DE102020130139A1 - Battery module with a large number of battery cells - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Batteriemodul (20) beschrieben, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (1), die in einer Hauptebene des Batteriemoduls (20) angeordnet sind, wobei die Batteriezellen (1) jeweils mindestens eine Elektrodeneinheit (10) aufweisen, die Elektrodeneinheiten (10) jeweils einen Stapel oder Wickel von Elektrodenschichten (11, 14) aufweisen, die Elektrodenschichten (11, 14) Anodenschichten (11) und Kathodenschichten (14) umfassen, wobei die Anodenschichten (11) und Kathodenschichten (14) jeweils durch einen Separator (13) voneinander getrennt sind, und wobei die Elektrodenschichten (11, 14) jeweils eine Haupterstreckungsebene aufweisen, die parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls (20) ist.A battery module (20) is described, comprising a multiplicity of battery cells (1) which are arranged in a main plane of the battery module (20), the battery cells (1) each having at least one electrode unit (10), the electrode units (10) each have a stack or coil of electrode layers (11, 14), the electrode layers (11, 14) comprising anode layers (11) and cathode layers (14), the anode layers (11) and cathode layers (14) each being separated by a separator (13) are separated from one another, and wherein the electrode layers (11, 14) each have a main extension plane which is parallel to the main plane of the battery module (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul, das eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst und insbesondere zum Einsatz in einer Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit vorzugsweise prismatischen Batteriezellen, bei denen Schwellkräfte durch eine Ausdehnung der Elektrodenschichten vermindert sind.The invention relates to a battery module that includes a large number of battery cells and is intended in particular for use in a high-voltage battery in a motor vehicle. In particular, the invention relates to a battery module with preferably prismatic battery cells in which swelling forces are reduced by expanding the electrode layers.

Aus dem Dokument DE 10 2018 210 444 B3 ist eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug bekannt, die mindestens zwei Batteriemodule aufweist, wobei die Batteriemodule jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen. In den Batteriemodulen sind die Batteriezellen jeweils in einer Stapelrichtung angeordnet, so dass die Batteriezellen jeweils nicht mehr als zwei direkt benachbarte Batteriezellen aufweisen.From the document DE 10 2018 210 444 B3 a high-voltage battery for a motor vehicle is known which has at least two battery modules, the battery modules each comprising a multiplicity of battery cells. In the battery modules, the battery cells are each arranged in a stacking direction, so that the battery cells each have no more than two directly adjacent battery cells.

Zur Erzielung einer hohen Energiedichte können die Elektrodeneinheiten von Batteriezellen mehrere gestapelte oder gewickelte Elektrodenschichten aufweisen. Bei prismatischen Batteriezellen sind einer oder mehrere solcher Elektrodeneinheiten in einem festen, insbesondere quaderförmigen, Batteriezellgehäuse angeordnet. Prismatische Batteriezellen tendieren über Ihre Lebensdauer zum Anschwellen („Swelling“). Das liegt daran, dass die Elektrodenschichten mit der Zeit durch Degradationseffekte an Dicke gewinnen. Dadurch besteht das Risiko, dass benachbarte Batteriezellen in direkten Kontakt zueinander kommen, wodurch starke Kräfte auf die Batteriezellgehäuse entstehen können. Falls thermische Isolatoren zwischen den Zellen verwendet werden, müssen diese den starken Kräften standhalten können. Außerdem besteht das Risiko, dass im Fall eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) einer Batteriezelle des Batteriemoduls die thermische Energie durch den direkten Kontakt an benachbarte Batteriezellen abgegeben wird. Da prismatische Zellen zwei große Flächen aufweisen und eher dünn sind (z.B. weniger als 40 mm Dicke), wird im Falle eines thermischen Durchgehens der Großteil der thermischen Energie an die 2 direkten Nachbarn gegeben.In order to achieve a high energy density, the electrode units of battery cells can have a number of stacked or wound electrode layers. In the case of prismatic battery cells, one or more such electrode units are arranged in a fixed, in particular cuboid, battery cell housing. Prismatic battery cells tend to "swell" over their lifetime. This is because the electrode layers increase in thickness over time due to degradation effects. This means there is a risk that neighboring battery cells will come into direct contact with one another, which can result in strong forces on the battery cell housing. If thermal isolators are used between the cells, they must be able to withstand the strong forces. There is also the risk that in the event of thermal runaway of a battery cell of the battery module, the thermal energy will be released through direct contact with neighboring battery cells. Since prismatic cells have two large faces and are rather thin (e.g. less than 40 mm thick), in the event of a thermal runaway, most of the thermal energy is given to the 2 immediate neighbors.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Batteriemodul anzugeben, bei dem die durch ein Anschwellen der Elektrodenschichten bedingten Risiken für das Batteriemodul vermindert sind.It is an object of the invention to provide an improved battery module in which the risks to the battery module caused by swelling of the electrode layers are reduced.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Batteriemodul gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a battery module according to claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention result from the dependent claims.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Batteriemodul eine Vielzahl von Batteriezellen, die in einer Hauptebene des Batteriemoduls angeordnet sind. Der Begriff „Batteriemodul“ wird hier und im Folgenden für eine Anordnung von Batteriezellen verwendet und schließt andere Bezeichnungen für solche Anordnungen wie zum Beispiel „Batteriepack“ mit ein. Das Batteriemodul kann beispielsweise ein Bestandteil einer Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug sein. In diesem Fall ist die Hauptebene des Batteriemoduls vorzugsweise eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zum Fahrzeugboden des Kraftfahrzeugs ist. Die Batteriezellen enthalten jeweils mindestens eine Elektrodeneinheit. Die Elektrodeneinheiten weisen jeweils einen Stapel (Stack) oder Wickel (Jelly Roll) von Elektrodenschichten auf. Die Elektrodenschichten umfassen insbesondere Anodenschichten und Kathodenschichten, wobei die Anodenschichten und Kathodenschichten jeweils durch einen Separator voneinander getrennt sind.According to one embodiment of the invention, the battery module includes a multiplicity of battery cells which are arranged in a main plane of the battery module. The term "battery module" is used here and below for an arrangement of battery cells and includes other designations for such arrangements such as "battery pack". The battery module can be part of a high-voltage battery in a motor vehicle, for example. In this case, the main plane of the battery module is preferably a plane that is essentially parallel to the vehicle floor of the motor vehicle. The battery cells each contain at least one electrode unit. The electrode units each have a stack (stack) or roll (jelly roll) of electrode layers. The electrode layers include, in particular, anode layers and cathode layers, with the anode layers and cathode layers each being separated from one another by a separator.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Elektrodenschichten jeweils eine Haupterstreckungsebene auf, die parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls ist. Unter der „Haupterstreckungsebene“ der Elektrodenschichten ist hier und im Folgenden die Ebene zu verstehen, in der die Elektrodenschichten die größte Fläche aufweisen. Insbesondere verläuft die Stapelrichtung der Elektrodenschichten senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene und somit senkrecht zur Hauptebene des Batteriemoduls.According to one embodiment of the invention, the electrode layers each have a main extension plane that is parallel to the main plane of the battery module. Here and in the following, the “main extension plane” of the electrode layers is to be understood as the plane in which the electrode layers have the largest area. In particular, the stacking direction of the electrode layers runs perpendicular to their main plane of extension and thus perpendicular to the main plane of the battery module.

