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Die Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse mit einer Berstmembran, insbesondere ein Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle einer Hochvolt-Batterie.
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batterien eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionen-Batterie“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
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Im Falle eines mechanischen Aufpralls auf die Batteriezelle, der beispielsweise eine Deformation und/oder das Eindringen eines spitzen Gegenstands in die Batteriezelle bewirkt, oder bei einer Überladung der Batteriezelle kann das Risiko einer Überhitzung der Batteriezelle bestehen. Durch exotherme Elektrodenreaktionen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses der Elektroden, kann es zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) der Batteriezelle kommen. Bei hohen Temperaturen kann es insbesondere zu einem Verdampfen des in der Batteriezelle enthalten Elektrolyten kommen, wodurch in der Batteriezelle ein kritischer Überdruck entsteht. In einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen kann das thermische Durchgehen einer Batteriezelle zu einer Ausbreitung der Überhitzung auf die benachbarten Batteriezellen führen, so dass ein Risiko der Schädigung des gesamten Batteriemoduls oder sogar der gesamten Hochvoltbatterie bestehen kann, wenn dies nicht durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen verhindert wird.
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In der Druckschrift
DE 10 2015 014 343 A1 wird ein Zellhalter für eine Batteriezelle beschrieben, der an einer Gehäuseoberfläche eine Öffnung mit einer Berstmembran zum Überdruckabbau aufweist. Eine derartige Berstmembran ist dazu vorgesehen, das durch Verdampfung des Elektrolyten entstehende Gas abzuleiten und auf diese Weise den Überdruck in der Batteriezelle abzubauen, ohne dass benachbarte Batteriezellen geschädigt werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Batteriezellgehäuse mit einer Berstmembran anzugeben, das sich insbesondere durch ein zuverlässiges Öffnen der Berstmembran bei einem kritischen Druck und/oder einer kritischen Temperatur in der Batteriezelle auszeichnet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Batteriezellgehäuse gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Batteriezellgehäuse eine Berstmembran und mindestens einen der Berstmembran zugewandten Pin zum Durchstoßen der Berstmembran beim Überschreiten eines kritischen Drucks und/oder einer kritischen Temperatur in dem Batteriezellgehäuse auf. Der mindestens eine Pin weist vorteilhaft ein hartes Material auf, insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung wie zum Beispiel Edelstahl. Alternativ kann der mindestens eine Pin einen Kunststoff aufweisen, insbesondere einen Kunststoff mit großer Härte.
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Der mindestens eine Pin ist ein spitzer Gegenstand, der beispielsweise nagel- oder nadelförmig ist, wobei die Spitze der Berstmembran zugewandt ist. Der mindestens eine Pin ist vorzugsweise in einem geringen Abstand über der Berstmembran angeordnet. Dieser Abstand ist so gewählt, dass der mindestens eine Pin bei einem normalen Betriebszustand der Batteriezelle die Berstmembran nicht berührt.
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Der mindestens eine Pin weist vorteilhaft eine der Berstmembran zugewandte Spitze auf, die in die Berstmembran eindringen und die Berstmembran auf diese Weise öffnen kann. Beispielsweise wird die Berstmembran bei einem Überschreiten eines kritischen Drucks in der Batteriezelle von innen gegen den mindesten einen über der Berstmembran angeordneten Pin gedrückt und in Folge von dem Pin durchstoßen. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Ausdehnung des mindestens einen Pins bei einem Überschreiten einer kritischen Temperatur bewirken, dass der mindestens eine Pin die Berstmembran durchstößt.
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Durch das auf diese Weise erreichte Öffnen der Berstmembran kann in einem kritischen Zustand der Batteriezelle Elektrolytgas aus der Batteriezelle entweichen und so ein Überdruck in der Batteriezelle abgebaut werden. Da das Entweichen des Elektrolytgases eine endotherme Reaktion ist, kann dadurch die Zelltemperatur verringert werden. Außerdem vergrößert sich der Innenwiderstand der Batteriezelle durch das Entweichen des Elektrolyten. Auf diese Weise vermindert sich das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle. Weiterhin wird so das Risiko, dass sich der kritische Zustand der Batteriezelle auf benachbarte Zellen eines Batteriemoduls ausbreitet, vermindert.
