DE102021207786A1

DE102021207786A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle

Info

Publication number: DE102021207786A1
Application number: DE102021207786.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bedürftig; Bastian Schaar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle für ein Hochvoltbatteriesystem, mit einem Zellgehäuse, in dem ein Aktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen (11, 13) sowie einem Elektrolyt gebildet ist. Erfindungsgemäß ist im Inneren (25) des Zellgehäuses zumindest ein Latentwärmespeicher (19) mit einem Phasenwechselmaterial (23) angeordnet, mit dem latente Wärme speicherbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle bevorzugt für ein Hochvoltbatteriesystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die in einem Hochvoltbatteriesystem verbauten Li-lonen-Zellen können sich je nach Strombelastung, Temperatur, Bestromungsdauer und Ladezustand so stark erwärmen, dass die für die jeweilige Li-lonen-Zelle geltende Höchsttemperatur überschritten wird. Insbesondere beim Schnellladen, starker Beschleunigung und hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges treten hohe Strombelastungen auf, welche die Zellen stark erwärmen. Die Kühlleistung im Fahrzeug ist technisch limitiert und oft nicht ausreichend. Folglich muss aktuell die Strombelastung reduziert werden, um ein Überhitzen der Zellen zu vermeiden.
Eine gattungsgemäße Lithium-Ionen-Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem ein Aktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen sowie einem Elektrolyt gebildet ist.
Häufig werden die im Hochvoltbatteriesystem verbauten Zellen von außen gekühlt, wobei sowohl in der Batterie als auch in den Zellen selbst große Temperaturunterschiede auftreten können. Um Schäden an der Batterie zu vermeiden, werden häufig Abschlags-/Sicherheitsfaktoren abgeschätzt. Je nach Anforderung/ Aufgabe beziehen sich die Faktoren auf die kälteste oder wärmste Zelle in der Batterie. Typischerweise wird zur Abschätzung auch der kälteste und wärmste Bereich in der Zelle betrachtet. Das Gesamtsystem der Batterie hängt somit vom kältesten oder wärmsten Punkt (analog zum schwächsten Glied in der Kette) innerhalb der Batterie ab. Sowohl der kälteste als auch wärmste Bereich haben einen Einfluss auf die Stromfreigabe.
Diese konservativen Abschätzungen limitieren die Leistung des Batteriesystems unter Umständen sehr stark, sodass beispielsweise aktuelle Schnellladeanforderungen nicht erfüllt werden können. Eine Verringerung der Temperaturdifferenzen innerhalb der Batteriezelle würde die Abschätzungen erleichtern sowie die Gesamtleistungsfähigkeit der Batterie erhöhen.
Zudem gibt es im Betrieb von Li-lonen-Zellen ein ideales Temperaturfenster, in welchem die Faktoren Alterung, Verlustleistung, Reichweite, maximaler Ladestrom ideal aufeinander abgestimmt sind. Aktuelle Lösungen heizen die Batteriezelle von außen auf und versuchen dann die Batterie im Temperaturfenster zu halten, wobei die Wärmekapazität der Batterie als konstant angenähert werden kann. Folglich begünstigt eine hohe Zellen-Wärmekapazität ein langes Halten im idealen Temperaturfenster. Dies hat aber den Nachteil, dass sehr viel Energie benötigt wird, um die Batteriezelle aufzuheizen. Eine geringe Zellen-Wärmekapazität kehrt die genannten Verhältnisse um.
Aktuelle Entwicklungen im Batteriebereich konzentrieren sich zunehmend auf hochintegrierte Batterien, wobei die einzelnen Batteriezellen direkt in das Batteriegehäuse eingebaut werden. Hierdurch kann auf Batteriemodule verzichtet werden, was Kosten-, Volumen- und Gewichtsvorteile mit sich bringen kann. Diese sogenannte „Zell2Pack“-Architektur hat wesentlich höhere Anforderungen an eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Batteriezelle, da nicht mehr einzelne Batteriemodule geregelt werden, sondern nur noch eine Regelung der Gesamtbatterie erfolgen kann. Mit bisherigen Kühlungskonzepten sind diese hohen Anforderungen nur bedingt erreichbar.
