DE102021134531A1

DE102021134531A1 - Wärmeleitmatte für einen Energiespeicher, Energiespeicher und Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines Energiespeichers

Info

Publication number: DE102021134531A1
Application number: DE102021134531.6A
Authority: DE
Inventors: Ruben Heid; Jesse Hasenmayer; Michael Schüssler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitmatte (18) für einen Energiespeicher (10), zur Anordnung zwischen einer Batterieeinheit (12) und einem Träger (12) des Energiespeichers (10). Dabei umfasst die Wärmeleitmatte (18) eine Mittelschicht (24), die bezüglich einer ersten Richtung (z) eine Oberseite (24a) und eine Unterseite (24b) aufweist, wobei die Mittelschicht (24) expandiertes Graphit (22) umfasst, welches bezüglich der ersten Richtung (z) nur zum Teil komprimiert ist, so dass die Wärmeleitmatte (18) bezüglich der ersten Richtung (z) lokal komprimierbar ist. Zudem umfasst die Wärmeleitmatte (18) eine Mantelanordnung (26) mit einer ersten Mantelschicht (26a), die auf der Oberseite (24a) angeordnet ist, und einer zweiten Mantelschicht (26b), die auf der Unterseite (24b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitmatte für einen Energiespeicher, zur Anordnung zwischen einer Batterieeinheit und einem Träger des Energiespeichers. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher und ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines Energiespeichers.
Um bei Elektrofahrzeugen die bei der Schnellladung und beim Leistungsabruf in den Hochvoltbatterien entstehende Wärme abführen zu können, kommt zwischen Batteriemodul und Kühlboden typischerweise ein Thermal-InterfaceMaterial (TIM) zum Einsatz. Dabei handelt es sich klassischerweise um viskose Gapfiller oder vernetzte Gappads. Diese thermischen Interfacematerialien müssen dabei vielfältige Funktionen vereinen: Neben der Hauptanforderung der Wärmeleitfähigkeit zur Abfuhr von Wärmeenergie aus den Batteriemodulen sollten die thermischen Interfacematerialien auch fähig sein, gewisse Spalttoleranzen ausgleichen zu können. Hierfür ist eine definierte Fließfähigkeit der Gapfiller beziehungsweise Kompressibilität des Gappads unter möglichst geringen Kräften wünschenswert, da die Batteriemodule beim Setzprozess bei zu hohen Kräften beschädigt werden können. Zudem sollte durch die thermischen Interfacematerialien oft auch die Demontierbarkeit der Batteriemodule im Servicefall ermöglicht werden.
Weiterhin sind auch Wärmeleitelemente oder Wärmeleitplatten aus dem Stand der Technik bekannt, die Graphit umfassen, da Graphit eine sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2017 216 105 A1 ein Wärmeleitelement, welches Graphit und ein mikroverkapseltes Face-Change-Material (PCM) umfasst. Diese Wärmeleitelemente werden dabei zwischen Pouchzellen angeordnet.
Wärmeleitelemente aus Graphit haben jedoch den Nachteil, dass diese nicht sonderlich anpassungsfähig sind. Insbesondere sind diese relativ unbiegsam, weshalb die US 10,985,416 B2 eine Wärmeleitplatte beschreibt, die eine Graphitplatte umfasst, die zwischen isolierenden Schichten eingeschlossen ist. Die Graphitschicht weist dabei längliche Ausschnitte auf, um die Wärmeleitplatte besser um Ecken und Kanten biegen zu können.
Für den oben genannten Einsatzzweck zwischen Batteriemodul und Kühlboden ist jedoch gerade eine gute Anpassungsfähigkeit zum Ausgleichen von Spalthöhentoleranzen wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wärmeleitmatte, einen Energiespeicher und ein Verfahren bereitzustellen, die eine möglichst gute und effiziente thermische Anbindung einer Batterieeinheit an einen Träger ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmeleitmatte, einen Energiespeicher und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Wärmeleitmatte für einen Energiespeicher, zur Anordnung zwischen einer Batterieeinheit und einem Träger des Energiespeichers, weist dabei eine Mittelschicht auf, die bezüglich einer ersten Richtung eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Mittelschicht expandiertes Graphit umfasst, welches bezüglich der ersten Richtung nur zum Teil komprimiert ist, sodass die Wärmeleitmatte bezüglich der ersten Richtung lokal komprimierbar ist, und eine Mantelanordnung mit einer ersten Mantelschicht, die auf der Oberseite angeordnet ist, und einer zweiten Mantelschicht, die auf der Unterseite angeordnet ist.
Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: Aus expandiertem Graphit lassen sich beispielsweise Wärmeleitfolien oder Wärmeleitplatten herstellen, indem das expandierte Graphit verdichtet wird. Hierbei wird das Graphit, insbesondere das pulverförmige Graphitexpandat, üblicherweise derart verdichtet, dass die resultierende Platte oder Folie kaum noch komprimierbar ist und daher auch nicht ausgelegt ist, um eventuelle Toleranzen bezüglich der ersten Richtung, das heißt also beispielsweise senkrecht zu einer Oberfläche einer solchen Platte oder Folie, auszugleichen. Im unverdichteten Zustand dagegen liegt expandiertes Graphit als Schüttgut vor, ähnlich einem Pulver aus kleinen würmchenförmigen Teilchen. Selbst im nur teilweise komprimierten Zustand beziehungsweise nur teilweise verdichteten Zustand besteht das Problem, dass sich einzelne Blähgraphitwürmchen aus dem Verbund lösen können. Gerade bei einer Verwendung in einem Energiespeicher kann dies zu Problemen führen, da Graphit elektrisch leitfähig ist. Somit könnte sich eine nicht zu vernachlässigende Anzahl an elektrisch leitfähigen Kleinstpartikeln in einer Hochvoltbatterie als Beispiel für einen solchen Energiespeicher undefiniert ansammeln, was sich mit Blick auf die Hochvoltsicherheit problematisch darstellen kann. Die Erfindung löst nun diese Probleme vorteilhafterweise dadurch, dass zum einen das expandierte Graphit, welches in der Mittelschicht der Wärmeleitmatte bereitgestellt wird, bezüglich der ersten Richtung nur zum Teil komprimiert, das heißt verdichtet, ist. Das bedeutet, dass durch dieses nur teilweise Verdichten eine gewisse Restkompressibilität dieser Mittelschicht bezüglich der ersten Richtung auch weiterhin gegeben ist, insbesondere eine lokale Komprimierbarkeit, die sich folglich dazu eignet, lokal unterschiedliche Spalthöhen zwischen zum Beispiel der Batterieeinheit und dem Träger des Energiespeichers auszugleichen. Lokal komprimierbar soll also bedeuten, dass durch eine lokale Druckeinwirkung auf die Mittelschicht, diese am Ort der Druckausübung komprimiert, ohne dass dadurch auch andere entferntere Stellen der Mittelschicht komprimiert werden. Durch diese lokale Komprimierbarkeit kann sich also die Wärmeleitmatte vorteilhafterweise der Oberflächengeometrie des Trägers einerseits und der Batterieeinheit andererseits optimal und lokal angleichen, sodass vorteilhafterweise Lufteinschlüsse zwischen dem Träger und der Batterieeinheit vermieden werden können. Diese würden andernfalls die thermische Leitfähigkeit extrem herabsetzen. Da sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite der Mittelschicht eine Mantelschicht, z.B. eine Folie, angeordnet ist, kann zudem verhindert werden, dass sich einzelne Blähgraphitwürmchen aus dem Graphitverbund der Mittelschicht lösen und sich damit unkontrolliert im Batteriegehäuse ansammeln können. Durch das Vorsehen der Mantelanordnung werden auch die Handlingseigenschaften im Montageprozess und/oder Logistikprozess der ummantelten Blähgraphitplatten beziehungsweise Mittelschicht wesentlich verbessert. Gleichzeitig können durch diese Mantelschichten noch weitere sehr vorteilhafte Funktionen übernommen werden, wie dies später näher erläutert wird. Damit ist es nun vorteilhafterweise möglich, eine Wärmeleitmatte mit expandiertem Graphit auch für den Einsatz zwischen einer Batterieeinheit, zum Beispiel einer Batteriezelle oder einem Batteriemodul eines Energiespeichers, und einem Träger des Energiespeichers, zum Beispiel einem Kühlboden, zu nutzen und hierdurch nicht nur eine besonders gute thermische Anbindung einer solchen Batterieeinheit an den Träger durch die hohe Wärmeleitfähigkeit zu ermöglichen, sondern dies zudem auch dadurch zu bewerkstelligen, dass Spalthöhentoleranzen eines Zwischenraums zwischen der Batterieeinheit und dem Träger beziehungsweise Spalts, in welchem die Wärmeleitmatte angeordnet ist bzw. anzuordnen ist, auszugleichen. Somit erlaubt es die Wärmeleitmatte, einen solchen Zwischenraum zwischen der Batterieeinheit und dem Träger optimal auszufüllen und sich dabei an die Oberflächengeometrien sowohl des Trägers als auch der Batterieeinheit lokal anzugleichen.