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Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Eine Berstmembran eines Batteriezellgehäuse ist typischerweise dazu vorgesehen, beim Überschreiten eines kritischen Drucks in der Batteriezelle zu bersten. Eine vergleichsweise fragile Auslegung der Berstmembran kann einerseits zwar die Sicherheit erhöhen, dass die Berstmembran bei einem kritischen Zustand der Batteriezelle tatsächlich berstet. Andererseits darf der kritische Druck, bei dem die Berstmembran berstet, nicht zu niedrig sein, damit nicht das Risiko besteht, dass die Berstmembran bereits bei der Herstellung der Batteriezelle oder unter herkömmlichen Betriebsbedingungen berstet. Außerdem soll die Berstmembran eine ausreichende Abdichtung des Zellgehäuses gegenüber Gasen, insbesondere Sauerstoff, oder Feuchtigkeit gewährleisten. Eine vergleichsweise steife und dichte Auslegung der Berstmembran würde andererseits das Risiko erhöhen, dass die Berstmembran erst bei einem Druck in der Batteriezelle berstet, beim dem Batteriezelle schon in einem sehr kritischen Zustand ist, der möglicherweise ein thermisches Durchgehen der Zelle zur Folge hat. Bei herkömmlichen Berstmembranen kann das Problem bestehen, dass der kritische Druck, bei dem die Berstmembran berstet, aufgrund von Fertigungstoleranzen nur mit einer Genauigkeit von etwa ± 2 bar eingestellt werden kann. Durch den mindestens einen Pin, der bei dem hierin beschrieben Batteriezellgehäuse der Berstmembran zugewandt ist, wird erreicht, dass in der Berstmembran bei einem definierten kritischen Druck und/oder einer definierten kritischen Temperatur durch das Eindringen des Pins Löcher erzeugt werden oder die Berstmembran zum Bersten gebracht wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Gase, insbesondere das Gas eines bereits zumindest teilweise verdampften Elektrolyten, bereits bei einem Druck aus dem Batteriezellgehäuse entweichen können, der niedriger ist als der Druck, bei dem eine herkömmliche Berstmembran berstet. Dadurch wird das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle vermindert und so die Sicherheit erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Pin in einer Abdeckung fixiert, die über der Berstmembran angeordnet ist. Die Abdeckung kann insbesondere einen Kunststoff aufweisen und zum Schutz der Berstmembran vorgesehen sein. Der mindestens eine Pin kann von dem Material der Abdeckung zumindest teilweise umschlossen und auf diese Weise in der Abdeckung fixiert sein. Der mindestens eine Pin ragt vorzugsweise an einer der Berstmembran zugewandten Oberfläche der Abdeckung aus der Abdeckung heraus.
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Gemäß einer Ausführungsform des Batteriezellgehäuses beträgt der kritische Druck, bei der der mindestens eine Pin in die Berstmembran eindringt, mindestens 3 bar, vorzugsweise zwischen einschließlich 3 bar und einschließlich 8 bar. Durch ein Öffnen der Berstmembran bei diesem Druck kann das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle vorteilhaft vermindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Batteriezellgehäuses beträgt die kritische Temperatur, bei der der mindestens eine Pin in die Berstmembran eindringt, zwischen einschließlich 90 °C und einschließlich 120 °C. Bevorzugt beträgt die kritische Temperatur nicht mehr als 100 °C, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 90 °C und einschließlich 100 °C. Durch ein Öffnen der Berstmembran in diesem Temperaturbereich können vorteilhaft Reaktionen gestoppt werden, die einem thermischen Durchgehen der Batteriezelle vorangehen, insbesondere ein Auflösen der Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (SEI, Solid Electrolyte Interface) oder die Zersetzung des Elektrolyten. Auf diese Weise kann das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle vorteilhaft vermindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Batteriezellgehäuses sind mehrere Pins über der Berstmembran angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Berstmembran an mehreren Stellen von den Pins durchstoßen wird und so flüssiger oder gasförmiger Elektrolyt durch mehrere Öffnungen aus der Batteriezelle entweichen kann. Die mehreren Pins sind beispielsweise in einer Reihe oder in einer Rasteranordnung über der Berstmembran angeordnet. Die Anzahl der Pins beträgt vorzugsweise zwischen einschließlich 1 und einschließlich 10.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Pin in einem derartigen Abstand zur Berstmembran angeordnet, dass der Pin die Berstmembran beim Überschreiten der kritischen Temperatur aufgrund seiner thermischen Ausdehnung durchstößt. Der Abstand zwischen der Spitze des mindestens einen Pins und der Berstmembran beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm oder weniger als 1 mm.
