DE102020126742A1 - Battery module with lithium metal anode - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einem Zell-Modulgehäuse und einer Anode aus Lithiummetall, in der eine Wirkmittelpatrone im Zell-Modulgehäuse angeordnet ist, wobei die Wirkmittelpatrone mit einem Medium gefüllt ist und so ausgebildet ist, dass beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im Batteriemodul das Medium freigesetzt wird und im Zell-Modulgehäuse auf die Reaktivität von flüssigem Lithium hemmend wirkt.Weiterhin betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug, das solche Batteriemodule enthält.The invention relates to a battery module with a cell module housing and an anode made of lithium metal, in which an active agent cartridge is arranged in the cell module housing, the active agent cartridge being filled with a medium and being designed such that when a predetermined temperature is reached in the battery module, the medium is released and has an inhibiting effect on the reactivity of liquid lithium in the cell module housing. Furthermore, the invention relates to an electric vehicle containing such battery modules.
Description
Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Lithiummetallanode.The invention relates to a battery module with a lithium metal anode.
Die Reichweite von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen hängt direkt von der Energiedichte der verwendeten Batterien ab. In den letzten Jahren entwickelte Batteriemodule mit Lithiummetall als Anode erreichen Energiedichten von bis zu 450 Wh/kg und damit einen Wert, der deutlich höher ist als die Energiedichte der bisher genutzten, leistungsstärksten Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, deren Energiedichte typischerweise nicht über 260 Wh/kg liegt.The range of battery electric vehicles is directly related to the energy density of the batteries used. Battery modules with lithium metal as an anode developed in recent years achieve energy densities of up to 450 Wh/kg and thus a value that is significantly higher than the energy density of the most powerful lithium-ion batteries used for electric vehicles to date, whose energy density typically does not exceed 260 Wh/kg lies.
Da Lithiummetall eine hohe chemische Reaktivität besitzt und bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 180°C schmilzt, ist es notwendig, die Sicherheit eines Batterietyps mit Lithiummetallanoden durch zusätzliche Vorkehrungen zu verbessern. Sorgfältiges Design der Batteriemodule, wie z.B. die Verwendung von Additiven im Elektrolyten oder die Verwendung von Festelektrolyten, kann einen stabilen Betrieb solcher Batteriemodule bis zu Temperaturen von 200°C ermöglichen, ohne dass ein sogenannter „Thermal Runaway“ (Thermisches Durchgehen aufgrund einer sich beschleunigenden exothermen chemischen Reaktion) auftritt. Solche Betriebstemperaturen, bei denen das Lithium flüssig wird, können jedoch andere Probleme verursachen. Bei Temperaturen über 180°C kann geschmolzenes Lithiummetall aus dem Zell-Modulgehäuse austreten. In Batteriemodulen für Elektrofahrzeuge werden meist für die Zell-Modulgehäuse sogenannte Pouchgehäuse verwendet, die aus Gründen der Gewichtsreduzierung aus Aluminium gefertigt sind. Solche Pouchgehäuse aus flexibler Aluminiumfolie können bei den im Batteriebetrieb hohen Temperaturen durch flüssiges Lithium undicht werden oder sich sogar vollständig öffnen. Das dabei austretende, flüssige und chemisch hochreaktive Lithiummetall kann dabei schwerwiegende Probleme verursachen, die von der Korrosion der Metallteile im gesamten Batteriesystem über externen Kurzschlüsse bis zu weitergehenden Schäden am gesamten Fahrzeug reichen können.Since lithium metal has high chemical reactivity and melts at a relatively low temperature of about 180°C, it is necessary to improve the safety of a lithium metal anode type battery by taking additional precautions. Careful design of the battery modules, such as the use of additives in the electrolyte or the use of solid electrolytes, can enable stable operation of such battery modules up to temperatures of 200°C without causing a so-called "thermal runaway" (thermal runaway due to an accelerating exothermic chemical reaction) occurs. However, such operating temperatures at which the lithium becomes liquid can cause other problems. At temperatures above 180°C, molten lithium metal can escape from the cell module housing. In battery modules for electric vehicles, so-called pouch housings are usually used for the cell module housing, which are made of aluminum to reduce weight. Such pouch housings made of flexible aluminum foil can leak or even open completely at the high temperatures in battery operation due to liquid lithium. The liquid and chemically highly reactive lithium metal that escapes can cause serious problems, ranging from corrosion of the metal parts in the entire battery system and external short circuits to more extensive damage to the entire vehicle.
