-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Energiespeicher, ein Fortbewegungsmittel, ein Zellvent sowie ein Herstellungsverfahren für ein Zellvent für einen elektrochemischen Energiespeicher. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Absicherung eines elektrochemischen Energiespeichers gegen Fehlerfälle.
-
Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Ein für die Energiespeicherung verwendeter Ansatz besteht in der Verwendung elektrochemischer Energiespeicher auf Lithium-Ionen-Basis. Bei Fehlerfällen innerhalb der Zelle oder im Falle einer Beschädigung der Zelle von außen kann die Energie innerhalb des Energiespeichers zu einem Havarie Fall führen. Beispielsweise im Falle einer thermischen Triggerung (d.h. Erreichen einer kritischen Temperatur) schrumpft/schmilzt der Separator und führt zu einem großflächigen internen Kurzschluss der Zellen (Anode zu Kathode). In diesem Moment finden mehrere exotherme Reaktionen in der Zelle gleichzeitig statt (weitere Schrumpfung des Separators, Zersetzung und somit SauerstoffFreisetzung der Kathode, Degradation der Schutzschicht der Anode, etc.). Diese Reaktionskaskade kann zur Folge haben, dass das entstehende Gas in diesen Reaktionen nicht durch den geplanten Gas Kanal und das Überdruckventil (Zellvent) abgeführt werden kann. Hier kann es wiederum zu ungewünschten Nebeneffekten kommen, z.B. Verblockung des Zellvents durch den Stack oder Auswurf, Ausbauchen oder Verformen der Zelle vor Öffnen des Vents durch Gasbildung, etc. Diese unerwünschten Nebeneffekte haben einen starken Einfluss auf die Propagation im Speicher und damit die Sicherheit des Fahrzeugs.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik im Falle von Fehlerfällen zu lindern bzw. auszuräumen. Insbesondere soll das Auftreten von Gasblasen in der Ramp-up-Phase der Temperatur und die damit verbundenen Effekte wie Jelly-Roll/Stack Bewegung oder Auswurf bzw. Zellvent-Verstopfung lösen bzw. verhindern. Zeitgleich soll das Problem der Wasserdiffusion in die Zelle, insbesondere durch das Zellvent, behoben werden bzw. Maßnahmen gegen eine Wasserdiffusion in die Zelle nicht geschwächt werden.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass ein 2-stufiges temperatursensibles Zellvent in der Außenhaut (Gehäuse) eines elektrochemischen Energiespeichers vorgesehen wird. Dieses öffnet im Falle einer thermischen Anomalie oberhalb einer vordefinierten Temperaturschwelle, so dass frühzeitig Druck abgebaut werden kann, wenn eine thermische Triggerung des elektrochemischen Energiespeichers erfolgt. Der frühzeitige Druckabbau hilft dabei, den Druckabbau geordnet und insbesondere ohne Blockade des Zellvents durch Bestandteile des Energiespeichers zu gestalten.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Zellvent für einen elektrochemischen Energiespeicher vorgeschlagen, welcher beispielsweise als Traktionsenergiespeicher für ein Fortbewegungsmittel ausgestaltet sein kann. Der elektrochemische Energiespeicher kann auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie aufgebaut sein. Das Zellvent umfasst eine erste Schicht mit einem Metall oder aus einem Metall. Das Metall kann beispielsweise Aluminium sein oder umfassen. Die erste Schicht verschließt eine Gehäuseöffnung des elektrochemischen Energiespeichers, welcher für einen Druckabbau im Falle einer thermischen und/oder drucktechnischen Anomalie vorgesehen ist.