Die Wärmeleitmatte ist dabei im Allgemeinen flächig ausgebildet. Dies bedeutet, dass sie in der ersten Richtung eine Dicke aufweist, die um Größenordnungen kleiner ist als ihre übrigen Abmessungen senkrecht zur ersten Richtung, also beispielsweise kleiner als eine Länge und eine Breite der Wärmeleitmatte in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung, die jeweils senkrecht zueinander und zur ersten Richtung ausgerichtet sind. Die Dicke der Wärmeleitmatte, insbesondere die Dicke der Mittelschicht, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen einem Millimeter und maximal 10 Millimetern, bevorzugt maximal fünf Millimetern. Dadurch lässt sich folglich eine extrem dünne Wärmeleitmatte bereitstellen, was es wiederum erlaubt, Spalthöhen zwischen der Batterieeinheit und dem Träger des Energiespeichers auf ein Minimum zu reduzieren. Wird die Wärmeleitmatte im Energiespeicher verbaut und dabei insbesondere zwischen der Batterieeinheit und dem Träger angeordnet, so kann zudem auch eine erneute Verdichtung dieser Wärmeleitmatte, insbesondere der Mittelschicht, mit dem expandierten, bereits vorkomprimierten Graphit erfolgen, indem die Batterieeinheit auf die auf dem Träger bereits angeordnete Wärmeleitmatte aufgesetzt und zum Beispiel mit einer definierten Kraft angedrückt wird. Dadurch kann sich die Dicke der Wärmeleitmatte in der ersten Richtung zusätzlich reduzieren, insbesondere global und auch lokal unterschiedlich, um sich an unterschiedliche Höhentoleranzen anzugleichen. Die Dicke der Wärmeleitmatte im verbauten Zustand kann dann zum Beispiel zwischen 0,2 Millimetern und drei Millimetern liegen.
Das expandierte Graphit kann auch als Blähgraphit bezeichnet werden. Das teilweise komprimierte, expandierte Graphit der Mittelschicht weist eine thermische Leitfähigkeit im Bereich zwischen 4 W/(mK) und 5 W/(mK) auf. Weiterhin weist das teilweise verdichtete expandierte Graphit eine Dichte in der Größenordnung von zirka 0,1 g/cm³ auf. Im Vergleich hierzu weisen typische viskose Gapfiller eine Dichte im Bereich von zirka 3 g/cm³ auf. Hierdurch zeigt sich der große Vorteil der Verwendung von teilweise komprimiertem, expandiertem Graphit in einer Wärmeleitmatte, da diese ein deutlich geringeres Gewicht aufweist, als typische Gapfillerschichten. So kann insgesamt enorm Gewicht eingespart werden. Die Mittelschicht besteht dabei zum Großteil aus dem nur teilweise komprimierten, expandierten Graphit, welches im Folgenden auch einfach nur als expandiertes Graphit oder Blähgraphit bezeichnet wird. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Mittelschicht auch weitere Elemente umfasst, wie die nachfolgend noch näher erläuterte Stützstruktur oder eine Polymermatrix. Ohne Ausschluss dieser optionalen Ausführungsformen wird die Mittelschicht im weiteren Verlauf zur Vereinfachung zum Teil auch als Blähgraphitplatte oder Blähgraphitschicht bezeichnet. Eine solche Blähgrafitplatte kann optional also neben dem vorkomprimierten Graphit noch weitere Nebenbestandteile aufweisen.
Die erste und die zweite Mantelschicht können im Prinzip aus jedem beliebigen Material, insbesondere anorganischem oder organischem Material gebildet sein. Zudem können die Mantelschichten aus einem gleichen Material oder aus zueinander verschiedenen Materialien gebildet sein. Bevorzugt sind die Mantelschichten zudem als Folien ausgebildet. Es kann aber auch zumindest eine der Mantelschichten aus einem bei der Beschichtung viskosen und ausgehärteten bzw. vernetzten Material, z.B. einem herkömmlichen Gapfillermaterial bzw. thermischen Interfacematerial sein. Die jeweiligen Mantelschichten müssen dabei nicht notwendigerweise die Oberseite beziehungsweise Unterseite der Mittelschicht vollständig bedecken. Auch ist es nicht erforderlich, dass es sich bei der ersten und zweiten Mantelschicht um unterschiedliche Folien handeln muss. Diese können beispielsweise auch durch eine gemeinsame Gesamtfolie bereitgestellt und einstückig ausgebildet sein und somit Abschnitte einer Gesamtfolie darstellen, die die Mittelschicht umgeben kann.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die erste Mantelschicht die Oberseite sowie die zweite Mantelschicht die Unterseite zumindest zum Großteil und vorzugsweise mindestens fast vollständig oder vollständig abdeckt, z.B. bis auf später näher beschriebene Entlüftungslöcher bzw. Perforationslöcher. Hierdurch kann das Risiko, dass sich einzelne Partikel aus der Mittelschicht lösen, minimiert werden. Zudem kann die Mantelanordnung nicht nur zwei Mantelschichten, sondern auch mehrere Mantelschichten, insbesondere Folien, umfassen, insbesondere mehrere Mantelschichten, sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite der Mittelschicht. Diese können je nach zu erfüllender Funktion unterschiedlich ausgestaltet sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Mantelanordnung mehrere Mantelschichten umfassend die erste und zweite Mantelschicht, wobei nur eine der Mantelschichten der Mantelanordnung elektrisch isolierend ausgebildet ist. Durch eine elektrisch isolierend ausgebildete Mantelschicht, z.B. eine Kunststofffolie, lässt sich vorteilhafterweise eine elektrische Isolierung zwischen der Batterieeinheit und dem Träger einerseits bereitstellen, sowie zum Beispiel auch zwischen den einzelnen zum Beispiel von der Batterieeinheit umfassten Batteriezellen untereinander, wenn diese auf der elektrisch isolierenden Folie der Wärmeleitmatte angeordnet werden. Entsprechend ist es zudem bevorzugt, dass die elektrisch isolierende Mantelschicht auf der Oberseite der Mittelschicht angeordnet ist, das heißt also die erste Mantelschicht darstellt oder auf der ersten Mantelschicht angeordnet ist, und die äußerste Schicht der Mantelanordnung auf der Oberseite der Mittelschicht darstellt, wobei die Oberseite der Mittelschicht wiederum diejenige Seite darstellt, die bezüglich der bestimmungsgemäßen Einbaulage der Wärmeleitmatte in einem Energiespeicher der Batterieeinheit zugewandt ist. Nichtsdestoweniger lässt sich die elektrisch isolierende Folie auch auf der Unterseite der Mittelschicht bereitstellen, zum Beispiel als die zweite Folie oder unterhalb der zweiten Folie. Auch in diesem Fall kann eine elektrische Isolierung zwischen Batterieeinheit und Träger bereitgestellt werden. Da elektrisch isolierende Materialien typischerweise eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweisen als elektrisch leitfähige Materialien, ist es entsprechend bevorzugt und vorteilhaft, wenn die Mantelanordnung nur eine solche elektrisch isolierende Mantelschicht umfasst. Mit anderen Worten soll bezüglich des Schichtaufbaus der Wärmeleitmatte in der ersten Richtung nur eine dieser Schichten als solche elektrisch isolierende Schicht ausgebildet sein und z.B. durch eine elektrisch isolierende Folie