Deswegen ist es notwendig, ein Austreten des flüssigen Lithiummetalls aus dem Batteriemodul und dessen Wirkungen zu verhindern.Therefore, it is necessary to prevent leakage of the liquid lithium metal from the battery module and its effects.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die durch das Austreten von flüssigem Lithiummetall herbeigeführten Probleme zu vermeiden oder wenigstens zu verringern.The object of the present invention is therefore to avoid or at least reduce the problems caused by the escape of liquid lithium metal.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Batteriemodel mit Lithiummetallanode nach Anspruch 1 und das Elektrofahrzeug nach Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by the battery model according to the invention with a lithium metal anode according to
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Batteriemodul mit einem Zell-Modulgehäuse und einer Anode aus Lithiummetall bereit, in der eine Wirkmittelpatrone im Zell-Modulgehäuse angeordnet ist, wobei die Wirkmittelpatrone mit einem Medium gefüllt ist und so ausgebildet ist, dass beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur im Batteriemodul das Medium freigesetzt wird und im Zell-Modulgehäuse auf die Reaktivität von flüssigem Lithium hemmend wirkt.According to a first aspect, the invention provides a battery module with a cell module housing and an anode made of lithium metal, in which an active agent cartridge is arranged in the cell module housing, the active agent cartridge being filled with a medium and being designed such that when a predetermined Temperature in the battery module, the medium is released and has an inhibiting effect on the reactivity of liquid lithium in the cell module housing.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit erfindungsgemäßen Batteriemodulen.According to a second aspect, the invention relates to an electric vehicle with battery modules according to the invention.
Ein erfindungsgemäßes Batteriemodul mit Lithiummetallanode umfasst: ein Zell-Modulgehäuse, das Zellpaket, das seinerseits unter anderem die Lithiummetallanode enthält, eine im Zell-Modulgehäuse außerhalb des Zellpakets angeordnete Wirkmittelpatrone und ein Medium, mit dem die Wirkmittelpatrone gefüllt ist. Beim Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur im Batteriemodul wird die Wirkmittelpatrone ausgelöst, und das Medium wird aus der Wirkmittelpatrone ausgestoßen und in das Zell-Modulgehäuse freigesetzt. Insbesondere kann die Temperatur, bei der das Medium aus der Wirkmittelpatrone in das Zell-Modulgehäuse austritt, 180°C betragen - dem Schmelzpunkt von Lithium.A battery module according to the invention with a lithium metal anode comprises: a cell module housing, the cell pack, which in turn contains the lithium metal anode, among other things, an active agent cartridge arranged in the cell module housing outside of the cell pack, and a medium with which the active agent cartridge is filled. When a predetermined temperature in the battery module is reached or exceeded, the active agent cartridge is triggered and the medium is ejected from the active agent cartridge and released into the cell module housing. In particular, the temperature at which the medium emerges from the active agent cartridge into the cell module housing can be 180° C.—the melting point of lithium.
