DE102020121010A1 - Filterelement für Energiespeicher - Google Patents

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Peter Kritzer
Ulrich Stahl
Michael Roth
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Carl Freudenberg KG
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Filterelement zum Filtern eines Fluids, welches eine Auffangeinheit, einen Einlass, durch den Fluid zu der Auffangeinheit zugeführt werden kann, und einen Auslass, durch den Fluid von der Auffangeinheit abgeführt werden kann, umfasst, wobei die Auffangeinheit eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und eine HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann, umfasst, wobei die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz voneinander verschieden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Filterelement zum Filtern eines Fluids, ein entsprechendes textiles Flächengebilde, deren jeweilige Verwendung zum Filtern eines von einem Energiespeicher emittierten Fluids sowie deren Einsatz in einem entsprechenden Verfahren.
  • Stand der Technik
  • Energiespeicher für elektrische Energie geben im Bedarfsfall darin gespeicherte elektrische Energie ab. Solche Energiespeicher sollten möglichst wiederaufladbar sein. Wiederaufladbare Energiespeicher für elektrische Energie sind sogenannte Sekundärzellen, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden. Beim Aufladen eines solchen Akkumulators wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, und beim Entladen eines Akkumulators wird umgekehrt chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
  • Von hoher praktischer Bedeutung sind dabei Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Ein solcher Lithium-Ionen-Akkumulator weist zwei Elektroden auf, über die ein elektrisches Auf- bzw. Entladen des Akkumulators möglich ist. Diese Elektroden sind durch einen Separator voneinander getrennt, um einen Kurzschluss innerhalb des Akkumulators zu verhindern. Gleichzeitig müssen beim Auf- bzw. Entladen des Lithium-Ionen-Akkumulators Lithium-Ionen zwischen den zwei Elektroden durch einen sich dazwischen befindlichen Elektrolyten frei hindurchwandern können. In dem Elektrolyten sind dazu regelmäßig fluorierte Leitsalze wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) oder Lithiumtetrafluorborat (LiBF4) enthalten. Außerdem enthält der Elektrolyt regelmäßig fluorierte Bindemittel wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropen (PVDF-HFP). Der Einsatz derartiger fluorierter Materialien ist aufgrund ihrer chemischen und elektrochemischen Beständigkeit technisch grundsätzlich sinnvoll.
  • Allerdings kann es auf verschiedene Weise zu einer Schädigung des Separators kommen. So kann der Separator durch äußere mechanische Belastung zerreißen. Ferner kann es durch übermäßige Ladung oder Entladung des Akkumulators zu einem Wachstum dendritischer Strukturen im Inneren des Akkumulators kommen. Solche dendritischen Strukturen können den Separator durchtrennen. Zudem kann der Separator bei einem Überhitzen des Akkumulators beschädigt werden. Jede dieser Schädigungen des Separators kann zu einem Kurzschluss innerhalb des Akkumulators führen.
  • Ein Kurzschluss innerhalb des Akkumulators wiederum kann zu einem sogenannten thermischen Durchgehen (engl. „thermal runaway“) führen, welches sich oftmals durch Rauchentwicklung, Feuerentwicklung und/oder Explosion äußert. Bei einem solchen thermischen Durchgehen kann aus den im Akkumulator enthaltenen fluorierten Materialien Fluorwasserstoff (HF) bzw. Flusssäure freigesetzt werden. Eine typische, HF-bildende Reaktion ist dabei die folgende: LiPF6 + H2O → LiF + POF3 + 2HF
  • Das HF ist eine thermodynamisch sehr stabile Verbindung. Eine Freisetzung von HF aus den im Akkumulator enthaltenen fluorierten Materialien ist daher thermodynamisch gegenüber der Freisetzung anderer Fluorverbindungen bevorzugt.
  • HF bzw. Flusssäure wirkt ätzend und ist für Menschen schwer gesundheitsschädlich. So beträgt der von der United States Environmental Protection Agency festgelegte Wert für eine tödlichen Konzentration bei einer Expositionszeit von 10 Minuten für HF nur 139 mg/m3 (siehe Acute Exposure Guideline Levels for Airborne Chemicals; AEGL-3). Darüber hinaus beträgt das IDLH-Niveau (Immediately Dangerous to Life or Health, 30 min) lediglich 25 mg/m3.
  • Fachkundigen Abschätzungen zufolge können pro Wattstunde (Wh) Kapazität eines Akkumulators 20 bis 200 mg HF freigesetzt werden, siehe hierzu zum Beispiel https://ec.europa,eu/jrc/sites/jrcsh/files/thermal-propagation-in-lithium-ionbatteries.pdf. Eine typische Automobil-Batterie weist beispielsweise einen Akkumulator mit einer Kapazität von 50 kWh auf. Bei einem vollständigen thermischen Durchgehen eines solchen Akkumulators können damit bis zu 10 kg HF freigesetzt werden. Damit wird das IDLH-Niveau in einem Raum mit einer Größe von 400.000 m3 erreicht. Eine derartige HF-Freisetzung ist in geschlossenen Räumen besonders kritisch.
  • In Elektroautos, Schiffen usw. werden ferner häufig Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt, in denen als Kathodenmaterial Nickel-Mangan-Kobalt Oxid (NMC) eingesetzt wird. Eine Zelle eines solche Akkumulators weist typischerweise eine Ladung von 100 Amperestunden (Ah) auf. Abgeschätzt werden von einer 100 Ah (0,36 kWh) großen Zelle ca. 70 g HF emittiert.
  • Neben der Freisetzung von HF sind bei einem thermischen Durchgehen eines solchen Akkumulators auch die freigesetzten Energie- und Gasmengen problematisch. So werden für ein automobiltaugliches Speichersystem z.B. 14 Zellen zu einem Modul verbaut, und 18 Module zu dem vollständigen Speichersystem. Die Tabelle 1 fasst Abschätzungen der in solchen Bauteilen gespeicherten Energien sowie der bei einem thermischen Durchgehen von diesen freigesetzten Energie- und Gasmengen zusammen: Tabelle 1:
    Gespeicherte Energie (kWh) Freigesetzte Energiemenge (MJ) Freigesetzte Gasmenge (m3)
    Zelle (100 Ah) 0,36 2 2
    Modul (14 Zellen) 5 28 28
    Speichersystem (18 Module) 90 500 500
  • Ein thermisches Durchgehen eines Akkumulators führt damit gleichzeitig zu einer problematischen Freisetzung von HF und von großen Energiemengen. Daraus resultieren insbesondere Gesundheitsgefahren und Brandgefahren.
  • Außerdem werden wie aus Tabelle 1 ersichtlich große Gasmengen freigesetzt. Aus einer Zelle mit einer Ladung von 100 Ah können bei einem thermischen Durchgehen ca. 2 m3 schädliches Gas freigesetzt werden. Demgegenüber betragen typische Abmessungen einer solchen 100 Ah Zelle nur 23 cm x 10 cm x 2,5 cm. Dies ergibt ein Zellvolumen von nur 0,000575 m3. Die Vervielfachung des Volumens bei thermischem Durchgehen des Akkumulators auf ca. 2 m3 kann damit leicht zu einer Explosion führen. Neben den erwähnten Gesundheitsgefahren und Brandgefahren ergeben sich damit ggf. zusätzlich noch Explosionsgefahren. Diese Gefahren werden im Stand der Technik nicht gemeinsam angesprochen.
  • So beschreibt DE 10 2008 025 422 A1 eine Energiespeicherzelle mit einer Sicherheits-Berstmembran. Dabei kann oberhalb der Sicherheits-Berstmembran ein HF-Absorber vorgesehen sein, z.B. in Form einer Trockentablette. Zu den bei einem thermischen Durchgehen der Energiespeicherzelle freigesetzten Energiemengen oder Gasmengen wird nichts ausgeführt.