bereitgestellt sein. Die elektrisch isolierende Folie kann zum Beispiel aus PTFE (Polytetrafluoreten), PC (Polykarbonat), PP (Polypropylen) oder PET (Polyethylenterephthalat) bestehen oder aus einer Kombination dieser Materialien gebildet sein. Diese elektrisch isolierende Folie kann wie beschrieben entweder direkt auf die Blähgraphitplatte, zum Beispiel auf deren Oberseite, aufgebracht werden oder alternativ als Zusatzfolie auf die schon bestehende Ummantelung geklebt werden, das heißt beispielsweise auf die erste Folie. Die restlichen Mantelflächen beziehungsweise Folien oder im Allgemeinen Mantelschichten können entweder aus einer thermisch leitfähigen, nicht aus Kunststoff bestehenden Folie realisiert werden, oder die Mittelschicht wird ausschließlich mit derselben Kunststofffolie vollständig oder partiell ummantelt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und/oder die zweite Mantelschicht als eine Metallfolie ausgebildet. Durch eine Metallfolie lässt sich eine sehr gute thermische Leitfähigkeit bereitstellen und gleichzeitig kann auch durch eine solche Metallfolie verhindert werden, dass sich Blähgraphitwürmchen aus dem Blähgraphitverbund der Mittelschicht lösen. Aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit einer solchen Metallfolie besteht zudem die Möglichkeit, die Wärme zusätzlich in Richtung der Folienebene abzuführen, das heißt also senkrecht zur ersten Richtung. Damit wird ein weiterer Wärmetransportweg bereitgestellt, indem die Wärme nicht nur direkt durch die ummantelte Blähgraphitplatte oder im Allgemeinen die ummantelte Mittelschicht und damit quer zur Folienebene transferiert wird, sondern auch zum Beispiel um die Platte herum entlang der Oberfläche von der Oberseite auf die Unterseite geleitet wird. Besonders zum Tragen kommt dies bei der Verwendung von stark anisotrop gerichteten Materialien, welche eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit in einer Ebene haben als quer zu dieser. Durch diesen zweiten Wärmetransportmechanismus lässt sich die thermische Performance der ummantelten Blähgraphitplatte weiter optimieren. Beispielsweise lässt sich hierdurch auch eine thermische Kopplung von Batteriezellen oder Batteriemodulen untereinander bereitstellen, sodass eine bessere thermische Homogenisierung dieser Zellen oder Module untereinander erreicht werden kann. Dies ist wiederum förderlich für die Lebensdauer der Batterie beziehungsweise des Energiespeichers im Allgemeinen.
Die Mantelschichten der Mantelanordnung, das heißt also die erste und zweite Mantelschicht sowie optionale weitere Schichten, können aber auch aus vielzähligen weiteren Materialien bereitgestellt sein. Neben den bereits erwähnten elektrisch isolierenden Materialien sowie metallischen Materialien kann die Mantelanordnung auch eine oder mehrere Folien aus Graphit, Graphen oder Kohlenstofffasern aufweisen oder auch eine Ummantelung mit klassischen viskosen Gapfillern, welche nach Vernetzung eine Einhausung der Mittelschicht ergibt, die als organisch gefülltes Wärmeleitmaterial das zumindest zum Teil komprimierte, expandierte Graphit umfasst.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und/oder die zweite Mantelschicht als Folie ausgebildet, die senkrecht zur ersten Richtung verteilt angeordnete Entlüftungslöcher aufweist. Diese Entlüftungslöcher können zum Beispiel als Perforationen ausgebildet sein. Entsprechend weisen solche Entlüftungslöcher lediglich einen sehr kleinen Durchmesser senkrecht zur ersten Richtung auf, der zum Beispiel im Millimeterbereich oder auch im Mikrometerbereich liegen kann. Durch solche Entlüftungslöcher können Lufteinschlüsse effizient vermieden werden. Beim Verpressen der Wärmeleitmatte, insbesondere beim Einbau dieser zwischen dem Träger und der Batterieeinheit, kann so eventuell noch in der Wärmeleitmatte befindliche Luft entweichen. Eine solche Folie kann also auch eine zusätzliche Perforierung aufweisen, durch welche beim Montageprozess die Luft während der Endkomprimierung entweichen kann. Um dies zu bewekstelligen wäre auch ein Fliesgewebe denkbar, mit elektrisch isolierenden Eigenschaften und einer Gasdruchlässigkeit.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die erste und/oder die zweite Mantelschicht als ein Gewebe, insbesondere als ein Fliesgewebe, ausgebildet ist, welches elektrisch isolierend ausgebildet ist und zumindest bereichsweise oder vollständig gasdurchlässig ausgebildet ist, zumindest für Luft. Auch hierdurch kann dann vorteilhafterweise eventuell noch in der Wärmeleitmatte befindliche Luft entweichen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Mittelschicht eine Stützstruktur mit Strukturelementen auf, wobei die Stützstruktur bezüglich der ersten Richtung elastisch ist, und wobei das expandierte Graphit in Zwischenbereichen, die sich senkrecht zur ersten Richtung zwischen den Strukturelementen befinden, angeordnet ist und insbesondere die Zwischenbereiche vollständig ausfüllt. Derartige Strukturelemente ermöglichen aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften die Bereitstellung einer Rückstellkraft bezüglich der ersten Richtung. Dadurch kann sich die Wärmeleitmatte noch besser an die Oberflächen des Trägers und/oder der Batterieeinheit angleichen. Somit kann der Wärmeleitmatte zusätzlich zu ihren komprimierbaren Eigenschaften auch eine gewisse elastische Deformierbarkeit in oder entgegen der ersten Richtung verliehen werden.
Die Strukturelemente können dabei voneinander separiert und senkrecht zur ersten Richtung verteilt angeordnet sein, zum Beispiel in Form lokaler Stützstellen, oder sie können auch zusammenhängend ausgebildet sein und zum Beispiel die Form eines Gitters aufweisen, in dessen Zwischenräume das expandierte Graphit angeordnet ist. Die Stützstruktur kann zum Beispiel aus einem Schaumstoff oder einem anderen elastischen Material, insbesondere federelastischen Material, bereitgestellt sein. Damit kann also vorteilhafterweise eine Rückstellwirkung bereitgestellt werden. Hierdurch kann wiederum die Kontaktierung mindestens der Ummantelung mit den Kontaktpartnern, das heißt dem Träger und/oder der Batterieeinheit, auch dauerhaft sichergestellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Mittelschicht ein Polymer auf, mit welchem das Graphit infiltriert ist. Das Polymer kann sozusagen eine Polymermatrix bereitstellen, in welcher das expandierte Graphit eingebettet ist. Wird die Blähgraphitplatte, das heißt die Mittelschicht, vor der Ummantelung zudem mit einer Polymermatrix ganz oder teilweise infiltriert, kann die Polymermatrix also eine Art Klebstoff die zur Ummantelung verwendete Folie oder Schicht zusätzlich beim Vernetzen fixieren. Alternativ kann auch eine Klebeschicht vorgesehen sein, um die Folien beziehungsweise Mantelschichten an der Mittelschicht zu befestigen.
