DE102022001196A1 - Single cell for an electrical energy storage device - Google Patents

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Thomas Stolk
Alexander von Gaisberg-Helfenberg
Jochen Haefner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle (1) für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Zellgehäuse (2) und einer in diesem angeordneten Elektrodenfolienanordnung (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass- zwischen dem Zellgehäuse (2) und der Elektrodenfolienanordnung (3), diese vollständig umschließend, eine Anzahl von Gewebeabschnitten (7) aus Aramidfasern angeordnet ist,- die Gewebeabschnitte (7) sich teilweise überlappen und- die Gewebeabschnitte (7) relativ zueinander beweglich angeordnet sind.The invention relates to a single cell (1) for an electrical energy storage device, having a cell housing (2) and an electrode film arrangement (3) arranged therein. According to the invention, a number of fabric sections (7) made of aramid fibers are arranged between the cell housing (2) and the electrode film arrangement (3), completely surrounding them, - the fabric sections (7) partially overlap one another and - the fabric sections (7 ) are arranged to be movable relative to one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzelle für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Zellgehäuse und einer in diesem angeordneten Elektrodenfolienanordnung.The invention relates to a single cell for an electrical energy storage device with a cell housing and an electrode film arrangement arranged therein.

Aus der EP 2 613 380 B1 ist eine wiederaufladbare Sekundärbatterie bekannt. Die Sekundärbatterie weist ein schusssicheres Material auf, das aus Aramidfasern, Glasfasern, Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht oder Polybenzoxazolfasern besteht. Dabei ist das schusssichere Material ein hochfestes und hochwärmebeständiges schusssicheres Material mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 1,0 Giga-Pascal bis 6,0 Giga-Pascal und einer Pyrolysetemperatur von mindestens 150°Celsius.From the EP 2 613 380 B1 a rechargeable secondary battery is known. The secondary battery has a bulletproof material made of aramid fiber, glass fiber, ultra-high molecular weight polyethylene fiber or polybenzoxazole fiber. The bulletproof material is a high-strength and highly heat-resistant bulletproof material with a tensile strength in the range of 1.0 Giga-Pascal to 6.0 Giga-Pascal and a pyrolysis temperature of at least 150° Celsius.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzelle für einen elektrischen Energiespeicher anzugeben.The invention is based on the object of specifying a single cell for an electrical energy storage device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einzelzelle gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention by a single cell which has the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Eine Einzelzelle für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Zellgehäuse und einer in diesem angeordneten Elektrodenfolienanordnung weist erfindungsgemäß eine Anzahl von Gewebeabschnitten aus Aramidfasern auf, welche zwischen dem Zellgehäuse und der Elektrodenfolienanordnung, diese vollständig umschließend, angeordnet sind. Dabei überlappen sich die Gewebeabschnitte teilweise und sind relativ zueinander beweglich angeordnet.According to the invention, a single cell for an electrical energy storage device with a cell housing and an electrode film arrangement arranged therein has a number of fabric sections made of aramid fibers, which are arranged between the cell housing and the electrode film arrangement, completely surrounding them. The tissue sections partially overlap and are arranged to be movable relative to one another.

Die die Elektrodenfolienanordnung umschließenden Gewebeabschnitte bilden eine elektrische Isolierung der Elektrodenfolienanordnung gegenüber dem Zellgehäuse, wobei die Anordnung der Gewebeabschnitte bauraumneutral realisiert ist. Es ist also nicht erforderlich konstruktionsbedingte Änderungen an dem Zellgehäuse und/oder der Elektrodenfolienanordnung vorzunehmen und eine Energiedichte der Einzelzelle bleibt erhalten. Dabei ersetzen die Gewebeabschnitte eine herkömmlich vorgesehene Isolationsfolie.The fabric sections surrounding the electrode film arrangement form an electrical insulation of the electrode film arrangement relative to the cell housing, with the arrangement of the fabric sections being realized in a space-neutral manner. It is therefore not necessary to make design-related changes to the cell housing and/or the electrode film arrangement and the energy density of the individual cell is retained. The fabric sections replace a conventional insulation film.

Insbesondere wird mittels der Gewebeabschnitte das Risiko einer sogenannten thermal Propagation bei Eindringen eines metallischen Gegenstandes, beispielsweise eines Nagels, in die Einzelzelle verringert.In particular, the tissue sections reduce the risk of so-called thermal propagation when a metallic object, for example a nail, penetrates the individual cell.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle für einen elektrischen Energiespeicher nach dem Stand der Technik,
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung einer neuartigen Einzelzelle und
  • 3 schematisch eine Schnittdarstellung der Einzelzelle gemäß 2 mit einem durch ein Zellgehäuse in die Einzelzelle eingedrungenem metallischen Gegenstand.
Show:
  • 1 schematically a sectional view of a single cell for an electrical energy storage device according to the prior art,
  • 2 schematically a sectional view of a new type of single cell and
  • 3 schematically a sectional view of the individual cell according to 2 with a metallic object that has penetrated into the individual cell through a cell housing.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.

