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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Überhitzungsschutzes für eine Batteriezelle, indem in einem flüssigen Bad an einen textilen Träger ein Funktionsmittel angelagert wird, das bei Überschreiten einer Grenztemperatur von mindestens 40 °C isotherm Wärme aufnimmt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen solchen Überhitzungsschutz.
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DE 2017 127 337 A1 schlägt als Überhitzungsschutz für Li-lon-Batteriezellen ein mit Ettringit ausgerüstetes Brandschutztextil und ein Verfahren der vorgenannten Art zu dessen Herstellung vor, das in die Zwischenräume zwischen plattenförmigen oder zylindrischen Batteriezellen eingebracht wird. Die Überhitzung der Batteriezellen wird durch Verdunsten des Hydratwassers vermieden.
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Bei der Beschleunigung, insbesondere in der Startphase von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen werden den Batteriezellen hohe Energiemengen entnommen. Die Batteriezellen entwickeln dabei in kurzer Zeit entsprechend viel Wärme. Eine einzelne schadhafte Batteriezelle kann in dieser Phase durch Überhitzung explosionsartig havarieren und benachbarte Batteriezellen in Mitleidenschaft ziehen.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überhitzung einer Batteriezelle zu vermeiden.
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Lösung
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass als Träger ein Faden auf einen Querschnitt der Batteriezelle gewickelt wird. Der Wickel stabilisiert den Querschnitt der Batteriezelle und puffert zugleich mechanische Belastungen. Er wirkt so sowohl einer Überhitzung als auch der Propagation einer explosionsartigen Havarie einer schadhaften Batteriezelle auf benachbarte Batteriezellen entgegen.
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Batteriezellen zeichnen sich durch spezifische von der Technologie abhängige für den Einsatz optimale Temperaturbereiche aus. Ein Überschreiten der jeweiligen Grenztemperatur beeinträchtigt nicht nur die Leistungsfähigkeit, sondern kann auch durch chemische und physikalische Degradationsprozesse zu dauerhaften Schäden bis hin zur explosionsartigen Zerstörung führen. Der optimale Temperaturbereich für den Einsatz von Li-Ion-Zellen liegt zwischen 15 und 35 °C, oberhalb einer Grenztemperatur von 40 °C sinkt die Leistungsfähigkeit deutlich ab. Bereits bei einer Temperatur von 70 °C beginnt die Zersetzung der Lithiumsalze, oberhalb von 80 °C die der Kohlensäureester.
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Isotherme Wärmeaufnahme ist ein typisches Merkmal von Phasenübergängen, insbesondere vom festen in den flüssigen und weiter in den gasförmigen Aggregatzustand. Als Funktionsmittel im Sinne der Erfindung sind grundsätzlich alle Materialien geeignet, die in den Batteriezellen in den jeweils spezifisch kritischen Temperaturbereichen ein Überschreiten der Grenztemperatur durch isotherme Wärmeaufnahme aufhalten.
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Vorzugsweise umfasst das Funktionsmittel ein Wachs, das oberhalb der Grenztemperatur unter Aufnahme der Wärme schmilzt. Wachse sind bei Raumtemperatur feste Gemische von Kohlenwasserstoffen, die bei einer Temperatur über 40 °C schmelzen. Ein solcher Überhitzungsschutz puffert im Normalbetrieb Temperaturen ab, die kurzzeitig knapp über der Grenztemperatur liegen. Bei Abkühlung der Batteriezelle wird das Wachs wieder fest und steht in derselben Funktion wieder zur Verfügung. Das Wachs in einem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein synthetisches Paraffin sein.
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Vorzugsweise wird in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich zu dem Träger ein fadenförmiger Docht auf den Querschnitt gewickelt. Ein Docht ist ein Faden aus einer Vielzahl von Fasern, der durch Kapillarkräfte in den Zwischenräumen zwischen den Fasern Flüssigkeit aufnimmt. Der Docht nimmt in einem erfindungsgemäßen Überhitzungsschutz das geschmolzene Wachs auf.
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Vorzugsweise wird in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren der Docht parallel zu dem Träger auf den Querschnitt gewickelt. Durch die parallele Wicklung erhält der erfindungsgemäße Überhitzungsschutz eine besonders homogene Struktur. Alternativ kann der Docht abwechselnd mit dem Träger in getrennten Schichten auf den Querschnitt gewickelt werden. Weiter alternativ zur Einführung eines Dochts ist auch die Verwendung eines Wachs-Polymerverschnitts möglich, der die Viskosität des geschmolzenen Wachses erhöht.