Als Polymer kann zum Beispiel ein Silikonöl oder Epoxidharz verwendet werden. Hierdurch lässt sich einerseits wie beschrieben eine bessere Haftung der Mantelschichten an der Mittelschicht bereitstellen. Zusätzlich lässt sich hierdurch auch die Stabilität der Mittelschicht erhöhen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bedeckt die Mantelanordnung mindestens eine von der Ober- und Unterseite verschiedene, und die Mittelschicht in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung begrenzende Stirnseite, insbesondere wobei die Mantelanordnung die Mittelschicht allseitig umschließt. Die Mantelanordnung kann also nicht nur die Oberseite und die Unterseite der Mittelschicht bedecken, insbesondere bis auf die optionalen oben genannten Entlüftungslöcher beziehungsweise Perforationslöcher, sondern auch eine oder mehrere Stirnseiten der Mittelschicht, die diese in eine Richtung senkrecht zur ersten Richtung begrenzen. Ist die Wärmeleitmatte beispielsweise rechteckig ausgebildet, so weist diese vier solcher Stirnseiten auf, zwei Stirnseiten, die die Wärmeleitmatte beziehungsweise die Mittelschicht senkrecht zur zweiten Richtung begrenzen, und zwei weitere Stirnseiten, die die Mittelschicht senkrecht zur dritten Richtung begrenzen. Ist zumindest eine dieser Stirnseiten ebenfalls von der Mantelanordnung bedeckt, so wird hierüber ein direkter Wärmeleitpfad von der Oberseite zur Unterseite bereitgestellt, was wiederum die Wärmeabfuhr verbessert. Auch lässt sich somit an den Stirnseiten verhindern, dass Blähgraphitwürmchen sich aus dem Verbund lösen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitmatte oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Wärmeleitmatte oder ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für den erfindungsgemäßen Energiespeicher.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Energiespeicher den Träger und die mindestens eine Batterieeinheit auf, die bezüglich der ersten Richtung oberhalb des Trägers angeordnet ist, wobei die Wärmeleitmatte zwischen der mindestens einen Batterieeinheit und dem Träger angeordnet ist. Somit kann durch die Wärmeleitmatte eine besonders gute thermische Kopplung zwischen der Batterieeinheit und dem Träger bereitgestellt werden.
Die mindestens eine Batterieeinheit kann zum Beispiel eine Batteriezelle des Energiespeichers darstellen oder auch ein Batteriemodul, welches mehrere Batteriezellen umfasst. Die Batteriezellen können zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Der Energiespeicher fungiert dabei vorzugsweise als Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug und ist zudem bevorzugt als eine Hochvoltbatterie ausgebildet. Der Träger ist bevorzugt gleichzeitig als Kühlplatte oder Kühleinrichtung des Energiespeichers ausgebildet und kann zum Beispiel von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle aufweisen. Zudem kann der Träger gleichzeitig auch Teil eines Batteriegehäuses des Energiespeichers sein, wobei die Batterieeinheit im Batteriegehäuse angeordnet ist. Beispielsweise kann der Träger als Boden einer Batteriewanne beziehungsweise eines Batteriegehäuses ausgebildet sein. Der Träger kann aber auch durch jede beliebige andere Wand eines solchen Batteriegehäuses bereitgestellt sein. Zudem kann der Energiespeicher nicht nur eine Batterieeinheit aufweisen, sondern auch mehrere, die auf ein und demselben Träger angeordnet werden. Entsprechend kann sich die Wärmeleitmatte zwischen dem Träger und den mehreren Batterieeinheiten befinden. Es kann aber auch pro Batterieeinheit eine eigene Wärmeleitmatte bereitgestellt sein.
Das Batteriegehäuse kann zum Beispiel auch in mehrere Fächer gegliedert sein, wobei in einem jeweiligen solchen Aufnahmefach dann eine entsprechende Wärmeleitmatte angeordnet sein kann. Ein jeweiliges Aufnahmefach kann zum Beispiel einer der Batterieeinheiten des Energiespeichers zugeordnet sein.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeicher als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils eines Energiespeichers, wobei eine Mittelschicht bereitgestellt wird, die bezüglich einer ersten Richtung eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Mittelschicht expandiertes Graphit umfasst. Dieses kann auch als pulverförmiges Graphitexpandat bezeichnet werden. Weiterhin wird das expandierte Graphit bezüglich der ersten Richtung teilweise verdichtet, sodass die Mittelschicht bezüglich der ersten Richtung lokal komprimierbar ist und es wird eine erste Mantelschicht auf der Oberseite der Mittelschicht und eine zweite Mantelschicht auf der Unterseite der Mittelschicht angeordnet, wodurch eine Wärmeleitmatte bereitgestellt ist. Insbesondere lässt sich durch dieses Verfahren eine erfindungsgemäße Wärmeleitmatte oder eine ihrer Ausführungsformen bereitstellen.
Das Anordnen der ersten und zweiten Mantelschicht auf der Ober- und Unterseite der Mittelschicht kann dabei sowohl vor dem teilweise Verdichten des expandierten Graphits erfolgen als auch danach. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass als Ausgangsmaterial eine auf zirka fünf Millimeter vorkomprimierte Blähgraphitplatte bereitgestellt wird. Diese kann in einem zusätzlichen Prozessschritt mit einer wie oben beschriebenen Folie, vorzugsweise möglichst vollständig, ummantelt werden. Alternativ zur Verwendung von bereits vorkomprimierten Blähgraphitplatten kann auch geblähtes, nicht komprimiertes Blähgraphit verwendet werden. Dieses wird in eine schuhkartonähnliche Pressform gefüllt, welche in der Grundfläche der Fläche des zu kontaktierenden Batteriemoduls entspricht und zuvor mit der oben beschriebenen Folie aus organischem und/oder anorganischem Material ausgelegt worden ist. In einem weiteren Fertigungsschritt komprimiert ein Stempel das Blähgraphit auf die gewünschte Vor-Kompressionsdimension von zirka fünf Millimetern, bevor die Folie analog der Fertigung von Verpackungen um die noch offenliegenden Flächen des so bereitgestellten Grünlings gefaltet wird. Mittels eines Klebefilms kann die Folie zusätzlich in Position gehalten werden. In beiden Fällen ist eine nicht vollständige Ummantelung, zum Beispiel nur Kontaktierung der unmittelbaren Kontaktflächen zu den Substraten, das heißt dem Träger und der Batterieeinheit, prinzipiell aber auch möglich. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Folie möglichst eng an der vorkomprimierten Blähgraphitplatte anliegt, um Luftspalte als thermischen Isolator zu vermeiden.
Das vorkomprimierte, expandierte Graphit wird auch als Grünling bezeichnet. Diese Bezeichnung kann sich dabei nur auf die Mittelschicht oder auch auf die gesamte Wärmeleitmatte im nicht verbauten Zustand beziehen.
Im Montageschritt, das heißt um nun diese Wärmeleitmatte zwischen dem Träger und der mindestens einen Batterieeinheit einzubringen, können zunächst die vorbereiteten Grünlinge in das Batteriegehäuse eingelegt werden und im Anschluss wird das Batteriemodul auf den Grünling gesetzt und mit einer definierten Kraft oder einem definierten Weg auf den Grünling gepresst, bis sich die gewünschte Endposition und/oder der Endspalt eingestellt hat. Die Toleranzausgleichsfähigkeit des Grünlings deck dabei vorzugsweise Spalthöhen im Bereich von 0,1 Millimeter bis 4 Millimeter ab.