-
Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine zweite Schicht, umfassend einen Kunststoff, vorgesehen, welche ebenfalls den elektrochemischen Energiespeicher bzw. dessen Druckabbauöffnung, verschließt. Die zweite Schicht kann insbesondere vollständig aus Kunststoff bzw. aus dem ersten Kunststoff gefertigt sein. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind in derselben Öffnung des elektrochemischen Energiespeichers angeordnet. Hierbei liegen sie bezüglich eines Druckgefälles am Zellvent hintereinander bzw. bezüglich einer Strömungsrichtung durch das Zellvent nach einem Öffnen bzw. Ansprechen des Zellvents hintereinander. Man könnte auch sagen, dass die erste Schicht und die zweite Schicht in Serie hintereinanderliegend angeordnet sind. Indem der Kunststoff der zweiten Schicht im Falle einer thermischen Triggerung früher anspricht als die erste Schicht, kann die zweite Schicht im Falle einer thermischen Triggerung früher geschwächt werden, als es im Stand der Technik mit lediglich einer ersten Schicht im Zellvent der Fall war. Indem die erste Schicht und die zweite Schicht in Serie hintereinandergeschaltet sind, kann die erste Schicht gegen einen Druck innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers durch die zweite Schicht unterstützt werden, solange diese intakt ist. Dies bedeutet, dass die erste Schicht dünner als im Stand der Technik ausgeführt werden kann. Dies wiederum bedeutet, dass nach einem Ansprechen der zweiten Schicht auf eine vordefinierte Temperatur innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers der volle Druckunterschied auf der ersten Schicht lastet und auch diese Schicht früher ansprechen kann, als es im Stand der Technik der Fall war. Somit kann ein Druckabbau im Zuge eines Havarie-Falls durch thermische Triggerung besser vorgenommen werden und unvorhergesehene Vorgänge beim Ausströmen von Gas und Material aus dem elektrochemischen Energiespeicher können vermieden werden.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Das Zellvent kann eine Sollbruchstelle aufweisen, welche beispielsweise innerhalb der ersten Schicht angeordnet ist. Hierzu kann das Zellvent eine vordefinierte Schwächung nach Art eines Grabens oder eines Schlitzes aufweisen. Um Wasserdiffusion durch die Sollbruchstelle zu verhindern, kann ein dritter Kunststoff im Bereich der Sollbruchstelle vorgesehen sein, welcher eine Barriere für diffundierenden Wasserdampf darstellt, die mechanische Festigkeitseinbuße, welche mit der Sollbruchstelle bezweckt wird, jedoch nicht vollständig kompensiert. Um im Falle eines Ansprechens der Sollbruchstelle eine hinreichend große Öffnung im Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers herzustellen, kann die Sollbruchstelle eine Ringform aufweisen. Insbesondere kann die Ringform an die Gehäuseöffnung derart angepasst sein, dass der Ring in einem Außenbereich der ersten Schicht angeordnet ist bzw. sich an einer Wandung der Öffnung im Gehäuse entlang zieht. Hierbei kann die Ringform der Sollbruchstelle eine Unterbrechung aufweisen, wodurch nach dem Ansprechen der Sollbruchstelle der anteilig abgelöste Bereich noch immer mit den restlichen Bereichen der ersten Schicht verbunden ist, so dass ein Herabfallen eines Teils der ersten Schicht in den Energiespeicher bzw. dessen Gehäuse verhindert wird. Eine entsprechende Ausgestaltung ist bei Getränkedosen bekannt.
-
Wenn der erste Kunststoff eine geringere Temperaturfestigkeit aufweist, als der dritte Kunststoff, ist sichergestellt, dass die zweite Schicht im Falle einer thermischen Triggerung als erstes nachgibt, so dass anschließend der gesamte Druck bzw. die gesamte Wärme der Reaktionen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers auf den dritten Kunststoff wirken und hierbei die Sollbruchstelle weiter schwächen. Anschließend gibt auch die erste Schicht nach, dies jedoch bei einem geringeren Zellinnendruck als im Stand der Technik, so dass unvorhergesehene Vorgänge und eine Blockade des Zellvents weniger wahrscheinlich sind.
