) zum Zuführen eines Kühlfluids und die andere der Anschlussleitungen (32, 34) eine Abführöffnung zum Abführen des Kühlfluids aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarleitungen (22) derart angeordnet sind, dass eine jeweilige der Kapillarleitungen (22) nur die Anodenelektrode (18) oder nur die Kathodenelektrode (20) kontaktiert.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarleitungen (22) zumindest innerhalb der Tasche (14) zueinander parallel angeordnet sind.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarleitungen (22) zumindest innerhalb der Tasche (14) in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Enden (24, 26) der Kapillarleitungen (22), die in einer ersten der Ebenen angeordnet sind, vorzugsweise versetzt zu den ersten und zweiten Enden (24, 26) der Kapillarleitungen (22) einer zweiten der Ebenen angeordnet sind.
Batterie (10) mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (12), die zumindest teilweise einen Stapel bildend aufeinanderfolgend in einem Gehäuse der Batterie (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.