DE102021213867A1

DE102021213867A1 - Propagationsschutzelement, Verfahren zur Herstellung eines Propagationsschutzelements und elektrochemisches System

Info

Publication number: DE102021213867A1
Application number: DE102021213867.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Hoffmann; Daniel Becher; Harry Döring; Marius Bauer; Michael Kasper
Original assignee: Zentrum Fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Stiftung Des Buergerlichen R; Zentrum Fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Stiftung Des Buergerlichen Rechts; ElringKlinger AG
Current assignee: Zentrum Fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Stiftung Des Buergerlichen R; Zentrum Fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg Stiftung Des Buergerlichen Rechts; ElringKlinger AG
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Um ein Propagationsschutzelement bereitzustellen, welches eine Wärmeübertragung, insbesondere zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen eines elektrochemischen Systems, minimiert und welches einfach herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass das Propagationsschutzelement ein Polymermatrixmaterial und einen oder mehrere Füllstoffe umfasst, wobei der eine oder die mehreren Füllstoffe teilweise oder vollständig von dem Polymermatrixmaterial umgeben sind und wobei der eine oder die mehreren Füllstoffe ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien umfassen oder daraus gebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Propagationsschutzelement für ein elektrochemisches System.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Propagationsschutzelements.
Die Erfindung betrifft weiter ein elektrochemisches System.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Propagationsschutzelement bereitzustellen, welches eine Wärmeübertragung, insbesondere zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen eines elektrochemischen Systems, minimiert und welches einfach herstellbar ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Propagationsschutzelement für ein elektrochemisches System gemäß dem unabhängigen auf ein Propagationsschutzelement gerichteten Produktanspruch gelöst.
Das Propagationsschutzelement umfasst ein Polymermatrixmaterial und einen oder mehrere Füllstoffe, welche teilweise oder vollständig von dem Polymermaterial umgeben sind.
Vorzugsweise umfassen der eine oder die mehreren Füllstoffe ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien oder sind daraus gebildet.
Das Propagationsschutzelement eignet sich vorzugsweise zur Verwendung in einem elektrochemischen System, insbesondere einem Batteriemodul, beispielsweise für ein Fahrzeug.
Ein elektrochemisches System umfasst vorzugsweise eine oder mehrere elektrochemische Zellen.
Die elektrochemischen Zellen sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen und/oder Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen.
Durch das eine oder die mehreren Wärmepuffermaterialien kann Wärmeenergie, welche beispielsweise in nicht ordnungsgemäßem Zustand einer elektrochemischen Zelle entsteht, von dem einen oder den mehreren Füllstoffen aufgenommen und/oder absorbiert werden.
In elektrochemischen Systemen oder einzelnen elektrochemischen Zellen eines elektrochemischen Systems besteht die Gefahr eines sogenannten „Thermal Runaway“, bei welchem es aufgrund von exothermen chemischen Reaktionen innerhalb elektrochemischer Zellen eines elektrochemischen Systems oder aufgrund eines Kurzschlusses zu einer sich selbst verstärkenden Wärmeentwicklung und zu einem Überhitzen von einer oder mehreren elektrochemischen Zellen kommt. Häufig kommt es bei einem „Thermal Runaway“ zu einer dominoartigen Wärmepropagation von einer elektrochemischen Zelle auf eine andere elektrochemische Zelle innerhalb des elektrochemischen Systems.
Bei einem „Thermal Runaway“ handelt es sich um ein sogenanntes „thermisches Event“. Thermische Events gehen insbesondere mit einem starken Druckanstieg innerhalb der elektrochemischen Zelle und/oder mit hohen Temperaturen, beispielsweise mit Temperaturen von 1000 °C oder mehr, einher.
Durch die Verwendung von einem oder mehreren Wärmepuffermaterialien kann eine Wärmepropagation von an einer Seite des Propagationsschutzelements angeordneten Elementen, beispielsweise einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen, auf an einer anderen Seite des Propagationsschutzelements angeordnete Elemente, beispielsweise einer oder mehrerer weiterer elektrochemischer Zellen, verzögert oder verhindert werden.
Beispielsweise kann ein thermisches Durchgehen einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen vermieden werden, insbesondere auch wenn sich bereits eine oder mehrere weitere elektrochemische Zellen in einem nicht ordnungsgemäßen Zustand befinden.
Vorzugsweise wirken das eine oder die mehreren Wärmepuffermaterialien als Dämpfer.
Insbesondere kann das Propagationsschutzelement durch den einen oder die mehreren Füllstoffe mehr Wärmeenergie aufnehmen als ein Propagationsschutzelement, welches ausschließlich aus dem Polymermatrixmaterial gebildet ist.
Beispielsweise kann sensible Wärme aus einer Umgebung des Propagationsschutzelements aufgenommen und/oder abgeleitet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn es sich bei dem einen oder den mehreren Füllstoffen um einen oder mehrere endotherm reagierende Füllstoffe handelt.
Bei einer „endothermen Reaktion“ handelt es sich insbesondere um eine Reaktion, welcher Wärme zugeführt werden muss. Insbesondere ist eine Standardenthalpiedifferenz bei einer endothermen Reaktion positiv. Eine Enthalpie H eines Systems ist als Summe aus dessen innerer Energie und einem Produkt aus Druck und Volumen definiert. Insbesondere ist die Enthalpie eines Systems dessen Wärmegehalt bei konstantem Druck.
Vorzugsweise umfasst eine endotherme Reaktion eine chemische Reaktion und/oder eine physikalische Reaktion. Beispielsweise wird während der endothermen Reaktion Kristallwasser abgespalten.
Das Propagationsschutzelement kann beispielsweise ein Abstandhalterelement und/oder eine Zwischenschicht bilden, beispielsweise zwischen prismatischen elektrochemischen Zellen.
Ergänzend oder alternativ zur Verwendung in einem elektrochemischen System mit prismatischen elektrochemischen Zellen eignet sich das Propagationsschutzelement auch als Element, in welchem Rundzellen aufgenommen sind.
Ergänzend oder alternativ kann das Propagationsschutzelement in elektrochemischen Systemen, welche Pouchzellen umfassen, verwendet werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der eine oder die mehreren Füllstoffe wärmeabsorbierende Eigenschaften aufweisen. So kann beispielsweise Wärmeenergie einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen, welche sich in einem nicht ordnungsgemäßen Zustand befinden und deshalb überhitzen, von dem Propagationsschutzelement aufgenommen werden.
Beispielsweise dient die Wärmeenergie, welche aufgrund des nicht ordnungsgemäßen Zustands einer elektrochemischen Zelle entsteht, als Aktivierungsenergie für eine endotherme Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe.
Vorzugsweise sind der eine oder die mehreren Füllstoffe partikelförmig. So sind der eine oder die mehreren Füllstoffe insbesondere homogen in dem Polymermatrixmaterial verteilbar und/oder verteilt.
Vorzugsweise sind der eine oder die mehreren Füllstoffe in dem Polymermatrixmaterial aufgenommen.
Der eine oder die mehreren Füllstoffe sind insbesondere teilweise von dem Polymermatrixmaterial umgeben, wenn beispielsweise mehrere Partikel des jeweiligen Füllstoffs in direktem stofflichen Kontakt miteinander sind und/oder wenn ein Partikel einen Teil einer äußeren Oberfläche des Propagationsschutzelements bildet.