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Das hierin beschriebene Batteriezellgehäuse ist insbesondere für prismatische Batteriezellen geeignet. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen und im Wesentlichen quaderförmig sein. Prismatische Batteriezellen können vorteilhaft leicht gestapelt und zu einem Batteriemodul zusammengesetzt werden. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine Bodenwand, Seitenwände und den Deckel aufweisen. Die Berstmembran ist beispielsweise an dem Deckel des Batteriezellgehäuses angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle sind zum Beispiel aus dem Deckel herausgeführt. Die Berstmembran kann beispielsweise zwischen den elektrischen Anschlüssen im Deckel des Batteriezellgehäuses angeordnet sein.
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Es werden weiterhin eine Lithium-Ionenbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Batteriezellgehäusen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Lithium-Ionenbatterie vorgeschlagen. Das hierin beschriebene Batteriezellgehäuse kann aufgrund der verbesserten Sicherheit vorteilhaft in einer Lithium-Ionenbatterie verwendet werden, die insbesondere als Traktionsbatterie in einem elektrisch angetrieben Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Batteriezellgehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 2 eine Detailansicht eines Querschnitts durch den Bereich der Berstmembran bei dem Ausführungsbeispiel.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das in 1 schematisch dargestellte Batteriezellgehäuse 1 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Gehäuse für eine prismatische Batteriezelle. Das Batteriezellgehäuse 1 bildet einen mechanisch festen Mantel für die darin angeordneten Zellschichten der Batteriezelle aus. In der Batteriezelle können die Zellschichten beispielsweise als Zellstapel oder Zellwickel vorliegen. Das Batteriezellgehäuse 1 weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Das Batteriezellgehäuse 1 kann aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium gebildet sein. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse 1 zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Das Batteriezellgehäuse 1 weist einen ersten elektrischen Anschluss 3 und einen zweiten elektrischen Anschluss 4 auf, die beispielsweise an einem Deckel 2 des Batteriezellgehäuses 1 angeordnet sind. Die elektrischen Anschlüsse 3, 4 sind zur elektrischen Kontaktierung der Pole des Zellstapels oder Zellwickels der Batteriezelle vorgesehen.
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In der 1 ist weiterhin eine an dem Deckel 2 des Batteriezellgehäuses angeordnete Abdeckung 6 zu sehen, die beispielsweise im Bereich zwischen den elektrischen Anschlüssen 3, 4 angeordnet ist. Die Abdeckung 6 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet. Unter der Abdeckung 6 befindet sich eine Berstmembran 8.
