DE102022105525A1 - Anschlusszunge mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle und eine diese aufweisende Batteriezelle - Google Patents

Anschlusszunge mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle und eine diese aufweisende Batteriezelle Download PDF

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Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Anschlusszunge (1) mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle (B) bereitgestellt, welche aufweist: einen Grundkörper (2), welcher einen ersten Teil (3) und einen zweiten Teil (5) aufweist, wobei auf der Oberfläche des Grundkörpers (2) zwischen dem ersten Teil (3) und dem zweiten Teil (4) ein Kunststoffmaterial (6) angeordnet ist; eine erste Öffnung (7), welche am ersten Teil (3) angeordnet ist, und eine zweite Öffnung (8), welche am zweiten Teil (4) angeordnet ist; einen Innenkanal (10), welcher sich zwischen der ersten Öffnung (7) und der zweiten Öffnung (8) im Inneren Grundkörpers (2) erstreckt; und eine Berstscheibe (9), welche auf der zweiten Öffnung (8) angeordnet ist, diese gasdicht verschließt und somit ein Berstventil bereitstellt. Ferner wird eine die Anschlusszunge (1) aufweisende Batteriezelle (B) bereitgestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anschlusszunge mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle und eine diese aufweisende Batteriezelle.
  • In der heutigen Zeit gewinnt das Thema Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Einen der wichtigsten Parameter, welcher einen Umstieg auf ein Elektroauto steuert, stellt die Reichweite dar, welche maßgeblich von der Traktionsbatterie beeinflusst wird. Zur Erreichung großer Reichweiten wäre eine Traktionsbatterie wünschenswert, die eine hohe energiedichte bei gleichzeitig relativ niedrigem Eigengewicht erreicht.
  • Pouch-Zellen stellen eine weit verbreitete Bauform für Lithium-Polymer-Akkuzellen (wobei diese Zellchemie nur ein Beispiel für verwendbare Akkuzellen darstellt) dar und sind insbesondere aus dem Bereich der Mobilfunkgeräte nicht mehr wegzudenken. Dabei handelt es sich um aktive Schichten, welche gestapelt oder gefaltet in einem Beutel angeordnet sind, welcher üblicherweise aus Polypropylen gefertigt ist, da dieses Material robust, insbesondere reißfest und sehr elastisch ist. Pouch-Zellen weisen daher kein starres Außengehäuse auf, wodurch sie relativ leicht und sind und einen schlanken Aufbau haben. Wegen ihrer hohen volumetrischen Energiedichte eignen sie sich auch für den Einsatz in Traktionsbatterien.
  • Trotz dieser Vorzüge weisen Pouch-Zellen den Nachteil auf, dass aktuell keine gezielte Entgasung an diesen möglich ist. Bereits bei regulärem Betrieb der Pouch-Zelle kommt es in ihrem Inneren zu einer Ansammlung von Gas, insbesondere durch Alterseffekte. Das entzündliche Gas umfasst im Wesentlichen ausgasendes Lösungsmittel, welches als Trägerstoff für die Ionen fungiert, z.B. Lithium-Ionen im Falle einer Lithiumionen-Batterie. Noch schlimmere Folgen kann ein thermisches Durchgehen (Englisch: thermal runaway) haben, bei dem es üblicherweise zur Freisetzung großer Gasmengen kommt. Bei zu großem Überdruck innerhalb der Zelle öffnet bzw. reißt diese an der schwächsten Siegelstelle in der Siegelnaht, welche rund um die Zelle verläuft. Herstellungsbedingt ist es praktisch unmöglich festzustellen, an welcher Stelle der Siegelnaht eine schwache oder gar schwächste Stelle liegt, welche bei Überdruck höchstwahrscheinlich als Berststelle des Beutels fungieren wird. Da die Pouch-Zelle keine stabile Außenhülle hat, können durch deren Bersten die an die betroffene Zelle benachbart angeordneten Teile zerstört werden.
  • Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, eine gezielte Abführung von Gasen aus dem Innenraum einer Batteriezelle, insbesondere einer Pouch-Zelle, zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird mittels einer Anschlusszunge mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle und einer entsprechend damit ausgestatteten Batteriezelle gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Eine Anschlusszunge einer Batteriezelle, insbesondere einer Pouch-Zelle, wird an die englische Sprache angelehnt auch als Zelltab bezeichnet.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung am Beispiel einer Pouch-Zelle beschrieben wird, sollte klar sein, dass die erfindungsgemäße Anschlusszunge auch bei anderen Batterieformen zum Einsatz kommen kann und keinesfalls auf die spezielle Bauform der Pouch-Zelle angewiesen ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht drin, eine spezielle Anschlusszunge bereitzustellen, welche die gewöhnliche, aus dem Stand der Technik bekannte Anschlusszunge ersetzt und den Pluspol und/oder den Minuspol der Zelle darstellt (für gewöhnlich genügt das Vorsehen nur einer erfindungsgemäßen Anschlusszunge pro Batteriezelle). Die Anschlusszungen einer Batteriezelle sind meist aus Kupfer oder Aluminium gefertigt und im Sinne der Erfindung nicht-funktional. Die erfindungsgemäße Anschlusszunge ist hingegen funktional, da sie die Funktion eines Berstventils bereitstellt und folglich einen über die übliche Stromleitung hinaus erweiterten Funktionsumfang aufweist. Durch einen durch die erfinderische Anschlusszunge hindurch verlaufenden Innenkanal kann gezielt Gas aus dem Innenraum der Batteriezelle nach Außen geleitet werden. Durch eine gezielte Wahl der Berstscheibe, welche die nach Außen führende Öffnung des Innenkanals bedeckt kann eine räumlich und zeitlich genau bestimmbare Entgasung der Batteriezelle vorgenommen werden.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders gut für Pouch-Zellen, da diese einen filigranen Aufbau aufweisen und durch die Entgasung durch (mindestens) eine der Anschlusszungen keine weiteren Leitungen an die Pouch-Zellen herangeführt werden müssen. Die Erfindung zeichnet sich also dadurch aus, dass man (zumindest) einen der beiden wohlbestimmten Elemente, an welchen die Batteriespannung abgegriffen wird, zugleich gezielt als „Vehikel“ für eine Entgasung der Batteriezelle nutzt. Dadurch wird insbesondere keine weitere Durchbruchstelle durch die Versiegelung der Außenhülle der Batteriezelle benötigt, da der Abgaskanal innerhalb der Anschlusszunge angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß wird eine Anschlusszunge mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle bereitgestellt. Die Anschlusszunge weist einen Grundkörper auf, welcher einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufweist, wobei auf der Oberfläche des Grundkörpers zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil ein Kunststoffmaterial angeordnet ist. Der Grundkörper kann eine flächige, längliche Form haben und damit im Grunde genommen auf den ersten Blick von außen betrachtet einer üblichen aus dem Stand der Technik bekannten Anschlusszunge entsprechen. Bei dem ersten Teil des Grundkörpers kann es sich um einen inneren Teil handeln, welcher beim Einsatz in einer entsprechenden Batteriezelle im Inneren der Batteriezelle angeordnet ist und von außen nicht sichtbar ist. Entsprechend kann es sich bei dem zweiten Teil des Grundkörpers um einen äußeren Teil handeln, welcher beim Einsatz in einer entsprechenden Batteriezelle außerhalb der Batteriezelle angeordnet ist bzw. aus dieser herausragt und über den die elektrische Kontaktierung der Batteriezelle erfolgt. Zwischen den beiden Teilen kann ein Siegelbereich der Anschlusszuge angeordnet sein, wobei der Siegelbereich dem Teil des Grundkörpers entspricht, auf dessen Oberfläche das Kunststoffmaterial angeordnet ist. Das Kunststoffmaterial kann beispielsweise dem Material entsprechen, aus welchem der Außenbeutel (Folienaußenhülle) einer Pouch-Zelle gefertigt ist, wodurch der Versiegelungsvorgang erleichtert wird. Der Kunststoff kann beispielsweise Polypropylen aufweisen. Beim Versiegeln wird die erfindungsgemäße Anschlusszunge so auf den Rand des Beutelmaterials gelegt, dass das auf dem Grundkörper aufgebrachte Kunststoffmaterial im Siegelbereich liegt.