Weiter werden aktuell Schnellladeleistungen von 350-400 kW mit 800V-Batteriesystemen entwickelt, welche Ladezeiten von weniger als 20 Minuten ermöglichen sollen. Hierzu ist eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der jeweiligen Batteriezelle notwendig. Einzelne Bereiche in der Batterie/Zelle können aufgrund der hohen Dynamik der Wärmeentwicklung nicht mehr durch das Kühlsystem ausreichend homogen temperiert werden.
Ein weiterer Schwerpunkt aktueller Entwicklungen ist, dass der Bauraum der Batterie weiter optimiert/reduziert wird, wodurch für das Kühlsystem immer weniger Platz zur Verfügung steht, was ebenfalls einen negativen Einfluss auf die homogene Temperaturverteilung hat.
Aus dem Stand der Technik ist eine Batterie-Rundzelle mit einer Kapazität von über 30 Ah bekannt. Aufgrund des Rundzellen-Aufbaus nimmt die Temperaturdifferenz von der Zellen-Außenseite zur Zellen-Mitte ebenfalls stark zu. Ein Schnellladen von Rundzellen mit über 30 Ah ist mit den aktuellen Kühlungskonzepten nicht möglich.
In einem Anwendungsszenario wird ein Schnellladen durchgeführt, gefolgt von einer Autobahnfahrt (zum Beispiel bei 120 km/h) und einem anschließenden weiteren Schnellladen. In diesem Fall wird die Batterie in Vorbereitung auf das Schnellladen ideal temperiert. Durch die Autobahnfahrt kühlt sich die Batterie jedoch stark ab, sodass eine erneute Vorkonditionierung/Temperierung der Fahrzeugbatterie erforderlich ist, um den weiteren Schnellladevorgang zu starten. Hierdurch sinkt die Effizienz und Reichweite des Fahrzeuges.
Aus der DE 103 58 582 B4 ist eine Batterie mit Mitteln zum Wärmetransport bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lithium-lonen-Batteriezelle bevorzugt für ein Hochvoltbatteriesystem bereitzustellen, mit der im Vergleich zum Stand der Technik Schnellladeanforderungen in einfacher Weise erfüllt werden können, nämlich eine möglichst homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezelle und/oder ein Halten der Batteriezellen-Betriebstemperatur in einem vordefinierten Temperaturbereich.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Lithium-Ionen-Batteriezelle aus, in deren Zellgehäuse ein Aktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen sowie einem Elektrolyt besteht. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist im Inneren des Zellgehäuses ein Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial angeordnet, mit dem latente Wärme speicherbar ist.
Die Erfindung ist unabhängig vom Zellformat anwendbar: Speziell bei Rundzellen gibt es einen fertigungsbedingten Hohlraum (zum Beispiel bei einer 21700-Zelle: Hohlraumradius ca. 1.5 mm; bei einer 46800-Zelle: Hohlraumradius ca. 3,25 mm), der derzeit nicht genutzt wird. In diesen Hohlraum kann erfindungsgemäß ein Phasenwechselmaterial (PCM) eingebracht werden. Das Phasenwechselmaterial kann dabei so gewählt sein, dass es einen oder mehrere im Betriebsfenster der Zelle liegenden Phasenumwandlungspunkte aufweist. Das Phasenwechselmaterial kann gekapselt (separat) oder direkt in der Zelle sein.
In einem bevorzugten Anwendungsszenario wird eine Rundzelle, in welcher der Hohlraum mit Paraffin gefüllt ist, im Schnellladefall betrachtet. Das Paraffin kann sich in einer Art Kapsel befinden. Nachdem die Schmelztemperatur des Paraffin erreicht ist, führt eine weitere Wärmezufuhr nicht zu einem Temperaturanstieg, sondern wird in der Schmelzwärme des Paraffins als latente Wärme gebunden. Hierdurch steigt die Temperatur in der Zellmitte nicht weiter an, wodurch sich eine homogenere Temperaturverteilung im Zellgehäuse-Inneren ergibt.