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Die 2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Bereichs des Deckels 2, in dem die Berstmembran 8 mit ihrer Abdeckung 6 angeordnet ist. Die Berstmembran 8 befindet sich unter der Abdeckung 6 und ist durch einen Zwischenraum 7 von der Abdeckung 6 getrennt. Die Berstmembran 8 hat eine Sicherheitsfunktion beim Betrieb der Batteriezelle. Ein in der Batteriezelle enthaltener Elektrolyt kann beim Überschreiten einer kritischen Temperatur zumindest teilweise verdampfen. Insbesondere ist die Berstmembran 8 dazu vorgesehen, beim Überschreiten eines kritischen Drucks in der Batteriezelle 1 zu bersten, so das Gas und/oder Flüssigkeit aus der Batteriezelle 1 entweichen kann. Bei dem Gas und/oder der Flüssigkeit kann es sich insbesondere um den Elektrolyten der Batteriezelle handeln. Die Berstmembran 8 weist beispielsweise Aluminium auf oder besteht daraus. Die Dicke der Berstmembran 8 beträgt vorzugsweise von einschließlich 100 µm bis einschließlich 300 µm.
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Bei dem vorgeschlagenen Batteriezellgehäuse 1 ist über der Berstmembran 8 mindestens ein Pin 5 zum Durchstoßen der Berstmembran 8 beim Überschreiten eines kritischen Drucks und/oder einer kritischen Temperatur in der Batteriezelle angeordnet. Der mindestens eine Pin 5 oder vorzugsweise mehrere Pins 5 weisen eine der Berstmembran 8 zugewandte Spitze auf.
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Die Pins 5 sind beispielsweise in der Abdeckung 6 angeordnet. Bei dem hier gezeigten Beispiel sind drei Pins 5 in der Abdeckung 6 angeordnet. Die Pins 5 werden von dem Material der Abdeckung 6, insbesondere einem Kunststoff, seitlich umschlossen und so fixiert. Eine Spitze der Pins 5 ist jeweils der Berstmembran 8 zugewandt. Die Spitzen der Pins 5 erstrecken sich vorzugsweise bis in den Zwischenraum 7 zwischen der Abdeckung 6 und der Berstmembran 8. Der durch den Zwischenraum 7 gebildete Abstand zwischen der Berstmembran 8 und der Abdeckung 6 beträgt beispielsweise etwa 1 mm bis 2 mm.
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Beim Überschreiten eines kritischen Drucks in der Batteriezelle 1 wird die Berstmembran 8 von dem Druck von innen gegen die Pins 5 gedrückt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem definierten kritischen Druck durch das Eindringen der Pins 5 Öffnungen in der Berstmembran 8 erzeugt werden oder die Berstmembran 8 zum Bersten gebracht wird. Der kritische Druck, bei dem die Pins 5 in die Berstmembran eindringen, beträgt beispielsweise etwa 3 bar bis 8 bar.
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Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Ausdehnung der Pins 5 bewirken, dass sich die Spitzen der Pins 5 bei steigender Temperatur in der Batteriezelle der Berstmembran 8 nähern und beim Überschreiten einer kritischen Temperatur die Berstmembran 8 durchstoßen. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einer definierten kritischen Temperatur durch das Eindringen der Pins 5 Öffnungen in der Berstmembran 8 erzeugt werden oder die Berstmembran 8 zum Bersten gebracht wird. Bei Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur erstrecken sich die Spitzen der Pins 5 nicht bis zur Berstmembran 8, sondern enden in dem Zwischenraum 7 zwischen der Berstmembran 8 und der Abdeckung 6. Der Abstand zwischen den Pins 5 und der Berstmembran 8 ist vorteilhaft so bemessen, dass die Spitzen der Pins 5 aufgrund der thermischen Ausdehnung bei der kritischen Temperatur die Oberfläche der Berstmembran 8 erreichen und diese deshalb beim Überschreiten der kritischen Temperatur durchstoßen können. Die kritische Temperatur beträgt beispielsweise etwa 90 °C bis 120 °C, vorzugsweise 90 °C bis 100 °C. Dadurch wird das Risiko eines thermischen Durchgehens der Batteriezelle 1 vermindert und so die Sicherheit erhöht.
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Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriezellgehäuse
- 2
- Deckel
- 3
- erster elektrischer Anschluss
- 4
- zweiter elektrischer Anschluss
- 5
- Pin
- 6
- Abdeckung
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Berstmembran
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015014343 A1 [0004]