Vorzugsweise bildet das Propagationsschutzelement eine thermische und/oder mechanische Trennung zweier Elemente, beispielsweise zweier benachbarter elektrochemischer Zellen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement separat handhabbar ist und/oder vor einer Verbindung mit einer elektrochemischen Zelle hergestellt wird.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich das Propagationsschutzelement erst in mit einer elektrochemischen Zelle verbundenen Zustand bildet.
Beispielsweise wird eine gießbare und/oder fließfähige Masse, welche den einen oder die mehreren Füllstoffe enthält, auf einen Oberflächenbereich, beispielsweise einen Oberflächenbereich einer elektrochemischen Zelle, aufgetragen und härtet dort aus.
Beispielsweise sind der eine oder die mehreren Füllstoffe bei einer Aushärtereaktion zur Bildung des Polymermatrixmaterials beigemengt.
Durch das Propagationsschutzelement kann eine thermische Energie im Fall eines thermischen Events gesenkt werden.
Vorzugsweise ist durch das Propagationsschutzelement eine kontrollierte Ableitung von Wärmeenergie und/oder eine Verteilung der Wärmeenergie auf Wärmesenken, beispielsweise eine oder mehrere Kühlplatten, ein Modulrahmen und/oder eine benachbarte elektrochemische Zelle, ausgebildet.
Günstig kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement eine thermische und/oder mechanische Barriere zwischen benachbarten Elementen, insbesondere zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen, bildet, auch wenn eine endotherme Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe bereits abgeschlossen ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der eine oder die mehreren Füllstoffe und/oder das Propagationsschutzelement bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 75 °C und/oder höchstens ungefähr 210 °C an einer endothermen Reaktion, beispielsweise einer endothermen chemischen Reaktion und/oder einer endothermen physikalischen Reaktion, teilnehmen und/oder diese durchlaufen.
Insbesondere nehmen der eine oder die mehreren Füllstoffe und/oder das Propagationsschutzelement bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 80 °C und/oder höchstens ungefähr 200 °C an einer endothermen Reaktion, beispielsweise einer endothermen chemischen Reaktion und/oder einer endothermen physikalischen Reaktion teil und/oder durchlaufen diese.
Insbesondere handelt es sich bei der endothermen Reaktion um eine endotherme Zustandsänderung, bei welcher unter Aufnahme und/oder Absorption von Wärmeenergie aus der Umgebung des Propagationsschutzelements eine thermodynamische Zustandsänderung des einen oder der mehreren Füllstoffe stattfindet.
Die genannten Temperaturen sind vorzugsweise Zersetzungstemperaturen und/oder Phasenübergangstemperaturen, beispielsweise Temperaturen, bei welchen Kristallwasser abgespalten wird.
Günstig kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement in einer Differential Scanning Calorimetry (DSC)-Messung in dem genannten Temperaturbereich einen endothermen Peak aufweist.
Vorzugsweise liegt eine, beispielsweise mittels DSC-Messung bestimmte, theoretisches Zersetzungswärme des Propagationsschutzelements bei ungefähr 270 J/g oder mehr, insbesondere bei ungefähr 310 J/g oder mehr.
Insbesondere liegt die, beispielsweise mittels DSC-Messung bestimmte, theoretische Zersetzungswärme des Propagationsschutzelements bei ungefähr 370 J/g oder weniger, insbesondere bei ungefähr 330 J/g oder weniger.
Vorzugsweise ist der eine Füllstoff oder ist zumindest einer der mehreren Füllstoffe, insbesondere sämtliche Füllstoffe, ein Salz, welches beispielsweise einen Kristallwasseranteil von zwei oder mehr aufweist.
Günstig kann es sein, wenn der eine oder die mehreren Füllstoffe ausgewählt sind aus: Trinatriumphosphat-Dodecahydrat, Trinatriumcarbonat-Decahydrat, Calciumsulfat-Dihydrat und/oder Ettringit.
Es kann auch synthetisch gefälltes Calciumaluminatsulfat verwendet werden.
Bei den genannten Füllstoffen sind insbesondere Aktivierungstemperaturen und/oder Starttemperaturen für endotherme Reaktionen so hoch, dass sie erst bei einer Wärmeentwicklung einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen aufgrund eines nicht ordnungsgemäßen Zustands der jeweiligen elektrochemischen Zelle endotherm reagieren.
Vorzugsweise findet bei Raumtemperatur und/oder einer Herstellungstemperatur des Propagationsschutzelements, beispielsweise einer Aushärtetemperatur zur Bildung des Polymermatrixmaterials, keine endotherme Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe statt.
Die Füllstoffe sind vorzugsweise langzeitstabil.
Vorzugsweise ist das Polymermatrixmaterial ein elastomeres Polymermaterial und/oder ein geschäumtes Polymermaterial oder umfasst ein elastomeres Polymermaterial und/oder ein geschäumtes Polymermaterial.
Durch die Verwendung eines elastomeren Polymermaterials können insbesondere Verformungen einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen kompensiert werden und/oder das Propagationsschutzelement kann eine optimierte Kompressibilität aufweisen.
Durch die Verwendung eines geschäumten Polymermaterials kann die Kompressibilität im Vergleich zu nicht geschäumten Materialien gleicher Zusammensetzung des Propagationsschutzelements erhöht werden.
Die Kompressibilität ist vorzugsweise eine relative Volumenänderung bei einer Druckänderung.
Beispielsweise umfasst das Polymermatrixmaterial ein Silikonmaterial, beispielsweise ein Silikonkautschukmaterial und/oder ein Silikonschaummaterial, ein Polyurethanmaterial und/oder ein Kautschukmaterial oder ist daraus gebildet.
Vorzugsweise werden Zwei-Komponenten-Materialien zur Herstellung des Polymermatrixmaterials verwendet.
Es werden insbesondere Materialien zur Herstellung des Polymermatrixmaterials verwendet, deren Aushärtetemperatur ungefähr 120 °C oder weniger, insbesondere ungefähr 60 °C oder weniger, beträgt.
Vorzugsweise werden Materialien zur Herstellung des Polymermatrixmaterials verwendet, deren Vulkanisationstemperatur ungefähr 120 °C oder weniger, insbesondere ungefähr 60 °C oder weniger, beträgt.
In Ausführungsformen, in welchen das Polymermatrixmaterial ein geschäumtes Polymermaterial umfasst oder daraus gebildet ist, werden insbesondere Materialien zur Herstellung des Polymermatrixmaterials verwendet, deren Schaumbildungstemperatur ungefähr 120 °C oder weniger, insbesondere ungefähr 60 °C oder weniger, beträgt.
Beispielsweise ist das Polymermatrixmaterial durch einen gießbaren, bei Raumtemperatur vulkanisierenden, additionsvernetzenden Zwei-Komponenten-Silikonkautschuk gebildet.
Ergänzend oder alternativ ist das Polymermatrixmaterial durch einen gießbaren, bei Raumtemperatur vulkanisierenden, additionsvernetzenden Zwei-Komponenten-Silikonschaum gebildet.
Günstig kann es sein, wenn ein Anteil des einen oder der mehreren Füllstoffe mindestens ungefähr 1 Vol.-% und/oder höchstens ungefähr 80 Vol.-%, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Propagationsschutzelements, beträgt.
Insbesondere beträgt der Anteil des einen oder der mehreren Füllstoffe mindestens ungefähr 45 Vol.-% oder mehr und/oder höchstens ungefähr 65 Vol.-% oder weniger, bezogen auf das Gesamtvolumen des Propagationsschutzelements.
Durch den Anteil des einen oder der mehreren Füllstoffe kann die Kompressibilität des Propagationsschutzelements optimiert werden. Beispielsweise kann durch einen höheren Füllstoffanteil die Kompressibilität des Propagationsschutzelements reduziert werden.