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Vorzugsweise umfasst das Funktionsmittel ein Hydrat, wobei oberhalb der Grenztemperatur Hydratwasser aus dem Hydrat unter Aufnahme der Wärme verdunstet. Hydrate sind Feststoffe mit locker eingebundenen Wassermolekülen, die bei Erwärmen endothermal als Hydratwasser entweichen. Die Wassermoleküle können im Hydrat (als sog. Kristallwasser) in eine Kristallstruktur eingelagert oder an Ionen (Koordinationswasser), über Wasserstoffbrückenbindungen (Strukturwasser) oder chemisch (in hydratisierten Verbindungen) gebunden sein. In einem erfindungsgemäßen Verfahren kommt insbesondere Aluminiumtrihydrat als Zwischenprodukt der Aluminiumherstellung oder das natürlich vorkommende Ettringit zum Einsatz.
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Aus Ettringit entweicht das Kristallwasser ab einer Temperatur von 80 °C im Wesentlichen bis zu etwa 250 °C, aus Aluminiumtrihydrat zwischen 150 und 220 °C. Ein solcher Überhitzungsschutz puffert im Fehlerfall extreme Übertemperaturen im Schadenfall der Batteriezelle ab und vermeidet die Propagation auf benachbarte Batteriezellen. Alternativ kann ein erfindungsgemäßer Überhitzungsschutz andere Hydrate oder auch Mischungen unterschiedlicher Hydrate mit verschiedenen Grenztemperaturen enthalten, um die Wärmeaufnahme bei unterschiedlichen Temperaturniveaus zu steuern.
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Vorzugsweise wird in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Hydrat ein Bindemittel an den Träger angelagert, das das Hydrat an den Träger bindet. Das Bindemittel stabilisiert zusätzlich den erfindungsgemäßen Überhitzungsschutz und damit den Querschnitt einer havarierenden Batteriezelle und verstärkt zugleich den mechanischen Schutz einer funktionstüchtigen Batteriezelle bei einer benachbarten Havarie. Das Bindemittel kann insbesondere Polyurethan, Ethylvinylacetat oder Polyacryl in wässriger Lösung sein. Das Bindemittel ist dann in den für den Betrieb von Li-Ion Batteriezellen relevanten Temperaturbereichen stabil. Alternativ zu einer wässrigen Lösung ist auch die Verwendung eines niedrigviskosen Polymers oder Harzes möglich.
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Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Träger zunächst auf einen Kern gewickelt, der den Querschnitt aufweist, und der Überhitzungsschutz nach dem Wickeln von dem Kern abgenommen. Der Träger kann dann als Zubehör für die Herstellung von Batteriepaketen aus Batteriezellen beliebiger Herkunft bereitgestellt werden. Der Kern aus einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren kann in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wiederverwendet werden. Alternativ kann der Träger unmittelbar auf die Batteriezelle gewickelt und dadurch zugleich mit dieser verklebt werden.
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Vorzugsweise wird in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren auf den Kern zunächst ein Trennmittel aufgebracht und der Träger auf das Trennmittel gewickelt. Der erfindungsgemäße Überhitzungsschutz lässt sich dann leicht von dem Kern trennen. Als Trennmittel kommen in einem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Silikonöl, eine nicht auf dem Kern haftende Folie oder eine fest auf dem Kern angebrachte Beschichtung (beispielsweise PTFE) oder eine Kombination der vorgenannten in Betracht.
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Vorzugsweise weist in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Träger und/oder der Docht eine Zugfestigkeit von mindestens 1,8 GPa auf. Der erfindungsgemäße Überhitzungsschutz stellt dann einer Ausdehnung der havarierenden Batteriezelle in radialer Richtung einen signifikant höheren Widerstand entgegen. In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbare hochfeste Materialien sind beispielsweise Glasfasern (mit Zugfestigkeiten von 1,8...3 GPa), Carbonfasern (2,4...7 GPa) oder Aramidfasern (2,3... 3,5 GPa). Alternativ können der Träger und/oder der Docht aus anderen Natur- oder Kunstfasern bestehen, beispielsweise aus Polyethylen.
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Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich der Träger auf den Kern gewickelt, der Wickel zu einem freien Ende des Kerns vorgeschoben und der Überhitzungsschutz von dem Wickel abgelängt wird. Kontinuierliche Verfahren dieser Art sind zur Herstellung von Faserverbundrohren allgemein bekannt.
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Ausgehend von dem bekannten Überhitzungsschutz wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass als Träger ein Faden auf einen Querschnitt der Batteriezelle gewickelter wird. Der erfindungsgemäße Überhitzungsschutz entsteht nach einem der vorgenannten erfindungsgemäßen Verfahren und zeichnet sich gleichermaßen durch deren Vorteile aus.