Durch die Anordnung der Elektrodenschichten mit ihrer Haupterstreckungsebene parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls wird erreicht, dass eine zum Beispiel alterungsbedingte oder durch den Ladezustand bedingte Erhöhung der Dicke der Elektrodenschichten zu einer Ausdehnung der Elektrodeneinheit senkrecht zur Hauptebene des Batteriemoduls führt. Wenn die Ausdehnung der Elektrodeneinheit auch zu einer Ausdehnung der Batteriezelle führt, insbesondere durch eine durch die Elektrodeneinheit auf ein Batteriezellgehäuse der Batteriezelle ausgeübte Kraft, erfolgt auch die Ausdehnung der Batteriezelle in der Richtung senkrecht zur Hauptebene des Batteriemoduls. Dies hat den Vorteil, dass die Ausdehnung der Batteriezelle nicht in Richtung der benachbarten Batteriezellen, sondern senkrecht dazu erfolgt. Wenn die Hauptebene des Batteriemoduls, in der die Batteriezellen nebeneinander angeordnet sind, beispielsweise eine x-y-Ebene definiert, erfolgt die Ausdehnung der Batteriezellen bei einem Anschwellen der Elektrodeneinheiten in eine senkrecht zur x-y-Ebene verlaufende z-Richtung, also zum Beispiel in Richtung des Bodens oder des Deckels der Batteriezellen. Es entsteht somit vorteilhaft kein Druck auf die neben der jeweiligen Batteriezelle angeordneten Batteriezellen. Damit muss von außen keine Kraft auf die Batteriezellen im Batteriemodul aufgebracht werden, um diese auf Position und Maß zu halten, insbesondere sind kraftleitende Zuganker sind somit nicht notwendig.By arranging the electrode layers with their main extension plane parallel to the main plane of the battery module, an increase in the thickness of the electrode layers caused by aging or the state of charge, for example, leads to an expansion of the electrode unit perpendicular to the main plane of the battery module. If the expansion of the electrode unit also causes the battery cell to expand, in particular due to a force exerted by the electrode unit on a battery cell housing of the battery cell, the battery cell also expands in the direction perpendicular to the main plane of the battery module. This has the advantage that the battery cell does not expand in the direction of the adjacent battery cells, but perpendicularly to them. If the main plane of the battery module, in which the battery cells are arranged next to one another, defines an xy plane, for example, the battery cells expand when the electrode units swell in a z direction perpendicular to the xy plane, i.e. in the direction of the bottom, for example or the cover of the battery cells. There is thus advantageously no pressure on the battery cells arranged next to the respective battery cell. With that must of no external force is applied to the battery cells in the battery module in order to keep them in position and size, in particular force-conducting tie rods are therefore not necessary.

Die Batteriezellen des Batteriemoduls weisen vorzugsweise jeweils ein quaderförmiges Batteriezellgehäuse auf. Solche Batteriezellen werden auch als prismatische Batteriezellen bezeichnet. Die Batteriezellen können in diesem Fall platzsparend in einer Reihe oder in einer Matrix angeordnet werden.The battery cells of the battery module preferably each have a cuboid battery cell housing. Such battery cells are also referred to as prismatic battery cells. In this case, the battery cells can be arranged in a row or in a matrix to save space.