In Ausführungsformen, in welchen das Propagationsschutzelement einen Grundkörper und ein Rahmenelement umfasst, beziehen sich die genannten Volumenprozentangaben vorzugsweise auf ein Gesamtvolumen des Grundkörpers des Propagationsschutzelements.
Beispielsweise ist das Propagationsschutzelement ein, beispielsweise mattenförmiger, Formkörper.
So kann das Propagationsschutzelement beispielsweise einen Trägerkörper und/oder Aufnahmekörper für elektrochemische Zellen bilden.
Beispielsweise dient das Propagationsschutzelement als Stapelhilfeelement zur Hilfe bei einer Stapelung elektrochemischer Zellen entlang einer Stapelrichtung. Die Stapelrichtung verläuft vorzugsweise zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des jeweiligen Propagationsschutzelements.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Propagationsschutzelement ein Vergusselement ist. Beispielsweise ist das Propagationsschutzelement durch Vergießen hergestellt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement elektrisch isolierend ist.
Unter „elektrisch isolierend“ sind insbesondere Elemente und/oder Materialien zu verstehen, welche bei 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens ungefähr 10^-8 S·cm^-1 aufweisen.
Durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Propagationsschutzelements bildet das Propagationsschutzelement in einer Einbausituation in ein elektrochemisches System insbesondere eine elektrische Isolation und/oder eine elektrische Trennung zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen.
So können zusätzliche Isolationselemente, wie beispielsweise Schrumpfschläuche, Isolationsfolien und/oder Isolationsbeschichtungen, entbehrlich sein.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Dicke des Propagationsschutzelements ungefähr 0,15 mm oder mehr und/oder ungefähr 5,5 mm oder weniger beträgt.
Beispielsweise beträgt die Dicke des Propagationsschutzelements ungefähr 0,2 mm oder mehr und/oder ungefähr 5 mm oder weniger.
Die Dicke des Propagationsschutzelements ist vorzugsweise senkrecht zu dessen Haupterstreckungsebene definiert.
In Ausführungsformen, in welchen nicht zwischen sämtlichen benachbarten elektrochemischen Zellen ein Propagationsschutzelement angeordnet ist, kann vorgesehen sein, dass das eine oder die mehreren Propagationsschutzelemente eine Dicke aufweisen, welche größer als ungefähr 5,5 mm ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement ein Volumenausgleichselement bildet. Insbesondere kann durch das Propagationsschutzelement in einer Einbausituation in einem elektrochemischen System eine Zellatmung ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist das Propagationsschutzelement derart ausgebildet, dass durch das Propagationsschutzelement Volumenänderungen, welche in einem oder mehreren Gehäusen elektrochemischer Zellen oder einem Rahmen des elektrochemischen Systems auftreten, ausgeglichen werden können.
Volumenänderungen können beispielsweise durch Einlagerung von Lithium in Kohlenstoffstrukturen oder in Legierungen auftreten.
Insbesondere sind Volumenänderungen abhängig von einem Ladezustand der jeweiligen elektrochemischen Zelle und/oder nur teilweise reversibel.
Auch aufgrund von Druckänderungen innerhalb einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen hervorgerufene Beeinträchtigungen können durch die Ausbildung des Propagationsschutzelements als Volumenausgleichselement reduziert oder vermieden werden. Die Beeinträchtigungen können beispielsweise Elektrodenstrukturen elektrochemischer Zellen und/oder Stabilitäten elektrochemischer Zellen beeinflussen.
Ergänzend oder alternativ können auch Elektrolytverteilungen oder Stromverteilungen durch Druckänderungen innerhalb elektrochemischer Zellen beeinflusst werden, wodurch beispielsweise Kapazitätsverluste in elektrochemischen Zellen auftreten können, beispielsweise durch sogenanntes „Lithium-Plating“, bei welchem sich metallisches Lithium ablagert.
Insbesondere zur Einstellung einer Kompressibilität des Propagationsschutzelements und/oder zur Ausbildung als Volumenausgleichselement kann es vorteilhaft sein, wenn das Polymermatrixmaterial und/oder das Propagationsschutzelement als Ganzes bei 23 °C eine Shore-A-Härte von ungefähr 20 oder mehr und/oder Shore-A-Härte von ungefähr 70 oder weniger aufweist.
Die Shore-A-Härte wird insbesondere nach der Norm ASTM D2240 ermittelt.
Insbesondere kann durch die Einstellung der Kompressibilität eine Zellalterung in einem elektrochemischen System, welches ein oder mehrere Propagationsschutzelemente umfasst, optimiert werden und/oder es können durch das eine oder die mehreren Propagationsschutzelemente in dem elektrochemischen System entstehende Kräfte kompensiert werden.
Insbesondere zur Optimierung einer Kompressibilität des Propagationsschutzelements kann vorgesehen sein, dass das Propagationsschutzelement ein oder mehrere Verstärkungsmaterialien umfasst, welche insbesondere in das Polymermatrixmaterial eingebracht und/oder eingebettet sind. Das eine oder eines der mehreren, beispielsweise sämtliche, Verstärkungsmaterialien sind vorzugsweise Blähglas.
Das eine oder die mehreren Verstärkungsmaterialien wirken vorzugsweise in einer Einbausituation des Propagationsschutzelements als Abstandhalterelement zwischen elektrochemischen Zellen, insbesondere auch wenn andere Bestandteile des Propagationsschutzelements aufgrund hoher Temperaturen bereits pyrolysiert sind und/oder wurden.
Günstig kann es sein, wenn das eine oder die mehreren Verstärkungsmaterialien partikelförmig sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mehrere Verstärkungsmaterialien verwendet werden, welche eine unterschiedliche Korngröße aufweisen. Beispielsweise sind mehrere Bereiche ausgebildet, in welchen Verstärkungsmaterialien unterschiedlicher Korngröße verwendet sind und/oder werden.
Beispielsweise ist das Propagationsschutzelement derart ausgebildet, dass ein zentraler Bereich des Propagationsschutzelements eine höhere Kompressibilität aufweist als Randbereiche des Propagationsschutzelements. So kann eine größere Volumenausdehnung elektrochemischer Zellen in zentralen Bereichen ausgeglichen und/oder kompensiert werden.
Vorzugsweise ist eine inhomogene Kompressibilität einstellbar.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass in dem Propagationsschutzelement ein Konzentrationsgradient bezüglich des einen oder der mehreren Verstärkungsmaterialien ausgebildet ist.
Ergänzend oder alternativ kann es günstig sein, wenn in dem Propagationsschutzelement ein Verlauf von Verstärkungsmaterialien unterschiedlicher Korngrößen oder ein Konzentrationsverlauf vorgesehen ist.
Beispielsweise sind in Randbereichen des Propagationsschutzelements Verstärkungsmaterialien angeordnet, deren Korngröße, beispielsweise um einen Faktor 2 oder mehr, größer ist als eine Korngröße der Verstärkungsmaterialien, welche in einem zentralen Bereich des Propagationsschutzelements angeordnet sind.
Ergänzend oder alternativ weist das Propagationsschutzelement in Randbereichen eine erhöhte Konzentration an Verstärkungsmaterial(ien) auf.
Beispielsweise ist die Konzentration des einen oder der mehreren Verstärkungsmaterialien in Randbereichen um einen Faktor zwei oder mehr größer als die Konzentration des einen oder der mehreren Verstärkungsmaterialien im zentralen Bereich.