Das Medium ist chemisch so zusammengesetzt, dass die Reaktivität des flüssigen Lithiums reduziert wird. Ein Auslaufen des flüssigen Lithiums aus dem Zell-Modulgehäuse wird hierbei durch eine In-Situ-Verfestigung verhindert. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Medium größtenteils nahe dem Anodenbereich des Zellpakets freigesetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass das Medium auch in anderen Teilbereichen oder im gesamten des vom Zellpaket nicht eingenommenen Bereich im Innenraum des Batteriemoduls verteilt wird.The medium is chemically composed in such a way that the reactivity of the liquid lithium is reduced. A spill of liquid lithium from the cell module housing is prevented by in-situ solidification. In a first embodiment, most of the medium is released near the anode area of the cell pack. However, it is also possible for the medium to be distributed in other partial areas or in the entire area in the interior of the battery module that is not occupied by the cell stack.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Batteriemoduls mit Lithiummetallanode kann der durch eine eventuelle Überhitzung des Batteriemoduls bzw. durch eine anderweitig herbeigeführte Öffnung des Zell-Modulgehäuses verursachte Schaden durch austretendes, flüssiges Lithiummetall auf betroffene Batteriemodule beschränkt werden. Bei Verwendung einer geeigneten Elektronik bleibt der Spannungsabfall in der Batterie minimal, und die Batterie somit weiterhin funktionsfähig. Der dann notwendige Austausch nur eines Batteriemoduls ist deutlich kostengünstiger als der Austausch der gesamten oder großer Teile der Batterieanordnung, die im Falle eines Austritts des hochreaktiven, flüssigen Lithiums aus dem betroffenen Batteriemodul irreparabel geschädigt werden könnte.In the embodiment of the battery module with lithium metal anode according to the invention, the damage caused by overheating of the battery module or by opening the cell module housing in some other way can be limited to the affected battery modules by escaping liquid lithium metal. If suitable electronics are used, the voltage drop in the battery remains minimal and the battery continues to function. The then necessary replacement of only one battery module is significantly more cost-effective than replacing all or large parts of the battery assembly, which could be irreparably damaged if the highly reactive, liquid lithium escapes from the affected battery module.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die gesamte Vorrichtung inklusive der mit dem Medium gefüllten Wirkmittelpatrone, eines Temperatursensors und einer Ansteuerung über einen Modulcontroller einfach und kostengünstig in das Zell-Modulgehäuse integriert werden kann.Another advantage is that the entire device, including the active agent cartridge filled with the medium, a temperature sensor and control via a module controller, can be easily and inexpensively integrated into the cell module housing.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims and the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention.
Es gibt Ausführungen, bei denen das freigesetzte Medium mit dem flüssigen Lithium in Kontakt tritt. Dadurch findet eine schnell ablaufende chemische Ersatzreaktion zwischen dem Medium bzw. Bestandteilen des Mediums und dem flüssigem Lithium statt. Diese Ersatzreaktion soll so schnell sein, dass ein Austreten des flüssigen Lithiums aus dem Zell-Modulgehäuse verhindert wird. Weiterhin soll die bei der typischerweise exotherm ablaufenden Ersatzreaktion zusätzlich erzeugte weitere Wärmemenge begrenzt sein, um eine durch die Reaktion verursachte weitere Erhitzung in akzeptablen Grenzen zu halten.There are versions in which the released medium comes into contact with the liquid lithium. As a result, a fast chemical replacement reaction takes place between the medium or components of the medium and the liquid lithium. This replacement reaction should be so fast that the liquid lithium is prevented from escaping from the cell module housing. Furthermore, the additional amount of heat generated in the replacement reaction, which typically takes place exothermically, should be limited in order to keep further heating caused by the reaction within acceptable limits.
Es gibt Ausführungen, bei dem das bei der Ersatzreaktion gebildete Reaktionsprodukt aus dem Medium und dem flüssigen Lithiums feststoffförmig ist, um verbliebenes flüssiges Lithium möglichst vollständig einzuschließen. Das Ziel ist entweder eine schnell ablaufende In-situ-Verfestigung des gesamten Materials innerhalb des Batteriemoduls oder ein schnell eintretender dichter Einschluss von eventuell verbliebenem flüssigen Lithium und eine daraus resultierende Vermeidung des Austritts jeglichen Materials, und hierbei insbesondere des Auslaufens des flüssigen Lithiums, aus dem Zell-Modulgehäuse.There are versions in which the reaction product formed in the replacement reaction from the medium and the liquid lithium is in the form of a solid in order to enclose any remaining liquid lithium as completely as possible. The aim is either a rapid in-situ solidification of all material within the battery module or a rapid tight confinement of any remaining liquid lithium and a resulting avoidance of any material escaping, and in particular the leakage of the liquid lithium from the battery module cell module housing.
Es gibt Ausführungen, bei der das bei der Ersatzreaktion gebildete Reaktionsprodukt aus dem Medium und dem flüssigen Lithium elektrisch isolierend ist, um einen internen Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode und eine daraus resultierende weitere Erhitzung des Batteriemoduls zu verhindern.There are designs in which the reaction product formed during the replacement reaction from the medium and the liquid lithium is electrically insulating in order to prevent an internal short circuit between the anode and the cathode and a resulting further heating of the battery module.