Die Batteriezellen weisen vorzugsweise jeweils ein Batteriezellgehäuse mit einem Gehäusegrundkörper und einem Deckel auf, wobei der Deckel parallel zur Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten angeordnet ist. Eine Dickenausdehnung der Elektrodenschichten führt in diesem Fall zu einer Ausdehnung in Richtung des Deckels und/oder eines Bodens des Gehäusegrundkörpers, aber vorteilhaft im Wesentlichen nicht in Richtung der Seitenwände des Gehäusegrundkörpers. Der Gehäusegrundkörper und der Deckel weisen beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung, vorzugsweise Aluminium oder Edelstahl, auf.The battery cells preferably each have a battery cell housing with a housing body and a cover, the cover being arranged parallel to the main plane of extension of the electrode layers. In this case, an expansion in thickness of the electrode layers leads to an expansion in the direction of the cover and/or a base of the housing base body, but advantageously essentially not in the direction of the side walls of the housing base body. The basic housing body and the cover have, for example, a metal or a metal alloy, preferably aluminum or stainless steel.

Bei eine vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Batteriezellen jeweils eine Vorrichtung auf, die dazu geeignet ist, bei einem Anschwellen der Elektrodeneinheit eine senkrecht zu der Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten gerichtete Kraft auf die Elektrodeneinheit auszuüben. Auf diese Weise kann einem Anschwellen der Elektrodeneinheit vorteilhaft entgegengewirkt werden. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen dem Deckel des Batteriezellgehäuses und der Elektrodeneinheit angeordnet. Die Vorrichtung ist beispielsweise eine Feder. In diesem Fall kann die Feder mit einer Platte verbunden sein, die zwischen dem Deckel und der Elektrodeneinheit angeordnet ist, um mittels der Feder einen Druck auf die Elektrodeneinheit auszuüben. Alternativ kann die Vorrichtung eine Kompressionsmatte, die z.B. fluorierten Kautschuk, Silikon oder Polyurethan aufweist, oder ein Schaumstoff sein, wobei die Kompressionsmatte oder der Schaumstoff beispielsweise zwischen dem Deckel und der Elektrodeneinheit angeordnet ist und bei einem Anschwellen der Elektrodeneinheit einen Druck auf diese ausübt.In an advantageous embodiment, the battery cells each have a device that is suitable for exerting a force on the electrode unit that is directed perpendicularly to the main extension plane of the electrode layers when the electrode unit swells. In this way, swelling of the electrode unit can advantageously be counteracted. The device is preferably arranged between the cover of the battery cell housing and the electrode unit. The device is, for example, a spring. In this case, the spring can be connected to a plate which is arranged between the cover and the electrode unit in order to exert pressure on the electrode unit by means of the spring. Alternatively, the device can be a compression mat, e.g. comprising fluorinated rubber, silicone or polyurethane, or a foam, with the compression mat or foam being arranged, for example, between the cover and the electrode unit and exerting pressure on the electrode unit if it swells.

Bei einer Ausgestaltung des Batteriemoduls sind die Batteriezellen in der Hauptebene des Batteriemoduls in einer Matrixanordnung mit n Reihen und m Spalten angeordnet, wobei vorzugsweise m ≥ 3 und n ≥ 3 ist. Die Anzahl der Reihen n und/oder die Anzahl der Spalten m kann beispielsweise mindestens 5, mindestens 10 oder sogar mindestens 50 betragen. Insbesondere können in dem Batteriemodul eine oder mehrere innere Batteriezellen jeweils von mindestens vier weiteren Batteriezellen umgeben sein. Die inneren Batteriezellen sind die Batteriezellen, die in der Matrixanordnung nicht an mindestens eine Außenseite des Batteriemoduls angrenzen. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Anordnung der Batteriezellen in nur einer Reihe innerhalb des Batteriemoduls, bei der die Batteriezellen an nicht mehr als zwei andere Batteriezellen direkt angrenzen, können die inneren Batteriezellen in der Matrixanordnung thermische Energie an vier benachbarte Batteriezellen abgeben. Dadurch wird im Vergleich zu einer eindimensionalen Anordnung der Batteriezellen bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle die Wahrscheinlichkeit vermindert, dass auch benachbarte Batteriezellen thermisch durchgehen, da hier die thermische Energie über mehrere benachbarte Batteriezellenverteilt wird und die einzelnen Batteriezellen somit weniger Gesamtwärme ausgesetzt werden.In one configuration of the battery module, the battery cells are arranged in the main plane of the battery module in a matrix arrangement with n rows and m columns, with m≧3 and n≧3 preferably. The number of rows n and/or the number of columns m can be at least 5, at least 10 or even at least 50, for example. In particular, one or more inner battery cells can each be surrounded by at least four additional battery cells in the battery module. The inner battery cells are the battery cells that are not adjacent to at least one outside of the battery module in the matrix arrangement. In contrast to a conventional arrangement of the battery cells in just one row within the battery module, in which the battery cells directly adjoin no more than two other battery cells, the internal battery cells in the matrix arrangement can emit thermal energy to four adjacent battery cells. In comparison to a one-dimensional arrangement of the battery cells, in the event of a thermal runaway of a battery cell, this reduces the probability that neighboring battery cells will also thermally run away, since the thermal energy is distributed over several neighboring battery cells and the individual battery cells are therefore exposed to less overall heat.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen an einer Seitenkante des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen und/oder an einer Ecke des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen des Batteriemoduls zur Erhöhung der Wärmekapazität im Vergleich zu inneren Batteriezellen, die nicht an einer Seitenkante oder an einer Ecke des Batteriemoduls angeordnet sind, eine zusätzliche thermische Masse auf. Bei dieser Ausgestaltung kann bei den inneren Batteriezellen, die nicht vier benachbarte Batteriezellen aufweisen, die Wärmeabfuhr erhöht werden. Die zusätzliche thermische Masse kann beispielsweise eine Wärmesenke aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium sein, wobei die Wärmesenke an dem Batteriezellgehäuse der jeweiligen Batteriezelle angeordnet sein kann. Die inneren Batteriezellen, die nicht an einer Seitenkante oder an einer Ecke des Batteriemoduls angeordnet sind, weisen diese Wärmesenke und die dadurch erzielte zusätzliche thermische Masse vorteilhaft nicht auf. In einer weiteren Ausführung wird zwischen den Batteriezellen eine Kühlplatte angeordnet, die die Batteriezellen seitlich kühlt und räumlich trennt. In einer weiteren Ausführung werden die Zellen über einen Bodenplatte gekühlt. Auch ist eine Kühlung über eine Immersionskühlung möglich.In an advantageous embodiment, battery cells arranged on a side edge of the battery module and/or battery cells of the battery module arranged on a corner of the battery module have an additional to increase the thermal capacity compared to internal battery cells that are not arranged on a side edge or on a corner of the battery module thermal mass. With this configuration, the heat dissipation can be increased for the inner battery cells that do not have four adjacent battery cells. The additional thermal mass can be a heat sink made of a metal such as aluminum, for example, it being possible for the heat sink to be arranged on the battery cell housing of the respective battery cell. The inner battery cells, which are not arranged on a side edge or on a corner of the battery module, advantageously do not have this heat sink and the additional thermal mass achieved thereby. In a further embodiment, a cooling plate is arranged between the battery cells, which cools the battery cells laterally and spatially separates them. In a further embodiment, the cells are cooled via a base plate. Cooling via immersion cooling is also possible.