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Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Überhitzungsschutz der Querschnitt zylindrisch. Batteriezellen mit kreiszylindrischem Querschnitt sind allgemein bekannt. Li-Ion-Zellen mit der Kurzbezeichnung 2170, also einem Durchmesser von 21 mm und einer Länge zwischen den Polen von 70 mm werden beispielsweise in der Automobil-Antriebstechnik eingesetzt.
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Ausgehend von einer allgemein bekannten Batteriezelle wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass diese einen erfindungsgemäßen Überhitzungsschutz aufweist. Die erfindungsgemäße Batteriezelle zeichnet sich gleichermaßen durch die vorstehend ausgeführten Vorteile des erfindungsgemäßen Überhitzungsschutzes aus.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
- 1 schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren,
- 2 einen Ausschnitt des Trägers in diesem Verfahren,
- 3 eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einem erfindungsgemäßen Überhitzungsschutz und
- 4-7 schematisch zweite, dritte, vierte und fünfte erfindungsgemäße Verfahren.
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In dem in 1 schematisch dargestellten ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Träger 1 von einer Garnrolle 2 über feste Umlenkelemente 3 zunächst durch ein Bad 4 geführt und dann auf einen Kern 5 gewickelt.
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Der Träger 1, ein Glasfasergarn mit einer Feinheit von 500 tex ist in 2 in einer Detailvergrößerung dargestellt: Der Träger 1 weist als sog. „texturiertes Garn“ einen aufgelösten Garnverband mit locker nebeneinander liegenden Fasern 6 auf. Der Träger 1 ist so einerseits begrenzt streckfähig und weist eine gute Aufnahmefähigkeit für Flüssigkeiten auf.
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Der Träger 1 läuft mit einer Fadengeschwindigkeit von 5 m/min von der Garnrolle 2 und in das Bad 4 mit kristallinem Ettringit als Funktionsmittel 7 mit einer Konzentration von 50 Gew% und 25 Gew% polymerem Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA) als Bindemittel 8 in wässriger Dispersion. Das Bad 4 weist eine Temperatur von 70 °C auf. Nach Austritt aus dem Bad 4 ist an und zwischen den Fasern 6 des Trägers 1 das Funktionsmittel 7 und das Bindemittel 8 in etwa 1 g/m angelagert.
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Der Kern 5 ist eine kreiszylindrische Aluminiumhülse, deren Kontur mit einer Länge 10 von 70 mm und einem Durchmesser 11 von 21 mm einer Li-Ion-Batteriezelle Typ 2170 entspricht. Vor dem Wickeln wird der Kern 5 mit Silikonöl als Trennmittel besprüht. Der Träger 1 wird innerhalb von zwei Minuten über einen in Längsrichtung 12 parallel zu dem Kern 5 geführten Schlitten 13 in einer Länge 14 von 55 mm schraubenförmig abwechselnd in rechts- und linksgängigen Lagen bis zu einem Durchmesser 15 von 24 mm gewickelt. Beim Abkühlen und Trocknen verfestigt sich das Bindemittel 8 und bildet einen festen Verbund.
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Nach dem Abnehmen von dem Kern 5 wird in den Wickel als erfindungsgemäßer Überhitzungsschutz 16 wie in 3 dargestellt eine Batteriezelle 17 vom Typ 2170 eingesetzt.
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Das in 4 schematisch dargestellte zweite erfindungsgemäße Verfahren entspricht im Wesentlichen dem ersten Verfahren aus 1. Davon abweichend ist das Funktionsmittel 18 im Bad 20 ein Paraffin-Polymerverschnitt unter einer Temperatur von 120 °C. In dem bei dieser Temperatur zähflüssigen und tropffreien Verschnitt ist das Wachs im molekularen Polymernetz gebunden. Während des Wickelns wird dem Träger 21 auf dem Kern 22 mittels einer Heizkachel 23 mit einer Heizleistung von 600 W Wärme zugeführt.
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Das in 5 schematisch dargestellte dritte erfindungsgemäße Verfahren entspricht im Wesentlichen dem ersten Verfahren aus 1. Parallel zu dem Träger 26 wird ein weiterer Träger 27 von einer Garnrolle 28 über feste Umlenkelemente 29 zunächst durch ein Bad 30 geführt und dann auf den Kern 32 gewickelt. Auch der Träger 27 ist ein Glasfasergarn mit einer Feinheit von 500 tex, das mit einer Fadengeschwindigkeit von 5 m/min von der Garnrolle 28 und in das Bad 30 läuft. In dem Bad 30 befindet sich flüssiges Wachs - hier: synthetisches Paraffin - als weiteres Funktionsmittel 31 bei einer Temperatur von 70 °C. An und zwischen den Fasern des weiteren Trägers 27 wird das weitere Funktionsmittel 31 in etwa 1 g/m an dem Träger 27 angelagert. Der Träger 26 und der weitere Träger 27 werden innerhalb von einer Minute parallel auf den Kern 32 gewickelt.