Zudem kann durch eine gezielte Auswahl geeigneter Phasenwechselmaterialien die Schmelzpunkt (das heißt der Umwandlungspunkt) so eingestellt werden, dass die Zelle innerhalb eines idealen Temperaturfensters gehalten werden kann. Aufgrund der extrem hohen Schmelzenergie und oder Verdampfungsenergie von Phasenwechselmaterialien sowie der relativ geringen Wärmekapazität von Phasenwechselmaterialien kann die erfindungsgemäße Batteriezelle schnell aufgeheizt werden, da sich die Wärmekapazität des Systems nur geringfügig zu Batteriesystemen ohne Phasenwechselmaterial unterscheidet.
In einem Anwendungsszenario wird ein Schnellladen durchgeführt, gefolgt von einer Autobahnfahrt (zum Beispiel bei 120 km/h) und einem anschließenden weiteren Schnellladen. In diesem Fall wird beim Abkühlen des Phasenwechselmaterials Wärme freigesetzt. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine Vorkonditionierung der Batterie für das erneute Schnellladen verzichtet werden, wodurch die Effizienz und die Reichweite des Fahrzeuges gesteigert werden kann.
Die wesentlichen Merkmal der Erfindung sind nachfolgend aufgelistet: So kann erfindungsgemäß eine direkte Einstellung und ein Halten eines idealen Temperaturfensters erfolgen, welches für die Zelle ideale Bedingungen für Schnellladung, Sicherheit, Alterung, Reichweite, Performance bietet. Zudem wird die Temperaturverteilung innerhalb der Zelle homogenisiert. Ferner ist das ideale Temperaturfensters schnell erreichbar und wird die erforderliche Kühlleistung reduziert. Die gezielte Auswahl von Phasenwechselmaterialen erlaubt ein anwendungsspezifisches Temperaturfenster.
Nachfolgend sind Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen hervorgehoben. So sind im Stand der Technik im Zellgehäuse-Inneren der Batteriezelle nicht von den Elektroden-/Separatorlagen eingenommene Leerräume vorhanden, die mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt sind. Erfindungsgemäß kann speziell in diesen Leerräumen ein Latentwärmespeicher angeordnet werden. In diesem Fall wirkt der Latentwärmespeicher in Doppelfunktion nicht nur zum Halten der Zellen-Betriebstemperatur in einem vordefinierten Temperaturbereich, sondern zusätzlich auch als ein Verdrängungskörper, mittels dem die Füllmenge an kostspieliger Elektrolytflüssigkeit im Zellgehäuse reduzierbar ist.
In einer technischen Umsetzung kann die Batteriezelle bei einem vordefinierten Betriebstemperaturbereich optimal arbeiten. Die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials liegt dabei bevorzugt in den Betriebstemperatur-Bereich der Batteriezelle. Beispielhaft kann das Phasenwechselmaterial so ausgewählt sein, dass im vordefinierten Betriebstemperatur-Bereich, zum Beispiel 30° bis 50°C, seine Phase von fest zu flüssig ändert. Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials zwar konstant. Jedoch wird während der Phasenumwandlung wesentlich mehr Wärme pro Masseneinheit absorbiert als bei Verwendung eines herkömmlichen Kühlmittels. Bevorzugt ist es, wenn das Phasenwechselmaterial aus einem Materialgemisch besteht, dessen Einzelkomponenten unterschiedliche Phasenwechseltemperaturen aufweisen. Bevorzugt ist es, wenn die unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen im Betriebstemperatur-Bereich liegen. Auf diese Weise wird die Latentwärme nicht nur bei einem Einzel-Temperaturwert, sondern vielmehr im gesamten Betriebstemperaturbereich der Batteriezelle absorbiert (zum Beispiel 30° bis 50°C).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Phasenwechselmaterial nicht in direktem Kontakt mit der Elektrolytflüssigkeit sich befinden. Vielmehr kann der Latentwärmespeicher ein dünnwandiges Speichergehäuse aufweisen, in dem das Phasenwechselmaterial außer Kontakt mit der Elektrolytflüssigkeit und/oder flüssigkeitsdicht angeordnet ist. Beispielhaft kann das Speichergehäuse aus einer korrosionsfesten, dünnen Materialfolie, insbesondere aus Edelstahl, hergestellt sein.