In einer Ausführung der Erfindung ist die Wirkmittelpatrone an der Innenseite des Deckels des Batteriemoduls angebracht. Diese Anbringung der Wirkmittelpatrone an das Zell-Modulgehäuse oberhalb des Zellpakets führt dazu, dass der Kontakt zwischen Medium und flüssigem Lithium nicht nur durch Diffusion sondern auch konvektiv unter Mitwirkung der Schwerkraft herbeigeführt und damit beschleunigt wird.In one embodiment of the invention, the active agent cartridge is attached to the inside of the cover of the battery module. This attachment of the active agent cartridge to the cell module housing above the cell pack means that the contact between the medium and liquid lithium is brought about not only by diffusion but also convectively with the help of gravity and is thus accelerated.
Es gibt Ausführungen, bei denen mittels eines Drucksensors die Auslösung der Freisetzung des Mediums aus der Wirkmittelpatrone aufgrund der Detektion einer einen vorbestimmten Wert überschreitenden Druckänderung im Batteriemodul erfolgen kann. Es kann sich dabei einerseits um einen durch die Überhitzung herbeigeführten charakteristischen Druckanstiegs und andererseits um einen durch das Öffnen des Zell-Modulgehäuses verursachten schnell stattfindenden Druckabfall auf den Außendruck handeln. In letzterem Fall würde ein Freisetzen des Mediums auch durch eine von außen bedingte Öffnung des Zell-Modulgehäuses, wie zum Beispiel durch einen Unfall, ausgelöst.There are designs in which the release of the medium from the active agent cartridge can be triggered by means of a pressure sensor on the basis of the detection of a pressure change in the battery module that exceeds a predetermined value. On the one hand, this can be a characteristic increase in pressure brought about by the overheating and, on the other hand, a rapidly occurring pressure drop to the external pressure caused by the opening of the cell module housing. In the latter case, the medium would also be released if the cell module housing were opened from the outside, for example as a result of an accident.
Weiterhin ist eine Ausführung möglich, in der sowohl durch das Erreichen einer vorbestimmten Temperatur wie auch durch die Detektion einer einen vorbestimmten Wert überschreitenden Druckänderung im Batteriemodul eine Freisetzung des Mediums ausgelöst wird.Furthermore, an embodiment is possible in which a release of the medium is triggered both by reaching a predetermined temperature and by detecting a pressure change in the battery module that exceeds a predetermined value.
Es gibt Ausführungen, bei denen als Medium, das eine In-situ-Verfestigung des flüssigen Lithiums herbeiführt, Wirkstoffe, die gasförmig, flüssig oder pulverförmig sind, verwendet werden. Je nach vorliegender Form des Mediums wird hierbei die Funktionsweise der Wirkmittelpatrone und somit der Freisetzungsprozess aus der Wirkmittelpatrone an die Eigenschaften des jeweils benutzten Wirkstoffes angepasst. So kann zum Beispiel eine gasförmige Substanz unter hohem Druck aus der Wirkmittelpatrone ausgestoßen werden, eine Flüssigkeit oder ein Pulver kann versprüht werden. Eine entsprechende Optimierung des Freisetzungsprozesses geschieht hierbei sowohl im Hinblick auf die Geschwindigkeit des Freisetzungsprozesses wie auch auf eine effiziente Verteilung des Wirkstoffs im jeweils gewünschten Bereich des Batteriemoduls.There are designs in which active ingredients which are gaseous, liquid or powdery are used as the medium which brings about in situ solidification of the liquid lithium. Depending on the form of the medium, the functioning of the active agent cartridge and thus the release process from the active agent cartridge is adapted to the properties of the active agent used in each case. For example, a gaseous substance can be ejected from the active agent cartridge under high pressure, and a liquid or powder can be sprayed. A corresponding optimization of the release process takes place both with regard to the speed of the release process also on efficient distribution of the active ingredient in the desired area of the battery module.