-
Das erfindungsgemäße Zellvent kann beispielsweise bei Temperaturen ab 70°C, ab 80°C, ab 90°C oder ab 100°C ansprechen und eine Öffnung im elektrochemischen Energiespeicher zumindest anteilig freigeben. Alternativ oder zusätzlich betreffen die vorgenannten Temperaturbereiche lediglich eine der beiden Schichten. Grundsätzlich kann die Temperaturbeständigkeit auch etwas höher gewählt werden, so dass Temperaturen bis 110°C oder 120°C erforderlich sind, um die erste Schicht und/oder die zweite Schicht des Zellvents zu öffnen. Gemeinsam sind die erste Schicht und die zweite Schicht des Zellvents imstande, einen Gasdruck von 7 bis 15 Bar jeweils zu widerstehen bzw. ab einem Gasdruck von 7 bis 15 Bar zu öffnen/reißen. Die Sollbruchstelle in der ersten Schicht kann insbesondere 100 bis 150 Mikrometer dick ausgestaltet sein, so dass bei einer Verwendung von Aluminium eine Druckresistenz im Bereich von 7 bis 15 Bar erreicht wird.
-
Die erste Schicht und die zweite Schicht können unmittelbar aufeinanderliegend angeordnet sein. Beispielsweise können sie aufeinander laminiert und/oder geklebt sein. Insbesondere können sie durch Wärmeeinwirkung aneinanderhaften. Alternativ kann die erste Schicht zur zweiten Schicht separat ausgeführt sein, so dass zwischen beiden Schichten ein Gas oder ein Fluid als Barriere für eine Wasserdiffusion bestehen kann. Beispielsweise kann ein Öl oder ein anderer geeigneter Stoff eine weitere Barriere bezüglich der Wasserdiffusion darstellen, ohne dass eine nennenswerte Zug- oder Temperaturfestigkeit von dem Füllstoff ausgeht. Die Auslegung des Zellvents gegen Überdruck und Übertemperatur wird somit durch den Stoff kaum beeinflusst.
-
Die zweite Schicht kann insbesondere eingerichtet sein, einem geringeren maximalen Gasdruck im elektrochemischen Energiespeicher als die erste Schicht zu widerstehen. Mit anderen Worten wird beim Ansteigen des Gasdrucks im elektrochemischen Energiespeicher zunächst die zweite Schicht nachgeben, im Ansprechen worauf der gesamte Gasdruck auf der ersten Schicht lastet. Auf diese Weise kann eine zweistufige Öffnung des Zellvents erzielt werden, während zwischen den beiden Stufen ein etwaig zwischen den beiden Schichten angeordnetes Volumen zu einem zwischenzeitlichen Druckabbau des Zellinnendrucks führt und die Wahrscheinlichkeit einer explosionsartigen Öffnung des Zellvents weiter verringert.
-
Die zweite Schicht kann eine Einlage aus einem zweiten Kunststoff aufweisen, welcher eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Beispielsweise kann die Einlage ein Netz oder ein Gitter o.ä. darstellen, welches aus dem zweiten Kunststoff gefertigt ist. Die Öffnungen des Netzes oder Gitters werden nun von dem ersten Kunststoff verschlossen, welcher im Falle einer thermischen Triggerung die Öffnungen einzeln bzw. nach und nach freigibt. Einerseits kann hierdurch der Druckabbau allmählich erfolgen, andererseits durch die Einlage verhindert werden, dass Fremdkörper, insbesondere Bestandteile der ersten Schicht, in das Zellinnere gelangen. Zudem kann über die Einlage aus dem zweiten Kunststoff eine mechanische (Druck-)Stabilität im Wesentlichen unabhängig von einer thermischen Widerstandskraft der zweiten Schicht gestaltet werden.
-
Insbesondere kann der erste Kunststoff auch eine geringere Temperaturfestigkeit als der zweite Kunststoff aufweisen. Somit kann die Einlage auch im Falle höherer Temperaturen fortbestehen, so dass die o.g. Vorteile auch bei diesen höheren Temperaturen erzielt werden.