Die Randbereiche sind vorzugsweise bezüglich einer Mittelachse des Propagationsschutzelements radial außenliegend angeordnet. Die Mittelachse des Propagationsschutzelements ist insbesondere senkrecht zu dessen Haupterstreckungsebene angeordnet.
Der zentrale Bereich umgibt vorzugsweise die Mittelachse des Propagationsschutzelements.
Günstig kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement einen Grundkörper aufweist, welcher das Polymermatrixmaterial und den einen oder die mehreren Füllstoffe umfasst oder daraus gebildet ist, und wenn das Propagationsschutzelement ein Rahmenelement umfasst, welches den Grundkörper aufnimmt und/oder radial umgibt.
„Radial“ ist vorzugsweise auf eine senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Propagationsschutzelements verlaufende Mittelachse des Propagationsschutzelements bezogen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Rahmenelement porös, beispielsweise offenporös, ausgebildet ist und/oder eine Wabenstruktur aufweist.
Vorzugsweise ist das Rahmenelement aus einem druckstabilen Material ausgebildet.
Das Rahmenelement kann auch nach einem Ende einer endothermen Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe eine thermische und/oder mechanische Barriere zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen bilden.
Beispielsweise umfasst das Rahmenelement ein Faserverbundmaterial, welches eine Wabenstruktur aufweist, oder ist aus einem solchen gebildet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Rahmenelement ein Korkmaterial umfasst oder aus einem Korkmaterial gebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass durch Poren oder die Wabenstruktur gebildete Hohlräume mit einem Polymermatrixmaterial und optional einem oder mehreren Füllstoffen gefüllt sind. Das Polymermatrixmaterial und der eine oder die mehreren Füllstoffe sind vorzugsweise mit dem Polymermatrixmaterial und dem einen oder den mehreren Füllstoffen, welche der Grundkörper umfasst oder aus welchen der Grundkörper gebildet ist, identisch.
Günstig kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement eine Beschichtung aufweist, welche um einen Grundkörper des Propagationsschutzelements herum und/oder an dem Grundkörper angeordnet ist.
Beispielsweise bildet die Beschichtung eine Umhüllung und/oder verringert oder verhindert einen Wasseraustritt aus dem Propagationsschutzelement in eine Umgebung des Propagationsschutzelements.
Unter Wasser ist vorzugsweise Wasser in flüssiger Form und kein dampfförmiges Wasser zu verstehen.
Vorzugsweise umfasst die Beschichtung ein wasserundurchlässiges Silikonmaterial oder ist daraus gebildet.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung als Lack ausgebildet ist.
Alternativ kann die Beschichtung auch aus weiteren temperaturbeständigen wasserundurchlässigen Materialien gebildet sein.
Günstig kann es sein, wenn für die Beschichtung ein wasserdampfdurchlässiges Material verwendet wird. So kann Wasserdampf aus dem Propagationsschutzelement entweichen. Eine sukzessive Erhöhung eines Dampfdrucks in einem von der Beschichtung umschlossenen Volumen kann insbesondere vermieden werden.
Beispielsweise umfasst die Beschichtung ein Vliesmaterial, beispielsweise ein Glasfaservlies und/oder ein Aramidfaservlies, oder ist daraus gebildet.
Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung eine Textilmembran umfasst oder daraus gebildet ist.
Die Beschichtung kann ergänzend oder alternativ auch durch eine Polymerfolie gebildet sein oder eine solche umfassen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Propagationsschutzelement eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen aufweist.
In Ausführungsformen, in welchen sowohl eine Beschichtung als auch eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind, werden die eine oder die mehreren Durchtrittsöffnungen vorzugsweise in den Grundkörper des Propagationsschutzelements eingebracht, bevor der Grundkörper mit der Beschichtung versehen wird.
Ein Durchmesser der einen oder der mehreren Durchtrittsöffnungen ist vorzugsweise um einen Faktor zwei oder mehr, insbesondere um einen Faktor fünf oder mehr, kleiner als eine Dicke des Propagationsschutzelements senkrecht zu dessen Haupterstreckungsebene.
Der Durchmesser der einen oder der mehreren Durchtrittsöffnungen ist vorzugsweise parallel zu der Haupterstreckungsebene des Propagationsschutzelements definiert.
Beispielsweise ist durch die eine oder die mehreren Durchtrittsöffnungen eine feinporige Lochung des Propagationsschutzelements ausgebildet.
In Ausführungsformen mit mehreren Durchtrittsöffnungen sind diese vorzugsweise regelmäßig über das Propagationsschutzelement verteilt und/oder erstrecken sich senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Propagationsschutzelements.
Durch die eine oder die mehreren Durchtrittsöffnungen, beispielsweise eine feinporige Lochung, kann eine Kompressibilität des Propagationsschutzelements erhöht werden. So können Volumenänderungen elektrochemischer Zellen, welche benachbart zu dem Propagationsschutzelement angeordnet sind, aufgenommen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Propagationsschutzelements, insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Propagationsschutzelements.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem sich möglichst einfach ein Propagationsschutzelement herstellen lässt, das eine Wärmeübertragung zwischen zwei benachbart dazu angeordneten Elementen reduziert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst.
Gemäß dem Verfahren werden ein oder mehrere Füllstoffe, welche insbesondere ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien umfassen oder daraus gebildet sind, in eine gießbare Masse eingebracht und die gießbare Masse, welche den einen oder die mehreren Füllstoffe enthält, wird geformt, beispielsweise in einem Folienfließverfahren, Formgussverfahren, Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren und/oder Kalandrierverfahren.
Eines oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Propagationsschutzelement beschriebenen Merkmale und/oder einer oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Propagationsschutzelement beschriebenen Vorteile gelten vorzugsweise für das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen.
Beispielsweise ist die gießbare Masse eine fließfähige Masse und/oder eine vulkanisierbare Masse.
Insbesondere weist die gießbare Masse bei 25 °C eine dynamische Viskosität von ungefähr 5000 mPas oder mehr auf.
Die dynamische Viskosität der gießbaren Masse beträgt bei 25 °C insbesondere ungefähr 10 Millionen mPas oder weniger.
Beispielsweise wird die gießbare Masse, welche den einen oder die mehreren Füllstoffe enthält, nach dem Formen ausgehärtet und/oder vulkanisiert und/oder aufgeschäumt, wobei ein Propagationsschutzelement oder ein Grundkörper davon gebildet wird.
Die gießbare Masse reagiert und/oder härtet insbesondere zu dem Polymermatrixmaterial aus.
Die gießbare Masse und der eine oder die mehreren Füllstoffe bilden beispielsweise ein Compoundmaterial.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein elektrochemisches System.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemisches System bereitzustellen, bei welchem Wärme, welche insbesondere von einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen, welche sich in einem nicht ordnungsgemäßen Zustand befinden, ausgeht, abgeleitet werden kann und/oder sich nicht auf weitere elektrochemische Zellen ausbreitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrochemisches System gemäß dem unabhängigen auf ein elektrochemisches System gerichteten Produktanspruch gelöst.
Das elektrochemische System umfasst ein oder mehrere erfindungsgemäße Propagationsschutzelemente.
Eines oder mehrere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Propagationsschutzelement beschriebenen Merkmale und/oder einer oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Propagationsschutzelement beschriebenen Vorteile gelten vorzugsweise für das erfindungsgemäße elektrochemische System gleichermaßen.