Die Batteriezellen des Batteriemoduls sind vorzugsweise Lithiumionen-Batteriezellen. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte sind Lithiumionen-Batteriezellen insbesondere für Hochvolt-Batterien in Kraftfahrzeugen geeignet.The battery cells of the battery module are preferably lithium-ion battery cells. Due to their high energy density, lithium-ion battery cells are particularly suitable for high-voltage batteries in motor vehicles.

Es wird weiterhin ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, dass mindestens ein Batteriemodul mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweist.A motor vehicle is also proposed that has at least one battery module with the properties described above.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch

  • 1 eine Draufsicht auf ein Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine dreidimensionale Darstellung einer Batteriezelle bei dem Batteriemodul gemäß dem Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine weitere Ansicht der Batteriezelle gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
  • 4 eine Stapeleinheit der Elektrodeneinheit der Batteriezelle.
A preferred exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying drawings. This results in further details, preferred embodiments and developments of the invention. Specifically show schematic
  • 1 a plan view of a battery module according to an embodiment,
  • 2 a three-dimensional representation of a battery cell in the battery module according to the exemplary embodiment,
  • 3 another view of the battery cell according to the embodiment, and
  • 4 a stacking unit of the electrode unit of the battery cell.

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.Components that are the same or have the same effect are each provided with the same reference symbols in the figures. The components shown and the proportions of the components among one another are not to be regarded as true to scale.

Das in 1 schematisch in einer Draufsicht dargestellte Batteriemodul 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Vielzahl von Batteriezellen 1 auf. Die Batteriezellen 1 sind in einer Matrixanordnung mit m Reihen und n Spalten angeordnet, wobei vorzugsweise m ≥ 3 und n ≥ 3 ist. Beispielhaft ist hier eine Anordnung von 5 x 6 Batteriezellen 1 gezeigt, die Anzahl von n und/oder m kann aber auch mehr als 10 oder mehr als 50 betragen. Die Ebene, in der die Batteriezellen 1 nebeneinander angeordnet sind, ist in den 1 bis 3 als x-y-Ebene bezeichnet. Das Batteriemodul kann beispielsweise ein Bestandteil einer Hochvolt-Batterie in einem Kraftfahrzeug sein. In diesem Fall verläuft die x-y-Ebene beispielsweise parallel zum Fahrzeugboden.This in 1 Battery module 20 according to an exemplary embodiment of the invention, shown schematically in a plan view, has a multiplicity of battery cells 1 . The battery cells 1 are arranged in a matrix arrangement with m rows and n columns, with m≧3 and n≧3 preferably. An arrangement of 5×6 battery cells 1 is shown here as an example, but the number of n and/or m can also be more than 10 or more than 50. The level in which the battery cells 1 are arranged side by side is in the 1 until 3 referred to as the xy plane. The battery module can be part of a high-voltage battery in a motor vehicle, for example. In this case, the xy plane runs parallel to the vehicle floor, for example.

Eine Batteriezelle 1 des Batteriemoduls ist schematisch in 2 dargestellt. Die Batteriezelle 1 weist ein im Wesentlichen quaderförmiges Batteriezellgehäuse 2 auf, das durch einen Gehäusegrundkörper 3 und einen Deckel 4 gebildet wird. Das Batteriezellgehäuse 2 bildet einen mechanisch festen Mantel für mindestens ein darin angeordnete Elektrodeneinheit 10 aus. Das Batteriezellgehäuse 2 weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Der Gehäusegrundkörper 9 und der Deckel 4 des Batteriezellgehäuses 2 können aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium gebildet sein. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse 2 zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.A battery cell 1 of the battery module is shown schematically in 2 shown. The battery cell 1 has an essentially cuboid battery cell housing 2 which is formed by a housing base body 3 and a cover 4 . The battery cell housing 2 forms a mechanically strong casing for at least one electrode unit 10 arranged therein. In the exemplary embodiment, the battery cell housing 2 has a rectangular base area and is essentially cuboid. The case base 9 and the cover 4 of the battery cell case 2 may be formed of a metal such as aluminum. It is possible for the battery cell housing 2 to have an electrically insulating coating at least in regions.

An dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses 1 sind ein erstes Terminal 5 und ein zweites Terminal 6 angeordnet. Die Terminals 5, 6 sind zur elektrischen Kontaktierung der Batteriezelle 1 vorgesehen und sind mit Stromkollektoren der Elektrodeneinheit 10 verbunden. Weiterhin kann an dem Deckel 4 eine Öffnung 7 angeordnet sein, durch die die Batteriezelle 1 mit einem Elektrolyt befüllt werden kann. Der Deckel 4 kann außerdem eine Notentlüftungsvorrichtung 8 aufweisen. Die Notentlüftungsvorrichtung 8 ist beim normalen Betrieb der Batteriezelle 1 verschlossen, beispielsweise durch eine Berstmembran. Wenn der Innendruck in der Batteriezelle 1 über eine kritische Grenze steigt (typischerweise zwischen 6 bar und 15 bar), öffnet die Berstmembran, so dass der Druck entweichen kann.A first terminal 5 and a second terminal 6 are arranged on the cover 4 of the battery cell housing 1 . The terminals 5 , 6 are provided for making electrical contact with the battery cell 1 and are connected to the current collectors of the electrode unit 10 . Furthermore, an opening 7 can be arranged on the cover 4, through which the battery cell 1 can be filled with an electrolyte. The cover 4 can also have an emergency ventilation device 8 . The emergency ventilation device 8 is closed during normal operation of the battery cell 1, for example by a bursting membrane. If the internal pressure in the battery cell 1 rises above a critical limit (typically between 6 bar and 15 bar), the bursting membrane opens so that the pressure can escape.

In dem Batteriezellgehäuse 2 ist eine Elektrodeneinheit 10 angeordnet, die als Stapel oder Wickel von Elektrodenschichten ausgeführt sein kann. Das Innere der Batteriezelle 1 mit der Elektrodeneinheit 10 ist in 3 schematisch dargestellt. Die Elektrodeneinheit 10 ist bei dem hier gezeigten Beispiel als ein Stapel von Elektrodenschichten ausgeführt, Die Elektrodeneinheit kann eine Abfolge von mehreren gleich aufgebauten Stapeleinheiten 16 umfassen.An electrode unit 10 is arranged in the battery cell housing 2 and can be designed as a stack or coil of electrode layers. The interior of the battery cell 1 with the electrode unit 10 is in 3 shown schematically. In the example shown here, the electrode unit 10 is designed as a stack of electrode layers. The electrode unit can comprise a sequence of a plurality of stack units 16 of identical structure.

Die Schichten einer solchen Stapeleinheit 16 sind in 4 im Detail dargestellt. Die Elektrodenschichten 11, 14 umfassen Anodenschichten 11, die vorzugsweise auf eine Kupferfolie 13 aufgebracht sind. Außerdem umfassen die Elektrodenschichten Kathodenschichten 14, die vorzugsweise auf eine Aluminiumfolie 15 aufgebracht sind. Die Kupferfolie 12 kann beidseitig mit einer Anodenschicht 11 beschichtet sein und entsprechend kann auch die Aluminiumfolie 15 beidseitig mit einer Kathodenschicht 14 beschichtet sein. Zwischen den benachbarten Anodenschichten 11 und Kathodenschichten 14 ist jeweils ein Separator 13 angeordnet.The layers of such a stack unit 16 are in 4 shown in detail. The electrode layers 11, 14 comprise anode layers 11 which are preferably applied to a copper foil 13. In addition, the electrode layers include cathode layers 14 which are preferably applied to an aluminum foil 15 . The copper foil 12 can be coated on both sides with an anode layer 11 and accordingly the aluminum foil 15 can also be coated on both sides with a cathode layer 14 . A separator 13 is arranged in each case between the adjacent anode layers 11 and cathode layers 14 .

Die Anodenschichten 11 weisen ein Anodenaktivmaterial auf. Das Anodenaktivmaterial ist beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.The anode layers 11 have an anode active material. The anode active material is, for example, a material from the group consisting of carbonaceous materials, silicon, silicon suboxide, silicon alloys, aluminum alloys, indium, indium alloys, tin, tin alloys, cobalt alloys and mixtures thereof. The anode active material is preferably selected from the group consisting of synthetic graphite, natural graphite, graphene, mesocarbon, doped carbon, hard carbon, soft carbon, fullerene, silicon-carbon composite, silicon, surface-coated silicon, silicon suboxide, silicon alloys, lithium, aluminum alloys, indium , tin alloys, cobalt alloys and mixtures thereof.

Die Kathodenschichten 14 weisen ein Kathodenaktivmaterial auf. Das Kathodenaktivmaterial kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).The cathode layers 14 include a cathode active material. The cathode active material can be a layered oxide such as a lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC), a lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA), a lithium cobalt oxide (LCO) or a lithium nickel cobalt oxide (LNCO). The layered oxide can in particular be an overlithiated layered oxide (OLO, overlithiated layered oxide). Other suitable cathode active materials are compounds with a spinel structure such as lithium manganese oxide (LMO) or lithium manganese nickel oxide (LMNO), or compounds with an olivine structure such as lithium iron phosphate (LFP) or lithium manganese iron phosphate (LMFP).