In einer konkreten Ausführungsvariante kann das Aktivmaterial der Batteriezelle als eine Wicklung realisiert sein, die um eine Wickelachse gewickelt ist. Die Aktivmaterial-Wicklung wird im Fertigungsprozess in eine Zellgehäuse eingesetzt. Aus fertigungstechnischen Gründen weist die Wicklung radial innen einen hohlzylindrischen Leerraum auf. Dieser Leerraum ist im Stand der Technik üblicherweise mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt. In Abkehr davon kann erfindungsgemäß im radial inneren Leerraum der Aktivmaterial-Wicklung der Latentwärmespeicher positioniert sein.
Beim Prozess zur Herstellung der Aktivmaterial-Wicklung wird ein entsprechendes Bandmaterial um einen Wickelkern einer Wickelmaschine gewickelt. Nach deren Fertigstellung wird die Aktivmaterial-Wicklung in das Zellgehäuse eingesetzt. Bevorzugt ist es, wenn der Latentwärmespeicher unmittelbar den Wickelkern bilden, um den das Aktivmaterial gewickelt wird. In diesem Fall bilden die Aktivmaterial-Wicklung und der Wickelkern eine Vormontageeinheit, die in das Zellgehäuse einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß ist daher zur Realisierung der Erfindung keine Anpassung einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle erforderlich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim Wickeln der Zellmaterialen um den Latentwärmespeicher ein gleichmäßiger/vorteilhafter Druck der einzelnen Schichten gewährleistbar ist. Bisher kann nur der Zellbecher (das heißt Umfangswand des Zellgehäuses) auf die Schichten drücken, wobei in der Zellmitte ein Loch ist, welches keine Gegenkraft ausüben kann.
Das Phasenwechselmaterial kann bevorzugt derart ausgewählt sein, dass deren Wärmeaufnahmekapazität bis Erreichen der Phasenwechseltemperatur wesentlich geringer ist als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit. Im Gegensatz dazu ist die Wärmeaufnahmekapazität des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung um ein Vielfaches größer als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit. Nach erfolgter Phasenumwandlung sinkt dagegen die Wärmeaufnahmekapazität des Phasenwechselmaterials wieder ab.
Die hohe Wärmeaufnahmekapazität während der Phasenumwandlung begünstigt daher ein langes Halten der Ist-Temperatur der Batteriezelle im idealen Betriebstemperatur-Bereich. Aufgrund der stark reduzierten Wärmeaufnahmekapazität bis zum Erreichen der Phasenwechseltemperatur kann bevorzugt die Batterie beschleunigt aufgezeigt werden, was im Hinblick auf Schnellladeanforderungen vorteilhaft ist. Im Vergleich dazu würde eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelle sehr viel mehr Wärmeenergie benötigen, um die Batteriezelle bis auf den idealen Betriebstemperaturbereich aufzuwärmen.
Das Phasenwechselmaterial kann zum Beispiel als Feinpulver oder als Granulat im Latentwärmespeicher integriert sein. Ein Großteil der dem Phasenwechselmaterial zugeführten thermischen Energie wird in Form von latenter Wärme gespeichert, und zwar für eine Phasenumwandung (zum Beispiel von fest zu flüssig und/oder von flüssig zu gasförmig). Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur des Phasenwechselmaterials konstant. Bis Erreichen der Phasenumwandlungs-Temperatur wird die zugeführte thermische Energie in Form von sensibler Wärme im Phasenwechselmaterial gespeichert, bei der die Temperatur des Phasenwechselmaterials zunimmt. Nach Abschluss der Phasenumwandung wird die thermische Energie ebenfalls in Form von sensibler im Phasenwechselmaterial gespeichert.
Als Phasenwechselmaterial (PCM) können organische Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlichen Molekül-Kettenlängen verwendet werden. Auf diese Weise können Phasenwechselmaterialien, zum Beispiel Paraffine und Fette, mit unterschiedlichen Phasenumwandlungs-Temperaturen gemischt werden. Organische Phasenwechselmaterialien werden bevorzugt, da sie chemisch stabil, sicher und nicht reaktiv sind. Von Vorteil sind solche organischen Phasenwechselmaterialien, die eine sehr hohe volumetrische Latentwärmespeicherkapazität (kJ/mm³) aufweisen.