Günstig kann es sein, wenn das elektrochemische System zwei oder mehr als zwei elektrochemische Zellen umfasst, wobei das Propagationsschutzelement oder zumindest eines der mehreren Propagationsschutzelemente zwischen zwei elektrochemischen Zellen der zwei oder der mehr als zwei elektrochemischen Zellen angeordnet ist.
Beispielsweise ist jede elektrochemische Zelle von sämtlichen benachbarten elektrochemischen Zellen durch ein Propagationsschutzelement getrennt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass nicht zwischen sämtlichen benachbarten elektrochemischen Zellen ein Propagationsschutzelement angeordnet ist.
Beispielsweise ist längs einer Stapelrichtung gesehen zwischen jeder zweiten elektrochemischen Zelle und der jeweils benachbarten elektrochemischen Zelle oder zwischen jeder dritten elektrochemischen Zelle und der jeweils benachbarten elektrochemischen Zelle ein Propagationsschutzelement angeordnet. Die Stapelrichtung verläuft vorzugsweise zumindest näherungsweise senkrecht zu den Breitseiten der elektrochemischen Zellen.
Das Propagationsschutzelement kann als Formkörper ausgebildet sein, welcher insbesondere ein Stapelhilfeelement zur Hilfe bei einer Stapelung prismatischer elektrochemischer Zellen und/oder Pouchzellen bilden kann.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines elektrochemischen Systems, bei welcher jeweils zwischen zwei benachbarten elektrochemischen Zellen des elektrochemischen Systems ein Propagationsschutzelement angeordnet ist;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Propagationsschutzelement aus 1;
3 ein Diagramm einer Differential Scanning Calorimetry (DSC)-Messung sowie einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) eines Propagationsschutzelements, wobei eine endotherme Zustandsänderung eines Füllstoffs des Propagationsschutzelements zu sehen ist;
4 ein Diagramm mit Referenzdaten zeitlicher Temperaturverläufe und zeitlicher Spannungsverläufe dreier benachbarter elektrochemischer Zellen, wobei eine mittig angeordnete elektrochemische Zelle mechanisch zerstört wurde, wobei kein Propagationsschutzelement zwischen den elektrochemischen Zellen vorgesehen ist;
5 ein Diagramm zeitlicher Temperaturverläufe und zeitlicher Spannungsverläufe dreier elektrochemischer Zellen, wobei eine mittig angeordnete elektrochemische Zelle mechanisch zerstört wurde, wobei jeweils ein Propagationsschutzelement zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen angeordnet ist;
6 eine schematische Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements, bei welcher das Propagationsschutzelement Verstärkungsmaterialien unterschiedlicher Korngrößen umfasst, welche in ein Polymermatrixmaterial des Propagationsschutzelements eingebettet sind;
7 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements, bei welcher das Propagationsschutzelement ein Rahmenelement aufweist, welches mit Randbereichen eines Grundkörpers des Propagationsschutzelements verbunden ist;
8 eine schematische Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements, bei welcher eine Beschichtung des Grundkörpers des Propagationsschutzelements vorgesehen ist; und
9 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements, bei welcher das Propagationsschutzelement regelmäßig angeordnete Durchtrittsöffnungen aufweist, welche insbesondere ein Lochmuster bilden.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in 1 dargestelltes als Ganzes mit 100 bezeichnetes elektrochemisches System umfasst vorliegend mehrere elektrochemische Zellen 102, welche beispielsweise von einem, vorliegend mehrteilig ausgebildeten, Aufnahmeelement 104 aufgenommen sind. Das Aufnahmeelement 104 bildet beispielsweise einen Rahmen des elektrochemischen Systems 100.
Das elektrochemische System 100 ist beispielsweise ein Batteriemodul, insbesondere für ein Fahrzeug.
Die elektrochemischen Zellen 102 sind beispielsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen und/oder Lithium-Ionen-Akkumulatorzellen.
Vorliegend sind die elektrochemischen Zellen 102 prismatische elektrochemische Zellen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das elektrochemische System 100 eine oder mehrere Pouchzellen oder eine oder mehrere Rundzellen umfasst.
Vorliegend sind sämtliche benachbart zueinander angeordnete elektrochemische Zellen 102 jeweils durch ein Propagationsschutzelement 106 thermisch und/oder mechanisch voneinander getrennt.
Die Propagationsschutzelemente 106 sind vorliegend zumindest näherungsweise mattenförmig ausgebildet und/oder bilden jeweils einen Formkörper 108 (vgl. 2).
Beispielsweise trennen die Propagationsschutzelemente 106 jeweils zwei benachbarte elektrochemische Zellen 102 an ihren Breitseiten voneinander.
Günstig kann es sein, wenn die Propagationsschutzelemente 106 elektrisch isolierend sind.
Unter „elektrisch isolierend“ sind insbesondere Elemente und/oder Materialien zu verstehen, welche bei 25 °C eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens ungefähr 10^-8 S·cm^-1 aufweisen.
Durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften der Propagationsschutzelemente 106 kann durch die Propagationsschutzelemente 106 eine elektrische Isolation und/oder eine elektrische Trennung zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen 102 ausgebildet sein und/oder werden.
In 2 ist ein Propagationsschutzelement 106 aus 1 exemplarisch dargestellt. Das Propagationsschutzelement 106 ist vorliegend zumindest näherungsweise quaderförmig.
Insbesondere sind sämtliche Propagationsschutzelemente 106 des elektrochemischen Systems 100 chemisch und/oder physikalisch identisch ausgebildet. Die Propagationsschutzelemente 106 weisen insbesondere dieselben Abmessungen auf.
Das in 2 dargestellte Propagationsschutzelement 106 umfasst ein Polymermatrixmaterial 110, welches einen oder mehrere Füllstoffe 112 (in 2 schematisch angedeutet) vollständig oder teilweise umgibt.
Der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 sind vorliegend ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien, welche einer Absorption von in einer Umgebung des Propagationsschutzelements 106 entstandener Wärmeenergie dienen.
Beispielsweise wird Wärmeenergie, welche aufgrund eines nicht ordnungsgemäßen Zustands einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen 102 entsteht, von dem jeweiliegen Propagationsschutzelement 106 bzw. dessen Füllstoff(en) 112 absorbiert und/oder aufgenommen.
Vorzugsweise läuft zur Absorption und/oder Aufnahme von Wärmeenergie eine endotherme Reaktion ab, an welcher der eine oder die mehrere Füllstoffe 112 teilnehmen und/oder bei welcher sie Reaktionspartner darstellen.
Insbesondere findet eine endotherme Zustandsänderung statt, beispielsweise wird in einer endothermen Reaktion bei dem einen oder den mehreren Füllstoffen 112 Kristallwasser abgespalten.
Ergänzend oder alternativ können der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 Edukte in einer endothermen chemischen Reaktion bilden.
Der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 weisen insbesondere eine erhöhte spezifische Energieabsorption bei deren Zersetzung und/oder einem Phasenübergang, beispielsweise einer Abspaltung von Kristallwasser, auf.
Insbesondere sind der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 langzeitstabil.
Vorzugsweise findet bei einer Temperatur von ungefähr 75 °C oder mehr, beispielsweise bei ungefähr 80 °C oder mehr, eine endotherme Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe 102 statt.
Insbesondere findet bei ungefähr 210 °C oder weniger, beispielsweise bei ungefähr 200 °C oder weniger, eine endotherme Reaktion des einen oder der mehreren Füllstoffe 102 statt.
So kann eine Wärmeübertragung von einer elektrochemischen Zelle 102 auf weitere elektrochemische Zellen 102 des elektrochemischen Systems 100 minimiert werden.