Obwohl Lithium das am wenigsten chemisch reaktive Alkalimetall ist, reagiert es sehr stark mit sehr vielen anderen Substanzen. Dementsprechend sind viele verschiedene Wirkstoffe möglich. Beispiele hierfür sind Stickstoff N2, Jod I2, Ammoniak NH3, Kohlendioxid CO2, Sauerstoff O2, Kohlenstoff C, Aluminium AI, Quecksilber Hg, Äthanol C2H5OH oder Methanol CH3OH. Lithium ist das einzige Alkalimetall, dass in einer Reaktion mit Stickstoffgas ein Nitrid (Li3N) bildet, und dementsprechend ist das stöchiometrische Verhältnis im Reaktionsprodukt von Lithium und Stickstoff vorteilhaft. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Wirkstoff zu einem größeren Anteil Stickstoff N2, Kohlenstoff C oder Aluminium AI enthält, da diese Substanzen in der Ersatzreaktion mit Lithium eine deutlich geringere Wärmemenge freisetzen als viele anderen Substanzen.Although lithium is the least chemically reactive of the alkali metals, it reacts very strongly with many other substances. Accordingly, many different active ingredients are possible. Examples are nitrogen N 2 , iodine I 2 , ammonia NH 3 , carbon dioxide CO 2 , oxygen O 2 , carbon C, aluminum Al, mercury Hg, ethanol C 2 H 5 OH or methanol CH 3 OH. Lithium is the only alkali metal that forms a nitride (Li 3 N) in a reaction with nitrogen gas, and accordingly the stoichiometric ratio in the reaction product of lithium and nitrogen is advantageous. In particular, it is advantageous if the active ingredient contains a larger proportion of nitrogen N 2 , carbon C or aluminum Al, since these substances release a significantly lower amount of heat in the replacement reaction with lithium than many other substances.
In alternativen Ausführungsbeispielen können mehrere Wirkmittelpatronen an jeweils einer der Innenseiten des Zell-Modulgehäuses angebracht werden. Insbesondere kann somit eine effizientere Verteilung des Mediums im Sinne einer möglichst schnellen und möglichst homogenen Ausfüllung der Hohlräume des Batteriemoduls bzw. des Anodenbereichs des Batteriemoduls mit dem Wirkmittel erreicht werden.In alternative exemplary embodiments, a plurality of active agent cartridges can each be attached to one of the inner sides of the cell module housing. In particular, a more efficient distribution of the medium in terms of filling the cavities of the battery module or the anode area of the battery module with the active agent as quickly and as homogeneously as possible can be achieved.
Es gibt Ausführungen, bei denen die Wirkmittelpatrone das Medium, eine Treibladung und einen zusammengefalteten Airbag enthält. Beim Auslösen der Wirkmittelpatrone wird der Airbag in den vorgesehenen Hohlraum entfaltet, um eine effiziente Verteilung des Wirkmittels zu erzielen. In weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere Airbags an jeweils einer der Innenseiten des Zell-Modulgehäuses angebracht werden, um die Verteilung des Wirkstoffs noch effizienter zu gestalten.There are versions in which the active agent cartridge contains the medium, a propellant charge and a folded airbag. When the active agent cartridge is triggered, the airbag is unfolded into the cavity provided in order to achieve efficient distribution of the active agent. In further exemplary embodiments, several airbags can each be attached to one of the inner sides of the cell module housing in order to make the distribution of the active substance even more efficient.
Ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie mit der erfindungsgemäßen Ausführung der Batteriemodule mit Lithiummetallanoden kombiniert die Vorteile der hohen Energiedichte der Batterie und die damit verbundene deutlich erhöhte Reichweite des Elektrofahrzeugs bei gleichbleibendem Batteriegewicht mit dem Sicherheitsstandard bisher benutzter Batterietechnologien.An electric vehicle with a battery with the inventive design of the battery modules with lithium metal anodes combines the advantages of the high energy density of the battery and the associated significantly increased range of the electric vehicle with the same battery weight with the safety standard of previously used battery technologies.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines (ersten) Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls; -
2 eine Ansicht von oben (Draufsicht) des Batteriemoduls gemäß1 ; -
3 eine Stirnansicht des in1 und2 dargestellten Batteriemoduls; -
4 eine Stirnansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Batteriemoduls, bei der die Wirkmittelpatrone mit einer Airbaganordnung gekoppelt ist; -
5 eine Stirnansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Batteriemoduls, bei der sich der Airbag im Deckelbereich oberhalb des Zellpakets entfaltet; -
6A bis6D Stirnansichten für vier Ausführungsbeispiele eines Batteriemoduls, bei der sich der Airbag bzw. die Airbags an verschiedenen Innenseiten des Batteriemoduls entfalten; -
6E eine perspektivische Ansicht des Batteriemoduls gemäß6D ; -
7 eine schematische Seitenansicht des Elektrofahrzeugs mit einer Batterie, die aus den erfindungsgemäßen Batteriemodulen besteht.