  • In DE 10 2008 001 707 A1 wird eine Energiewandler- bzw. Energiespeichereinheit beschrieben, die von einer Ummantelung umgeben ist. Die Ummantelung umfasst dabei einen Fluorabsorber. Bei Brand oder Überhitzung der Energiewandler- bzw. Energiespeichereinheit soll damit eine Emission von fluorhaltigen Verbindungen wie HF vermieden werden. Die bei Brand oder Überhitzung potentiell freigesetzten Energiemengen werden nicht angesprochen, ebenso wenig dabei potentiell freigesetzte Gasmengen.
  • DE 10 2014 211 043 A1 beschreibt eine Lithium-Zelle, die einen Lithium-Zellwickel, eine Folienverpackung, ein Hartschalengehäuse und einen Fluorabsorber umfasst. Der Fluorabsorber ist dabei insbesondere innerhalb der Folienverpackung und/oder des Hartschalengehäuses angeordnet. Ein thermisches Durchgehen einer solchen Lithium-Zelle wird erwähnt, nicht jedoch dabei freigesetzte Energiemengen. Große freigesetzte Gasmengen werden ebenfalls nicht problematisiert.
  • Der Stand der Technik ist teilweise noch verbesserungswürdig. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf eine Absorption von HF und von großen Energiemengen sowie eines eventuellen Abführens großer Gasmengen, die alle im Wesentlichen gleichzeitig und insbesondere von einem Energiespeicher wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator emittiert werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Filterelement bereitzustellen, welches Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise und möglichst ganz überwindet.
  • Es ist dabei eine besondere Aufgabe der Erfindung, ein Filterelement bereitzustellen, welches freigesetztes HF und freigesetzte große Energiemengen absorbieren sowie ggf. freigesetzte große Gasmengen abführen kann.
  • Es ist dabei auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Filterelement bereitzustellen, welches bei einem thermischen Durchgehen eines Energiespeichers, insbesondere eines Lithium-Ionen-Akkumulators, daraus resultierende Gesundheitsgefahren, Brandgefahren und ggf. Explosionsgefahren verringern und möglichst ganz beseitigen kann.
  • Es ist daneben eine Aufgabe der Erfindung, ein textiles Flächengebilde bereitzustellen, welches Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise und möglichst ganz überwindet.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, welche Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise und möglichst ganz überwindet.
  • Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, eine Verwendung eines Filterelements oder eines textilen Flächengebildes bereitzustellen, welche Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise und möglichst ganz überwindet.
  • Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Filtern eines Fluids bereitzustellen, das Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise und möglichst ganz überwindet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Überraschenderweise wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch Produkte, Verwendungen und Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Filterelement zum Filtern eines Fluids, umfassend:
    • eine Auffangeinheit,
    • einen Einlass, durch den Fluid zu der Auffangeinheit zugeführt werden kann,
    • einen Auslass, durch den Fluid von der Auffangeinheit abgeführt werden kann, wobei die Auffangeinheit umfasst:
      • eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und
      • eine HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann,
      • wobei die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz voneinander verschieden sind.
  • Das Filterelement dient nicht bzw. nicht nur dazu, Feststoffe aus einem Fluid zu filtern. Vielmehr ist das Filterelement dazu angepasst, die chemische Zusammensetzung eines zu der Auffangeinheit zugeführten Fluids zu verändern. D.h., das zu der Auffangeinheit zugeführte Fluid weist eine andere chemische Zusammensetzung auf als das entsprechende, von der Auffangeinheit abgeführte Fluid. Insbesondere wird mindestens ein Bestandteil des zugeführten Fluids aus diesem durch das Filterelement herausgefiltert. Wie hier verwendet erfasst der Begriff „Fluid“ Gase, Flüssigkeiten und Gemische aus Gasen und Flüssigkeiten. Das Filterelement ist dementsprechend dazu angepasst, gasförmige Bestandteile, flüssige Bestandteile oder sowohl gasförmige als auch flüssige Bestandteile aus dem Fluid herauszufiltern.
  • Der Einlass, die sich daran anschließende Auffangeinheit und der sich an die Auffangeinheit anschließende Auslass definieren den Strömungsweg eines Fluids durch das erfindungsgemäße Filterelement. Das Filterelement kann damit große Gasmengen, die insbesondere von einem Energiespeicher wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator abgegeben werden, abführen. Der Einlass ist dazu bevorzugt derart ausgestaltet, dass er mit einem Energiespeicher, insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator, in Fluidverbindung gebracht werden kann.
  • Die Energie-absorbierende Substanz kann endotherm Wasser (H2O) freisetzen. D.h., für eine Freisetzung von Wasser aus der Energie-absorbierenden Substanz muss Energie zugeführt werden. Entsprechend ist die Enthalpiedifferenz ΔH der Freisetzung des Wassers positiv. Die Energie-absorbierende Substanz ist daher insbesondere eine Wärmeenergie-absorbierende Substanz. Die Energie-absorbierende Substanz ist dabei nicht Wasser an sich. Über die Energie-absorbierende Substanz kann das Filterelement große Energiemengen absorbieren, die insbesondere von einem Energiespeicher wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator abgegeben werden. Freigesetztes Wasser wirkt zudem flammhemmend und verringert eine Brandgefahr.
  • Die HF-absorbierende Substanz kann Fluorwasserstoff absorbieren, indem die Substanz mit HF ein Fluorid bildet. In einem Fluorid ist mindestens ein Fluorid-Atom (F-Atom) ionisch oder kovalent an mindestens ein Nicht-Fluorid-Atom (kein F-Atom) gebunden. Die HF-absorbierende Substanz ist dabei nicht Wasser an sich. Über die HF-absorbierende Substanz kann das Filterelement gesundheitsschädliches HF, das insbesondere von einem Energiespeicher wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator abgegeben wird, aus einem zugeführten Fluid filtern bzw. absorbieren.
  • Die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz sind voneinander verschieden. Sie bilden insbesondere nicht zusammen eine wässrige Lösung. Die HF-absorbierende Substanz ist keine Substanz, insbesondere kein Salz, das in Wasser als Energie-absorbierender Substanz gelöst ist. Indem sowohl die Energie-absorbierende Substanz als auch die HF-absorbierende Substanz von der Auffangeinheit umfasst sind, kann das Filterelement gleichzeitig große Energiemengen und gesundheitsschädliches HF absorbieren, die insbesondere von einem Energiespeicher wie etwa einem Lithium-Ionen-Akkumulator abgegeben werden. Die Energie-absorbierende Substanz setzt dabei Wasser frei. Das freigesetzte Wasser kann die Absorption von HF durch die HF-absorbierende Substanz erleichtern. Die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz können damit eine synergistische Wirkung haben.
