-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle für ein Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 1 sowie einen Zellstapel für ein Hochvoltbatteriesystem nach Anspruch 10.
-
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelle weist eine Lithium-Anode auf, die im ersten Ladeschritt in situ aus der Kathode abgeschieden werden kann. Alternativ kann die Lithium-Anode auch ein legierendes Anodenmaterial mit starkem Volumenwechsel aufweisen. Das Batterieaktivmaterial, bestehend aus Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen, kann in einem quaderförmigen Zellgehäuse angeordnet sein. Zudem ist das Batterieaktivmaterial mit einer mechanischen Vorspannung bzw. mit Druck beaufschlagt, um eine Kontaktierung zwischen den Kathoden-, Separator- und Anoden- Lagen zu gewährleisten.
-
In einer Batteriezelle ist das Batterieaktivmaterial im Lade-/Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen, bei der sich im Ladevorgang das Volumen des Batterieaktivmaterials vergrößert und im Entladevorgang reduziert. Die Volumenänderung des Batterieaktivmaterials kann in einem Bereich von 10% bis 30% liegen. Die Volumenänderung des Batterieaktivmaterials kann zu einer entsprechenden Änderung der auf das Batterieaktivmaterial wirkenden mechanischen Vorspannung führen, wodurch sich eine vorzeitige Alterung der Batteriezelle ergibt.
-
Um eine solche vorzeitige Alterung der Batteriezelle zu vermeiden, werden im Stand der Technik elastisch nachgiebige Zwischenschichten verwendet, sogenannte gap-pads, mit deren Hilfe die auf das Batterieaktivmaterial wirkende mechanische Vorspannung unabhängig vom Lade-/Entladezustand weitgehend konstant gehalten werden kann. Durch Bereitstellung solcher Zwischenschichten wird jedoch die Energiedichte der Batteriezelle reduziert.
-
Aus der
DE 10 2018 201 660 A1 ist ein Batteriemodul mit einem Stapel von Batterie-Einzelzellen bekannt. Aus der
DE 10 2014 226 260 A1 ist eine Batteriezelle bekannt. Die
JP 2009-151977 A beschreibt eine Knopfzelle mit einer Kathoden-, Separator- und Anodenlage, wobei ein Formgedächtnismaterial vorgesehen ist. Aus der
JP 2010-061982 A sind Batteriezellen bekannt, wobei zwischen den Batteriezellen Abstandsbauteile angeordnet sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle für ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, bei dem eine vorzeitige Alterung der Batteriezelle in einfacher Weise unterbindbar ist, und zwar insbesondere trotz Weglassung von elastisch nachgiebigen Zwischenschichten im Zellgehäuse.
-
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, speziell eine Batteriezelle mit einer Li-Metall-Anode oder mit einem Lithium-legierenden Anodenmaterial, bspw. Si, für ein Hochvoltbatteriesystem. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem ein Batterieaktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen besteht. Das Batterieaktivmaterial ist unter mechanischer Vorspannung im Zellgehäuse angeordnet. Dadurch ist eine Kontaktierung zwischen den Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen gewährleistet. Das Batterieaktivmaterial ist im Lade-/Entladevorgang einer Volumenänderung unterworfen. Demnach vergrößert sich das Volumen des Batterieaktivmaterials im Ladevorgang, während es sich im Entladevorgang reduziert. Zum Ausgleich dieser Volumenänderung ist gemäß Anspruch 1 im Zellgehäuse ein Formgedächtnismaterial, zum Beispiel aus Polymeren, Fasern oder Legierungen, integriert. Das Formgedächtnismaterial wirkt als ein Stellglied, mit dem unter Nutzung des Formgedächtniseffekts die Form des Zellgehäuses oder zumindest eines Zellgehäuseteils während des Lade-/Entladevorgangs gesteuert geändert werden kann. Die Formänderung des Zellgehäuses erfolgt unter weitgehender Konstanthaltung der auf das Batterieaktivmaterial wirkenden mechanischen Vorspannung. Auf diese Weise kann trotz Weglassung der elastisch nachgiebigen Zwischenschichten (das heißt gap-pads) eine weitgehend konstante Druckbeaufschlagung des Batterieaktivmaterials erzielt werden, und zwar mit einer im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Energiedichte der Batteriezelle oder des Batteriesystems.