Insbesondere kann vermieden werden, dass bereits bei einer Herstellung des jeweiligen Propagationsschutzelements 106 eine endotherme Reaktion stattfindet.
Vorzugsweise ist das Propagationsschutzelement 106 ein Volumenausgleichselement, welches insbesondere einer Kompensation einer Volumenänderung einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen 102 und/oder eines Rahmens des elektrochemischen Systems 100 dient. So kann eine Zellatmung ausgebildet werden, welche insbesondere eine Lebensdauer einzelner elektrochemischer Zellen 102 und/oder des elektrochemischen Systems 100 als Ganzes erhöht.
Günstig kann es sein, wenn das Polymermatrixmaterial 110 und/oder das Propagationsschutzelement 106 bei 23 °C eine Shore-A-Härte von ungefähr 20 oder mehr und/oder Shore-A-Härte von ungefähr 70 oder weniger aufweist.
Die Shore-Härte wird insbesondere nach der Norm ASTM D2240 ermittelt.
So kann eine Kompressibilität des Propagationsschutzelements 106 eingestellt werden.
Unter „Kompressibilität“ ist insbesondere eine Zusammendrückbarkeit zu verstehen und/oder die Eigenschaft eines Elements und/oder Materials, unter Einwirkung von Druckkräften sein Volumen zu verringern.
Durch eine erhöhte Kompressibilität des Propagationsschutzelements 106 kann insbesondere eine stärkere Volumenänderung einer oder mehrerer elektrochemischer Zellen 102 aufgenommen werden.
Ergänzend oder alternativ kann die Kompressibilität des Propagationsschutzelements 106 durch einen Anteil des einen oder der mehreren Füllstoffe 112 eingestellt werden.
Der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 werden nachfolgend noch näher beschrieben.
Vorzugsweise umfasst das Polymermatrixmaterial 110 ein elastomeres Polymermaterial und/oder ein geschäumtes Polymermaterial oder ist daraus gebildet.
Beispielsweise umfasst das Polymermatrixmaterial 110 ein Silikonmaterial und/oder ein Polyurethanmaterial und/oder ein Kautschukmaterial oder ist daraus gebildet.
Bevorzugte Silikonmaterialien sind Silikonkautschukmaterialien und/oder Silikonschaummaterialien.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Polymermatrixmaterial 110 aus einem Zwei-Komponenten-Material gebildet ist.
Zur Herstellung des Propagationsschutzelements 106 wird vorzugsweise eine gießbare Masse eines Präkursors des Polymermatrixmaterials 110 bereitgestellt und/oder hergestellt.
Die gießbare Masse ist vorzugsweise eine vulkanisierbare Masse und/oder eine fließfähige Masse.
Insbesondere werden als gießbare Masse Zwei-Komponenten-Materialien verwendet, welche beispielsweise bei Temperaturen von ungefähr 120 °C oder weniger, insbesondere von ungefähr 60 °C oder weniger, zu dem Polymermatrixmaterial 110 reagieren.
Die genannten Temperaturen sind beispielsweise Aushärtetemperaturen und/oder Schaumbildungstemperaturen und/oder Vulkanisationstemperaturen.
Beispielsweise wird ein Zwei-Komponenten-Silikonkautschukmaterial, beispielsweise Elastosil M 4635 A/B, erhältlich von der Wacker AG, verwendet.
Alternativ wird ein Zwei-Komponenten-Silikonschaummaterial, beispielsweise Elastosil SC 833, erhältlich von der Wacker AG, verwendet.
Zu der gießbaren Masse werden der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 (vorliegend ein Füllstoff 112) hinzugegeben und mit der gießbaren Masse vermischt, insbesondere derart, dass eine homogene Masse entsteht.
Beispielsweise wird der Füllstoff 112 in einem Anteil von ungefähr 1 Vol.-% oder mehr und/oder von ungefähr 80 Vol.-% oder weniger, bezogen auf ein Gesamtvolumen des resultierenden Propagationsschutzelements 106, verwendet.
Die gießbare Masse, welche den Füllstoff 112 enthält, ist vorzugsweise ein Compoundmaterial.
Vorzugsweise wird das Compoundmaterial geformt, beispielsweise in einem Folienfließverfahren, einem Formgussverfahren, einem Spritzgussverfahren, einem Extrusionsverfahren und/oder einem Kalandrierverfahren.
Beispielsweise wird das Compoundmaterial in Folienform und/oder Mattenform geformt.
Ein daraus resultierendes geformtes Element wird vorzugsweise ausgehärtet und/oder vulkanisiert und/oder aufgeschäumt. Hierbei entsteht das Propagationsschutzelement 106.
Beispielsweise sind der eine oder die mehreren Füllstoffe 112 endotherm reagierende Materialien.
Als besonders bevorzugt hat sich die Verwendung von einem oder mehreren der folgenden Materialien als Füllstoff 112 erwiesen: Natriumcarbonat-Decahydrat (Na₂CO₃ · 10 H2O), Trinatriumphosphat-Dodecahydrat (Na₃PO₄ · 12 H2O), Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO₄ · 2 H2O) und/oder Ettringit (Ca₆Al₂[(OH)₁₂(SO₄)_3] · 26 H2O).
Es kann auch synthetisch gefälltes Calciumaluminatsulfat verwendet werden.
Folgende Zusammensetzungen haben sich als besonders bevorzugt erwiesen:

- 40 Vol.-% Zwei-Komponenten-Silikonkautschukmaterial, beispielsweise Elastosil M 4635 A/B, erhältlich von der Wacker AG, und 60 Vol.-% Natriumcarbonat-Decahydrat;
- 50 Vol.-% Zwei-Komponenten-Silikonkautschukmaterial, beispielsweise Elastosil M 4635 A/B, erhältlich von der Wacker AG, und 50 Vol.-% Calciumsulfat-Dihydrat; und
- 40 Vol.-% Zwei-Komponenten-Silikonkautschukmaterial, beispielsweise Elastosil M 4635 A/B, erhältlich von der Wacker AG, und 60 Vol.-% Ettringit.

Vorzugsweise wird das Compoundmaterial derart geformt, dass eine Dicke des resultierenden Propagationsschutzelements 106 ungefähr 0,15 mm oder mehr, insbesondere von 0,2 mm oder mehr, beträgt.
Insbesondere liegt die Dicke des resultierenden Propagationsschutzelements 106 bei ungefähr 5,5 mm oder weniger, insbesondere ungefähr 5 mm oder weniger.
Die Dicke des Propagationsschutzelements 106 kann auch größer als 5,5 mm gewählt werden. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn nicht zwischen sämtlichen benachbarten elektrochemischen Zellen 100 ein Propagationsschutzelement 106 angeordnet ist, sondern beispielsweise zwischen jeder zweiten elektrochemischen Zelle 102 oder jeder dritten elektrochemischen Zelle 102 und der jeweils benachbarten elektrochemischen Zelle 102.
3 zeigt das Ergebnis einer Differential Scanning Calorimetry (DSC)-Messung sowie das Ergebnis einer thermogravimetrischen Analyse TGA für den Füllstoff 112 Natriumcarbonat-Decahydrat in einem Silikonmaterial als Polymermatrixmaterial 110.
Ein Anteil des Natriumcarbonat-Decahydrats beträgt ungefähr 60 Vol.-%, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Propagationsschutzelements 106.
Ein Gewicht des untersuchten Propagationsschutzelements 106 beträgt vorliegend 36 g.