1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Einzelzelle 1 nach dem Stand der Technik. Die Einzelzelle 1 ist Bestandteil eines elektrischen Energiespeichers, welcher insbesondere zur Anordnung in einem Elektrofahrzeug, einem Hybridfahrzeug oder einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug vorgesehen ist. 1 shows a sectional view of a single cell 1 according to the prior art. The individual cell 1 is part of an electrical energy storage device, which is intended in particular for arrangement in an electric vehicle, a hybrid vehicle or a vehicle powered by fuel cells.

Die Einzelzelle 1 ist quaderförmig ausgebildet und weist ein Zellgehäuse 2 auf, in dem eine Elektrodenfolienanordnung 3 in Form eines Elektrodenfolienstapels angeordnet ist. The individual cell 1 is cuboid and has a cell housing 2 in which an electrode film arrangement 3 is arranged in the form of an electrode film stack.

Alternativ dazu kann die Elektrodenfolienanordnung 3 auch als Elektrodenfolienwickel ausgebildet sein.Alternatively, the electrode film arrangement 3 can also be designed as an electrode film wrap.

Gemäß dem Stand der Technik ist zwischen dem Zellgehäuse 2 und der Elektrodenfolienanordnung 3 eine elektrische Isolationsfolie 4 angeordnet.According to the prior art, an electrical insulation film 4 is arranged between the cell housing 2 and the electrode film arrangement 3.

Zwischen Elektrodenfolien 3.1, die auch als Kollektorfolien bezeichnet werden, unterschiedlicher elektrischer Polarität ist jeweils eine sogenannte Separatorfolie 5 angeordnet. Eine solche Elektrodenfolie 3.1 weist ein Kunststoff-Metall-Laminat auf. Bei einem gegebenen Volumen der Elektrodenfolienanordnung 3, also ein Kollektorvolumen, wird ein Anteil elektrisch leitender Querschnitte durch den Kunststoffanteil verringert. Dieser Effekt multipliziert sich über eine Anzahl der Elektrodenfolien 3.1. Dabei ist bei einem gegebenen Bauraum der Einzelzelle 1 deren Energiedichte vergleichsweise gering.A so-called separator foil 5 is arranged between electrode foils 3.1, which are also referred to as collector foils, of different electrical polarity. Such an electrode film 3.1 has a plastic-metal laminate. For a given volume of the electrode film arrangement 3, i.e. a collector volume, a proportion of electrically conductive cross sections is reduced by the plastic content. This effect is multiplied over a number of electrode foils 3.1. For a given installation space of the individual cell 1, its energy density is comparatively low.

Üblicherweise besteht bei Einzelzellen 1 die Gefahr von thermal Propagation bei einem Eindringen eines in 3 gezeigten metallischen Gegenstandes 6, beispielsweise eines Nagels, in die Einzelzelle 1. Die thermal Propagation führt bei einer Überlastung der Einzelzelle 1 zu einer Kettenreaktion, in deren Folge der elektrische Energiespeicher entflammt oder im Extremfall sogar explodiert. Insbesondere werden durch das Eindringen des metallischen Gegenstandes 6 in die Einzelzelle 1 die Isolationsfolie 4 und gegebenenfalls mehrere Elektrodenfolien 3.1 und Separatorfolien 5 beschädigt. Die elektrische Isolation kann somit nicht mehr aufrechterhalten werden, so dass das Risiko eines Kurzschlusses innerhalb der Einzelzelle 1 besteht.There is usually a risk of thermal propagation in single cells 1 if an ingress occurs 3 shown metallic object 6, for example a nail, into the individual cell 1. The thermal propagation leads to an overload of the individual cell 1 to a chain reaction, as a result of which the electrical energy storage ignites or, in extreme cases, even explodes. In particular, the penetration of the metallic object 6 into the individual cell 1 damages the insulation film 4 and possibly several electrode films 3.1 and separator films 5. The electrical insulation can therefore no longer be maintained, so that there is a risk of a short circuit within the individual cell 1.

Die Überlastung der Einzelzelle 1 kann durch Überhitzen der Einzelzelle 1, insbesondere aufgrund einer zu hohen Stromentnahme im Betrieb des elektrischen Energiespeichers, also bei einem Entladen der Einzelzelle 1, oder bei einer zu hohen Stromzufuhr, das heißt bei einem Laden des elektrischen Energiespeichers, also der Einzelzelle 1, entstehen.The overloading of the individual cell 1 can be caused by overheating of the individual cell 1, in particular due to excessive current consumption during operation of the electrical energy storage, i.e. when the individual cell 1 is discharging, or when the current supply is too high, i.e. when charging the electrical energy storage, i.e. the Single cell 1, arise.