-
Das Zellgehäuse weist ein prismatisches Zellformat auf. Erfindungsgemäß ist das Zellgehäuse quaderförmig. Das Batterieaktivmaterial ist erfindungsgemäß in einer Gehäuse-Tiefenrichtung zwischen Flachseitenwänden des Zellgehäuses mit der mechanischen Vorspannung beaufschlagt. Unter Nutzung des Formgedächtniseffekts kann sich zumindest eine der Flachseitenwände im Ladevorgang in der Gehäuse-Tiefenrichtung nach gehäuseaußen verlagern, und zwar unter weitgehender Konstanthaltung der mechanischen Vorspannung. Umgekehrt kann sich im Entladevorgang die zumindest eine Flachseitenwand unter Nutzung des Formgedächtnismaterials nach gehäuseinnen verlagern, und zwar unter weitgehender Konstanthaltung der auf das Batterieaktivmaterial wirkenden mechanischen Vorspannung.
-
Das Zellgehäuse kann in einer Gehäuse-Hochrichtung einander gegenüberliegende Boden- und Deckwände aufweisen. Diese können allgemein über ein Gehäuse-Mittelteil miteinander verbunden sein. Bei Anwendung eines prismatischen Zellformats kann das Gehäuse-Mittelteil in einer Gehäuse-Längsrichtung einander gegenüberliegende Schmalseitenwände sowie in der Gehäuse-Tiefenrichtung einander gegenüberliegende Flachseitenwände aufweisen.
-
Im Hinblick auf eine besonders wirkungsvolle Nutzung des Formgedächtniseffekts können die Boden- und Deckwände unabhängig vom Lade-/Entladezustand formstabil ausgeführt sein, das heißt keiner Formänderung aufgrund des Formgedächtnismaterials unterliegen. Demgegenüber kann der Formgedächtniseffekt speziell im Gehäuse-Mittelteil initiiert werden, das heißt insbesondere in dessen Flach- oder Schmalseitenwänden. Hierzu kann das Gehäuse-Mittelteil zumindest teilweise oder vollständig aus dem Formgedächtnismaterial ausgebildet sein. In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführungsvariante kann das Gehäuse-Mittelteil als ein umlaufend geschlossenes Hohlprofilteil realisiert sein, das an seinen in der Gehäuse-Hochrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten offen ist. Im zusammengebauten Zustand können die offenen Stirnseiten des Hohlprofilteils von den Boden- und Deckwänden überdeckt sein.
-
Speziell bei Realisierung eines prismatischen Zellformats ist es bevorzugt, wenn sich die Schmalseitenwände unter Nutzung des Formgedächtniseffekts im Ladevorgang in der Gehäuse-Tiefenrichtung ausdehnen oder im Entladevorgang zusammenziehen, wodurch die Flachseitenwände in der Gehäuse-Tiefenrichtung nach gehäuseaußen oder nach gehäuseinnen verlagerbar sind. Das Zusammenziehen der Schmalseite kann beispielhaft ziehharmonikaartig oder alternativ durch ein Auswölben der Schmalseite nach gehäuseaußen erfolgen.
-
Das als Stellglied wirkende Formgedächtnismaterial kann in einer weiteren Ausführungsvariante beispielhaft im Gehäuseinneren als ein vom Zellgehäuse separates Bauteil positioniert sein. In diesem Fall kann das Formgedächtnismaterial an einander gegenüberliegenden Zellgehäusewänden, zum Beispiel den Flachseitenwänden, kraftübertragend angebunden sein. Im Ladevorgang wird auf das Stellglied durch die einander gegenüberliegenden Zellgehäusewände eine Zugkraft ausgeübt, wodurch zumindest eine Zellgehäusewand nach gehäuseaußen verlagert wird. Im Entladevorgang übt das Stellglied auf die einander gegenüberliegenden Zellgehäusewände eine Zugkraft aus, wodurch sich zumindest eine Zellgehäusewand nach gehäuseinnen verlagert.
-
Der Formgedächtniseffekt des Formgedächtnismaterials kann in unterschiedlicher Weise gesteuert oder ausgelöst werden. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann der Formgedächtniseffekt mittels elektrischer Energie ausgelöst bzw. gesteuert werden. Die Höhe der elektrischen Energie korreliert dabei mit dem aktuellen Ladezustand der Batteriezelle.