  • Insgesamt kann das erfindungsgemäße Filterelement insbesondere aus einem Energiespeicher freigesetzte große Energiemengen und freigesetztes HF absorbieren sowie ggf. ebenfalls freigesetzte große Gasmengen abführen. Das erfindungsgemäße Filterelement kann ferner damit verbundene Brandgefahren, Gesundheitsgefahren und ggf. Explosionsgefahren verringern oder sogar beseitigen. Das erfindungsgemäße Filterelement kann dies gemeinsam bzw. gleichzeitig bewerkstelligen, und kann dabei Synergien zwischen Energie-absorbierender Substanz und HF-absorbierender Substanz nutzen.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass bei dem Filterelement der Einlass und/oder der Auslass mit einem Ventil ausgestattet sind. Ein Ventil ist allgemein eine Einrichtung, mit der ein Strom des Fluids gesteuert werden kann. Ein Ventil kann ein Öffnen und ein Schließen des Strömungswegs des Fluids durch das erfindungsgemäße Filterelement ermöglichen. Ein Energiespeicher wie etwa ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist oftmals von einer Ummantelung umgeben, beispielsweise einem Folienbeutel oder einem formstabilen Gehäuse. Innerhalb der Ummantelung kommt es beim Regelbetrieb eines Energiespeichers regelmäßig zu Druckschwankungen. Bereits im Regelbetrieb können z.B. durch Zersetzung von fluorierten Materialien geringe Mengen an HF freigesetzt werden. Zudem können geringe Mengen anderer Gase wie CO, Ether und organische Carbonate entstehen. Dies kann zu einer Druckerhöhung innerhalb der Ummantelung führen. Bei einem thermischen Durchgehen des Energiespeichers kann die Druckerhöhung durch die entstehenden Gase, wiederum insbesondere CO, Ether und organische Carbonate, deutlich größer ausfallen. Mit einer Druckerhöhung geht die Gefahr eines Platzens oder Zerberstens der Ummantelung einher. Sowohl im Regelbetrieb als auch bei einem thermischen Durchgehen kann ein am Einlass und/oder am Auslass des Filterelements angebrachtes Ventil eine gesteuerte Entlüftung der Ummantelung und damit eine Druckerniedrigung innerhalb der Ummantelung ermöglichen. Ein am Einlass und/oder am Auslass des Filterelements angebrachtes Ventil kann auf diese Weise dazu beitragen, ein Platzen oder Zerbersten der Ummantelung zu verhindern.
  • Wenn der Einlass des Filterelements mit einem Ventil ausgestattet ist, kann das Ventil in die Ummantelung des Energiespeichers integriert sein. Auf diese Weise kann das Ventil konstruktiv besonders einfach ausgestaltet sein.
  • Wenn der Auslass des Filterelements mit einem Ventil ausgestattet ist, kann das Ventil die Auffangeinheit und damit sowohl die Energie-absorbierende Substanz als auch die HF-absorbierende Substanz vor Umwelteinflüssen schützen. Auf diese Weise kann das Ventil die Lebensdauer des Filterelements verlängern.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Ventil bei einem thermischen Durchgehen des Energiespeichers automatisch eine Entlüftung (Notentgasung) der Ummantelung auslöst. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Ventil nach einer Entlüftung der Ummantelung, insbesondere nach Abbau eines Überdrucks oberhalb des Drucks im Regelbetrieb des Energiespeichers, automatisch wieder schließt. Auf diese Weise kann das Ventil den Energiespeicher vor Umwelteinflüssen schützen.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Ventil druckausgleichend wirkt. Dazu weist das Ventil bevorzugt poröse Abschnitte auf, durch die geringe Druckdifferenzen ausgeglichen werden können. Insbesondere können durch solche porösen Abschnitte geringe Austauschvolumina gezielt aus bzw. in die Ummantelung des Energiespeichers geführt werden. Auf diese Weise kann das Ventil betriebsbedingte Druckdifferenzen kompensieren.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Auffangeinheit einlassseitig einen ersten Abschnitt umfasst, welcher die Energie-absorbierende Substanz enthält, und daran anschließend stromabwärts einen zweiten Abschnitt umfasst, welcher die HF-absorbierende Substanz enthält. Die Energie-absorbierende Substanz setzt bei Energieaufnahme Wasser frei. Wasser kann die Absorption von HF durch die HF-absorbierende Substanz unterstützen. Durch die einlassseitige Anordnung der Energie-absorbierenden Substanz und die sich daran anschließende Anordnung der HF-absorbierenden Substanz kann die Unterstützungswirkung des Wassers verstärkt werden. Damit kann die synergistische Wirkung von Energie-absorbierender Substanz und HF-absorbierender Substanz noch ausgeprägter sein.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Energie-absorbierende Substanz ein Hydroxid oder ein Hydrat ist, mehr bevorzugt ein Hydroxid. Ein Hydroxid ist ein anorganischer Stoff, der Hydroxidionen (OH--Ionen) umfasst. Hydroxide sind regelmäßig gut verfügbar und geben leicht Wasser ab. Ein Hydroxid kann damit zu einem kostengünstigen und effizienten Filterelement beitragen.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Hydroxid amorph oder kristallin ist, mehr bevorzugt kristallin. Amorph bedeutet insbesondere Röntgen-amorph, d.h. in einem Pulverröntgenbeugungsdiagramm des Hydroxids werden keine Reflexe beobachtet, die einer Kristallstruktur des Hydroxids zugeordnet werden können. Kristallin bedeutet insbesondere, dass in einem Pulverröntgenbeugungsdiagramm des Hydroxids Reflexe beobachtet werden, die einer Kristallstruktur des Hydroxids zugeordnet werden können. Amorphe Hydroxide können weniger aufwendig herstellbar sein. Kristalline Hydroxide können zu einem leichteren Einbringen in die Auffangeinheit, beispielsweise durch Schütten oder Rieseln, beitragen.
  • Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Energie-absorbierende Substanz ein Alkalimetallhydroxid, ein Erdalkalimetallhydroxid, Aluminiumhydroxid oder eine Mischung davon ist. Diese Hydroxide können bei endothermer Wasserfreisetzung viel Energie aufnehmen und dadurch die Temperatur des Fluids senken und die Brandgefahr verringern.
  • Erfindungsgemäß ist es dabei insbesondere bevorzugt, dass die Energie-absorbierende Substanz Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2), Aluminiumhydroxid (Al(OH)3) oder eine Mischung davon ist. Magnesiumhydroxid und Aluminiumhydroxid können besonders viel Energie absorbieren. Magnesiumhydroxid kann in einem Temperaturbereich von 300 bis 500°C ca. 1200 kJ/kg Energie absorbieren. Aluminiumhydroxid kann in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C ca. 1100 kJ/kg Energie absorbieren. Aluminiumhydroxid ist dabei besonders bevorzugt, da dieses bereits bei Temperaturen ab 200°C Wasser freisetzt.
  • Ein Hydrat ist ein Stoff, der Wasser enthält. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Hydrat ein kristalliner anorganischer Stoff mit eingelagertem Kristallwasser oder ein organisches Hydrat ist, mehr bevorzugt ein kristalliner anorganischer Stoff mit eingelagertem Kristallwasser, Beispiele für anorganische Hydrate sind Hemihydrate wie Calciumsulfat-Hemihydrat, Monohydrate wie Natriumhydrogensulfat-Monohydrat und Caesiumthiosulfat-Monohydrat, Sesquihydrate wie Kaliumcarbonat-Sesquihydrat, Dihydrate wie Calciumsulfat-Dihydrat und Calciumchlorid-Dihydrat, Trihydrate wie Natriumacetat-Trihydrat und Bleiacetat-Trihydrat, Tetrahydrate wie Kaliumnatriumtartrat-Tetrahydrat, Pentahydrate wie Kupfersulfat-Pentahydrat, Hexahydrate wie Aluminiumchlorid-Hexahydrat und Cobaltchlorid-Hexahydrat, Heptahydrate wie Magnesiumsulfat-Heptahydrat, Eisensulfat-Heptahydrat und Zinksulfat-Heptahydrat, Octahydrate wie Praseodymsulfat-Octahydrat, Nonahydrate wie Chromnitrat-Nonahydrat, Decahydrate wie Natriumsulfat-Decahydrat (Glaubersalz) und Natriumcarbonat-Decahydrat, und Dodecahydrate wie Natriumphosphat-Dodecahydrat. Beispiele für organische Hydrate sind geminale Diole und Aldehydhydrate, wie etwa Choralhydrat und Formalin, und (R)-Cystein-Hydrochlorid-Monohydrat. Hydrate können endotherm vergleichsweise große Wassermengen freisetzen und dadurch besonders brandhemmend wirken.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz ein Salz eines Alkali- oder Erdalkalimetalls ist, wobei das Salz vorzugsweise ein Hydroxid, ein Oxid, ein Carbonat, ein Hydrogencarbonat, ein Hydroxycarbonat oder ein Oxycarbonat ist. Ein Salz eines Alkali- oder Erdalkalimetalls kann HF in einer Säure-Base-Reaktion unter Bildung eines Metallfluorids binden. Die resultierenden Alkali- oder Erdalkalimetallfluoride sind regelmäßig thermodynamisch sehr stabil und nicht-toxisch, sodass sie sicher entsorgt werden können.