Sobald ein Phasenübergang (zum Beispiel bei 56°C) vom fest zu flüssig stattfindet, speichert das Phasenwechselmaterial während des Phasenübergangs mehr Wärme (zum Beispiel sechsmal mehr Wärme als sensible Wärme). Während des Phasenübergangs findet kein Temperaturanstieg statt. Sobald das Phasenwechselmaterial einen vollständigen Phasenübergang von der festen in die flüssige Phase durchlaufen hat, beginnt die Temperatur wieder zu steigen. In der flüssigen Phase kann es wieder Wärme in Form von fühlbarer Wärme speichern.
Erfindungsgemäß kann eine Mischung aus Phasenwechselmaterialien verwendet werden, die jeweils unterschiedliche Phasenumwandlungs-Temperaturen aufweisen. Der Vorteil ist, dass das PCM mit dem niedrigsten Schmelzpunkt zuerst schmilzt und mehr Wärme (durch latente Schmelzwärme) aufnimmt, als die sensible Wärme der anderen Phasenwechselmaterialien. Wenn die Temperatur der Zelle weiter ansteigt, schmilzt das Phasenwechselmaterial mit dem nächst höheren Schmelzpunkt und nimmt mehr Wärme auf.
Das Phasenwechselmaterial kann auch als zusätzliche Schicht (analog einer Elektrodenschicht) in die Zelle eingebracht werden. Bei gewickelten Zelltypen, wie Rundzellen, könnte diese Phasenwechselmaterial-Schicht mit den restlichen Komponenten zusammen gewickelt werden. Bei gestapelten Zelltypen, wie Pouch und prismatischen Zellen, können in einer bestimmbaren Abfolge die PCM-Schichten in den Elektrodenstapel eingebracht werden.
Zudem können interne stromführende Materialien, wie Busbars, Stromschienen, Terminals, mit dem PCM ummantelt und oder gefüllt werden. Eine Beschichtung der Zellkomponenten wie der Elektroden, der Aktivmaterialien, der Trägerfolien der Anode und oder Kathode, des Zellgehäuses innen und oder außen, des Separators mit PCM ist ebenfalls möglich. Anstatt einer Beschichtung des Gehäuses kann das PCM auch als Hohlzylinder (gegebenenfalls mit dünner Wandung) zwischen Wickel und Gehäuse (oder außen das Gehäuse umschließend) eingebracht sein.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Vollschnittdarstellung eine Batterie-Rundzelle;
2 eine schematische Explosionsdarstellung der Batterie-Rundzelle;
3 einen Latentwärmespeicher in Alleinstellung;
4 ein Diagramm, anhand dem ein Schnellladevorgang veranschaulicht ist;
5 und 6 jeweils zeitliche Temperaturverläufe während eines Schnellladevorgangs.

In der 1 ist eine Batterie-Rundzelle im Halbschnitt gezeigt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf das in der 1 gezeigte Zellformat beschränkt ist. Vielmehr ist die Erfindung auch auf eine prismatische Batteriezelle oder auf eine Pouchzelle anwendbar. In der 1 ist die Batterie-Rundzelle insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach weist die Batterie-Rundzelle ein hohlzylindrisches Zellgehäuse mit einem Gehäuseboden 1, einer zylindrischen Umfangswand 3 sowie einem Gehäusedeckel 5 auf. Im Gehäusedeckel 5 ist unter anderem ein Zellpol 7 sowie ein Sicherheitsventil 9 integriert. Im Zellgehäuse-Inneren ist eine Aktivmaterial-Wicklung angeordnet, die aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen 11, 3 sowie einem Elektrolyt aufgebaut ist. Am Gehäuseboden 5 befindet sich ein weiterer Zellpol 15.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass in einem fertigungstechnisch bedingten Bauraum 17 radial innerhalb der Aktivmaterial-Wicklung ein zylindrischer Latentwärmespeicher 19 angeordnet ist. Der zylindrische Latentwärmespeicher 19 ist in der 3 in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge ist der Latentwärmespeicher 19 aus einem Speichergehäuse 21 aus dünnwandiger Edelstahlfolie aufgebaut, in der ein Phasenwechselmaterial 23 angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial 23 ist mittels des Speichergehäuses 21 nach außen fluiddicht abgekapselt, so dass kein direkter Kontakt zwischen der Elektrolytflüssigkeit und dem Phasenwechselmaterial 23 vorhanden ist.