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens dar, wenn ein Träger und eine Batterieeinheit bereitgestellt werden, die Wärmeleitmatte nach dem teilweisen Verdichten des Graphits auf dem Träger so angeordnet wird, dass die zweite Mantelschicht dem Träger zugewandt ist, und ein weiteres Verdichten des Graphits durch Anordnen der Batterieeinheit auf der ersten Mantelschicht der Wärmeleitmatte erfolgt. Dieses weitere Verdichten stellt also einen weiteren, zusätzlichen Verpressvorgang dar. Über diesen Verpressvorgang der ummantelten Blähgraphitplatte kann es vorteilhafterweise erreicht werden, dass sich die Ummantelung möglichst formschlüssig mit den einzelnen Blähgraphitteilchen der Blähgraphitplatte verbindet, was die thermische Performance weiter erhöht. Um die Verpressbarkeit über einen möglichst großen Toleranzbereich zu ermöglichen, kann die Folie bei Bedarf konstruktiv so ausgelegt sein, dass sie keine zusätzlichen Montagekräfte durch den Komprimierungsvorgang erzeugt, zum Beispiel durch gezielt eingebrachte Faltstellen, welche sich ineinander verschieben können. Diese Faltstellen sind dabei vorzugsweise an den oben beschriebenen Stirnseiten der Mittelschicht angeordnet. Durch eine mögliche Perforierung, wie oben ebenfalls beschrieben, kann zudem die überschüssige Luft entweichen. Zur Sicherstellung der Kontaktierung der Ummantelung mit dem Blähgraphit einerseits und den zu kontaktierenden Substratpartnern, das heißt dem Träger und/oder der Batterieeinheit, andererseits kann die Folie zudem einseitig oder beidseitig mit einer dünnen, vorzugsweise wärmeleitfähigen, Klebeschicht versehen sein beziehungsweise versehen werden.
Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Wärmeleitmatte und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmeleitmatte und des erfindungsgemäßen Energiespeichers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Wärmeleitmatte mit vollständiger Folienummantelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Wärmeleitmatte mit vollständiger Folienummantelung und seitlichen Faltstellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Wärmeleitmatte mit nur beidseitig auf eine Mittelschicht aufgebrachten Folien gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Wärmeleitmatte mit beidseitig unterschiedlichen, aufgebrachten Folien gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Wärmeleitmatte mit allseitiger Folienummantelung unterschiedlicher Folien gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Wärmeleitmatte mit auf einer Seite aufgebrachten mehreren unterschiedlichen Folienschichten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichers 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Energiespeicher 10 weist dabei eine Batterieeinheit 12 auf, welche in diesem Beispiel als ein Batteriemodul ausgebildet ist. Dieses Batteriemodul 12 kann wiederum mehrere Batteriezellen umfassen. Der Energiespeicher 10 kann zum Beispiel als Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Insbesondere kann der Energiespeicher 10 dabei auch mehrere Batteriemodule 12 umfassen, wenngleich hier exemplarisch zur Veranschaulichung nur ein Batteriemodul 12 dargestellt ist. Des Weiteren umfasst der Energiespeicher 10 einen Träger 14, der in diesem Beispiel als ein Kühlboden 14 ausgebildet ist. Entsprechend weist der Kühlboden 14 einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 16 auf. Der Kühlboden 14 kann dabei auch mehrere solcher Kühlkanäle 16 umfassen. Zudem kann der Kühlboden 14 einen Teil eines Batteriegehäuses, insbesondere einen Boden eines Batteriegehäuses des Energiespeichers 10 darstellen. Die bestimmungsgemäße Einbaulage in einem Kraftfahrzeug kann dergestalt sein, dass die hier dargestellte z-Achse in Richtung einer Fahrzeughochachse weist. Sie kann aber auch entgegen der Richtung einer Fahrzeughochachse ausgerichtet sein. Zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Kühlboden 14 ist eine Wärmeleitmatte 18 angeordnet. Diese dient der Abfuhr von Wärmeenergie aus den Batteriemodulen 12 und ist zudem auch dazu ausgelegt, gewisse Spalttoleranzen ausgleichen zu können. Diese Spalttoleranzen beziehen sich vorliegend auf den Spalt beziehungsweise Zwischenraum 20 zwischen Batteriemodul 12 und Kühlboden 14, der durch die Wärmeleitmatte 18 idealerweise vollständig ausgefüllt ist. Um diese Spalttoleranzen ausgleichen zu können, weist die Wärmeleitmatte eine gewisse Kompressibilität auf.
Üblicherweise wird ein solcher Spalt zwischen Batteriemodul und Kühlboden mit einem thermischen Interfacematerial befüllt, wie beispielsweise einem Gapfiller. Alternativ kommen in diesem Bereich auch sogenannte Gappads zum Einsatz. Wird ein Gapfiller verwendet, so gestaltet sich der Montageprozess vergleichsweise aufwendig. Die entsprechende Applikationstechnik muss entwickelt und auf die rheologischen Eigenschaften der viskosen Gapfiller eingestellt werden. Da es sich in der Regel um zweikomponentige Materialien handelt, welche ihre Struktur und finalen Eigenschaften erst nach Reaktion der beiden Komponenten ausbilden, ist der Prozess anfällig für Schwankungen. Die Materialeigenschaften sind zwischen der Applikation und der vollständigen Aushärtung zudem mehr oder weniger undefiniert, sodass aufwendige Prüfungen zur Absicherung der finalen Produkteigenschaften stattfinden müssen. Werden stattdessen Gappads verwendet, so besitzen diese den Nachteil, dass beim Montageprozess diese im Vergleich zu den Gapfillern deutlich limitierter in den überbrückbaren Spalttoleranzen sind. Da die Materialklasse sich wie elastische Festkörper verhält, werden die Montagekräfte bei der Überschreitung eines bestimmten Kompressionsgrads deutlich höher als bei den viskosen Gapfillern. Zudem ist oftmals problematisch, dass bei nicht ausreichender Kompression die geforderte Mindestwärmeleitfähigkeit des Verbunds nicht erreicht wird, sodass das Einsatzspektrum des Gappads hinsichtlich Spalttoleranzen stark eingeschränkt ist.
Die Wärmeleitmatte 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst nun vorteilhafterweise ein teilweise komprimiertes, expandiertes Graphit 22. Ein solches expandiertes Graphit 22 wird auch als Blähgraphit 22 bezeichnet. Dieses kann zur Ausbildung der Wärmeleitmatte 18 zunächst als pulverförmiges Graphitexpandat bereitgestellt werden, welches dann zu einer dünnen Platte vorkomprimiert wird. Diese vorkomprimierte Platte stellt im vorliegenden Beispiel eine Mittelschicht 24 bereit, wie diese zum Beispiel in 2 illustriert ist.