  • Erfindungsgemäß ist es dabei besonders bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz Calciumcarbonat (CaCO3), Calciumhydroxid (Ca(OH)2), Calciumoxid (CaO) oder eine Mischung davon ist. Durch Absorption von HF wird aus diesen Calciumfluorid (CaF2; Flussspat) gebildet, welches thermodynamisch besonders stabil und nicht-toxisch ist. CaF2 kann dadurch sicher entsorgt werden. Calciumhydroxid ist besonders bevorzugt, weil es neben CaF2 gemäß nachfolgender Reaktion auch noch zu weiterem freigesetzten Wasser führt, welches flammhemmend wirkt: Ca(OH)2 + 2 HF → CaF2 + 2 H2O
  • Erfindungsgemäß ist es auch besonders bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3) ist. Natriumhydrogencarbonat ist besonders bevorzugt, weil es neben NaF gemäß nachfolgender Reaktion auch noch zu weiterem freigesetzten Wasser und sowie freigesetztem Kohlendioxid (CO2) führt, welche beide flammhemmend wirken: 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
  • Diese Reaktion erfolgt bereits ab Temperaturen von ca. 50°C, und läuft üblicherweise bei Temperaturen um 180°C und bereits bei Verweilzeiten von weniger als 2 Sekunden ab. Natriumhydrogencarbonat kann insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet sein, insbesondere bei Temperaturen zwischen 160 und 250°C. Natriumhydrogencarbonat kann sich bei höheren Temperaturen in Natriumcarbonat mit einer stark vergrößerten Oberfläche bzw. Korngrenze umwandeln, z.B. mit einer um einen Faktor von bis zu 1000 vergrößerten Oberfläche. Ein solches Natriumcarbonat mit vergrößerter Oberfläche kann eine erhöhte Reaktivität gegenüber HF aufweisen. Ein solches Natriumcarbonat ist bevorzugt amorph, d.h. es weist bevorzugt kein geordnetes Kristallgitter auf. Ein solches amorphes Natriumcarbonat kann zu einer sofortigen Umsetzung mit einem HF-haltigen Fluid führen. Dabei kann eine Reaktivität von > 90% bei einer Temperatur von > 150°C erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Energie-absorbierende Substanz Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid oder eine Mischung davon ist, und dass gleichzeitig die HF-absorbierende Substanz Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, Calciumoxid, Natriumhydrogencarbonat oder eine Mischung davon ist.
  • Die Freisetzung von Waser aus dem Magnesiumhydroxid, dem Aluminiumhydroxid oder der Mischung davon kann die Reaktivität der HF-absorbierenden Substanz erhöhen. Die Freisetzung von Waser aus dem Magnesiumhydroxid, dem Aluminiumhydroxid oder der Mischung davon kann insbesondere die Reaktivität des Calciumcarbonats, des Calciumhydroxids und/oder des Calciumoxids und besonders ausgeprägt die Reaktivität des Natriumhydrogencarbonats erhöhen. Gleichzeitig kann die Absorption von HF durch Calciumcarbonat, Calciumhydroxid und/oder Calciumoxid bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen. Andererseits kann die Absorption von HF durch Natriumhydrogencarbonat bei relativ hohen Temperaturen erfolgen. Dadurch kann das Filterelement über einen breiten Temperaturbereich wirksam sein. Das Filterelement kann dadurch vielseitig anwendbar sein, sowohl im Heimbereich wie auch in Automobil-Anwendungen. Diesbezüglich sind besonderes bevorzugte Paare von Energie-absorbierenden Substanzen und HF-absorbierenden Substanzen folgende: Al(OH)3/CaCO3; Al(OH)3/Ca(OH)2; Al(OH)3/NaHCO3; und Al(OH)3/[Ca(OH)2+NaHCO3]. Die bevorzugten Paare sind Salzpaare. Die Kombination aus Energie-absorbierender Substanz und HF-absorbierender Substanz wird daher hierin teilweise auch als Roth'sches Salz bezeichnet, ihre gemeinsamen Reaktionen zusammen als Verrothung.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen besteht, die eine spezifische BET-Oberfläche von 1 bis 70 m2/g, mehr bevorzugt 5 bis 65 m2/g, noch mehr bevorzugt 10 bis 60 m2/g, weiter bevorzugt 15 bis 55 m2/g, und insbesondere bevorzugt 20 bis 50 m2/g, gemessen nach DIN ISO 9277:2014-01, aufweisen.
  • Erfindungsgemäß ist es daneben bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen besteht, die einen mittleren Teilchendurchmesser (d50) von 5 60 µm, mehr bevorzugt ≤ 40 µm, noch mehr bevorzugt ≤ 20 µm, weiter bevorzugt ≤ 10 µm, und insbesondere bevorzugt ≤ 3 µm, gemessen nach ISO 13320:2020-01, aufweisen. Erfindungsgemäß ist es alternativ bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen besteht, die einen mittleren Teilchendurchmesser (d50) von bis zu 7 mm, mehr bevorzugt 0,1 bis 7 mm, noch mehr bevorzugt von 1 bis 7 mm, weiter bevorzugt 3 bis 7 mm, und insbesondere bevorzugt 5 bis 7 mm, gemessen nach ISO 13320:2020-01, aufweisen.
  • Wenn die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen mit einer spezifischen BET-Oberfläche von 1 bis 70 m2/g besteht, kann die HF-Absorption schneller und vollständiger ablaufen. Wenn die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser (d50) von ≤ 60 µm besteht, kann die HF-Absorption ebenfalls schneller und vollständiger ablaufen. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft und bevorzugt, wenn die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen mit einer spezifischen BET-Oberfläche von 1 bis 70 m2/g und mit einem mittleren Teilchendurchmesser (d50) von ≤ 25 µm besteht. Wenn die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser (d50) von bis zu 7 mm besteht, kann die Luftdurchlässigkeit der Auffangeinheit verbessert sein. Dadurch kann das Filterelement zu einem geringeren Druckverlust führen, insbesondere wenn diese Teilchen auf ein textiles Flächengebilde wie insbesondere einen Vliesstoff aufgebracht bzw. darin einbettet sind.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz ein Carbonat, bevorzugt Calciumcarbonat, ist und aus Teilchen mit einer spezifischen BET-Oberfläche von 1 bis 10 m2/g besteht. Eine solche HF-absorbierende Substanz kann schnell und effizient HF aus einem Fluid absorbieren. Ein Beispiel für eine solche Substanz ist REASORB TAV (spezifische BET-Oberfläche: 5 bis 6 m2/g).