Ein Verhalten der Einzelzelle 1 bei Eindringen eines metallischen Gegenstandes 6 in diese wird im Rahmen einer Zertifizierung mittels Durchführen eines sogenannten Nageltestes überprüft, da thermal Propagation ein vergleichsweise hohes Sicherheitsrisiko für einen elektrischen Energiespeicher darstellt, insbesondere mit Lithium-Ion-Zellen.The behavior of the individual cell 1 when a metallic object 6 penetrates into it is checked as part of a certification by carrying out a so-called nail test, since thermal propagation represents a comparatively high safety risk for an electrical energy storage device, especially with lithium-ion cells.

Darüber hinaus kann die Überlastung der Einzelzelle 1 aufgrund eines Eindringens eines metallischen Gegenstandes 6 in die Einzelzelle 1 entstehen, so dass ein Kurzschluss in der Einzelzelle 1 auftreten kann, woraus ein Überhitzen der Einzelzelle 1 resultiert.In addition, the overload of the individual cell 1 can arise due to a penetration of a metallic object 6 into the individual cell 1, so that a short circuit can occur in the individual cell 1, which results in the individual cell 1 overheating.

Um, insbesondere bei einem Eindringen eines metallischen Gegenstandes in die Einzelzelle 1, das Auftreten eines Kurzschlusses weitestgehend zu vermeiden, ist die Einzelzelle 1, wie im Folgenden anhand von 2 und 3 beschrieben, ausgebildet.In order to avoid the occurrence of a short circuit as far as possible, especially if a metallic object penetrates into the individual cell 1, the individual cell 1 is as follows with reference to 2 and 3 described, trained.

Die Einzelzelle 1 weist das Zellgehäuse 2 und die Elektrodenfolienanordnung 3 auf. Die Elektrodenfolienanordnung 3 ist vollständig von Gewebeabschnitten 7 umgeben, also umschlossen oder eingefasst, die aus Aramidfasern gebildet sind. Gemäß dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenfolie zumindest von vier Gewebeabschnitten 7 umschlossen. Da die Gewebeabschnitte 7 aus Aramidfasern gebildet sind, weisen diese ballistische kugelsichere Eigenschaften auf.The individual cell 1 has the cell housing 2 and the electrode film arrangement 3. The electrode film arrangement 3 is completely surrounded, i.e. enclosed or bordered, by fabric sections 7, which are formed from aramid fibers. According to the 2 and 3 In the exemplary embodiment shown, the electrode film is surrounded by at least four fabric sections 7. Since the fabric sections 7 are formed from aramid fibers, they have ballistic bulletproof properties.

Im normalen Betrieb der Einzelzelle 1 überlappen sich die Gewebeabschnitte 7 teilweise und sind relativ zueinander beweglich angeordnet. Da die Gewebeabschnitte 7 die Elektrodenfolienanordnung 3 vollständig umgibt, bilden die Gewebeabschnitte 7 eine elektrisch isolierende Schicht zwischen Elektrodenfolienanordnung 3 und Zellgehäuse.During normal operation of the individual cell 1, the tissue sections 7 partially overlap and are arranged to be movable relative to one another. Since the tissue sections 7 completely surround the electrode film arrangement 3, the tissue sections 7 form an electrically insulating layer between the electrode film arrangement 3 and the cell housing.

