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Die Erfindung betrifft eine Nagelvorrichtung für eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle sowie ein Verfahren zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle mit einer Nagelvorrichtung.
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Eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle mit einem Nageltest ist ein übliches Verfahren zum Test von Batteriezellen. Hierbei wird eine Batteriezelle mit einem Nagel angestochen und intern kurzgeschlossen. Übliche Batteriezellen reagieren daraufhin mit einer starken Hitzeentwicklung, einem sogenannten thermischen Ereignis, englisch auch „Thermal Runaway“ genannt. Reicht die freiwärmende Wärmeenergie aus, benachbarte Batteriezellen zu entzünden, spricht man von thermischer Propagation oder „Thermal Propagation“.
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In üblichen Tests wird der Nagel nach der Penetration in der Batteriezelle belassen. Dies ist insbesondere bei Rundzellen nachteilig. Der metallische Nagel hat eine hohe Wärmekapazität, die in Relation zur relativ kleinen Energiemenge der Rundzellen nicht zu vernachlässigen ist. Zudem hält der Nagel den Zellwickel mechanisch im Zellkörper der Batteriezelle fest.
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Die
DE 10 2006 025 117 A1 offenbart ein Verfahren zur zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle, bei dem eine elektrisch leitende Messspitze mit Temperaturfühler in die zu prüfende Batteriezelle eingebracht wird und der Temperaturfühler zur Bestimmung einer Temperatur im Inneren der Batteriezelle ausgelesen wird. Durch die elektrisch leitende Messspitze mit integriertem Temperaturfühler wird sowohl ein eine Temperaturerhöhung auslösender innerer Kurzschluss der Batteriezelle hervorgerufen und gleichzeitig der Temperaturfühler ins Innere der Batteriezelle gebracht. Auf diese Weise wird die zur Bewertung einer Selbstentzündungs- und Explosionsgefahr tatsächlich relevante Temperatur im Inneren der Batteriezelle bestimmt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Nagelvorrichtung für eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle mit einer Nagelvorrichtung anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Nagelvorrichtung für eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle vorgeschlagen, wenigstens umfassend einen Nagelschaft und eine Nagelspitze zum Einbringen in die Batteriezelle, wobei die Nagelspitze und der Nagelschaft lösbar miteinander verbunden sind. Dabei weist der Nagelschaft eine Trennstelle auf, sodass nach Eindringen der Nagelspitze in einen Zellkörper der Batteriezelle sich dieser von der Nagelspitze löst.
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Die vorgeschlagene Nagelvorrichtung weist einen zweiteiligen Nagel auf, um ein thermisches Ereignis in einer Batteriezelle zu erzeugen. Dessen Nagelspitze verbleibt nach der Penetration im Zellkörper der Batteriezelle. Der Schaft des Nagels wird nach der Penetration wieder aus der Batteriezelle entfernt.
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Die Nagelvorrichtung besteht dabei aus einer beispielsweise elektrisch leitfähigen Nagelspitze, die über eine geeignete, beispielsweise konusförmige, Form in die Batteriezelle eindringen kann.
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Asymmetrische Nagelspitzen sind auch üblich, um die einzelnen Lager des Zellwickels möglichst effektiv kurzschließen zu können. Dazu kann vorteilhaft eine Verdrehsicherung der Nagelspitze vorgesehen sein.
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Die Nagelspitze steckt in einem Nagelschaft, der die axiale Einpresskraft in die Nagelspitze einleitet und diese hält. Nach erfolgter Penetration der Nagelspitze in die Batteriezelle wird der Nagelschaft wieder aus der Batteriezelle entfernt. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen, wie beispielsweise ein Absatz zwischen Nagelspitze und Nagelschaft löst sich die Nagelspitze vom Nagelschaft und verbleibt in der Batteriezelle. Hier sorgt die Nagelspitze für den gewünschten und ausreichend langanhaltenden Kurzschluss im Zellwickel. Die zügige Entfernung des Nagelschafts verhindert einen ungewollten Wärmeabfluss aus der Batteriezelle durch den Nagel.