  • Die erfindungsgemäße Anschlusszunge weist ferner eine erste Öffnung, welche am ersten Teil angeordnet ist, und eine zweite Öffnung auf, welche am zweiten Teil angeordnet ist. Im Inneren des Grundkörpers verläuft ein Innenkanal, welcher sich zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung im Inneren Grundkörpers erstreckt. Anders ausgedrückt werden die beiden Öffnungen mittels des Innenkanals miteinander verbunden. Dabei kann der Innenkanal integral innerhalb der Anschlusszunge ausgebildet sein, welche beispielsweise mittels 3D-Druck hergestellt werden kann.
  • Schließlich weist die Anschlusszunge eine Berstscheibe auf, welche auf der zweiten Öffnung angeordnet ist, diese gasdicht verschließt und somit ein Berstventil bereitstellt. Durch eine geeignete Wahl der Berstscheibe, welche als eine klassische Drucksicherung fungiert, kann eingestellt werden, ab welchem Überdruck (bei Einsatz der erfindungsgemäßen Anschlusszunge in einer Batteriezelle) in der Batteriezelle eine Öffnung der Berstscheibe erfolgen soll.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann das Kunststoffmaterial vollumfänglich auf der Außenseite des Grundkörpers angeordnet sein. Dadurch kann beim Versiegeln eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Siegelbereich der Anschlusszunge und dem Beutelmaterial der Batteriezelle ausgebildet werden.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann der Grundkörper im Bereich des auf diesem aufgebrachten Kunststoffmaterials eine Verbreiterung aufweisen, welche sich mindestens zu zwei gegenüberliegenden Außenseiten des Grundkörpers erstreckt. Die Verbreiterung kann sich vom Grundkörper aus lateral nach außen erstrecken. Sinn und Zweck der Verbreiterung, welche sich nach außen hin verjüngen kann und an ihren Enden spitz zulaufen kann, ist die Bereitstellung eines sanften Überganges des Versiegelungsbereiches des Außenbeutels der Batterie zwischen einem Bereich, indem zwei Außenbeutelflächen aneinander anliegen, und einem Bereich in dem jeweils eine Außenbeutelfläche am Kunststoffmaterial des Grundkörpers anliegt.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann wobei die Verbreiterung im Querschnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet sein. Das Trapez kann gleichschenklig sein. Die beiden Seiten, die nicht Grundseiten sind, können als eine Art Rücken verstanden werden, auf denen eine Außenbeutelseite von einer auf der einen Grundseite angeordneten Versiegelungsstelle zu der anderen Beutelseite zurückgeführt wird, welche auf der anderen Außenbeutelseite angeordnet ist.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann im ersten Teil eine Schweißfläche zum Anbinden von Anoden oder Kathoden der Batteriezelle auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Die Scheißfläche kann beispielsweise eine strukturierte, z.B. angeraute Oberfläche aufweisen, um die Haltekraft der Schweißstelle zu verbessern.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann die erste Öffnung zwischen der Schweißfläche und dem Kunststoffmaterial angeordnet sein. Die Öffnung kann relativ zu der Oberfläche des ersten Teils, auf der die Schweißfläche angeordnet ist, auf der gleichen oder beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Im letzteren Fall kann die erfindungsgemäße Anschlusszunge kompakter ausgeführt werden.
  • In weiteren Ausführungsformen der Anschlusszunge kann im zweiten Teil eine Verbindungsfläche auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein zur äußeren elektrischen Kontaktierung der Anschlusszunge.
  • Erfindungsgemäß wird ferner eine Batteriezelle bereitgestellt, die bevorzugt als Pouch-Zelle ausgeführt ist, wobei die Anschluss-Anode oder die Anschluss-Kathode der Batteriezelle mittels der Anschlusszunge gemäß der vorangehenden Beschreibung nach außen geführt ist. Falls in der Batteriezelle mehrere aktive Schichten angeordnet sind, z.B. in Form eines Schichtstapels, können selbstverständlich auch mehrere Anoden oder Kathoden an der Anschlusszunge angebunden sein.
  • In weiteren Ausführungsformen der Batteriezelle kann diese ferner eine Sensoreinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, ein Bersten (Auslösen) der Berstscheibe zu Detektieren. Ein Bersten der Scheibe kann als Indiz dafür gewertet werden, dass der Überdruck innerhalb der dazugehörigen Batteriezelle einen Grenzwert überschritten hat und somit das Berstventil als Drucksicherung ausgelöst hat.