  • Erfindungsgemäß ist es auch bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz ein Hydroxid, bevorzugt Calciumhydroxid (Kalhydrat), ist und aus Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser (d50) von ≤ 20 µm und/oder einer spezifischen BET-Oberfläche von 10 bis 50 m2/g besteht. Eine solche HF-absorbierende Substanz kann schnell und effizient HF aus einem Fluid absorbieren. Beispiele für solche Substanzen sind Standard-Kalkhydrat (spezifische BET-Oberfläche: 16 bis 22 m2/g), SuperHydrat (spezifische BET-Oberfläche: 35 bis 42 m2/g), und poröse hochreaktive Kalkhydrate aus Teilchen mit Poren im Inneren (spezifische BET-Oberfläche > 40 m2/g; z.B. erhältlich unter den Handelsnamen Sorbacal A oder SP, sehr hohe HF Abscheidung von 66% für Sorbacal A, und > 90% für Sorbacal SP).
  • Erfindungsgemäß ist es zudem bevorzugt, dass die HF-absorbierende Substanz ein Hydrogencarbonat, bevorzugt Natriumhydrogencarbonat, ist und aus Teilchen mit einem mittleren Teilchendurchmesser (d50) von 10 bis 50 µm und mehr bevorzugt 10 bis 45 µm besteht. Eine solche HF-absorbierende Substanz kann schnell und effizient HF aus einem Fluid absorbieren.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Auffangeinheit eine organische Schadstoffe absorbierende Substanz umfasst, die sowohl von der Energie-absorbierenden Substanz als auch von der HF-absorbierenden Substanz verschieden ist, und die vorzugsweise eine Ether und/oder organische Carbonate absorbierende Substanz ist. Insbesondere in Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist das Leitsalz oftmals in Ethern und/oder organischen Carbonaten gelöst, beispielsweise in Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat oder Ethylmethylcarbonat. Bei einem thermischen Durchgehen können diese als schädliche Gase emittiert werden. Eine zusätzliche Substanz in der Auffangeinheit, die organische Schadstoffe absorbieren kann (die „organische Schadstoffe absorbierende Substanz“), kann dazu beitragen, weitere schädliche Gase wie insbesondere Ether und organische Carbonate aus dem zu dem Filterelement zugeführten Fluid herauszufiltern. Erfindungsgemäß ist es dabei besonders bevorzugt, dass die organische Schadstoffe absorbierende Substanz Aktivkohle ist. Aktivkohle kann Ether und organische Carbonate besonders effizient aus einem Fluid herausfiltern.
  • Aufgrund der vorstehend aufgeführten Vorteile der einzelnen Bestandteile ist ein von der Erfindung bereitgestellter und besonders bevorzugter Gegenstand ein Filterelement, bei dem
    der Einlass und/oder der Auslass mit einem Ventil ausgestattet ist,
    die Auffangeinheit einlassseitig einen ersten Abschnitt umfasst, welcher die Energie-absorbierende Substanz enthält, und daran anschließend stromabwärts einen zweiten Abschnitt umfasst, welcher die HF-absorbierende Substanz enthält,
    die Energie-absorbierende Substanz ausgewählt ist aus Alkalimetallhydroxid, Erdalkalimetallhydroxid und Aluminiumhydroxid, und
    die HF-absorbierende Substanz ausgewählt ist aus Natriumhydroxid, Natriumhydrogencarbonat, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Calciumhydroxid und Calciumcarbonat.
  • Ein solches besonders bevorzugtes Filterelement kann aus einem Energiespeicher freigesetzte große Energiemengen und freigesetztes HF besonders wirksam absorbieren sowie ggf. ebenfalls freigesetzte große Gasmengen besonders effektiv abführen.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die Auffangeinheit ein Gehäuse umfasst, in das sowohl die Energie-absorbierende Substanz als auch die HF-absorbierende Substanz eingebracht sind, insbesondere in fester Form eingebracht sind. Z.B. können die Energie-absorbierende Substanz und/oder die HF-absorbierende Substanz in das Gehäuse als Schüttung oder in einer Sandwichform zwischen zwei Trägern eingebracht sein. Auf diese Weise kann die Herstellung der Auffangeinheit mit den zwei absorbierenden Substanzen vereinfacht sein.
  • Je nach Platzierung des Filterelementes kann das zu der Auffangeinheit zugeführte Fluid eine Temperatur von 400 bis zu 1000°C haben. Das Gehäuse ist daher bevorzugt robust gegenüber solchen Temperaturen. Mehr bevorzugt verliert das Gehäuse bei Temperaturen bis zu 500°C seine Form nicht (ist formstabil).
  • Die Energie-absorbierende Substanz und/oder die HF-absorbierende Substanz können auch auf ein textiles Flächengebilde aufgebracht sein, das seinerseits in das Gehäuse eingebracht ist. Anders gesagt ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Auffangeinheit ein textiles Flächengebilde umfasst, auf welches die Energie-absorbierende Substanz und/oder die HF-absorbierende Substanz aufgebracht sind. Ein textiles Flächengebilde mit darauf aufgebrachter Energie-absorbierender Substanz und/oder HF-absorbierender Substanz kann ein einfaches Einbringen dieser Substanzen in unterschiedlich geformte und/oder unterschiedlich dimensionierte Auffangeinheiten ermöglichen. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass das textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist. Ein Vliesstoff kann ein für Filterzwecke besonders vielseitiges und kostengünstiges textiles Flächengebilde sein.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein textiles Flächengebilde, auf das
    eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und eine HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann,
    aufgebracht sind, wobei die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz voneinander verschieden sind.
  • Ein solches textiles Flächengebilde kann auf einfache Weise in unterschiedlich geformte und/oder unterschiedlich dimensionierte Auffangeinheiten von Filterelementen eingebracht werden. Entsprechend ausgerüstete Filterelemente können insbesondere zum Filtern eines Fluid dienen, das von einem Energiespeicher, insbesondere einem Lithium-Ionen-Akkumulator, emittiert wird. Mit dem gleichzeitigen Einsatz einer Energie-absorbierenden Substanz und einer HF-absorbierenden Substanz auf dem erfindungsgemäßen textilen Flächengebilde lassen sich analog dieselben Vorteile erzielen, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße Filterelement beschrieben worden sind. Die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterelements sind analog auch für das erfindungsgemäße textile Flächengebilde bevorzugt.
  • Dabei ist es besonders bevorzugt, dass das textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist. Ein Vliesstoff kann ein für Filterzwecke besonders vielseitiges und kostengünstiges textiles Flächengebilde sein.
  • Im Folgenden werden das von der erfindungsgemäßen Auffangeinheit bevorzugt umfasste textile Flächengebilde und das erfindungsgemäße textile Flächengebilde an sich, welche beide jeweils bevorzugt ein Vliesstoff sind, gemeinsam weitergehend beschrieben. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das textile Flächengebilde und insbesondere der Vliesstoff aus Fasern hergestellt ist, die aus Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat, Copolyester, Polyolefin, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen, Polyamid oder Cellulose gebildet sind. Solche textilen Flächengebilde können besonders kostengünstig sein. Es ist erfindungsgemäß daneben bevorzugt, dass das textile Flächengebilde und insbesondere der Vliesstoff aus temperaturstabilen Fasern hergestellt ist, die insbesondere aus Polyphenylensulfid, Polyethylennaphthalat oder Aramid gebildet sind. Im Betrieb kann ein Aufschmelzen derartiger Fasern durch Energieeinwirkung verringert sein, wodurch die Formstabilität verbessert sein kann. Es ist erfindungsgemäß auch bevorzugt, dass das textile Flächengebilde und insbesondere der Vliesstoff aus Glasfasern hergestellt ist. Glasfasern können aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber HF zu dem Herausfiltern von HF aus dem Fluid beitragen.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das textile Flächengebilde und insbesondere der Vliesstoff Poren bzw. Hohlräume aufweist, welche die Energie-absorbierende Substanz und/oder die HF-absorbierende Substanz in fester Form enthalten. Es ist erfindungsgemäß auch bevorzugt, dass das textile Flächengebilde und insbesondere der Vliesstoff mit Lösungen, insbesondere wässrigen Lösungen, der Energie-absorbierenden Substanz und/oder der HF-absorbierende Substanz imprägniert sind.
  • Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das textile Flächengebilde Teil einer Ausgangsfolie ist, oder vollständig eine Ausgangsfolie bildet, die zu Folienbeuteln verarbeitet werden kann, die ihrerseits als Ummantelung für Energiespeicher wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren dienen sollen. Auf diese Weise entfällt ein nachträgliches Ausrüsten eines solchen Energiespeichers mit einem zusätzlichen Filter für auftretendes Fluid.
  • Das erfindungsgemäße Filterelement und das erfindungsgemäße textile Flächengebilde können bei Energiespeichern und insbesondere Li-Ionen-Akkumulatoren für Elektrofahrzeuge, Elektrowerkzeuge, Elektrofahrräder, Photovoltaik-Anlagen und bei Energiespeichern in Industrieanlagen Anwendung finden. Elektrofahrzeuge stehen häufig in Garagen oder Parkhäusern. Li-lonen-Akkumulatoren von Elektrowerkzeugen und insbesondere Elektrofahrrädern werden häufig in Wohnungen geladen. Li-Ionen-Akkumulatoren für Photovoltaik-Anlagen (sogenannte „Heimspeicher“) sind häufig in Gebäudekellern angeordnet. Speicher in Industrieanlagen sind häufig in Gebäuden oder Werkshallen untergebracht. Diese Energiespeicher befinden sich demnach regelmäßig in geschlossen bzw. teilgeschlossenen Räumen, sodass bei einem thermischen Durchgehen der Energiespeicher eine gleichzeitige Freisetzung von HF, großen Energiemengen und großen Gasmengen zu schwerwiegenden Problemen wie insbesondere Gesundheitsgefährdung, Brandgefahr und Explosionsgefahr führen kann. Das erfindungsgemäße Filterelement und das erfindungsgemäße textile Flächengebilde können derartige Probleme wirksam lösen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Energiespeichervorrichtung, die einen Lithium-Ionen-Akkumulator und ein erfindungsgemäßes Filterelement oder ein erfindungsgemäßes textiles Flächengebilde umfasst. Mit einer solchen Energiespeichervorrichtung lassen sich analog dieselben Vorteile erzielen, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße Filterelement beschrieben worden sind. Die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterelements sind analog auch für die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung bevorzugt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Filterelements oder eines erfindungsgemäßen textilen Flächengebildes zum Filtern eines Fluids, das von einem Energiespeicher, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, emittiert wird. Mit einer solchen Verwendung lassen sich analog dieselben Vorteile erzielen, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße Filterelement beschrieben worden sind. Die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterelements bzw. des erfindungsgemäßen textilen Flächengebildes sind analog auch für die erfindungsgemäße Verwendung bevorzugt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Filtern eines von einem Energiespeicher, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, emittierten Fluids, bei dem das Fluid durch ein erfindungsgemäßes Filterelement oder durch ein erfindungsgemäßes textiles Flächengebilde geleitet wird. Mit einem solchen Verfahren lassen sich analog dieselben Vorteile erzielen, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße Filterelement beschrieben worden sind. Die bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Filterelements bzw. des erfindungsgemäßen textilen Flächengebildes sind analog auch für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt einen Energiespeicher mit außerhalb davon angeordnetem Filterelement.
    • 2 zeigt einen Energiespeicher mit daran anliegend angeordnetem Filterelement.
    • 3 zeigt einen Energiespeicher mit innerhalb davon angeordnetem Filterelement.
    • 4 zeigt einen Energiespeicher mit Filterelement, dessen Auslass mit einem Ventil ausgestattet ist.
    • 5 zeigt einen Energiespeicher mit Filterelement, dessen Einlass mit einem Ventil ausgestattet ist.
    • 6 zeigt einen Energiespeicher mit Filterelement, das zwei getrennte Abschnitte umfasst.
    • 7 zeigt einen Energiespeicher mit Filterelement, das drei getrennte Abschnitte umfasst.
    • 8 zeigt eine Lithium-lonen-Zelle, bei welcher der Auslass des Filterelements eine Bestscheibe umfasst.
    • 9 zeigt eine Lithium-Ionen-Zelle mit darauf angeordnetem Filterelement, dessen Auslass eine Bestscheibe umfasst.
    • 10 zeigt eine Anordnung von Lithium-Ionen-Zellen mit darauf angeordnetem Filterelement, das eine Berstscheibe als Auslass umfasst.
    • 11 zeigt eine Anordnung von Lithium-Ionen-Zellen mit darauf angeordnetem textilen Flächengebilde.
    • 12 zeigt einen Energiespeicher, der ein Gehäuse mit darin eingelassenem textilen Flächengebilde umfasst.
    • 13 zeigt einen Energiespeicher, der ein Gehäuse mit einem darin angeordneten textilen Flächengebilde umfasst.
  • Ausführungsbeispiele
  • Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Energiespeicher mit einem erfindungsgemäßen Filterelement 1 derart verbunden sein, dass das Filterelement 1 außerhalb des Energiespeichers bzw. seines Gehäuses 10 angeordnet ist. Das vom Gehäuse 10 beabstandet angeordnete Filterelement 1 weist eine Auffangeinheit 2, einen Einlass 3 sowie einen Auslass 4 auf. Die Auffangeinheit 2 umfasst eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, sowie eine davon verschiedene HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann. In der 1 ist der Energiespeicher ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit mehreren Lithium-Ionen-Zellen 9. Insbesondere wenn eine oder mehrere dieser Lithium-Ionen-Zellen 9 thermisch durchgehen, wird entstehendes Fluid über eine Verbindungsleitung zum Einlass 3 und durch diesen zur Auffangeinheit 2 zugeführt. In der Auffangeinheit 2 wird das Fluid gefiltert. Nach dem Filtervorgang wird das gefilterte Fluid durch den Auslass 4 von der Auffangeinheit 2 abgeführt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, kann das Filterelement anliegend an den Energiespeicher angeordnet sein. Der Einlass 3 (nicht gezeigt) ist dabei Bestandteil des Filterelements 1 und gleichzeitig zumindest teilweise auch Bestandteil des Gehäuses 10.
  • Wie in 3 gezeigt ist, kann das Filterelement innerhalb des Energiespeichers bzw. seines Gehäuses 10 angeordnet sein. Der Auslass 4 kann dabei Bestandteil des Filterelements 1 und gleichzeitig zumindest teilweise auch Bestandteil des Gehäuses 10 sein, oder der Auslass 4 ist über eine Verbindungsleitung mit dem Gehäuse 10 verbunden.
  • Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform ist auslassseitig ein Ventil 5 vorgesehen, der Auslass 4 ist also mit einem Ventil 5 ausgestattet. Durch das Ventil 5 sind die Auffangeinheit 2 und insbesondere die darin enthaltenden Energie- und HF-absorbierenden Substanzen vor Umwelteinflüssen geschützt. D.h., durch den Auslass 4 können keine Fremdsubstanzen in die Auffangeinheit 2 eindringen, die ggf. das Absorptionsvermögen und/oder die Lebensdauer der in der Auffangeinheit 2 enthaltenen Substanzen beeinträchtigen könnten. Dieser Schutz der Auffangeinheit 2 ist sowohl vor einem Öffnen des Ventils 5 gegeben, als auch nach erneutem Schließen des Ventils 5, sobald eine Druckabsenkung durch ein geöffnetes Ventil 5 beendet ist. Der Schutz der Auffangeinheit 2 erstreckt sich auch auf das einlassseitig liegende Gehäuse 10.
  • Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform ist einlassseitig ein Ventil 5 vorgesehen, der Einlass 3 ist also mit einem Ventil 5 ausgestattet. Mit dieser Anordnung kann schnell und direkt auf eine Druckänderung, insbesondere einen Druckanstieg, im Gehäuse 10 reagiert werden. Dies gilt besonders für einen Druckanstieg, der durch ein thermisches Durchgehen einer oder mehrerer der Lithium-Ionen-Zellen 9 verursacht wird.
  • Bei den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen ist das Filterelement 1 außerhalb des Energiespeichers bzw. seines Gehäuses 10 angeordnet. Ebenso kann das Filterelement 1 analog zu 2 anliegend an den Energiespeicher oder analog zu 3 innerhalb des Energiespeichers bzw. seines Gehäuses 10 angeordnet sein. Zudem kann allen Fällen das Ventil 5 direkt am Einlass 3 und/oder Auslass 4 angeordnet sein, oder das Ventil 5 ist mit dem Einlass 3 und/oder dem Auslass 4 über eine Verbindungsleitung verbunden.
  • In der 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Auffangeinheit 2 einen ersten Abschnitt 6 und einen zweiten Abschnitt 7 umfasst. D.h., die Auffangeinheit 2 ist als zweistufige Auffangeinheit 2 ausgestaltet. Die Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, ist dabei vorteilhafter Weise im ersten Abschnitt 6 enthalten. Die Energie-absorbierende Substanz ist beispielsweise Al(OH)3, Mg(OH)2 oder eine Mischung davon. Bei dieser Anordnung kann freigesetztes Wasser die nachfolgende HF-Filterung und die dazu erforderliche Fluoridbildung unterstützen bzw. beschleunigen. Die HF-absorbierende Substanz ist zum Beispiel Calciumcarbonat. Die Fluoridbildung erfolgt dann nach dieser Reaktionsgleichung: CaCO3 + 2 HF → CaF2 + H2O + CO2. Entsprechend ist die HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann, im zweiten Abschnitt 7 enthalten. Eine umgekehrte Anordnung mit der HF-absorbierenden Substanz in Abschnitt 6 und der Energie-absorbierenden Substanz im Abschnitt 7 ist auch möglich und insbesondere vorteilhaft, wenn beide Substanzen in Form einer Schüttung vorliegen und die HF-absorbierende Substanz eine größere Dichte als die Energie-absorbierende Substanz aufweist.
  • In der 7 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Auffangeinheit 2 neben einem ersten Abschnitt 6 und einem zweiten Abschnitt 7 noch einen weiteren dritten Abschnitt umfasst. D.h., die Auffangeinheit 2 ist als dreistufige Auffangeinheit 2 ausgestaltet. Der dritte Abschnitt kann dabei vor dem ersten Abschnitt 6, zwischen dem ersten Abschnitt 6 und dem zweiten Abschnitt 7 oder hinter dem zweiten Abschnitt 7 angeordnet sein. Der dritte Abschnitt enthält eine Substanz, die organische Schadstoffe absorbiert, insbesondere Aktivkohle. Dadurch können aus dem Fluid zusätzlich organische Schadstoffe wie Ether, Carbonate und/oder Kohlenmonoxid (CO) herausgefiltert werden, bevor das Fluid die Auffangeinheit 2 verlässt.
  • Bei den in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsformen ist der mit einem erfindungsgemäßen Filterelement 1 versehene Energiespeicher eine einzelne Lithium-Ionen-Zelle 9 (zum Teil auch als prismatische Zelle bezeichnet). Im Falle der 8 ist das Filterelement 1 innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle 9 angeordnet. Der Auslass 4 umfasst hier eine Berstscheibe. Bei übermäßigem Druckanstieg in der Lithium-Ionen-Zelle 9, insbesondere wenn diese thermisch durchgeht, wird das den Druckanstieg verursachende Fluid in dem Filterelement 1 gefiltert. Danach wird das gefilterte Fluid durch die Berstscheibe an die Umgebung abgegeben, wie dies durch den Fluidstrom 12 gezeigt ist.
  • Im Falle der 9 ist das Filterelement 1 innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle 9 angeordnet. Sowohl der Einlass 3 (nicht gezeigt) als auch der Auslass 4 umfassen hier eine Berstscheibe. Bei übermäßigem Druckanstieg in der Lithium-Ionen-Zelle 9, insbesondere wenn diese thermisch durchgeht, birst zunächst eine erste Berstscheibe (beispielsweise angeordnet wie in 8; in 9 nicht gezeigt). Durch diese gelangt das den Druckanstieg verursachende Fluid in die Auffangeinheit 2 (nicht gezeigt) des Filterelements 1 und wird dort gefiltert. Danach wird das gefilterte Fluid durch die zweite Berstscheibe an die Umgebung abgegeben, wie dies durch den Fluidstrom 12 gezeigt ist.
  • Die Ausführungsform der 10 baut auf die Ausführungsform der 9 auf. Bei der Ausführungsform der 10 haben mehr als eine Lithium-Ionen-Zelle 9, z.B. 2, 3 oder mehr Lithium-Ionen-Zellen 9, etwa 14 Lithium-Ionen-Zellen 9 eines Moduls, ein Filterelement 1 gemeinsam. Entsprechend umfasst der Einlass 3 mehr als eine Bestscheibe, bevorzugt eine Berstscheibe pro Lithium-Ionen-Zelle 9. Bei übermäßigem Druckanstieg in mindestens einer der Lithium-Ionen-Zellen 9, insbesondere wenn diese thermisch durchgeht, birst zunächst eine erste Berstscheibe dieser mindestens einen Lithium-Ionen-Zelle 9 (beispielsweise angeordnet wie in 8; in 10 nicht gezeigt). Durch diese gelangt das den Druckanstieg verursachende Fluid in die Auffangeinheit 2 (nicht gezeigt) des Filterelements 1 und wird dort gefiltert. Danach wird das gefilterte Fluid durch eine weitere, vom Auslass 4 umfasste Berstscheibe an die Umgebung abgegeben, wie dies durch den Fluidstrom 12 gezeigt ist. Auf diese Weise kann es auch möglich sein, einen sogenannten thermischen Übersprung (engl. „thermal propagation“) von der mindestens einen Lithium-Ionen-Zelle 9 auf benachbarte Lithium-Ionen-Zellen 9 zu verhindern.
  • Bei der Ausführungsform der 11 sind mehr als eine Lithium-Ionen-Zelle 9, z.B. 2, 3 oder mehr Lithium-Ionen-Zellen 9, etwa 14 Lithium-Ionen-Zellen 9 eines Moduls, zusammen angeordnet. Im Unterschied zur Ausführungsform der 11 haben diese aber kein Filterelement 1, sondern ein textiles Flächengebilde 8 gemeinsam. Auf das textile Flächengebilde 8 sind eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und eine davon verschiedene, HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann, aufgebracht. Mit dem textilen Flächengebilde 8 kann somit grundsätzlich dieselbe Filterwirkung wie mit dem Filterelement 1 erzielt werden.