2 zeigt dabei insbesondere eine schematische Querschnittsdarstellung der Wärmeleitmatte 18 senkrecht zur hier dargestellten y-Richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Wärmeleitmatte 18 kann dabei wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Die Wärmeleitmatte 18 weist also eine Mittelschicht 24 auf, welche aus dem vorkomprimierten, expandierten Graphit 22 gebildet ist oder ein solches zumindest umfasst. Entsprechend wird diese Mittelschicht 24 im Folgenden auch zum Teil als Blähgraphitplatte 24 bezeichnet. Im nicht im Energiespeicher 10 verbauten Zustand weist die Blähgraphitplatte 24 der Wärmeleitmatte 18 eine Höhe h0 von zum Beispiel zirka fünf Millimetern auf. Im Allgemeinen kann diese Höhe h0 im einstelligen Millimeterbereich liegen, also zwischen einem und neun Millimetern. Wird die Wärmeleitmatte 18, wie in 1 dargestellt, zwischen dem Träger 14 und dem Batteriemodul 12 angeordnet, so kann das Batteriemodul 12 bei der Herstellung des Energiespeichers 10 mit einer bestimmten Kraft oder einem bestimmten Kraftverlauf in Richtung des Trägers 14 gepresst werden, sodass eine zusätzliche Komprimierung der Wärmeleitmatte 18 und insbesondere der Graphitplatte 24 erfolgt. Dadurch lassen sich auch Spalttoleranzen und Oberflächenunebenheiten der der Wärmeleitmatte 18 zugewandten Seiten des Batteriemoduls 12 und des Trägers 14 ausgleichen. Die Wärmeleitmatte 18 wird im unverbauten Zustand, wie in 2 dargestellt, also so ausgebildet, das heißt derart vorkomprimiert, dass die Mittelschicht 24 immer noch bezüglich der hier dargestellten z-Richtung komprimierbar ist. Dies erlaubt es vorteilhafterweise, durch die Wärmeleitmatte 18 nicht nur besonders gute thermische Eigenschaften bereitzustellen, sondern gleichzeitig auch den Zwischenraum 20 zwischen dem Batteriemodul 12 und dem Träger 14 vollständig auszufüllen und eventuelle Höhentoleranzen auszugleichen. Durch die beim Montageprozess des Energiespeichers 10 zusätzlich ausgeführte Kompression der Wärmeleitmatte weist diese im final verbauten Endzustand, wie dieser zum Beispiel in 1 illustriert ist, eine entsprechend kleinere Höhe h1 auf, die zum Beispiel im Bereich zwischen 0,2 Millimetern und 3 Millimetern liegt. Diese Höhe h1 kann sich dabei wiederum insbesondere nur auf die Abmessung der Zwischenschicht 24 in z-Richtung beziehen.
Damit ist es also vorteilhafterweise möglich, durch eine solche Blähgraphitplatte 24 die beiden Vorteile von Gapfillern, nämlich die gute Verpressbarkeit und die Überbrückbarkeit großer Spalttoleranzen, mit denen von Gappads, nämlich die definierte Geometrie und definierte Materialeigenschaften sowie gutes Handling, zu vereinen. Allerdings neigt Blähgraphit dazu, dass es unter Belastung, insbesondere thermisch und/oder mechanisch, dazu neigt, dass sich einzelne Blähgraphitwürmchen aus dem Verbund lösen können. Dies hätte ohne weitere Maßnahmen zur Folge, dass sich eine nicht zu vernachlässigende Anzahl an elektrisch leitfähigen Grenzpartikeln in der Hochvoltbatterie undefiniert ansammeln könnte, was sich mit Blick auf Hochvoltsicherheit hochproblematisch darstellen kann. Um dem zu entgegnen, weist die Wärmeleitmatte 18 zusätzlich zu der Zwischenschicht 24 eine Mantelanordnung 26 auf. Durch diese Mantelanordnung 26 wird zumindest bereichsweise eine Ummantelung der Mittelschicht 24, das heißt also der Blähgraphitplatte 24, bereitgestellt. Diese Ummantelung 26 ist vorzugsweise ebenfalls möglichst gut thermisch leitfähig. Die aus gepresstem beziehungsweise vorkomprimiertem Blähgraphit 22 hergestellte Platte 24 wird also mit einer thermisch leitfähigen Schicht ummantelt. Bei dieser Schicht kann es sich entweder um eine Schicht anorganischen oder organischen Ursprungs handeln oder auch um unterschiedliche Schichten, das heißt aus unterschiedlichem Material. Vorstellbar sind zum Beispiel metallische Folien, Folien aus Graphit, Graphen oder Kohlenstofffasern, oder auch eine Ummantelung 26 mit klassischen viskosen Gapfillern, welche nach Vernetzung eine Einhausung eines organisch gefüllten Wärmeleitmaterials ergibt, welches durch das besagte Graphit 22 bereitgestellt ist. Die Ummantelung 26 kann bereichsweise auch eine zusätzliche Perforierung aufweisen, durch welche beim Montageprozess die Luft während der Endkomprimierung entweichen kann.
Diese Ummantelung 26 kann nun verschiedenste Ausprägungen annehmen. Im Beispiel in 2 ist die Ummantelung 26, beziehungsweise im Allgemeinen die Mantelanordnung 26, als vollständige und allseitige Ummantelung der Blähgraphitplatte 24 bereitgestellt, insbesondere vollständig bis auf die bereits erwähnte optionale zusätzliche Perforierung. Weiterhin kann die Ummantelung 26 aus einer Folie 28 bestehen. Diese Folie 28 kann zum Beispiel auch als eine Art Folienbeutel bereitgestellt sein. Alternativ kann sich die Folie 28 aus mehreren separat gefertigten Folienabschnitten zusammensetzen, das heißt sie muss ursprünglich nicht als einstückig ausgebildete Folie bereitgestellt sein, sondern kann aus einzelnen Folienabschnitten gefügt sein. In diesem Beispiel weist die Mantelanordnung 26 zudem auch Stirnseitenabschnitte 26c auf, die an den jeweiligen Stirnseiten 24c der Mittelschicht 24 angeordnet sind, die die Mittelschicht 24 senkrecht zur z-Richtung begrenzen. Die Mittelschicht 24 weist dabei nicht nur die beiden vorliegend dargestellten Stirnseiten 24c auf, die die Mittelschicht 24 in und entgegen x-Richtung begrenzen, sowie noch zwei weitere hier nicht dargestellte Stirnseiten, die die Mittelschicht 24 in und entgegen y-Richtung begrenzen. Die Abmessung der Wärmeleitmatte 18 in x- und y-Richtung kann im Übrigen auf die Abmessungen des Batteriemoduls 12 oder einer Batteriemodulanordnung mit mehreren Batteriemodulen 12 angepasst sein, das heißt mit diesen übereinstimmen. Im Beispiel aus 2 wird durch die Folie 28 nunmehr sowohl die erste Schicht 26a, die zweite Schicht 26b sowie die Stirnseitenabschnitte 26c bereitgestellt. Durch eine vollständige Ummantelung der Blähgraphitplatte 24 wird thermisch ein direkter Wärmeleitpfad zwischen Wärmequelle, zum Beispiel dem Batteriemodul 12, und Wärmesenke, zum Beispiel dem Kühlboden 14, erreicht.
Die Ummantelung 26 stellt vorteilhafterweise sicher, dass sich keine einzelnen Bestandteile des elektrisch leitfähigen Blähgraphits 22 aus der verpressten Platte 24 lösen können. Somit ist ein Schutz gegenüber äußeren elektrischen Verbindungselementen gewährleistet. Der direkte Wärmeleitpfad durch die Ummantelung 26 bietet - je nach Art der verwendeten Folie - auch die Möglichkeit, die Wärme zusätzlich in Richtung der Folienebene, das heißt senkrecht zur dargestellten z-Richtung, abzuführen. Damit wird ein weiterer Wärmetransportweg erreicht, indem die Wärme nicht mehr direkt durch die ummantelte Blähgraphitplatte 24, das heißt quer zur Folienebene, transferiert wird, sondern auch um die Platte 24 entlang der Oberfläche von der Oberseite 24a auf die Unterseite 24b geleitet wird. Besonders zum Tragen kommt dies bei der Verwendung von stark anisotrop gerichteten Materialien, welche eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit in einer Ebene haben als quer zu dieser, das heißt als in z-Richtung. Durch diesen zweiten Wärmetransportmechanismus lässt sich die thermische Performance der ummantelten Blähgraphitplatte 24, das heißt der Wärmeleitmatte 18 als Ganzes, weiter optimieren. Die Handlingseigenschaften im Montage- und Logistikprozess der ummantelten Blähgraphitplatten, das heißt der Wärmeleitmatten 18, sind auch wesentlich verbessert. Zudem ermöglicht dies eine einfache und kostengünstige Herstellung durch Übernahme und/oder Anpassung bereits bekannter Fertigungsschritte aus der Verpackungsindustrie.