Nachfolgend wird anhand der 2 ein Fertigungsprozess zur Herstellung der Batterie-Rundzelle insoweit beschrieben, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demnach wird zunächst das Aktivmaterial als ein Wickelband, bestehend aus den Elektroden- und Separatorlagen 11, 13 bereitgestellt, das in einer Wickelmaschine um einen Wickelkern gewickelt wird. Bevorzugt ist der Wickelkern der Latentwärmespeicher 19. Nach Abschluss des Wickelprozesses wird die Aktivmaterial-Wicklung in das Zellgehäuse-Innere 25 eingesetzt und der Gehäusedeckel 5 montiert.
Um einen einwandfreien Schnellladevorgang zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn das Phasenwechselmaterial 23 derart ausgewählt ist, dass deren Wärmeaufnahmekapazität bis Erreichen der Phasenwechseltemperatur kleiner als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit. Im Gegensatz dazu ist während der Phasenumwandlung die Wärmeaufnahmekapazität des Phasenwechselmaterials um ein Vielfaches größer als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit. Dadurch wird ein schnelles Hochheizen der Batteriezelle bis zum Erreichen der optimalen Betriebstemperatur erzielt.
Die Batteriezelle arbeitet in einem vordefinierten Betriebstemperatur-Bereich optimal. Bevorzugt kann die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials 23 in diesem Betriebstemperatur-Bereich liegen.
Beispielhaft ist anhand dem Diagramm der 4 ein Schnellladevorgang einer erfindungsgemäßen Batteriezelle veranschaulicht, bei dem die Batteriezelle in 15 Minuten von einem Ladezustand SoC von 5% bis auf einen Ladezustand SoC von 80% aufgeladen wird. Das ideale Temperaturfenster der Batteriezelle liegt in der 4 zwischen etwa 47°C und 52°C.
In der Batteriezelle 1 ist der Latentwärmespeicher 19 verbaut. Dessen Phasenwechseltemperatur liegt bei etwa 50°C. Ab einem Ladezustand SoC von etwa 40% erreicht der Latentwärmespeicher 19 seine Phasenwechseltemperatur, bei der die Phasenumwandlung erfolgt. Während der Phasenumwandlung bleibt die Temperatur des Latentwärmespeichers 19 konstant, wodurch die Batteriezelle durch eine passive PCM-Kühlung wirkungsvoll von innen gekühlt werden kann.
In den 5 und 6 sind weitere Diagramme gezeigt, anhand derer die Temperaturverteilungen innerhalb einer aus dem Stand der Technik bekannten Batteriezelle (5) und einer erfindungsgemäßen Batteriezelle (6) veranschaulicht sind.
In der 5 wird die Batteriezelle (ohne Latentwärmespeicher 19) während eines Schnellladevorgangs nur über die äußere Batteriezellen-Mantelfläche gekühlt. Demgegenüber erfolgt in der 6 mit dem Latentwärmespeicher 19 zusätzlich auch eine passive PCM-Kühlung vom Inneren der Batteriezelle. In beiden 5 und 6 sind jeweils die zeitlichen Temperaturverläufe einer Innentemperatur T_I, die in der Zellenmitte gemessen ist, und einer Außentemperatur T_A, die an der Zellen-Außenseite gemessen ist, dargestellt. In der 5 beträgt die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Innentemperatur T_I und der Außentemperatur T_A zu einem Zeitpunkt von 600s nach dem Start des Schnelladevorgangs etwa 8°C. Demgegenüber ist in der 6 die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Innentemperatur T_I und der Außentemperatur T_A zum Zeitpunkt von 600s nach dem Start des Schnelladevorgangs vorteilhaft bis auf etwa 4°C reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuseboden
3: Umfangswand
5: Gehäusedeckel
7: Zellpol
9: Sicherheitsventil
11: Elektrodenlagen
13: Separatorlagen
15: Zellpol
17: Bauraum
19: Latentwärmespeicher
21: Speichergehäuse
23: Phasenwechselmaterial
25: Gehäuse-Inneres
TI: Innentemperatur
TA: Außentemperatur
ΔT: Temperaturdifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10358582 B4 [0012]

Claims

Lithium-Ionen-Batteriezelle bevorzugt für ein Hochvoltbatteriesystem, mit einem Zellgehäuse, in dem ein Aktivmaterial angeordnet ist, das aus übereinander geschichteten Elektroden- und Separatorlagen (11, 13) sowie einem Elektrolyt gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren (25) des Zellgehäuses zumindest ein Latentwärmespeicher (19) mit einem Phasenwechselmaterial (23) angeordnet ist, mit dem latente Wärme speicherbar ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle bei einem vordefinierten Betriebstemperatur-Bereich optimal arbeitet, und dass die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials (23) in dem Betriebstemperatur-Bereich liegt.