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Der Nagelschaft kann elektrisch und thermisch nichtleitend ausgeführt werden, damit er möglichst wenig Auswirkungen auf den Effekt der Kurzschlussprüfung verursacht.
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Durch das Herausziehen des Nagelschafts wird der Zellwickel nicht in der Batteriezelle gehalten und kann entsprechend eines natürlich auftretenden Fehlers mit einem inneren Kurzschluss, beispielsweise durch Dendritenwachstum in der Elektrode, reagieren. Vorteilhaft kann die in der Batteriezelle verbleibende Nagelspitze so gestaltet sein, dass deren Wärmekapazität vernachlässigbar gering ist, um so eine möglichst geringe Kühlwirkung auf die Batteriezelle und das thermische Ereignis auszuüben..
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann die Nagelspitze eine Konusform aufweisen, wobei eine Spitze der Konusform zum Eindringen in den Zellkörper der Batteriezelle vorgesehen ist. Durch die Konusform kann die Nagelspitze besonders leicht in den Zellkörper eindringen. Außerdem ist die Auswirkung der Penetration durch die Nagelspitze dabei unabhängig von der Ausrichtung der Batteriezelle zur Längsachse der Nagelvorrichtung bei der Penetration.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann eine äußere Form der Nagelspitze um ihre Längsachse asymmetrisch ausgebildet sein. Asymmetrische Nagelspitzen sind auch üblich, um die einzelnen Lager des Zellwickels möglichst effektiv kurzschließen zu können. Dabei werden üblicherweise flache Nagelspitzen in Form eines Meißels verwendet, die orthogonal zu den Elektrodenschichten der Batteriezelle penetrieren. Dadurch schieben sich die Anoden- und Kathodenbleche ineinander und es kommt mit großer Wahrscheinlichkeit zu einem thermischen Ereignis. Vorteilhaft kann so vermieden werden, dass, wie bei rotationssymmetrischen Nagelspitzen häufig der Fall, die Nagelspitze zwischen die Schichten rutscht und Anode und Kathode nur separiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann der Nagelschaft an seinem der Nagelspitze zugewandten Ende ein Verdrehsicherungselement aufweisen, welches bei an dem Nagelschaft montierter Nagelspitze mit einem an dem Endstück der Nagelspitze angeordneten Gegenelement zusammenwirkt.
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Vorteilhaft kann dadurch eine Verdrehsicherung der Nagelspitze gegen den Nagelschaft bei auf dem Nagelschaft montierter Nagelspitze bewirkt werden. Insbesondere bei einer um ihre Längsachse asymmetrisch ausgebildeten Nagelspitze ist eine Verdrehsicherung vorteilhaft, damit die Nagelspitze gezielt in einer bestimmten Orientierung zur den Elektrodenschichten in den Zellkörper eingebracht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann die Nagelspitze ein Endstück aufweisen, welches mit der Nagelspitze fest verbunden ist, wobei das Endstück ein Verbleiben der Nagelspitze nach Eindringen in den Zellkörper der Batteriezelle bewirkt. Das Endstück kann beispielsweise eine Trennstelle aufweisen, wodurch sich nach der Penetration der Nagelschaft von der Nagelspitze lösen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann die Nagelspitze mit einer geringen Wärmekapazität im Vergleich mit einer Wärmekapazität des Zellkörpers ausgebildet sein. Auf diese Weise kann günstigerweise verhindert werden, dass durch die Wärmekapazität der Nagelspitze ein Kühleffekt auf die Batteriezelle ausgeübt wird und so möglicherweise das Ergebnis des Nageltests verfälscht werden könnte.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann die Nagelspitze elektrisch leitend ausgebildet sein. Auf diese Weise können Elektrodenschichten der Batteriezelle gezielt kurzgeschlossen und ein thermisches Ereignis ausgelöst werden. In alternativen Nageltests kann jedoch auch vorgeschrieben sein, dass der Nagel aus einem elektrisch nichtleitenden Material ausgebildet ist, um rein mechanische Auswirkungen der Penetration der Batteriezelle zu untersuchen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann der Nagelschaft elektrisch nichtleitend und/oder thermisch nichtleitend ausgebildet sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Nagelschaft die Auswirkungen der Penetration der Batteriezelle möglichst wenig beeinflusst und so durch den Nagelschaft die Batteriezelle auch nicht gekühlt wird, wodurch das thermische Ereignis abgemindert oder zum Erlöschen gebracht werden könnte.