-
Alternativ dazu kann der Formgedächtniseffekt aktiv mittels einer externen Steuereinheit, etwa einem Batteriemanagementsystem gesteuert werden. In diesem Fall ist das im Zellgehäuse integrierte Formgedächtnismaterial in Signalverbindung mit der Steuereinheit. Die Steuereinheit kann ein elektrisches Signal generieren, mit dessen Hilfe das Ausmaß des Formgedächtniseffekts des Formgedächtnismaterials gesteuert werden kann.
-
Alternativ dazu kann der Formgedächtniseffekt thermisch mittels Wärmeeinwirkung, optisch mittels Lichteinwirkung oder mechanisch mittels Krafteinwirkung ausgelöst oder gesteuert werden.
-
Im Hinblick auf einen stabilen Verbau der Batteriezelle in einen Zellverbund eines Batteriesystems ist es bevorzugt, wenn im vollständig geladenen Zustand die Flachseitenwände mit den Boden- und Deckwänden einen rechten Winkel aufspannen. In diesem Fall liegt jede der beiden Flachseitenwände jeweils komplett (das heißt ohne Ein- oder Auswölbung) in einer Ebene.
-
In einem solchen Zellverbund können die Batteriezellen in einer Stapelrichtung hintereinander gestapelt sein, wobei die Flachseitenwände benachbarter Batteriezellen einander zugewandt sind und/oder quer zur Stapelrichtung ausgerichtet sind. Im Entladevorgang können sich die Flachseitenwände der Batteriezellen nach gehäuseinnen verlagern, wodurch sich ein Freiraum zwischen benachbarten Batteriezellen ergibt. Der Freiraum kann in ein Temperiersystem eingebunden werden, bei dem der Freiraum mit Temperiermittel, bevorzugt Luft, durchströmbar ist. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Temperiermaßnahmen, zum Beispiel Kühlfinnen, verzichtet werden.
-
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
-
Es zeigen:
- 1 und 2 jeweils Ansichten einer Batteriezelle im geladenen Zustand (1) und im ungeladenen Zustand (2);
- 2 und 3 Teilschnittansichten aus den 1 und 2;
- 4 bis 11 Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;
- 12 und 13 jeweils Ansichten einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle im geladenen Zustand (12) und im ungeladenen Zustand (13).
-
In der 1 ist eine Festkörperbatteriezelle 1 im vollständig geladenen Zustand L gezeigt. Die Batteriezelle 1 ist beispielhaft in einem prismatischen Zellformat realisiert, und zwar erfindungsgemäß mit einem quaderförmigen Zellgehäuse, das in der Gehäuse-Hochrichtung z einander gegenüberliegende Boden- und Deckwände 3, 5 sowie in der Gehäuse-Längsrichtung x einander gegenüberliegende Schmalseitenwände 7 aufweist. Diese verbinden Flachseitenwände 9, die in einer Gehäuse-Tiefenrichtung y einander gegenüberliegen. In der Deckwand 5 der Batteriezelle 1 sind Zellpole 11, 13 ausgebildet. Im Gehäuseinneren der Batteriezelle 1 ist ein Batterieaktivmaterial 15 (8 und 9) angeordnet, das aus übereinander geschichteten Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen besteht. Das Batterieaktivmaterial 15 ist in den Figuren beispielhaft als ein Stapel realisiert und in der Gehäuse-Tiefenrichtung y zwischen den beiden Flachseitenwänden 9 des Zellgehäuses mit einer mechanischen Vorspannung Fv beaufschlagt. Dadurch wird eine Kontaktierung zwischen den Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen des Batterieaktivmaterial 15 gewährleistet.
-
Zudem ist das Batterieaktivmaterial 15 im Lade-/Entladevorgang einer Volumenänderung in der Gehäuse-Tiefenrichtung y unterworfen. Demnach vergrößert sich im Ladevorgang das Volumen des Batterieaktivmaterials 15, während es sich im Entladevorgang reduziert, wie es beispielhaft in den 12 und 13 (zeigen den Stand der Technik) angedeutet ist. In den 12 und 13 ist die vordere Schmalseitenwand 7 der Batteriezelle 1 weggelassen, so dass das Batterieaktivmaterial 15 erkennbar ist. Demnach ist in der 12 die Batteriezelle 1 im vollständig geladenen Ladezustand L gezeigt, in dem das Batterieaktivmaterial 15 ein in der Gehäuse-Tiefenrichtung y vergrößertes Volumen aufweist. In der 13 ist die Batteriezelle 1 im Entladezustand E gezeigt, in dem das Batterieaktivmaterial 15 ein in der Gehäuse-Tiefenrichtung y reduziertes Volumen aufweist. In den 12 und 13 ist das prismatische Zellgehäuse bauteilsteif ausgeführt. Die Volumenreduzierung des Batterieaktivmaterials 15 führt daher im Entladevorgang zu einem Totvolumen 17 (13) und damit zu einem Druckverlust und entsprechend zu einem Verlust der Kontaktierung zwischen den Kathoden-, Separator- und Anoden-Lagen.