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Das in 6 schematisch dargestellte vierte erfindungsgemäße Verfahren entspricht im Wesentlichen dem dritten Verfahren aus 5. Ergänzend wird parallel zu dem Träger 33 und dem weiteren Träger 34 ein Docht 35 von einer Garnrolle 36 über feste Umlenkelemente 37 auf den Kern 38 gewickelt. Der Docht 35 ist wiederum ein Glasfasergarn mit einer Feinheit von 500 tex, das mit einer Fadengeschwindigkeit von 5 m/min von der Garnrolle 36 läuft. Der Träger 33, der Träger 34 und der Docht 35 werden innerhalb von 40 Sekunden parallel auf den Kern 38 gewickelt. Der Docht 35 nimmt einerseits aus dem Träger 34 frei werdendes Funktionsmittel 39 auf und erhöht andererseits den Widerstand des erfindungsgemäßen Überhitzungsschutzes 40 gegen eine Ausdehnung der havarierenden Batteriezelle in radialer Richtung.
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7 zeigt schematisch die kontinuierliche Herstellung eines dem Endprodukt des vierten erfindungsgemäßen Verfahren aus 6 entsprechenden erfindungsgemäßen Überhitzungsschutzes 41: Auf einen um seine Längsachse 42 rotierenden Kern 43 wird an seiner Antriebsseite 44 zunächst eine Polyesterfolie von 12 µm als Trennmittel 45, dann auf das Trennmittel 45 parallel ein Träger 46, ein weiterer Träger 47 und ein Docht 48 entsprechend dem vierten erfindungsgemäßen Verfahren gewickelt. Der Kern 43 besteht aus Stahl, weist einen Durchmesser 49 von 21 mm und eine Länge 50 von 900 mm auf und wird an der Antriebsseite 44 mit einer Geschwindigkeit von 0,6/s angetrieben.
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Das Trennmittel 45 mit dem Wickel 51 aus Träger 46, weiterem Träger 47 und Docht 48 wird mittels Vorschubrollen 52 mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 6 mm/s zu einem freien Ende 53 des Kerns 43 geschoben. Vor und hinter den Vorschubrollen wird der Wickel 51 mit zwei Heizkacheln 54 mit einer Heizleistung von je 800 W getrocknet. Anschließend wird der Wickel 51 mittels Pressrollen 55 verdichtet und mit einer um den Kern 43 geführten scharfen Klinge 56 auf eine Länge 57 von 55 mm abgelängt.
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Der geschnittene Wickel 51 wird schließlich mit einem Lack 58 überzogen, der mittels einer weiteren Heizkachel 59 mit einer Heizleistung von 800 W getrocknet wird, bevor die fertigen Überhitzungsschutze 41 an dem freien Ende 53 von dem Kern 43 abfallen.
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In den Figuren sind
- 1
- Träger (Ettringit, EVA)
- 2
- Garnrolle
- 3
- Umlenkelement
- 4
- Bad
- 5
- Kern
- 6
- Faser
- 7
- Funktionsmittel
- 8
- Bindemittel
- 10
- Länge des Kerns
- 11
- Durchmesser des Kerns
- 12
- Längsrichtung
- 13
- Schlitten
- 14
- Länge des Überhitzungsschutzes
- 15
- Durchmesser des Überhitzungsschutzes
- 16
- Überhitzungsschutz
- 17
- Batteriezelle
- 18
- Funktionsmittel
- 20
- Bad
- 21
- Träger (Verschnitt)
- 22
- Kern
- 23
- Heizkachel
- 26
- Träger (Ettringit, EVA)
- 27
- Träger (Wachs)
- 28
- Garnrolle
- 29
- Umlenkelement
- 30
- Bad
- 31
- Funktionsmittel
- 32
- Kern
- 33
- Träger (Ettringit, EVA)
- 34
- Träger (Wachs)
- 35
- Docht
- 36
- Garnrolle
- 37
- Umlenkelement
- 38
- Kern
- 39
- Funktionsmittel
- 40
- Überhitzungsschutz
- 41
- Überhitzungsschutz
- 42
- Längsachse
- 43
- Kern
- 44
- Antriebsseite
- 45
- Trennmittel
- 46
- Träger (Ettringit, EVA)
- 47
- Träger (Wachs)
- 48
- Docht
- 49
- Durchmesser
- 50
- Länge
- 51
- Wickel
- 52
- Vorschubrolle
- 53
- freies Ende
- 54
- Heizkachel
- 55
- Pressrolle
- 56
- Klinge
- 57
- Länge
- 58
- Lack
- 59
- Heizkachel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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