-
Insbesondere kann die Temperaturbeständigkeit des zweiten Kunststoffs höher als die Temperaturbeständigkeit des ersten und des dritten Kunststoffs sein, während die Temperaturbeständigkeit des dritten Kunststoffs sich zwischen der Temperaturbeständigkeit des ersten Kunststoffs und des zweiten Kunststoffs befindet. Auf diese Weise kann ein thermisches Ansprechen beider Schichten gewährleistet werden, während die Einlage aus dem zweiten Kunststoff die Öffnung weiter gegen das Eindringen von Fremdkörpern schützt.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für ein Zellvent vorgeschlagen, wie es oben in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt bereits im Detail beschrieben worden ist. In dem Herstellungsverfahren können die erste Schicht und die zweite Schicht aus einer jeweiligen Folie ausgestanzt werden. Hierzu können die beiden Folien zunächst übereinandergelegt und anschließend mit einem einzigen Stanzvorgang die erste Schicht und die zweite Schicht für das Zellvent erzeugt werden. Je nach Ausgestaltung können zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie weitere Schichten oder Materialien/Stoffe angeordnet werden, welche anschließend beispielsweise auch beim Zellvent zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verbleiben, bis der Fehlerfall eintritt. Beispielsweise können zwischen der ersten Folie und der zweiten Folie ein Öl, ein Fett, ein Klebstoff oder weitere Folien angeordnet werden, welche anschließend zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet sind und dort verbleiben. Im Zuge des Ausstanzens können die erste Schicht und die zweite Schicht auch (z.B. thermisch) miteinander verbunden werden. Insbesondere in den Randbereichen zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann im Zuge des Ausstanzens ein Quetschvorgang thermische Energie und/oder Reibkräfte erzeugen. In einem weiteren Schritt wird eine Öffnung in einem Zellgehäuse eines elektrochemischen Energiespeichers mittels der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschlossen. Hierbei kann beispielsweise insbesondere die erste Schicht mittels Laserschweißen und/oder Reibschweißen in der Öffnung befestigt werden. Hierbei kann eine metallische Verbindung zwischen der ersten Schicht und der Öffnung bzw. dem Gehäuse des elektrochemischen Energiespeichers hergestellt werden. Hierbei kann es sich um eine stoffschlüssige Verbindung handeln. Sofern die zweite Schicht für einen Laserschweißvorgang keine hinreichend hohe Temperaturfestigkeit aufweist (oder aus anderen Gründen ein Laserschweißen nicht erwünscht ist), kann die zweite Schicht in einem separaten Fügeschritt mit der Öffnung des Zellgehäuses verbunden werden. Beispielsweise kann ein Reibschweißvorgang, ein Klebevorgang o.ä. vor oder nach der Montage der ersten Schicht stattfinden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Klemmen der ersten Schicht und/oder der zweiten Schicht im Bereich der Öffnung (z.B. durch eine Ringdichtung oder einen Ringflansch) die erste Schicht und die zweite Schicht gegenüber dem Gehäuse befestigen und das im Zellgehäuse befindliche Volumen somit bis zum Eintreten des Fehlerfalls zuverlässig verschließen.
-
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein elektrochemischer Energiespeicher, z.B. eine Traktionsbatterie für ein Fortbewegungsmittel, vorgeschlagen, welches zumindest ein Zellvent gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Der elektrochemische Energiespeicher kann Speicherzellen aufweisen, deren Energie in einem Fehlerfall durch das erfindungsgemäße Zellvent abgebaut werden kann. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechend derart ersichtlich denjenigen des erfindungsgemäßen Zellvents, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches einen elektrochemischen Energiespeicher gemäß dem drittgenannten Erfindungsaspekt oder ein Zellvent gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Auch bezüglich der Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile des erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichers mit einem Ausführungsbeispiel eines Zellvents;
- 2 eine perspektivische Detailansicht eines Ausführungsbeispiels des Zellvents; und
- 3 Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Ausführungsbeispiels des Herstellungsverfahrens für ein Zellvent.