Auf Y-Achsen sind vorliegend links für das Ergebnis der TGA-Messung (Graph TG) die Masse in % (Prozent) und rechts für das Ergebnis der DSC-Messung (Graph DSC) mW/mg (Milliwatt pro Milligramm) aufgetragen.
Ferner sind Referenzkurven für Wasser (m/z: 18 (H₂O)) und Kohlenstoffdioxid (m/z: 44 (CO₂)) eingezeichnet. Auf der zugehörigen Y-Achse ist der Ionenstrom I*10^-10 in Ampere aufgetragen.
Auf der X-Achse ist die Temperatur in °C (Grad Celsius) aufgetragen.
Aus dem Ergebnis der DSC-Messung (DSC) ergibt sich, dass das Propagationsschutzelement 106 einen endothermen Peak in einem Temperaturbereich von ungefähr 60 °C bis ungefähr 150 °C aufweist. In diesem Bereich wird Wasser abgespalten, was sich aus der Referenzkurve für die Wasserabspaltung ergibt.
Das Integral der DSC-Kurve DSC ergibt eine theoretische Zersetzungswärme von 319,7 J/g (Joule pro Gramm).
Aufgrund einer Zellfläche von 142 cm² pro Seite, zweiseitig somit 284 cm², ergibt sich vorliegend ein endothermes Aufnahmepotential von ungefähr 26 kJ.
Aus dem Graph TG ergibt sich eine Massenänderung, wenn Wasser abgespalten wird (-H₂O); ersichtlich aus Δm₁ = 14,92 % und Δm₂ = 15,60 %.
Eine Restmasse m_r beträgt vorliegend 46,66 %.
3 zeigt eine endotherme Reaktion des Füllstoffs 112 bei der Wasserabspaltung.
Im Rahmen der Wirkung der Füllstoffe, welche in einer endothermen Reaktion reagieren, wurde eine Wärmepropagation auf unmittelbar benachbarte elektrochemische Zellen mit Propagationsschutzelement (5) und ohne Propagationsschutzelement (4) untersucht.
Zur Untersuchung der Wärmepropagation des Propagationsschutzelements wurden Temperaturen und Spannungen dreier benachbarter elektrochemischer Zellen im zeitlichen Verlauf untersucht. Eine mittig angeordnete elektrochemische Zelle wurde zu Beginn der Messung (t = 0 s) durch Nagelpenetration mechanisch beschädigt.
Bei den Spannungen handelt es sich insbesondere um Zellspannungen, welche von der jeweiligen elektrochemischen Zelle abgreifbar sind.
Auf der X-Achse ist die Zeit t in s (Sekunden) aufgetragen.
Auf Y-Achsen sind links die Temperatur T in °C (Grad Celsius) und rechts die Spannung U in V (Volt) aufgetragen.
In 4 sind Messergebnisse für ein Referenzsystem ohne Propagationsschutzelemente dargestellt. T1 und U1 zeigen jeweils Temperatur- und Spannungsverlauf für die mittlere mechanisch beschädigte elektrochemische Zelle. T2, T3 und U2 und U3 zeigen Temperatur- und Spannungsverläufe für die unmittelbar benachbarten elektrochemischen Zellen (ohne Propagationsschutzelemente).
Aus 4 ergibt sich, dass es bereits nach 45 s bzw. 55 s zu einer Wärmeübertragung auf die benachbarten elektrochemischen Zellen (vgl. T2 und T3) kommt. Die Temperatur steigt nach der mechanischen Beschädigung einer elektrochemischen Zelle auch in den benachbarten (nicht mechanisch beschädigten) elektrochemischen Zellen bis auf über 500 °C an.
Eine Zellspannung der beschädigten elektrochemischen Zelle U1 sinkt unmittelbar nach der Beschädigung auf 0 V (null Volt).
Auch die Zellspannungen U2 und U3 der zu der beschädigten elektrochemischen Zelle benachbarten elektrochemischen Zellen sinken nach ungefähr 40 s (U2) bzw. 55 s (U3) auf 0 V (null Volt).
Insbesondere findet eine unkontrollierte Energiefreisetzung und/oder eine vergleichsweise schnelle Energieübertragung auf zu der beschädigten elektrochemischen Zellen benachbarte elektrochemische Zellen statt.
Im Vergleich hierzu sind in 5 zeitliche Temperaturverläufe und zeitliche Spannungsverläufe dreier elektrochemischer Zellen gezeigt, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten elektrochemischen Zellen ein Propagationsschutzelement angeordnet ist. Wie auch bei dem Referenzsystem (vgl. 4) wurde die mittlere elektrochemische Zelle zu Beginn der Messung durch Nagelpenetration mechanisch beschädigt.
Zwar ist zunächst ein Temperaturanstieg bei der beschädigten elektrochemischen Zelle (T1) zu sehen, hier sinkt die Temperatur jedoch im zeitlichen Verlauf wieder ab. Dies ist durch Wärmeabsorption durch die Propagationsschutzelemente und die endotherme Reaktion des Füllstoffs zu erklären.
Bei den zu der beschädigten elektrochemischen Zelle benachbarten elektrochemischen Zellen ist der Temperaturanstieg gering, insbesondere auf höchstens ungefähr 140 °C (vgl. T2 und T3).
Eine aufgetragene Belüftungstemperatur T_vent zeigt einen kurzen Temperaturanstieg. Die Temperatur sinkt jedoch bereits innerhalb von 50 s wieder ab.
Die Zellspannung U1 der beschädigten elektrochemischen Zelle sinkt auf 0 V (null Volt).
Insgesamt zeigt 5, dass die Propagationsschutzelemente eine Wärmepropagation auf benachbarte elektrochemische Zellen verhindern und insbesondere ein thermisches Durchgehen verhindern.
Eine in 6 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 unterscheidet sich hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen dadurch von der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, dass das Propagationsschutzelement 106 mehrere Verstärkungsmaterialien 114 aufweist, welche von dem Polymermatrixmaterial 110 umgeben sind.
Die Verstärkungsmaterialien 114 weisen vorzugsweise unterschiedliche Korngrößen auf, wodurch insbesondere eine Kompressibilität des Propagationsschutzelements 106 einstellbar und/oder eingestellt ist.
Die Verstärkungsmaterialien 114 sind vorzugsweise harte Materialien, beispielsweise Blähglas.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Konzentrationsgradient einer Konzentration der Verstärkungsmaterialien 114 in dem Propagationsschutzelement 106 ausgebildet ist. Beispielsweise ist eine Konzentration der Verstärkungsmaterialien 114 in Randbereichen des Propagationsschutzelements 106 höher als in einem zentralen Bereich (nicht dargestellt).
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 7 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 unterscheidet sich hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen dadurch von der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, dass das Propagationsschutzelement 106 ein Rahmenelement 116 aufweist, welches einen Grundkörper 118 des Propagationsschutzelements 106 aufnimmt. Beispielsweise sind Randbereiche des Grundkörpers 118 mit dem Rahmenelement 116 stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden.
Vorzugsweise bildet das Rahmenelement 116 ein druckstabiles Element, welches insbesondere auch nach einem Ende endothermer Reaktionen des einen oder der mehreren Füllstoffe 112 eine thermische und/oder mechanische Barriere zwischen benachbarten elektrochemischen Zellen bilden kann.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Rahmenelement 116 ein poröses, beispielsweise ein offenporöses, Material umfasst oder daraus gebildet ist. Als poröses Material ist beispielsweise ein Korkmaterial geeignet.