Zur Fertigung ist es einerseits möglich, das Ausgangsmaterial, das heißt das pulverförmige Graphitexpandat, auf zirka fünf Millimeter vorzukomprimieren und zunächst als Blähgraphitplatte 24 bereitzustellen. Diese wird dann in einem zusätzlichen Prozessschritt mit einer wie oben beschriebenen Folie 28 möglichst vollständig ummantelt. Alternativ zur Verwendung von bereits vorkomprimierten Blähgraphitplatten 24 kann auch geblähtes, nicht komprimiertes Blähgraphit 22 verwendet werden. Dieses wird in eine quaderförmige Pressform gefüllt, welche zum Beispiel die gleiche Grundfläche aufweist, wie das Batteriemodul 12. Zudem kann diese Pressform zuvor mit der oben beschriebenen Folie 28 aus anorganischem/organischem Material ausgelegt worden sein. In einem weiteren Fertigungsschritt komprimiert ein Stempel das Blähgraphit auf die gewünschte Vorkompressionsdimension von zirka fünf Millimetern, wodurch ein Grünling bereitgestellt ist, bevor die Folie 28 analog der Fertigung von Verpackungen um die noch offenliegenden Flächen des Grünlings gefaltet wird, vor allen an den Stirnseiten 26c. Mittels eines Klebefilms kann die Folie 28 zusätzlich in Position gehalten werden. In beiden Fällen ist eine nicht vollständige Ummantelung prinzipiell auch möglich, wie dies später noch näher erläutert wird. Bei einer nicht vollständigen Ummantelung ist es jedoch bevorzugt, dass auf der Oberseite 24a der Platte 24, sowie auf deren Unterseite 24c, eine jeweilige Mantelschicht 26a, 26b angeordnet ist, während die stirnseitigen Abschnitte 26c lediglich optional sind und auch weggelassen werden können. Weiterhin ist es vorteilhaft, darauf zu achten, dass dabei die Folie 28 in jedem Fall möglichst eng an der vorkomprimierten Blähgraphitplatte 24 anliegt, um Luftspalte als thermischen Isolator zu vermeiden. Im Montageschritt wird dann der so vorbereitete Grünling, das heißt zum Beispiel die Wärmeleitmatte 18 wie in 2 dargestellt, in das Batteriegehäuse eingelegt, das heißt insbesondere auf den Träger 14. Im Anschluss wird das Batteriemodul 12 auf den Grünling, das heißt die Wärmeleitmatte 18, gesetzt, und mit einer definierten Kraft oder einem definierten Weg auf den Grünling, das heißt die Wärmeleitmatte 18, gepresst, bis sich die gewünschte Endposition oder der gewünschte Endspalt hinsichtlich seiner Spalthöhe eingestellt hat. Über diesen Verpressvorgang der ummantelten Blähgraphitplatte, die vorliegend als Wärmeleitmatte 18 bezeichnet ist, wird sichergestellt, dass sich die Ummantelung 26 möglichst formschlüssig mit den einzelnen Blähgraphitteilchen 22 der Blähgraphitplatte 24 verbindet, was die thermische Performance weiter erhöht. Um die Verpressbarkeit über einen möglichst großen Toleranzbereich zu ermöglichen, kann die Folie 28 bei Bedarf konstruktiv so ausgelegt sein, dass sie keine zusätzlichen Montagekräfte durch den Komprimierungsvorgang erzeugt. Zum Beispiel kann die Folie 28 gezielt eingebrachte Faltstellen 30 aufweisen, wie dies in 3 dargestellt ist.
Im Übrigen zeigt 3 ein weiteres Beispiel einer Wärmeleitmatte 18, die insbesondere wie zu 2 und 1 beschrieben ausgebildet sein kann, bis auf den Zusatz, dass nunmehr die Folie 28 im Bereich der stirnseitigen Abschnitte 26c die genannten Faltstellen 30 aufweist. Diese können sich ineinander verschieben und damit einen Toleranzausgleich in z-Richtung ermöglichen. Weiterhin ist exemplarisch in 3 auf einer Seite, insbesondere die durch die erste Mantelschicht 26a bereitgestellten Folienseite der Folie 28, eine Perforierung 32 veranschaulicht. An diesen Perforationsstellen 32 weist die Folie 28 Durchgangslöcher auf. Diese können so klein ausgestaltet sein, dass die Graphitpartikel 22 diese nicht durchdringen können. Durch eine solche optionale Perforierung 32 kann die überschüssige Luft entweichen.
Zur Sicherstellung der Kontaktierung der Ummantelung 26 mit dem Blähgraphit 22, das heißt der Blähgraphitplatte 24, einerseits und den zu kontaktierenden Substratpartnern, nämlich dem Batteriemodul 12 und dem Träger 14 andererseits, kann die Folie 28 zudem einseitig oder auch beidseitig mit einer dünnen und vorzugsweise wärmeleitfähigen Klebeschicht versehen sein. Mit anderen Worten kann sich eine solche Klebeschicht sowohl zwischen der Folie 28 und der Blähgraphitplatte 24 befinden, als auch zwischen dem Batteriemodul 12 und der Folie 28 beziehungsweise dem Träger 14 und der Folie 28. Weiterhin ist es denkbar, dass die Blähgraphitplatte 24 vor der Ummantelung mit der Folie 28 oder einer anderen Mantelanordnung 26 zudem mit einer Polymermatrix ganz oder teilweise infiltriert wird, wobei dann die Polymermatrix als eine Art Klebstoff die zur Ummantelung verwendete Folie 28 zusätzlich beim Vernetzen der Polymermatrix fixieren kann.