Dringt, wie in 3 gezeigt ist, ein metallischer Gegenstand 6, beispielsweise ein Nagel, durch das Zellgehäuse 2 in die Einzelzelle 1 ein, können sich die Gewebeabschnitte 7 derart zueinander verschieben, dass der metallische Gegenstand 6 die Gewebeabschnitte 7 nicht durchdringt und der metallische Gegenstand 6 somit elektrisch isoliert von den Gewebeabschnitten 7 umgeben ist. Das heißt, dass sich die Gewebeabschnitte 7 bei Krafteinwirkung durch den eindringenden metallischen Gegenstand 6 bewegen, insbesondere relativ zueinander verschieben. Beispielsweise dringt ein Gewebeabschnitt 7 oder dringen mehrere sich überlappende Gewebeabschnitte 7 entsprechend einer Eindringtiefe des metallischen Gegenstandes 6 in die Elektrodenfolienanordnung 3 ein. Dabei wird der mindestens eine Gewebeabschnitt 7 in die Einzelzelle 1, insbesondere die Elektrodenfolienanordnung 3, durch die Krafteinwirkung des metallischen Gegenstandes 6 eingezogen. Dadurch, dass die Aramidfasern jedoch eine vergleichsweise hohe Zugfestigkeit aufweisen und den metallischen Gegenstand 6 als „Schutzschicht“ innerhalb des Zellgehäuses 2 umschließen, kann ein direkter Kontakt zwischen dem metallischen Gegenstand 6, beispielsweise dem Nagel, und der Elektrodenfolienanordnung 3 weitestgehend ausgeschlossen werden. Somit kann das Risiko für einen Kurzschluss innerhalb der Einzelzelle 1 wegen eines in diese eindringenden metallischen Gegenstandes 6 erheblich verringert werden. Eine aus dem Kurzschluss resultierende Wärmeentwicklung, insbesondere Überhitzung, in der Einzelzelle 1 bleibt aus. Dadurch kann ein Entflammen oder auch eine Explosion der Einzelzelle 1 im Wesentlichen vermieden werden.Penetrates, as in 3 is shown, a metallic object 6, for example a nail, through the cell housing 2 into the individual cell 1, the tissue sections 7 can move relative to one another in such a way that the metallic object 6 does not penetrate the tissue sections 7 and the metallic object 6 is thus electrically insulated from the tissue sections 7 is surrounded. This means that the tissue sections 7 move, in particular shift relative to one another, when force is exerted by the penetrating metallic object 6. For example, a tissue section 7 or several overlapping tissue sections 7 penetrate into the electrode film arrangement 3 in accordance with a penetration depth of the metallic object 6. The at least one tissue section 7 is drawn into the individual cell 1, in particular the electrode film arrangement 3, by the force of the metallic object 6. However, because the aramid fibers have a comparatively high tensile strength and enclose the metallic object 6 as a “protective layer” within the cell housing 2, direct contact between the metallic object 6, for example the nail, and the electrode foil arrangement 3 can be largely excluded. The risk of a short circuit within the individual cell 1 due to a metallic object 6 penetrating into it can thus be significantly reduced. There is no heat development, in particular overheating, in the individual cell 1 resulting from the short circuit. As a result, ignition or an explosion of the individual cell 1 can essentially be avoided.

Eine Leistungsdichte der mittels der Gewebeabschnitte 7 aus Aramidfasern geschützten Einzelzelle 1 ist weitestgehend identisch mit der einer konventionellen Lithium-Ion-Zelle, da die elektrisch isolierenden Gewebeabschnitte 7 eine elektrische Isolation der Elektrodenfolienanordnung 3 gegenüber dem Zellgehäuse 2 sicherstellen.A power density of the individual cell 1 protected by the fabric sections 7 made of aramid fibers is largely identical to that of a conventional lithium-ion cell, since the electrically insulating fabric sections 7 ensure electrical insulation of the electrode film arrangement 3 from the cell housing 2.

Insbesondere sind die einzelnen Gewebeabschnitte 7 so bemessen, dass auch bei einem eindringenden metallischen Gegenstand 6 ein elektrischer Kontakt zwischen dem Zellgehäuse 2 und der Elektrodenfolienanordnung 3 weitestgehend ausgeschlossen werden kann.In particular, the individual tissue sections 7 are dimensioned such that electrical contact between the cell housing 2 and the electrode film arrangement 3 can be largely ruled out even if a metallic object 6 penetrates.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
EinzelzelleSingle cell
22
ZellgehäuseCell casing
33
ElektrodenfolienanordnungElectrode foil arrangement
3.13.1
ElektrodenfolieElectrode foil
44
Isolationsfolieinsulation film
55
SeparatorfolieSeparator film
66
metallischer Gegenstandmetallic object
77
Gewebeabschnitttissue section

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2613380 B1 [0002]EP 2613380 B1 [0002]

Claims (2)

Einzelzelle (1) für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Zellgehäuse (2) und einer in diesem angeordneten Elektrodenfolienanordnung (3), dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen dem Zellgehäuse (2) und der Elektrodenfolienanordnung (3), diese vollständig umschließend, eine Anzahl von Gewebeabschnitten (7) aus Aramidfasern angeordnet ist, - die Gewebeabschnitte (7) sich teilweise überlappen und - die Gewebeabschnitte (7) relativ zueinander beweglich angeordnet sind.Single cell (1) for an electrical energy storage device with a cell housing (2) and an electrode film arrangement (3) arranged therein, characterized in that - between the cell housing (2) and the electrode film arrangement (3), completely surrounding them, a number of tissue sections (7) is made of aramid fibers, - the fabric sections (7) partially overlap and - the fabric sections (7) are arranged to be movable relative to one another. Einzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Gewebeabschnitt (7) vorgegebene Abmessungen aufweist.Single cell after Claim 1 , characterized in that the respective fabric section (7) has predetermined dimensions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2613380B1 (en) 2010-11-05 2015-03-18 LG Chem, Ltd. Enhanced-stability rechargeable battery

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