Ergänzend oder alternativ weist das Rahmenelement 116 eine Wabenstruktur auf. Als Material, welches eine Wabenstruktur aufweist, ist beispielsweise ein Faserverbundmaterial, welches eine Wabenstruktur aufweist, geeignet.
Es kann vorgesehen sein, dass durch Poren oder die Wabenstruktur gebildete Hohlräume mit dem Polymermatrixmaterial 110 und dem einen oder den mehreren Füllstoffen 112 vollständig oder teilweise ausgefüllt sind.
Der Grundkörper 118 umfasst vorzugsweise das Polymermatrixmaterial 110 und den einen oder die mehreren Füllstoffe 112.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 unterscheidet sich hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen dadurch von der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, dass das Propagationsschutzelement 106 eine Beschichtung 120 aufweist, welche einen Grundkörper 118 beispielsweise von sämtlichen Seiten umgibt.
Insbesondere umhüllt die Beschichtung 120 den Grundkörper 118, beispielsweise vollständig und/oder bildet eine Umhüllung.
Günstig kann es sein, wenn die Beschichtung 120 ein wasserundurchlässiges Silikonmaterial umfasst oder daraus gebildet ist.
Vorzugsweise ist die Beschichtung 120 wasserdampfdurchlässig.
Ergänzend oder alternativ umfasst die Beschichtung 120 einen Lack oder ein weiteres temperaturbeständiges, wasserabweisendes Material oder ist daraus gebildet.
Beispielsweise umfasst die Beschichtung 120 ein Vliesmaterial oder ist daraus gebildet. Bevorzugte Vliesmaterialien sind Glasfaservliese und/oder Aramidfaservliese.
Ergänzend oder alternativ zu einem Vliesmaterial kann die Beschichtung 120 auch eine Textilmembran umfassen oder daraus gebildet sein.
Ergänzend oder alternativ kann die Beschichtung 120 auch eine Polymerfolie umfassen oder daraus gebildet sein.
In Ausführungsformen, in welchen das Propagationsschutzelement 106 eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen aufweist (vgl. 9) ist die Beschichtung 120 vorzugsweise erst aufgebracht, nachdem der Grundkörper 118 mit der einen oder den mehreren Durchtrittsöffnungen 122 versehen wurde.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 9 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 unterscheidet sich hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen dadurch von der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform, dass das Propagationsschutzelement mehrere Durchtrittsöffnungen 122 aufweist, welche insbesondere zu einem regelmäßigen Lochmuster angeordnet sind.
Beispielsweise bilden die Durchtrittsöffnungen 122 eine feinporige Lochung. Die Durchtrittsöffnungen 122 können insbesondere reversible und/oder irreversible Volumenausdehnungen elektrochemischer Zellen 102 aufnehmen und/oder kompensieren.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Durchmesser jeder Durchtrittsöffnung ungefähr 2,5 mm oder weniger und/oder ungefähr 0,01 mm oder mehr beträgt.
Der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen 122 ist vorzugsweise parallel zu der Haupterstreckungsebene des Propagationsschutzelements 106 genommen.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte weitere Ausführungsform eines Propagationsschutzelements 106 hinsichtlich Aufbau und Funktion im Wesentlichen mit der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass ein einziges Propagationsschutzelement 106 mehrere oder sämtliche in unterschiedlichen Figuren dargestellte Merkmale aufweist.
Durch das Propagationsschutzelement 106 kann bei einem singulären Fehler einer elektrochemischen Zelle 102 eine Überhitzung einer benachbarten elektrochemischen Zelle 102 vermieden werden. So können elektrochemische Systeme, welche ein oder mehrere Propagationsschutzelemente 106 umfassen, erhöhte Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Claims

Propagationsschutzelement (106) für ein elektrochemisches System (100), wobei das Propagationsschutzelement (106) Folgendes umfasst: - ein Polymermatrixmaterial (110); und - einen oder mehrere Füllstoffe (112), welche teilweise oder vollständig von dem Polymermatrixmaterial (110) umgeben sind, wobei der eine oder die mehreren Füllstoffe (112) ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien umfassen oder daraus gebildet sind.
Propagationsschutzelement (106) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Füllstoffe (112) und/oder das Propagationsschutzelement (106) bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 75 °C und/oder höchstens ungefähr 210 °C an einer endothermen Reaktion, beispielsweise einer endothermen chemischen und/oder endothermen physikalischen Reaktion, teilnehmen und/oder diese durchlaufen.
Propagationsschutzelement (106) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Füllstoff (112) oder zumindest einer der mehreren Füllstoffe (112) ein Salz ist, welches insbesondere einen Kristallwasseranteil von zwei oder mehr aufweist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Füllstoffe (112) ausgewählt sind aus: Trinatriumphosphat-Dodecahydrat, Natriumcarbonat-Decahydrat, Calciumsulfat-Dihydrat und/oder Ettringit.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermatrixmaterial (110) ein elastomeres Polymermaterial und/oder ein geschäumtes Polymermaterial umfasst oder daraus gebildet ist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermatrixmaterial (110) ein Silikonmaterial, beispielsweise ein Silikonkautschukmaterial und/oder ein Silikonschaummaterial, ein Polyurethanmaterial und/oder ein Kautschukmaterial umfasst oder daraus gebildet ist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des einen oder der mehreren Füllstoffe (112) mindestens ungefähr 1 Vol.-% und/oder höchstens ungefähr 80 Vol.-%, bezogen auf ein Gesamtvolumen des Propagationsschutzelements (106), beträgt.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (106) ein, beispielsweise mattenförmiger, Formkörper (108) ist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Propagationsschutzelements (106) ungefähr 0,15 mm oder mehr und/oder ungefähr 5,5 mm oder weniger beträgt.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (106) ein oder mehrere Verstärkungsmaterialien (114) umfasst, welche insbesondere in das Polymermatrixmaterial (110) eingebracht sind, wobei beispielsweise das eine oder eines der mehreren Verstärkungsmaterialien (114) Blähglas ist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (106) einen Grundkörper (118) aufweist, welcher das Polymermatrixmaterial (110) und den einen oder die mehreren Füllstoffe (112) umfasst oder daraus gebildet ist, und dass das Propagationsschutzelement (106) ein Rahmenelement (116) umfasst, welches den Grundkörper (118) aufnimmt und/oder radial umgibt.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (106) eine Beschichtung (120) aufweist, welche um einen Grundkörper (118) des Propagationsschutzelements (106) herum und/oder an dem Grundkörper (118) angeordnet ist.
Propagationsschutzelement (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Propagationsschutzelement (106) eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen (122) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Propagationsschutzelements (106), insbesondere zur Herstellung eines Propagationsschutzelements (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Einbringen eines oder mehrerer Füllstoffe (112), welche ein oder mehrere Wärmepuffermaterialien umfassen oder daraus gebildet sind, in eine gießbare Masse; - Formen der gießbaren Masse, welche den einen oder die mehreren Füllstoffe (112) enthält, beispielsweise in einem Folienfließverfahren, Formgussverfahren, Spritzgussverfahren, Extrusionsverfahren und/oder Kalandrierverfahren.
Elektrochemisches System (100), umfassend ein oder mehrere Propagationsschutzelemente (106) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Elektrochemisches System (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische System (100) zwei oder mehr als zwei elektrochemische Zellen (102) umfasst, wobei das Propagationsschutzelement (106) oder zumindest eines der mehreren Propagationsschutzelemente (106) zwischen zwei elektrochemischen Zellen (102) der zwei oder der mehr als zwei elektrochemischen Zellen (102) angeordnet ist.