Der Separator 13 ist insbesondere eine Folie und weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Der Separator 13 kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf Al2O3.The separator 13 is in particular a film and has a material that is permeable to lithium ions but impermeable to electrons. Polymers can be used as separators, in particular a polymer selected from the group consisting of polyesters, in particular polyethylene terephthalate, polyolefins, in particular polyethylene and/or polypropylene, polyacrylonitriles, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene hexafluoropropylene, polyetherimide, polyimide, aramid, polyether, polyetherketone, synthetic spider silk or mixtures thereof. The separator 13 can optionally additionally be coated with ceramic material and a binder, for example based on Al 2 O 3 .

Die Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten 11, 14 verläuft in der Elektrodeneinheit 10 parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls 20, d.h. parallel zur x-y-Ebene, in der die Batteriezellen 1 nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere kann die Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten 11,14 parallel zum Deckel 4 des Batteriezellgehäuses 2 verlaufen. Ein Anschwellen der Elektrodenschichten 11, 14 in ihrer Dickenrichtung führt in diesem Fall zu einer Ausdehnung in der senkrecht zur x-y-Ebene liegenden z-Richtung. Auf diese Weise wird vermieden, dass bei einem Anschwellen der Elektrodenschichten 11, 14 Kräfte auf das Batteriezellgehäuse 2 einwirken, die in der x-y-Ebene wirken und somit einen Druck auf benachbarte Batteriezellen ausüben könnten. Vielmehr wirkt die Kraft der Elektrodenschichten 11, 14 nur in der z-Richtung senkrecht zur x-y-Ebene. Dies ermöglicht eine dichte Anordnung der Batteriezellen 1 in der x-y-Ebene des Batteriemoduls 20.The main extension plane of the electrode layers 11, 14 runs parallel to the main plane of the battery module 20 in the electrode unit 10, i.e. parallel to the x-y plane in which the battery cells 1 are arranged next to one another. In particular, the main extension plane of the electrode layers 11 , 14 can run parallel to the cover 4 of the battery cell housing 2 . In this case, a swelling of the electrode layers 11, 14 in their thickness direction leads to an expansion in the z-direction, which is perpendicular to the x-y plane. In this way it is avoided that when the electrode layers 11, 14 swell, forces act on the battery cell housing 2, which act in the x-y plane and could thus exert pressure on adjacent battery cells. Rather, the force of the electrode layers 11, 14 acts only in the z-direction perpendicular to the x-y plane. This enables a dense arrangement of the battery cells 1 in the x-y plane of the battery module 20.

Wenn ein thermisch isolierendes Material zwischen den Batteriezellen 1 angeordnet wird, muss dieses keine so großen Anforderungen an die mechanische Stabilität gegenüber Druck aufweisen wie im Fall eines Batteriemoduls, bei dem die Batteriezellen in der Hauptebene des Batteriemoduls anschwellen können. Die Anordnung des Elektrodenschichten 11, 14 parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls 1 hat außerdem den Vorteil einer guten Wärmeabführung von den Elektrodenschichten 11, 14. Die Elektrodenschichten können insbesondere in Kontakt mit einer Kühlplatte sein. Es ist möglich, dass entweder die Aluminiumfolien oder die Kupferfolien, die als Stromableiter von den Anodenschichten 11 bzw. Kathodenschichten 14 dienen, in direktem Kontakt mit dem Batteriezellgehäuse 2 stehen.If a thermally insulating material is placed between the battery cells 1, it does not have to have such high mechanical stability requirements against pressure as in the case of a battery module, where the battery cells can swell in the main plane of the battery module. The arrangement of the electrode layers 11, 14 parallel to the main plane of the battery module 1 also has the advantage of good heat dissipation from the electrode layers 11, 14. The electrode layers can in particular be in contact with a cooling plate. It is possible that either the aluminum foils or the copper foils, which serve as current collectors from the anode layers 11 or cathode layers 14 , are in direct contact with the battery cell housing 2 .

Wie in der Draufsicht in 1 gezeigt, weisen die Batteriezellen 1 jeweils eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Um im Fall eines thermischen Durchgehens einer Batteriezelle die entstehende Wärme möglichst gleichmäßig auf benachbarte Batteriezellen zu verteilen, weist die Querschnittsfläche der Batteriezellen 1 in der Hauptebene des Batteriemoduls (x-y-Ebene) vorzugsweise ein Seitenverhältnis von nicht mehr als 2:1 auf, d.h. eine Kantenlänge der Batteriezelle 1 ist nicht mehr als doppelt so lang wie die Kantenlänge in der senkrecht dazu verlaufenden Richtung. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Querschnittsfläche quadratisch. Die inneren Batteriezellen des Batteriemoduls (in 1 mit „1i“ bezeichnet) grenzen an vier weitere Batteriezellen an. An einer Seitenkante des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen (in 1 mit „1e“ bezeichnet) grenzen an drei benachbarte Batteriezellen 1 und in einer Ecke des Batteriemoduls angeordnete Batteriezellen (in 1 mit „1c“ gekennzeichnet) grenzen an zwei benachbarte Batteriezellen an. Die inneren Batteriezellen 1i können vorteilhaft Wärme an vier benachbarte Batteriezellen abgeben.As in the plan view in 1 shown, the battery cells 1 each have a rectangular cross-sectional area. In order to distribute the heat generated as evenly as possible to neighboring battery cells in the event of a thermal runaway of a battery cell, the cross-sectional area of the battery cells 1 in the main plane of the battery module (xy plane) preferably has an aspect ratio of no more than 2:1, i.e. an edge length of the battery cell 1 is not more than twice as long as the edge length in the direction perpendicular thereto. In a preferred embodiment, the cross-sectional area is square. The internal battery cells of the battery module (in 1 labeled “1i”) are adjacent to four more battery cells. Battery cells (in 1 labeled "1e") border three adjacent battery cells 1 and battery cells arranged in a corner of the battery module (in 1 marked with “1c”) are adjacent to two adjacent battery cells. The inner battery cells 1i can advantageously give off heat to four adjacent battery cells.