-
1 a schematic perspective view of a (first) embodiment of a battery module according to the invention; -
2 FIG. 12 is a top view (plan view) of the battery module according to FIG1 ; -
3 an end view of the in1 and2 battery module shown; -
4 an end view of an alternative embodiment of a battery module, in which the active agent cartridge is coupled to an airbag assembly; -
5 a front view of a further embodiment of a battery module, in which the airbag unfolds in the cover area above the cell stack; -
6A until6D Front views for four exemplary embodiments of a battery module in which the airbag or airbags unfold on different insides of the battery module; -
6E a perspective view of the battery module according to FIG6D ; -
7 a schematic side view of the electric vehicle with a battery, which consists of the battery modules according to the invention.
In
In
Dieses erste Ausführungsbeispiel ist in der
Die Wirkmittelpatrone 3 kann z. B. ein Treibmittel enthalten, dass unter Druck steht und durch einen Austrittsmechanismus, der bei Temperaturüberschreitung aktiviert wird, ausgestoßen wird und dabei das Medium 4 verteilt. Es kann auch durch ein hochreaktives Zündmittel vorgehen werden, dass bei Überschreitung der Grenztemperatur gezündet wird und das Medium 4 schlagartig austrägt, um das flüssiger Lithium zu benetzen. Der Austritts des Mediums 4 kann auch druckindiziert ausgelöst werden (Druckanstieg, Druckabfall) bzw. beschleunigungsabhängig (Aufprall auf die Batterie 10), um das Medium 4 an das Lithium zu bringen.The
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Medium 4 größtenteils in einem Anodenbereich 51 des Zellpakets 5 freigesetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass das Medium 4 im gesamten des vom Zellpaket 5 nicht eingenommenen Anteil des Innenraums des Batteriemoduls 1 verteilt wird - also im gesamten Aufnahmeraum 11.In the first exemplary embodiment, the
Das Freisetzen des Mediums 4 führt mittels Kontakt zwischen dem Medium 4 und dem flüssigem Lithium eine schnelle Ersatzreaktion herbei. Die Reaktion darf hierbei dem Batteriemodul 1 keine zusätzliche hohe Wärmemenge zuführen, um eine dadurch stattfindende weitere Erhitzung des Batteriemoduls 1 in akzeptablen Grenzen zu halten.The release of the
Das bei der Ersatzreaktion gebildete Reaktionsprodukt ist feststoffförmig, um verbliebenes flüssiges Lithium möglichst vollständig einzuschließen bzw. ist das Ziel eine schnell ablaufende In-situ-Verfestigung des gesamten Materials innerhalb des Batteriemoduls 1. Damit wird ein Austritt des Reaktionsprodukts, und hierbei insbesondere des Auslaufens des flüssigen Lithiums, aus dem Zell-Modulgehäuse 2 verhindert.The reaction product formed during the replacement reaction is in the form of a solid in order to enclose the remaining liquid lithium as completely as possible, or the aim is a rapid in-situ solidification of the entire material within the
Das bei der Ersatzreaktion gebildete Reaktionsprodukt kann elektrisch isolierend sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden.The reaction product formed in the replacement reaction can be electrically insulating in order to avoid a short circuit.