-
1 zeigt einen elektrisch antreibbaren PKW als Fortbewegungsmittel 10, welcher über einen Traktionsenergiespeicher als elektrochemischer Energiespeicher 2 verfügt. Zum Abbau eines Überdrucks im Fehlerfall ist der elektrochemische Energiespeicher 2 durch ein Zellvent 1 abgesichert, welches in 2 im Detail beschrieben wird.
-
2 zeigt einen elektrochemischen Energiespeicher 2, in dessen Gehäuse 11 ein Zellvent 1 eingebaut ist. Das Zellvent 1 umfasst in einer Öffnung 9 eine erste Schicht 3 und eine darunterliegende zweite Schicht 6, so dass die Schichten 3, 6 hintereinanderliegend angeordnet sind. Hierbei ist die zweite Schicht 6 dem Zellinneren näherliegend angeordnet, als die erste Schicht 3. Die erste Schicht 3 weist eine Membran aus Metall 4 auf, welche eine ringförmige Sollbruchstelle, umfassend einen dritten Kunststoff 5, aufweist. Wenn der dritte Kunststoff 5 schmilzt oder anderweitig nachgibt, wird eine kreisförmige Öffnung innerhalb der ersten Schicht 3 für den Austritt von Gas und Material freigegeben. De zweite Schicht 6 weist ein Geflecht aus einem zweiten Kunststoff 8 und einen das Geflecht überziehenden und die Öffnungen im Geflecht verschließenden ersten Kunststoff 7 auf. Der erste Kunststoff 7 ist vergleichsweise wenig temperaturbeständig, so dass er von den dargestellten Materialien im Falle einer thermischen Triggerung als erstes nachgibt. Hierdurch werden Öffnungen im Geflecht des zweiten Kunststoffs 8 freigegeben und die erste Schicht 3 wird infolgedessen thermisch und drucktechnisch beansprucht. Sobald die Sollbruchstelle in Form des dritten Kunststoffs 5 angesprochen hat, können Gas und Material im Wesentlichen ungehindert entweichen und ein Verstopfen der Öffnung 9 ist aufgrund des rechtzeitigen Ansprechens des Zellvents 1 nicht zu befürchten.
-
3 zeigt Schritte eines Herstellungsverfahrens für ein Zellvent 1, wie es in 2 im Detail dargestellt worden ist. In einem ersten Schritt 100 wird die erste Schicht aus einer ersten Folie ausgestanzt. In einem zweiten Schritt 200 wird die zweite Schicht aus einer zweiten Folie ausgestanzt. Hierzu können die erste Folie und die zweite Folie zunächst übereinandergelegt und in einem gemeinsamen Stanzschritt ausgestanzt werden. Mit anderen Worten können die Schritte 100 und 200 zeitgleich oder zeitlich (in beliebiger Reihenfolge) nacheinander ausgeführt werden. In Schritt 300 wird eine Öffnung in einem Zellgehäuse für einen elektrochemischen Energiespeicher mittels der ersten Schicht und der zweiten Schicht verschlossen. Hierzu wird ein Hitzeeintrag im Randbereich der ersten Schicht und der zweiten Schicht gewählt, welcher die erste Schicht und die zweite Schicht mit der Öffnung des elektrochemischen Energiespeichers fluiddicht verschließt. Die zweite Schicht ist dem Zellinneren näher angeordnet und somit zwischen den Speicherzellen und der ersten Schicht gelegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zellvent
- 2
- elektrochemischer Energiespeicher
- 3
- erste Schicht
- 4
- Metall
- 5
- dritter Kunststoff
- 6
- zweite Schicht
- 7
- erster Kunststoff
- 8
- zweiter Kunststoff
- 9
- Öffnung
- 10
- Fortbewegungsmittel
- 11
- Gehäuse
- 100 bis 300
- Verfahrensschritte