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nagelvorrichtung kann der Nagelschaft einen hohlen Innenraum aufweisen. Dadurch kann die Wärmekapazität des Nagelschafts bei gleichzeitig hoher Stabilität günstig reduziert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle mit einer Nagelvorrichtung vorgeschlagen, wenigstens umfassend die Schritte Einbringen der Nagelvorrichtung in einen Zellkörper der Batteriezelle; Lösen eines Nagelschafts von einer Nagelspitze der Nagelvorrichtung an einer Trennstelle; Entfernen des Nagelschafts aus dem Zellkörper der Batteriezelle; Beobachten einer Auswirkung des Einbringens der Nagelvorrichtung in den Zellkörper und/oder der im Zellkörper verbliebenen Nagelspitze, insbesondere Bestimmen einer Temperatur des Zellkörpers abhängig von der Zeit nach dem Einbringen der Nagelvorrichtung in den Zellkörper; Bewerten der Batteriezelle abhängig von der Auswirkung, insbesondere von der Temperatur des Zellkörpers abhängig von der Zeit nach dem Einbringen der Nagelvorrichtung in den Zellkörper.
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Das vorgeschlagene Verfahren zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle beschreibt die Verwendung einer Nagelvorrichtung mit einem zweiteiligen Nagel, um ein thermisches Ereignis in einer Batteriezelle zu erzeugen. Dessen Nagelspitze verbleibt nach der Penetration im Zellkörper der Batteriezelle. Der Schaft des Nagels wird nach der Penetration wieder aus der Batteriezelle entfernt.
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Die Nagelspitze steckt in einem Nagelschaft, der die axiale Einpresskraft in die Nagelspitze einleitet und diese hält. Nach erfolgter Penetration der Nagelspitze in die Batteriezelle wird der Nagelschaft wieder aus der Batteriezelle entfernt. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen, wie beispielsweise ein Absatz zwischen Nagelspitze und Nagelschaft löst sich die Nagelspitze vom Nagelschaft und verbleibt in der Batteriezelle. Hier sorgt die Nagelspitze für den gewünschten und ausreichend langanhaltenden Kurzschluss im Zellwickel. Die zügige Entfernung des Nagelschafts verhindert einen ungewollten Wärmeabfluss aus der Batteriezelle durch den Nagel.
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Durch das Herausziehen des Nagelschafts wird der Zellwickel nicht in der Batteriezelle gehalten und kann entsprechend eines natürlich auftretenden Fehlers mit einem inneren Kurzschluss, beispielsweise durch Dendritenwachstum in der Elektrode, reagieren. Vorteilhaft kann die in der Batteriezelle verbleibende Nagelspitze so gestaltet sein, dass deren Wärmekapazität vernachlässigbar gering ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Nagelvorrichtung für eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 einen Längsschnitt durch eine Nagelspitze nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine Sicht von vorne auf die Spitze der Nagelspitze;
- 4 einen weiteren Längsschnitt durch die Nagelspitze nach 2 in einer um 90° verkippten Schnittebene;
- 5 die Nagelvorrichtung nach 1 beim Eindringen in einen Zellkörper einer Batteriezelle;
- 6 die Nagelspitze nach Lösen von dem Nagelschaft im Zellkörper der Batteriezelle; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle mit einer Nagelvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Nagelvorrichtung 10 für eine zerstörungsbehaftete Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle 50 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Nagelvorrichtung 10 umfasst einen Nagelschaft 12 und eine Nagelspitze 14 zum Einbringen in die Batteriezelle 50. Die Nagelspitze 14 und der Nagelschaft 12 sind lösbar miteinander verbunden. Dabei weist der Nagelschaft 12 eine Trennstelle 30 auf, sodass nach Eindringen der Nagelspitze 14 in einen Zellkörper 52 der Batteriezelle 50 sich dieser von der Nagelspitze 14 löst.