Alternativ zur Auslösung der direkten Freisetzung des Mediums 4 aus der Wirkmittelpatrone 3 bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur, kann die Auslösung aufgrund der Detektion einer Druckänderung im Batteriemodul 1 mittels eines Drucksensors (nicht gezeigt) erfolgen.As an alternative to triggering the direct release of the medium 4 from the
Als Medium 4 zur Senkung der Reaktivität des flüssigen Lithiums eignen sich Stoffe, die gasförmig, flüssig oder pulverförmig sind. Je nach vorliegender Form des Mediums 4 wird hierbei der Freisetzungsprozess an die Eigenschaften des jeweils benutzten Stoffes angepasst. So kann zum Beispiel eine gasförmige Substanz unter hohem Druck aus der Wirkmittelpatrone 3 ausgestoßen werden bzw. eine Flüssigkeit oder ein Pulver wie in
In alternativen Ausführungsbeispielen können mehrere Wirkmittelpatronen 3 an jeweils einer der Innenseite des Zell-Modulgehäuses 2 angebracht werden. Insbesondere kann somit eine effizientere Verteilung des Mediums 4 im Sinne einer möglichst schnellen und möglichst homogenen Ausfüllung der Hohlräume 11 des Batteriemoduls 1 bzw. des Anodenbereichs 51 des Batteriemoduls 1 mit dem Wirkmittel erreicht werden.In alternative exemplary embodiments, a plurality of
Im Ausführungsbeispiel gemäß
Für eine gezielte Zufuhr des Mediums 4 kann der Airbag 31 optional mit Austrittsöffnungen 32 versehen sein, die das Medium 4 zielgerichtet in den gewünschten Wirkbereich führen. Das Material des Airbags 31 kann auch so gestaltet sein, dass es sich bei Berührung mit flüssigem Lithium zersetzt und so das Medium 4 lokal und zielgerichtet reagieren kann.For a targeted supply of the
Im weiteren Ausführungsbeispiel gemäß
Somit kann eine optimale Verteilung des Wirkmittels entlang der Oberfläche des Zellpakets 5 erreicht werden.An optimal distribution of the active agent along the surface of the
In
In
Der wesentliche Vorteil einer erfindungsgemäßen Ausführung des Batteriemoduls 1 mit Lithiummetallanode besteht in der Beschränkung des durch eine eventuelle Überhitzung des Batteriemoduls 1 bzw. durch eine anderweitig herbeigeführte Öffnung des Zell-Modulgehäuses 2 herbeigeführten Schadens auf das eine betroffene Batteriemodul 1. Bei Verwendung einer geeigneten Elektronik bleibt der Spannungsabfall in der Batterie minimal, und die Batterie somit weiterhin funktionsfähig. Der dann notwendige Austausch nur eines Batteriemoduls 1 ist deutlich kostengünstiger als der Austausch der gesamten Batterie.The main advantage of an embodiment of the
Die gesamte Vorrichtung inklusive Wirkmittelpatrone 3, gegebenenfalls Airbag 31, Temperatur- und Drucksensor sowie Ansteuerung über einen Modulcontroller kann einfach und kostengünstig in das Zell-Modulgehäuse 2 integriert werden.The entire device, including
In
Weitere Ausführungsbeispiele, die den Zweck einer schnell wirkenden effizienten In-situ-Verfestigung des flüssigen Lithiums dienen, sind dem Fachmann aufgrund der angegebenen Beispiele ersichtlich. Insofern sind die ausgeführten Anwendungsbeispiele nicht als einschränkend zu verstehen.Other embodiments that serve the purpose of fast-acting efficient in-situ solidification of the liquid lithium will be apparent to those skilled in the art based on the examples given. In this respect, the application examples given are not to be understood as restrictive.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Batteriemodulbattery module
- 22
- Zell-Modulgehäusecell module housing
- 33
- Wirkmittelpatroneactive agent cartridge
- 44
- Mediummedium
- 55
- Zellpaketcell pack
- 1010
- Batterieanordnungbattery arrangement
- 1111
- Aufnahmeraum, Hohlräumerecording space, cavities
- 2121
- Moduldeckelmodule cover
- 2222
- Modulbodenmodule floor
- 3131
- Airbagair bag
- 3232
- Austrittsöffnungexit port
- 5151
- Anodenbereichanode area
- 7070
- Elektrofahrzeugelectric vehicle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018007664 A1 [0005]DE 102018007664 A1 [0005]
Claims (10)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020126742.8A DE102020126742A1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Battery module with lithium metal anode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020126742.8A DE102020126742A1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Battery module with lithium metal anode |
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DE102020126742A1 true DE102020126742A1 (en) | 2022-04-14 |
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ID=80818033
Family Applications (1)
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DE102020126742.8A Pending DE102020126742A1 (en) | 2020-10-12 | 2020-10-12 | Battery module with lithium metal anode |
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---|---|
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE69434436T2 (en) | 1993-03-30 | 2006-04-20 | Canon K.K. | secondary battery |
DE102012221761A1 (en) | 2011-12-02 | 2013-06-06 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) | MATERIALS AND METHOD FOR RESTRICTING OR PREVENTING A THERMAL BY-STEP IN BATTERIES |
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-
2020
- 2020-10-12 DE DE102020126742.8A patent/DE102020126742A1/en active Pending
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---|---|---|---|
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