Es ist vorteilhaft, wenn die an einer Seitenkante angeordneten Batteriezellen 1e und/oder die an einer Ecke des Batteriemoduls angeordneten Batteriezellen 1c jeweils im Vergleich zu den inneren Batteriezellen 1i eine zusätzliche thermische Masse, insbesondere in Form einer Wärmesenke 21, aufweisen. Die Wärmesenke 21 kann an dem Batteriezellgehäuse 2 angeordnet sein. Beispielsweise ist die Wärmesenke 21 eine zusätzliche seitliche Umhüllung des Batteriezellgehäuses 2. Die Wärmesenke 21 weist vorzugsweise ein Material mit hoher Wärmekapazität, insbesondere ein Metall wie zum Beispiel Aluminium auf. Mittels der Wärmesenke 21 wird die Wärmeabfuhr von den an einer Seitenkante angeordneten Batteriezellen 1e und/oder der an einer Ecke des Batteriemoduls angeordneten Batteriezellen 1c verbessert. Auf diese Weise wird zumindest teilweise kompensiert, dass die äußeren Batteriezellen 1c, 1e Wärme nicht an vier, sondern nur an zwei bzw. drei benachbarte Batteriezellen abgeben können. Es ist auch denkbar, an den Ecken des Batteriemoduls 20 anstelle von Batteriezellen 1c jeweils nur eine Wärmesenke anzuordnen.It is advantageous if the battery cells 1e arranged on a side edge and/or the battery cells 1c arranged on a corner of the battery module each have an additional thermal mass, in particular in the form of a heat sink 21, compared to the inner battery cells 1i. The heat sink 21 can be arranged on the battery cell case 2 . For example, the heat sink 21 is an additional lateral covering of the battery cell housing 2. The heat sink 21 preferably has a material with a high thermal capacity, in particular a metal such as aluminum. The heat dissipation from the battery cells 1e arranged on a side edge and/or the battery cells 1c arranged on a corner of the battery module is improved by means of the heat sink 21 . This at least partially compensates for the fact that the outer battery cells 1c, 1e cannot give off heat to four but only to two or three adjacent battery cells. It is also conceivable to arrange only one heat sink in each case at the corners of the battery module 20 instead of battery cells 1c.

Wie in 3 gezeigt, sind bei dem Ausführungsbeispiel über der Elektrodeneinheit 10 Federn 17 angeordnet, die dazu eingerichtet sind, eine Kraft auf die Elektrodeneinheit 10 auszuüben. Die Federn 17 üben eine Kraft auf eine Platte 18 aus, die über der Elektrodeneinheit 10 angeordnet ist. Durch die Kräfte der Federn 17 wird einem Anschwellen der Elektrodeneinheit 10 entgegengewirkt. In der Platte 18 sind vorteilhaft mehrere Löcher 19 angeordnet, um ein Befüllen der Batteriezelle 1 mit einem Elektrolyten zur erleichtern. Um das Einfüllen des Elektrolyten zu erleichtern, kann die Elektrolyteinfüllöffnung bei einer Ausgestaltung an einer Seitenwand des Gehäusegrundkörpers statt am Deckel angeordnet sein, d.h. in der x-z-Ebene.As in 3 shown, in the exemplary embodiment springs 17 are arranged above the electrode unit 10 and are designed to exert a force on the electrode unit 10 . The springs 17 exert a force on a plate 18 arranged over the electrode assembly 10 . through the Forces of the springs 17 counteract any swelling of the electrode unit 10 . A plurality of holes 19 are advantageously arranged in the plate 18 in order to facilitate filling of the battery cell 1 with an electrolyte. In order to make it easier to fill in the electrolyte, in one configuration the electrolyte filling opening can be arranged on a side wall of the housing base body instead of on the cover, ie in the xz plane.

Durch die Verminderung des Anschwellens der Elektrodeneinheit 2, insbesondere in der Hauptebene des Batteriemoduls 20, kann der Druck auf benachbarte Batteriezellen 1 vermindert und so die Sicherheit des Batteriemoduls 20 erhöht werden. Das Batteriemodul 20 ist insbesondere für den Einsatz in einer Hochvoltbatterie in einem Kraftfahrzeug geeignet.By reducing the swelling of the electrode unit 2, in particular in the main plane of the battery module 20, the pressure on neighboring battery cells 1 can be reduced and the safety of the battery module 20 can thus be increased. The battery module 20 is particularly suitable for use in a high-voltage battery in a motor vehicle.

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.Although the invention has been illustrated and described in detail using exemplary embodiments, the invention is not restricted by the exemplary embodiments. On the contrary, other variations of the invention can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention as defined by the claims.