  • In der 12 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der das textile Flächengebilde 8 (mit Energie- und HF-absorbierender Substanz) in das Gehäuse 10 eines Energiespeichers eingelassen ist. Damit wird das Prinzip veranschaulicht, dass das textile Flächengebilde 8 Teil der Ummantelung eines Energiespeichers sein kann. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Energiespeicher von einem Folienbeutel umgeben ist. In diesem Fall kann das textiles Flächengebilde 8 Teil einer noch zu einem Folienbeutel zu verarbeitenden Ausgangsfolie sein oder solch eine Ausgangsfolie vollständig bilden.
  • Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform tritt Fluid aus einer Lithium-Ionen-Zelle 9 aus, wie dies durch den Fluidstrom 12 gezeigt ist. Oberhalb der Lithium-Ionen-Zelle 9 ist das textile Flächengebilde 8 (mit Energie- und HF-absorbierender Substanz) angeordnet.
  • Dieses textile Flächengebilde 8 ist insbesondere durch die darin enthaltende Energie-absorbierende Substanz besonders temperaturstabil und hält Wärmeenergie von dem darüber angeordneten Gehäusedeckel 11 ab. Für eine einfache Herstellbarkeit und/oder Kosteneffizienz von diesem kann es vorteilhaft sein, dass für den Gehäusedeckel 11 Materialien wie Kunststoff oder Aluminium zum Einsatz kommen. Allerdings halten derartige Materialien die bei einem thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen 9 regelmäßig erzeugten Temperaturen nicht aus (typischer Weise > 700°C). Bei der Ausführungsform der 13 wirkt das textile Flächengebilde 8 jedoch ergänzend als Hitzeabsorber bzw. Hitzeschutz, und der darüber angeordnete Gehäusedeckel 11 ist dadurch thermisch besser geschützt. Bei der Ausführungsform der 13 ist es daher vorteilhafter Weise möglich, dass der Gehäusedeckel 11 aus Kunststoff oder aus Aluminium besteht.
  • Insgesamt wird ersichtlich, dass ein erfindungsgemäßes Filterelement und ein erfindungsgemäßes textiles Flächengebilde freigesetztes HF und freigesetzte große Energiemengen vorteilhaft absorbieren können, und zwar insbesondere gleichzeitig. Zudem können sie neben dem HF und den großen Energiemengen zusätzlich freigesetzte große Gasmengen vorteilhaft vom Ort der Freisetzung abführen. Das erfindungsgemäße Filterelement und das erfindungsgemäße textile Flächengebilde sind damit besonders nützlich für einen Einsatz zum Schutz vor Emissionen, insbesondere plötzlichen unerwünschten Emission, die von Energiespeichern wie Lithium-Ionen-Akkumulatoren abgegeben werden. Gleiches gilt analog für die erfindungsgemäßen Verwendungen und Verfahren, die ebenso einen derartigen Schutz vor schädlichen Emissionen bieten können.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filterelement
    2
    Auffangeinheit
    3
    Einlass
    4
    Auslass
    5
    Ventil
    6
    erster Abschnitt
    7
    zweiter Abschnitt
    8
    textiles Flächengebilde
    9
    Lithium-Ionen-Zelle
    10
    Gehäuse
    11
    Gehäusedeckel
    12
    Fluidstrom
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008025422 A1 [0013]
    • DE 102008001707 A1 [0014]
    • DE 102014211043 A1 [0015]

Claims (15)

  1. Filterelement (1) zum Filtern eines Fluids, umfassend: eine Auffangeinheit (2), einen Einlass (3), durch den Fluid zu der Auffangeinheit (2) zugeführt werden kann, einen Auslass (4), durch den Fluid von der Auffangeinheit (2) abgeführt werden kann, wobei die Auffangeinheit (2) umfasst: eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und eine HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann, wobei die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz voneinander verschieden sind.
  2. Filterelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Einlass (3) und/oder der Auslass (4) mit einem Ventil (5) ausgestattet sind.
  3. Filterelement (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Auffangeinheit (2) einlassseitig einen ersten Abschnitt (6) umfasst, welcher die Energie-absorbierende Substanz enthält, und daran anschließend stromabwärts einen zweiten Abschnitt (7) umfasst, welcher die HF-absorbierende Substanz enthält.
  4. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energie-absorbierende Substanz ein Hydroxid oder ein Hydrat ist, und vorzugsweise ein Alkalimetallhydroxid, ein Erdalkalimetallhydroxid, Aluminiumhydroxid oder eine Mischung davon ist.
  5. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die HF-absorbierende Substanz ein Salz eines Alkali- oder Erdalkalimetalls ist, wobei das Salz vorzugsweise ein Hydroxid, ein Oxid, ein Carbonat, ein Hydrogencarbonat, ein Hydroxycarbonat oder ein Oxycarbonat ist.
  6. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die HF-absorbierende Substanz aus Teilchen besteht, die eine spezifische BET-Oberfläche von 1 bis 70 m2/g aufweisen, gemessen nach DIN ISO 9277:2014-01.
  7. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei HF-absorbierende Substanz aus Teilchen besteht, die einen mittleren Teilchendurchmesser (d50) von ≤ 60 µm aufweisen, gemessen nach ISO 13320:2020-01.
  8. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auffangeinheit (2) eine organische Schadstoffe absorbierende Substanz umfasst, die sowohl von der Energie-absorbierenden Substanz als auch von der HF-absorbierenden Substanz verschieden ist, und die vorzugsweise eine Ether und/oder organische Carbonate absorbierende Substanz ist, insbesondere Aktivkohle.
  9. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Einlass (3) und/oder der Auslass (4) mit einem Ventil (5) ausgestattet ist, die Auffangeinheit (2) einlassseitig einen ersten Abschnitt (6) umfasst, welcher die Energie-absorbierende Substanz enthält, und daran anschließend stromabwärts einen zweiten Abschnitt (7) umfasst, welcher die HF-absorbierende Substanz enthält, die Energie-absorbierende Substanz ausgewählt ist aus Alkalimetallhydroxid, Erdalkalimetallhydroxid und Aluminiumhydroxid, und die HF-absorbierende Substanz ausgewählt ist aus Natriumhydroxid, Natriumhydrogencarbonat, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Calciumhydroxid und Calciumcarbonat.
  10. Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auffangeinheit ein textiles Flächengebilde umfasst, auf welches die Energie-absorbierende Substanz und/oder die HF-absorbierende Substanz aufgebracht sind.
  11. Textiles Flächengebilde (8), auf das eine Energie-absorbierende Substanz, die endotherm Wasser freisetzen kann, und eine HF-absorbierende Substanz, die mit HF ein Fluorid bilden kann, aufgebracht sind, wobei die Energie-absorbierende Substanz und die HF-absorbierende Substanz voneinander verschieden sind.
  12. Filterelement (1) gemäß Anspruch 10, oder textiles Flächengebilde (8) gemäß Anspruch 11, wobei das textile Flächengebilde ein Vliesstoff ist.
  13. Energiespeichervorrichtung, umfassend einen Lithium-Ionen-Akkumulator, und ein Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12, oder ein textiles Flächengebilde (8) gemäß Anspruch 11 oder 12.
  14. Verwendung eines Filterelements (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12, oder eines textilen Flächengebildes (8) gemäß Anspruch 11 oder 12, zum Filtern eines Fluids, das von einem Energiespeicher, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, emittiert wird.
  15. Verfahren zum Filtern eines von einem Energiespeicher, vorzugsweise einem Lithium-Ionen-Akkumulator, emittierten Fluids, bei dem das Fluid durch ein Filterelement (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12, oder durch ein textiles Flächengebilde (8) gemäß Anspruch 11 oder 12 geleitet wird.
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