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Die Nagelspitze 14 kann, wie in 1 dargestellt, eine Konusform 16 aufweisen, wobei eine Spitze 18 der Konusform 16 zum Eindringen in den Zellkörper 52 der Batteriezelle 50 vorgesehen ist.
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Die Nagelspitze 14 weist ein Endstück 20 in Form eines Absatzes auf, welches mit der Nagelspitze 14 fest verbunden ist. Das Endstück 20 bewirkt, dass die Nagelspitze 14 nach Eindringen in dem Zellkörper 52 der Batteriezelle 50 verbleibt.
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Die Nagelspitze 14 ist mit einer geringen Wärmekapazität im Vergleich mit einer Wärmekapazität des Zellkörpers 52 ausgebildet, um möglichst keinen Kühleffekt auf die Batteriezelle 50 auszuüben und so das Ergebnis des Nageltests möglicherweise zu verfälschen.
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Die Nagelspitze 14 kann elektrisch leitend ausgebildet sein, um die Elektrodenschichten der Batteriezelle 50 gezielt kurzschließen zu können.
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Der Nagelschaft 12 kann zweckmäßigerweise elektrisch nichtleitend und/oder thermisch nichtleitend ausgebildet sein, um das Ergebnis des Nageltests durch weiteres Kurzschließen der Elektrodenschichten oder durch einen zusätzlichen Kühleffekt auf das thermische Ereignis möglicherweise zu verfälschen.
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Der Nagelschaft 12 kann günstigerweise einen hohlen Innenraum 28 aufweisen, um möglichst große Stabilität bei möglichst geringer Wärmekapazität zu erhalten.
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Der Nagelschaft 12 weist an seinem der Nagelspitze 14 zugewandten Ende 22 ein Verdrehsicherungselement 24 auf, welches bei an dem Nagelschaft 12 montierter Nagelspitze 14 mit einem an dem Endstück 20 der Nagelspitze 14 angeordneten Gegenelement 26 zusammenwirkt. Dadurch kann eine Verdrehsicherung der Nagelspitze 14 gegen den Nagelschaft 12 bei auf dem Nagelschaft 12 montierter Nagelspitze 14 bewirkt werden.
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Eine solche Verdrehsicherung ist insbesondere von Vorteil, wenn eine äußere Form der Nagelspitze 14 um ihre Längsachse L asymmetrisch ausgebildet ist, wie in den Darstellungen in den 2 bis 4 zu erkennen ist.
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Asymmetrische Nagelspitzen 14 sind üblich, um die einzelnen Lager des Zellwickels möglichst effektiv kurzschließen zu können. Dabei werden üblicherweise flache Nagelspitzen 14 in Form eines Meißels verwendet, die orthogonal zu den Elektrodenschichten der Batteriezelle 50 penetrieren. Dadurch schieben sich die Anoden- und Kathodenbleche ineinander und es kommt mit großer Wahrscheinlichkeit zu einem thermischen Ereignis. Vorteilhaft kann so vermieden werden, dass, wie bei rotationssymmetrischen Nagelspitzen 14 häufig der Fall, die Nagelspitze14 zwischen die Schichten rutscht und Anode und Kathode nur separiert werden.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch eine solche Nagelspitze 14 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 zeigt eine Sicht von vorne auf die Spitze 18 der Nagelspitze 14, während in 4 ein weiterer Längsschnitt durch die Nagelspitze 14 nach 2 in einer um 90° verkippten Schnittebene dargestellt ist.