Außerdem ist es auch möglich, dass in die Füllung aus Blähgraphit 22 lokal verteilt auch Strukturen aus Schaumstoff oder vergleichbaren federelastischen Materialien zusätzlich eingebracht werden beziehungsweise eingebracht sind, um eine Rückstellwirkung und damit die Kontaktierung mindestens der Ummantelung 26 mit den Kontaktpartnern dauerhaft sicherzustellen. In 3 sind exemplarisch zwei solcher Strukturelemente 34 dargestellt. Diese können sich in z-Richtung erstrecken und zum Beispiel unzusammenhängend und verteilt senkrecht zur z-Richtung angeordnet sein, zum Beispiel in Form einzelner, punktueller Stützen, oder sie können auch als eine Art Netz oder Gitterstruktur ausgebildet sein, sodass das Graphit 22 entsprechend in den Gitterzwischenräumen angeordnet ist. In jedem Fall ist das vorkomprimierte Blähgraphit 22 in den zwischen diesen Stützelementen 34 befindlichen Zwischenräumen 36 angeordnet und füllt diese vorzugsweise vollständig aus. Alternativ zu dieser hier dargestellten vollständigen Ummantelung der Blähgraphitplatte 24 mit einer Folie 28, die aus einem bestimmten Folienmaterial gebildet ist, gibt es, wie bereits erwähnt, auch die Möglichkeit, die Blähgraphitplatte 24 nur bereichsweise zu ummanteln und zudem auch mit Folien unterschiedlicher Materialien, wie dies nun nachfolgend anhand weiterer Beispiele veranschaulicht werden soll. Hierzu zeigt 4 eine schematische Darstellung der Wärmeleitmatte, die insbesondere wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann, nur dann in diesem Beispiel die Mantelanordnung 26 nur die Oberseite 24a der Blähgraphitplatte 24 und die Unterseite 24b bedeckt, wiederum bis auf die optionalen Perforationen 32. Die Stirnseiten 24c sind vorliegend nicht bedeckt. In diesem Beispiel ist die erste Mantelschicht 26a durch eine Metallfolie 28a bereitgestellt und auch die zweite Mantelschicht 26b ist durch eine Metallfolie 28b bereitgestellt. Anstelle von Metall kann auch ein anderes Material verwendet werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmeleitmatte 18 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch diese kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, nur dass in diesem Beispiel die Mantelanordnung 26 wieder nur die Oberseite 24a und die Unterseite 24b der Graphitplatte 24 bedeckt. Die erste Mantelschicht 26a ist in diesem Beispiel aus einem anderen Material, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material. Die erste Mantelschicht 26a kann also zum Beispiel durch eine Kunststofffolie 30 bereitgestellt sein, während im vorliegenden Beispiel die zweite Mantelschicht 26b wiederum durch eine Metallfolie 28b bereitgestellt ist. Die erste und zweite Mantelschicht 26a, 26b sind also im Allgemeinen aus unterschiedlichen Materialien gebildet.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmeleitmatte 18 gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung. Auch diese kann wiederum wie zuvor beschrieben ausgebildet sein, bis auf den Unterschied, dass nunmehr die Mantelanordnung 26 wieder als vollständige Ummantelung der Blähgraphitplatte 24 ausgebildet ist, jedoch aus Folien unterschiedlicher Materialien. Die erste Mantelschicht 26a ist dabei wieder durch eine Kunststofffolie 30 bereitgestellt, während die zweite Mantelschicht 26b sowie die stirnseitigen Abschnitte 26c aus einem anderen Material, zum Beispiel Metall, gebildet sind. In diesem Beispiel sind die zweite Mantelschicht 26b und die stirnseitigen Abschnitte 26d als Metallfolie 28b ausgebildet.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Wärmeleitmatte 18, welche wiederum wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann und die insbesondere wie zu 4 beschrieben aufgebaut ist, nur dass nunmehr zusätzlich auf der oberseitigen Metallfolie 28a eine zusätzliche elektrisch isolierende Schicht in Form einer Kunststofffolie 30 angeordnet ist. In diesem Beispiel sind wiederum keine stirnseitigen Folienabschnitte 26c vorhanden, diese können in einem weiteren Ausführungsbeispiel aber dennoch vorgesehen sein und zum Beispiel ebenfalls wiederum aus metallischem Material gebildet sein.
Die Ummantelung 26 der Blähgraphitplatte 24 kann also durch verschiedene Folienarten erreicht werden, wobei vorzugsweise maximal eine Folienart aus Kunststoff besteht. So kann beispielsweise die dem Zellmodul 12 zugewandte Oberfläche aus einer elektrisch isolierenden Kunststofffolie 30 wie PTFE, PC, PP oder PET bestehen, welche die Batteriezelle des Batteriemoduls 12 elektrisch gegen die ummantelte Blähgraphitplatte 24 isoliert. Diese Folie 30 kann entweder direkt auf die Blähgraphitplatte 24 aufgebracht werden, wie in den Beispielen zu 5 und 6 beschrieben, oder alternativ als Zusatzfolie 30 auf die schon bestehende Ummantelung 26 geklebt werden, wie in 7 dargestellt. Die restlichen Mantelflächen können entweder aus einer thermisch leitfähigen, nicht aus Kunststoff bestehenden Folie realisiert werden, oder die Blähgraphitplatte wird ausschließlich mit derselben Kunststofffolie 30 vollständig oder partiell ummantelt, wie dies vorliegend nicht dargestellt ist.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung als Thermal Interfacematerial eine ummantelte Blähgraphitplatte bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017216105 A1 [0003]
US 10985416 B2 [0004]

Claims

Wärmeleitmatte (18) für einen Energiespeicher (10), zur Anordnung zwischen einer Batterieeinheit (12) und einem Träger (12) des Energiespeichers (10); dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitmatte (18) aufweist - eine Mittelschicht (24), die bezüglich einer ersten Richtung (z) eine Oberseite (24a) und eine Unterseite (24b) aufweist, wobei die Mittelschicht (24) expandiertes Graphit (22) umfasst, welches bezüglich der ersten Richtung (z) nur zum Teil komprimiert ist, so dass die Wärmeleitmatte (18) bezüglich der ersten Richtung (z) lokal komprimierbar ist; und - eine Mantelanordnung (26) mit einer ersten Mantelschicht (26a), die auf der Oberseite (24a) angeordnet ist, und einer zweiten Mantelschicht (26b), die auf der Unterseite (24b) angeordnet ist.
Wärmeleitmatte (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelanordnung (26) mehrere Mantelschichten (26a, 26b) umfassend die erste Mantelschicht (26a) und zweite Mantelschicht (26b), aufweist, wobei nur einer der Mantelschichten (26a, 26b) der Mantelanordnung (26) elektrisch isolierend ausgebildet ist.
Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mantelschicht (26a) und/oder die zweite Mantelschicht (26b) als eine Metallfolie (28a, 28b) ausgebildet ist.
Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mantelschicht (26a) und/oder die zweite Mantelschicht (26b) als Folie (28) ausgebildet ist, die senkrecht zur ersten Richtung (z) verteilt angeordnete Entlüftungslöcher (32) aufweist.
Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht (24) eine Stützstruktur (34) mit Strukturelementen (34) aufweist, wobei die Stützstruktur (34) bezüglich der ersten Richtung (z) elastisch ist, wobei das expandierte Graphit (22) in Zwischenbereichen (36), die sich senkrecht zur ersten Richtung (z) zwischen den Strukturelementen (34) befindet, angeordnet ist und insbesondere die Zwischenbereiche (36) ausfüllt.
Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelschicht (24) ein Polymer aufweist, mit welchem das Graphit (22) infiltriert ist.
Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelanordnung (26) mindestens eine von der Ober- und Unterseite (24b) verschiedene, und die Mittelschicht (24) in einer Richtung (z) senkrecht zur ersten Richtung (z) begrenzende Stirnseite (24c) bedeckt, insbesondere wobei die Mantelanordnung (26) die Mittelschicht (24) allseitig umschließt.
Energiespeicher (10) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Wärmeleitmatte (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (10) den Träger (12) und die mindestens eine Batterieeinheit (12) aufweist, die bezüglich der ersten Richtung (z) oberhalb des Trägers (14) angeordnet ist, wobei die Wärmeleitmatte (18) zwischen der mindestens einen Batterieeinheit (12) und dem Träger (12) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen zumindest eines Teils (18) eines Energiespeichers (10), gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen einer Mittelschicht (24), die bezüglich einer ersten Richtung (z) eine Oberseite (24a) und eine Unterseite (24b) aufweist, wobei die Mittelschicht (24) expandiertes Graphit (22) umfasst; - teilweises Verdichten des expandierten Graphits (22) bezüglich der ersten Richtung (z), so dass die Mittelschicht (24) bezüglich der ersten Richtung (z) lokal komprimierbar ist; und - Anordnen einer ersten Mantelschicht (26a) auf der Oberseite (24a) der Mittelschicht (24) und einer zweiten Mantelschicht (26b) auf der Unterseite (24b) der Mittelschicht (24), wodurch eine Wärmeleitmatte (18) bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: - Bereitstellen eines Trägers (14) und einer Batterieeinheit (12); - Anordnen der Wärmeleitmatte (18) nach dem teilweisen Verdichten des Graphits (22) auf dem Träger (12), so dass die zweite Mantelschicht (26b) dem Träger (12) zugewandt ist; und - weiteres Verdichten des Graphits (22) durch Anordnen der Batterieeinheit (12) auf der ersten Mantelschicht (26a) der Wärmeleitmatte (18).