  • In weiteren Ausführungsformen der Batteriezelle kann die Sensoreinheit eine in einem Abstand zur Berstscheibe angeordnetes flächiges Element aufweisen, welches nicht in elektrischer Verbindung mit der Anschlusszunge steht. Dadurch unterscheidet sich das Potential auf dem flächigen Element von dem Potential der Anschlusszunge. Vorteilhafterweise ist letzteres bei Pouch-Zellen wohl definiert und kein Schwebepotential (floating potential), wie es etwa bei Gehäusen von prismatischen Zellen der Fall wäre. Beim Bersten der Berstscheibe geraten Teile der Berstscheibe in Kontakt mit dem flächigen Element und sein Potential wird auf das Potential der Anschlusszunge gezogen. Anders ausgedrückt kommt es zu einem Kurzschluss zwischen der Anschlusszunge, welche aus einem leitenden Material gefertigt ist, und dem flächigen Element. Dieses Ereignis kann detektiert werden mittels einer geeignet konfigurierten Schaltung. Bei dem flächigen Element kann es sich beispielsweise um ein dünnes Gitter handeln.
  • Falls ein Stromfluss im Berstfall (Auslösefall) unerwünscht ist, kann das flächige Element zumindest auf der der Berstscheibe zugewandten Seite mit einem Dielektrikum versehen sein. In diesem Fall kann ein Bersten der Berstscheibe kapazitiv detektiert werden, da im Berstfall die ladungstragende Schicht in Form der Berstscheibe zerstört wird und damit die Kapazität des Systems aus Berstscheibe und flächigem Element schlagartig abnimmt.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
    • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle, hier einer Pouch-Zelle.
    • 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anschlusszunge.
    • 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch die in 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlusszunge entlang der Linie A-A.
  • In 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batteriezelle B gezeigt, in diesem Fall einer Pouch-Zelle. Die Batteriezelle B weist eine erste Anschlusszunge A1 auf, welche beispielsweise der Anode der Batteriezelle B entsprechen kann, und eine zweite Anschlusszunge A2 auf, welche der Kathode entsprechen kann, wobei die Zuordnung der Anschlusszungen A1, A2 zur Anode und Kathode willkürlich ist. Die zweite Anschlusszunge A2 liegt zugleich in Form der erfindungsgemäßen Anschlusszunge 1 vor, welche mit Bezug auf die 2 und 3 im Folgenden genauer beschreiben wird. Die Batteriezelle B weist eine umlaufende Siegelnaht S auf, welche sich über drei Seiten der Batteriezelle B erstreckt. Die vierte Seite ist siegelnaht frei, da diese Seite durch Knicken eines Folienmaterials von Natur aus zusammengefügt ist bzw. keine Öffnung aufweist.
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschlusszunge 1 ist in 2 in größerem Detail veranschaulicht. In 3 ist das in 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anschlusszunge im Querschnitt entlang der in 2 eingezeichneten Linie A-A gezeigt.
  • Die erfindungsgemäße Anschlusszunge 1 weist einen Grundkörper 2 auf, welcher im Wesentlichen in drei Teile zerteilt ist und einen ersten Teil 3 und einen zweiten Teil 4 aufweist, wobei auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 4 ein Kunststoffmaterial 6 angeordnet ist. Das Kunststoffmaterial 6 definiert zugleich einen Siegelbereich 5, welcher zwischen dem ersten und zweiten Teil 3, 4 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel ist der Siegelbereich 5 gegenüber dem restlichen Bereich der Anschlusszunge 1 lateral verbreitert ausgeführt. Die einseitig dargestellte Verbreiterung 13 ist auf der anderen Seite des Grundkörpers 2 ebenfalls ausgebildet, jedoch aufgrund der Perspektive nicht sichtbar. Bevorzugt kann das Kunststoffmaterial 6 vollumfänglich auf dem Siegelbereich 5, inklusive der Verbreiterung 13 angeordnet sein.
  • In dem ersten Teil 3 des Grundkörpers 2 ist eine erste Öffnung angeordnet. Analog dazu ist im zweiten Teil 4 des Grundkörpers 2 eine zweite Öffnung 8 angeordnet.