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Wie anhand der Längsschnitte erkennbar, ist die Nagelspitze 14 in Form eines Meißels ausgebildet.
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5 zeigt die Nagelvorrichtung 10 nach 1 beim Eindringen in einen Zellkörper 52 einer Batteriezelle 50. Batteriezelle 50 und Nagelvorrichtung 10 sind nicht maßstäblich dargestellt, da lediglich die Funktion der Nagelvorrichtung 10 beim Eindringen in den Zellkörper 52 erläutert werden soll. Die Nagelvorrichtung 10 ist mit ihrer Nagelspitze 14 vollständig in den Zellkörper 52 eingedrungen. Dabei können Elektrodenschichten der Batteriezelle 50 kurzgeschlossen sein und ein thermisches Ereignis ausgelöst sein.
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In 6 ist lediglich noch die Nagelspitze 14 im Zellkörper 52, da sich der Nagelschaft 12 an der Trennstelle 30 gelöst hat und wieder zurückgezogen wurde. Die Nagelspitze 14 kann dabei durch die spezielle Form des Endstücks 20 im Zellkörper 52 gehalten werden.
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Durch das Herausziehen des Nagelschafts 12 wird der Zellwickel nicht in der Batteriezelle 50 gehalten und kann entsprechend eines natürlich auftretenden Fehlers mit einem inneren Kurzschluss, beispielsweise durch Dendritenwachstum in der Elektrode, reagieren. Vorteilhaft kann die in der Batteriezelle 50 verbleibende Nagelspitze 14 so gestaltet sein, dass deren Wärmekapazität vernachlässigbar gering ist, um so eine möglichst geringe Kühlwirkung auf die Batteriezelle 50 und das thermische Ereignis auszuüben.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen einer zerstörungsbehafteten Kurzschlussprüfung einer Batteriezelle 50 mit einer Nagelvorrichtung 10 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Schritt S100 die Nagelvorrichtung 10 in einen Zellkörper 52 der Batteriezelle 50 eingebracht, wie beispielsweise in 5 dargestellt.
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Danach löst sich in Schritt S102 der Nagelschaft 12 von der Nagelspitze 14 der Nagelvorrichtung 10 an der Trennstelle 30.
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In Schritt S104 wird der Nagelschaft 12 aus dem Zellkörper 52 der Batteriezelle 50 entfernt, sodass nur die Nagelspitze 14 im Zellkörper 52 verbleibt, wie in 6 dargestellt.
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In Schritt S106 wird eine Auswirkung des Einbringens der Nagelvorrichtung 10 in den Zellkörper 52 und/oder der im Zellkörper 52 verbliebenen Nagelspitze 14 beobachtet. Insbesondere kann dabei eine Temperatur des Zellkörpers 52 abhängig von der Zeit nach dem Einbringen der Nagelvorrichtung 10 in den Zellkörper 52 bestimmt werden.
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In Schritt S108 wird die Batteriezelle 50 abhängig von der Auswirkung, insbesondere von der Temperatur des Zellkörpers 52 abhängig von der Zeit nach dem Einbringen der Nagelvorrichtung 10 in den Zellkörper 52 bewertet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nagelvorrichtung
- 12
- Nagelschaft
- 14
- Nagelspitze
- 16
- Konusform
- 18
- Spitze
- 20
- Endstück
- 22
- Ende
- 24
- Verdrehsicherungselement
- 26
- Positioniergegenelement
- 28
- Innenraum
- 30
- Trennstelle
- 50
- Batteriezelle
- 52
- Zellkörper
- 54
- Eindringöffnung
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006025117 A1 [0004]