BezugszeichenlisteReference List

11
Batteriezellebattery cell
22
Batteriezellgehäusebattery cell housing
33
Gehäusegrundkörperhousing body
44
Deckellid
55
erstes Terminalfirst terminal
66
zweites Terminalsecond terminal
77
Elektrolyteinfüllöffnungelectrolyte fill port
88th
Notentlüftungsvorrichtungemergency venting device
1010
Elektrodeneinheitelectrode unit
1111
Anodenschichtanode layer
1212
Kupferfoliecopper foil
1313
Separatorseparator
1414
Kathodenschichtcathode layer
1515
Aluminiumfoliealuminum foil
1616
Stapeleinheitstacking unit
1717
FederFeather
1818
Platteplate
1919
LochHole
2020
Batteriemodulbattery module
2121
Wärmesenkeheat sink

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018210444 B3 [0002]DE 102018210444 B3 [0002]

Claims (12)

Batteriemodul (20), umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen (1), die in einer Hauptebene des Batteriemoduls (20) angeordnet sind, wobei - die Batteriezellen (1) jeweils mindestens eine Elektrodeneinheit (10) aufweisen, - die Elektrodeneinheiten (10) jeweils einen Stapel oder Wickel von Elektrodenschichten (11, 14) aufweisen, - die Elektrodenschichten (11, 14) Anodenschichten (11) und Kathodenschichten (14) umfassen, wobei die Anodenschichten (11) und Kathodenschichten (14) jeweils durch einen Separator (13) voneinander getrennt sind, und - die Elektrodenschichten (11, 14) jeweils eine Haupterstreckungsebene aufweisen, die parallel zur Hauptebene des Batteriemoduls (20) ist.Battery module (20) comprising a plurality of battery cells (1) which are arranged in a main plane of the battery module (20), wherein - the battery cells (1) each have at least one electrode unit (10), - the electrode units (10) each have a stack or coil of electrode layers (11, 14), - the electrode layers (11, 14) comprise anode layers (11) and cathode layers (14), the anode layers (11) and cathode layers (14) being separated from each other by a separator (13), and - The electrode layers (11, 14) each have a main extension plane which is parallel to the main plane of the battery module (20). Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die Batteriezellen (1) jeweils ein quaderförmiges Batteriezellgehäuse (2) aufweisen.battery module after claim 1 , wherein the battery cells (1) each have a cuboid battery cell housing (2). Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1) jeweils ein Batteriezellgehäuse (2) mit einem Gehäusegrundkörper (3) und einem Deckel (4) aufweisen, wobei der Deckel (4) parallel zur Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten (11, 14) angeordnet ist.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1) each have a battery cell housing (2) with a housing base body (3) and a cover (4), the cover (4) being arranged parallel to the main plane of extension of the electrode layers (11, 14). is. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1) jeweils eine Vorrichtung aufweisen, die dazu geeignet ist, bei einem Anschwellen der Elektrodeneinheit (10) eine senkrecht zu der Haupterstreckungsebene der Elektrodenschichten (11, 14) gerichtete Kraft auf die Elektrodeneinheit (10) auszuüben.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1) each have a device which is suitable, when the electrode unit (10) swells, to exert a force on the electrode unit (10 ) to exercise. Batteriemodul nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Vorrichtung zwischen dem Deckel (4) und der Elektrodeneinheit (10) angeordnet ist.Battery module according to claims 3 and 4 , wherein the device is arranged between the cover (4) and the electrode unit (10). Batteriemodul nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vorrichtung eine Feder (17), eine Kompressionsmatte oder ein Schaumstoff ist.battery module after claim 4 or 5 , wherein the device is a spring (17), a compression mat or a foam. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1) in der Hauptebene in einer Matrixanordnung mit n Spalten und m Reihen angeordnet sind, wobei m ≥ 3 und n ≥ 3.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1) are arranged in the main plane in a matrix arrangement with n columns and m rows, where m ≥ 3 and n ≥ 3. Batteriemodul nach Anspruch 7, wobei m > 10 und/oder n ≥ 10.battery module after claim 7 , where m > 10 and/or n ≥ 10. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Querschnittsfläche der Batteriezellen (1) in der Hauptebene des Batteriemoduls (20) ein Seitenverhältnis von nicht mehr als 2:1 aufweist.Battery module according to one of the preceding claims, wherein a cross-sectional area of the battery cells (1) in the main plane of the battery module (20) has an aspect ratio of no more than 2:1. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer Seitenkante des Batteriemoduls (20) angeordnete Batteriezellen (1e) und/oder an einer Ecke des Batteriemoduls (20) angeordnete Batteriezellen (1c) zur Erhöhung der Wärmekapazität im Vergleich zu inneren Batteriezellen(1 i), die nicht an einer Seitenkante oder an einer Ecke des Batteriemoduls (20) angeordnet sind, eine zusätzliche thermische Masse aufweisen.Battery module according to one of the preceding claims, wherein battery cells (1e) arranged on a side edge of the battery module (20) and/or battery cells (1c) arranged on a corner of the battery module (20) to increase the heat capacity compared to internal battery cells (1 i) , which are not arranged on a side edge or at a corner of the battery module (20), have an additional thermal mass. Batteriemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batteriezellen (1) Lithiumionen-Batteriezellen sind.Battery module according to one of the preceding claims, wherein the battery cells (1) are lithium-ion battery cells. Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein Batteriemodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle, comprising at least one battery module (20) according to one of the preceding claims.
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