Lithium-lonen-Batteriezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (23) ein Materialgemisch aus Einzelkomponenten mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen ist, und dass insbesondere sämtliche Phasenwechseltemperaturen im Betriebstemperatur-Bereich liegen, oder dass die zumindest eine Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials (23) oberhalb des Betriebstemperatur-Bereichs liegt, so dass insbesondere das zumindest eine Phasenwechselmaterials (23) eine Sicherheitsfunktion zur Eindämmung einer thermischen Propagation realisiert.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (23) des Latentwärmespeichers (19) Bestandteile und/oder Komponenten direkt berührt, oder dass der Latentwärmespeicher (19) ein dünnwandiges Speichergehäuse (21) aufweist, in dem das Phasenwechselmaterial (23) außer Kontakt mit dem Elektrolyt und/oder flüssigkeitsdicht angeordnet ist, und dass insbesondere das Speichergehäuse (21) aus einem korrosionsfesten Material, insbesondere Edelstahl, gebildet ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial als eine Wicklung realisiert ist, die um eine Wickelachse (W) gewickelt ist, und dass der Latentwärmespeicher (19) in einem fertigungstechnisch bedingten Bauraum (17) radial innerhalb der Wicklung positioniert ist, und dass insbesondere im Prozess zur Herstellung der Batteriezelle zunächst das Aktivmaterial als Wicklung um einen Wickelkern wickelbar ist, und dass anschließend die Aktivmaterial-Wicklung in das Zellgehäuse einsetzbar ist, und dass insbesondere der Latentwärmespeicher (19) den Wickelkern bildet, um den das Aktivmaterial wickelbar ist, und dass insbesondere die Aktivmaterial-Wicklung und der Wickelkern eine Vormontageeinheit bilden, die in das Zellgehäuse einsetzbar ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (19) zusätzlich als ein Verdrängungskörper wirkt, mit dem die Füllmenge von Elektrolytflüssigkeit im Zellgehäuse reduzierbar ist, und/oder dass im Zellgehäuse-Inneren (25) zumindest ein Leerraum (17) vorhanden ist, der nicht von Elektroden- und Separatorlagen (11, 13) eingenommen ist, und dass in dem Leerraum (17) der Latentwärmespeicher (19) positionierbar ist.
Lithium-lonen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (23) derart ausgewählt ist, dass deren Wärmeaufnahmekapazität bis Erreichen sowie nach Erreichen der Phasenwechseltemperatur kleiner als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit ist, und während der Phasenumwandlung um ein Vielfaches größer als die Wärmeaufnahmekapazität der Elektrolytflüssigkeit ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (23) als zusätzliche Schicht, analog einer Elektrodenschicht, in die Zelle einbringbar ist, und dass insbesondere bei gewickelten Zelltypen, wie etwa Rundzellen, die Phasenwechselmaterial-Schicht mit den restlichen Komponenten zusammen wickelbar ist, oder dass bei gestapelten Zelltypen, wie etwa Pouch-Zellen oder prismatischen Zellen, in einer bestimmbaren Abfolge die Phasenwechselmaterial-Schichten in den Elektrodenstapel einbringbar sind.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass interne stromführende Materialien, wie Busbars, Stromschienen, Terminals, mit dem Phasenwechselmaterial (23) ummantelt und/oder füllbar sind, und/oder dass Zellkomponenten, wie etwa die Elektroden, die Aktivmaterialien, die Trägerfolien der Anode und/oder der Kathode, der Zellgehäuse-Innenseite und/oder der Zellgehäuse-Außenseite oder des Separators mit Phasenwechselmaterial (23) beschichtet sind.
Lithium-Ionen-Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial auch als Hohlzylinder (gegebenenfalls mit dünner Wandung) zwischen Wickel und Gehäuse einbringbar ist oder außen das Gehäuse umschließt.