-
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass erfindungsgemäß im Zellgehäuse ein Formgedächtnismaterial 19 integriert ist. Das Formgedächtnismaterial 19 wirkt als ein Stellglied, mit dessen Hilfe unter Nutzung des Formgedächtniseffekts die Form des Zellgehäuses im Lade-/Entladevorgang gesteuert geändert werden kann. Die Formänderung des Zellgehäuses erfolgt dabei speziell unter weitgehender Konstanthaltung der auf das Batterieaktivmaterial 15 wirkenden mechanischen Vorspannung FV. Wie aus den 1 und 3 hervorgeht, sind im vollständig geladenen Zustand L die beiden Flachseitenwände 9 nach gehäuseaußen verlagert, so dass sich das Zellgehäuse der Volumenvergrößerung des Batterieaktivmaterials 15 entsprechend anpasst. Demgegenüber sind im vollständig entladenen Zustand E (2 und 4) die beiden Flachseitenwände 9 nach gehäuseinnen verlagert, so dass sich das Zellgehäuse auch der Volumenreduzierung des Batterieaktivmaterials 15 entsprechend anpasst.
-
Gemäß den 3 und 4 sind beispielhaft die Schmalseitenwände 7 des Zellgehäuses teilweise aus dem Formgedächtnismaterial 19 realisiert. Das Formgedächtnismaterial 19 ist in den 3 und 4 in Signalverbindung mit einer externen Steuereinheit 21, zum Beispiel einem Batteriemanagementsystem. Die Steuereinheit 21 kann ein elektrisches Signal S generieren, mittels dem der Formgedächtniseffekt des Formgedächtnismaterials 19 steuerbar oder auslösbar ist. Beispielhaft kann die Schmalseitenwand 7 in der Ausgangslage (das heißt ohne Signalbeaufschlagung) ziehharmonikaartig in der Gehäuse-Tiefenrichtung y zusammengezogen sein (4). In diesem Fall sind die Flachseitenwände 9 in der Gehäuse-Tiefenrichtung y nach gehäuseinnen verlagert und ist die Batteriezelle 1 entladen. Im Ladevorgang kann die Steuereinheit 21 das Formgedächtnismaterial 19 derart mit dem Steuersignal S ansteuern, dass sich die Schmalseitenwände 7 in der Gehäuse-Tiefenrichtung y ausdehnen. Die Ansteuerung erfolgt so, dass die auf das Batterieaktivmaterial 15 wirkende mechanische Vorspannung Fv weitgehend konstant bleibt.
-
Die in den 4a und 4b angedeutete Auslösung/Ansteuerung des Formgedächtniseffekts mittels eines elektrischen Signals S von einer externen Steuereinheit 21 ist lediglich beispielhaft. Alternativ dazu kann die Ansteuerung/Auslösung des Formgedächtniseffekts auch thermisch unter Wärmeeinwirkung, optisch unter Lichteinwirkung oder mechanisch unter Krafteinwirkung erfolgen. Alternativ dazu kann der Formgedächtniseffekt auch mittels der in der Batteriezelle 1 vorhandenen elektrischen Energie ausgelöst oder gesteuert werden. Die Höhe der elektrischen Energie in der Batteriezelle 1 korreliert mit deren aktuellen Ladezustand.
-
In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Batteriezelle 1 gezeigt, deren grundsätzlicher Aufbau und Funktionsweise identisch mit der Batteriezelle 1 des ersten Ausführungsbeispiels 1 ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß der 5 die jeweilige Seitenwand 7 im Entladezustand E (6) nicht ziehharmonikaartig zusammengezogen, sondern vielmehr nach gehäuseaußen ausgestellt. Im Ladevorgang wird das Formgedächtnismaterial 19 in den Schmalseitenwänden 7 derart angesteuert, dass unter Reduzierung der Auswölbung sich die jeweilige Seitenwand 7 in der Gehäuse-Tiefenrichtung y ausdehnt, wodurch die Flachseitenwände 9 nach gehäuseaußen verlagert werden.