  • Zwischen der ersten Öffnung 7 und der zweiten Öffnung 8 erstreckt sich im Inneren des Grundkörpers 2 ein Innenkanal 10. Auf der zweiten Öffnung 8 ist eine Berstscheibe 9 angeordnet, welche die zweite Öffnung 8 gasdicht verschließt und somit ein Berstventil bereitstellt. Auf dem zweiten Teil 4 sind Verbindungsflächen 12 auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 angeordnet zur äußeren elektrischen Kontaktierung der Anschlusszunge 1, wobei auch nur eine davon bereitgestellt sein kann.
  • Die erfindungsgemäße Anschlusszunge 1 kann anstatt einer üblichen Anschlusszunge (siehe z.B. Anschlusszunge A1 in 1) verwendet werden und stellt ein räumlich wie zeitlich (hinsichtlich des Auslösebedingung) wohl definiertes Berstventil dar. Steigt bei der in 1 veranschaulichten Batteriezelle B der Druck im Inneren über einen Schwellenwert, welcher dem Berstdruck der Berstscheibe 9 entspricht, so öffnet sich die Berstscheibe und das Gas kann aus dem Inneren der Batteriezelle B entweichen. Mittels der zuvor erwähnten Sensoreinheit, etwa dem flächigen Element (nicht explizit in den Figuren dargestellt), welches über der Berstscheibe 9 angeordnet ist, kann ein Bersten der Berstscheibe 9 detektiert werden. Dadurch kann präzise eine Batteriezelle innerhalb eines Batteriemoduls detektiert werden, welche einen Schaden erlitten hat und fortan nicht mehr bei der Strombereitstellung zur Verfügung steht.

Claims (10)

  1. Anschlusszunge (1) mit einem integrierten Berstventil für eine Batteriezelle (B), aufweisend: einen Grundkörper (2), welcher einen ersten Teil (3) und einen zweiten Teil (5) aufweist, wobei auf der Oberfläche des Grundkörpers (2) zwischen dem ersten Teil (3) und dem zweiten Teil (4) ein Kunststoffmaterial (6) angeordnet ist; eine erste Öffnung (7), welche am ersten Teil (3) angeordnet ist, und eine zweite Öffnung (8), welche am zweiten Teil (4) angeordnet ist; einen Innenkanal (10), welcher sich zwischen der ersten Öffnung (7) und der zweiten Öffnung (8) im Inneren Grundkörpers (2) erstreckt; eine Berstscheibe (9), welche auf der zweiten Öffnung (8) angeordnet ist, diese gasdicht verschließt und somit ein Berstventil bereitstellt.
  2. Anschlusszunge (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Kunststoffmaterial (6) vollumfänglich auf der Außenseite des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
  3. Anschlusszunge gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper (2) im Bereich des auf diesem aufgebrachten Kunststoffmaterials (6) eine Verbreiterung (13) aufweist, welche sich mindestens zu zwei gegenüberliegenden Außenseiten des Grundkörpers (2) erstreckt.
  4. Anschlusszunge (1) gemäß Anspruch 3, wobei die Verbreiterung (13) im Querschnitt betrachtet trapezförmig ausgebildet ist.
  5. Anschlusszunge (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im ersten Teil (3) eine Schweißfläche (11) zum Anbinden von Anoden oder Kathoden der Batteriezelle (B) auf der Oberfläche des Grundkörpers (2) angeordnet ist.
  6. Anschlusszunge (1) gemäß Anspruch 5, wobei die erste Öffnung (7) zwischen der Schweißfläche (11) und dem Kunststoffmaterial (6) angeordnet ist.
  7. Anschlusszunge (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im zweiten Teil (4) eine Verbindungsfläche (12) auf der Oberfläche des Grundkörpers (2) angeordnet ist zur äußeren elektrischen Kontaktierung der Anschlusszunge (1).
  8. Batteriezelle (B), bevorzugt als Pouch-Zelle ausgeführt, wobei die Anschluss-Anode oder die Anschluss-Kathode der Batteriezelle (B) mittels der Anschlusszunge (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 nach außen geführt ist.
  9. Batteriezelle (B) gemäß Anspruch 8, ferner aufweisend: eine Sensoreinheit, welche eingerichtet ist, ein Bersten der Berstscheibe (9) zu Detektieren.
  10. Batteriezelle (B) gemäß Anspruch 9, wobei die Sensoreinheit eine in einem Abstand zur Berstscheibe (9) angeordnetes flächiges Element aufweist, welches nicht in elektrischer Verbindung mit der Anschlusszunge (1) steht.
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