-
In der 7 ist die Batteriezelle 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Explosionsansicht gezeigt. Demzufolge weist das Zellgehäuse der Batteriezelle 1 in der Gehäuse-Hochrichtung z einander gegenüberliegende Boden- und Deckwände 3, 5 auf, die unabhängig vom Lade-/Entladezustand formstabil ausgeführt sind. Zudem sind die Boden- und Deckwände 3, 5 im zusammengebauten Zustand über ein Gehäuse-Mittelteil 6 miteinander verbunden, das beispielhaft vollständig aus dem Formgedächtnismaterial 19 ausgebildet ist. Das Gehäuse-Mittelteil 6 ist als ein umlaufend geschlossenes Hohlprofilteil realisiert, das das Batterieaktivmaterial 15 umhüllt. Das Hohlprofilteil ist aus den Flachseitenwänden 9 und den Schmalseitenwänden 7 ausgebildet und an seinen in der Gehäuse-Hochrichtung z gegenüberliegenden Stirnseiten 10 offen. Im zusammengebauten Zustand sind offenen Stirnseiten 10 des Hohlprofilteils mit den Boden- und Deckwänden 3, 5 überdeckt.
-
In den 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batteriezelle 1 gezeigt. Demzufolge erstreckt das Formgedächtnismaterial 19 als ein separates Stellglied im Gehäuseinneren. Das Formgedächtnismaterial 19 ist an den beiden Flachseitenwänden 9 kraftübertragend angebunden. Im Ladevorgang wird auf das Formgedächtnismaterial 19 durch die einander gegenüberliegenden Zellgehäusewände 9 eine Zugkraft ausgeübt, wodurch zumindest eine Zellgehäusewand 9 nach gehäuseaußen verlagert wird. Im Entladevorgang übt das Formgedächtnismaterial 19 auf die einander gegenüberliegenden Zellgehäusewände 9 eine Zugkraft aus, wodurch sich zumindest eine Zellgehäusewand 9 nach gehäuseinnen verlagert. Die Verlagerung der Flachseitenwände 9 nach gehäuseinnen/gehäuseaußen ist mit Hilfe des Formgedächtniseffekts derart gesteuert, dass die auf das Batterieaktivmaterial 15 wirkende mechanische Vorspannung Fv während des Lade-/Entladevorgangs weitgehend konstant bleibt.
-
In der 10 ist ausschnittsweise ein Zellstapel 27 angedeutet, in dem in einer Stapelrichtung hintereinander Batteriezellen 1 gestapelt sind. Jede der Batteriezellen 1 weist ein Zellgehäuse mit integriertem Formgedächtnismaterial 19 auf. Die Flachseitenwände 9 benachbarter Batteriezellen 1 sind einander zugewandt sowie quer zur Stapelrichtung ausgerichtet. In der 10 sind die Batteriezellen 1 im vollständig geladenen Zustand L gezeigt. In diesem Fall sind die Flachseitenwände 9 benachbarter Batteriezellen 1 zueinander in Kontakt. Demgegenüber sind in der 11 die Batteriezellen 1 im entladenen Zustand gezeigt. Entsprechend sind die Flachseitenwände 9 der Batteriezellen 1 nach gehäuseinnen verlagert. Dadurch ergibt sich ein Freiraum 29 zwischen benachbarten Batteriezellen 1. Dieser Freiraum 29 ist in ein Temperiersystem eingebunden, bei dem der Freiraum 29 mit Temperiermittel, das heißt zum Beispiel Kühlluft, durchströmt werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Batteriezelle
- 3
- Bodenwand
- 5
- Deckwand
- 6
- Gehäuse-Mittelteil
- 7
- Schmalseitenwand
- 9
- Flachseitenwand
- 10
- offene Stirnseiten des Hohlprofilteils
- 11, 13
- Zellpole
- 15
- Batterieaktivmaterial
- 17
- Totvolumen
- 19
- Formgedächtnismaterial
- 21
- Steuereinheit
- 23
- großflächiger Basisabschnitt
- 25
- randseitiger Übergangsabschnitt
- 27
- Zellstapel
- 29
- Freiraum
- Fv
- mechanische Vorspannung
- E
- Entladezustand
- L
- Ladezustand
