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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Ein Ausgleich des Ladungsniveaus zwischen den Batteriezellen einer Speicherbatterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges ist notwendig, damit alle Batteriezellen während des Ladens und Entladens der Batteriezelle den gleichen Ladungszustand aufweisen. Dieser Ladungszustand wird auch als State of Charge (SOC) bezeichnet. In der Batteriezelle sind die Elektrodenstapel (Anode und Kathode) parallel geschaltet. Da diese Elektrodenstapel parallel geschaltet sind, haben sie normalerweise die gleiche Spannung, die je nach Anoden- und Kathodenchemie zwischen 3 und 5 Volt liegt. Es ist jedoch nicht sicher, ob alle Elektrodenstapel den gleichen Beitrag zur Kapazität der Batterie leisten.
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Wenn ein Elektrodenstapel beim Entladen mehr Kapazität abgibt oder beim Laden mehr Kapazität aufnimmt, dann altert er schneller als andere Elektrodenstapel. Es gibt keine Möglichkeit, dies zu kontrollieren, da der Ausgleich nicht auf Elektrodenebene erfolgt. Wenn ein Elektrodenpaar eine höhere Kapazität beim Entladen oder Laden hat, dann wird es auch schneller Spannung verlieren oder gewinnen, obwohl die Elektroden parallel geschaltet sind. Wenn dieser Elektrodenstapel bei einer Entladung unter eine niedrigste zulässige Entladespannung entladen wird, besteht das Risiko der Bildung von Kupferdendriten oder des Austretens von Elektrolyt durch Löcher in einer Kupfersubstratfolie der Batteriezelle.
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Wenn ein Elektrodenpaar während des Ladens eine höhere Kapazitätsladung erhält, besteht die Gefahr, dass dieses Elektrodenpaar eine Spannung erhält, die höher ist als die mittlere Ladespannung (auch wenn alle Elektroden parallel geschaltet sind) und gegebenenfalls höher als eine maximal zulässige Ladespannung. Dies kann zum Aufbrechen der Kathodenstruktur, zur Freisetzung von Wärme und Sauerstoff und schließlich zum thermischen Durchgehen der Batteriezelle führen.
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Die Bilanzierung der Spannung der Batteriezellen kann dieses Problem nicht verhindern, da davon ausgegangen wird, dass alle gegenüberliegenden Elektrodenpaare (Anode und Kathode) immer die gleiche Spannung aufweisen und in gleichem Maße zur Kapazität der Batterie beitragen werden. Diese Annahme ist nicht bewiesen und daher ist es sehr gut möglich, dass sich Elektrodenpaare innerhalb der Batteriezelle im Vergleich zu anderen Elektrodenpaaren unterschiedlich verhalten. Um eine Alterung der Elektrodenpaare zu verringern und zu verhindern, dass ein Elektrodenpaar die niedrigste zulässige Entladespannung oder die höchste zulässige Ladespannung erreicht oder überschreitet, ist ein Ausgleich auf Elektrodenebene erforderlich. Dies ist bei der derzeitigen Batterietechnologie nicht möglich.
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Eine weitere Herausforderung bei Batteriezellen liegt darin, dass ein Eindringen eines metallischen Gegenstandes zwischen einer Anode und einer Kathode der Batteriezelle einen Kurzschluss verursachen kann. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Inneren der Batteriezelle. Gegenwärtig wird für eine Abschaltung der Batteriezelle ein Abschalt-Separator verwendet, der bei etwa 120 °C abschaltet. Diese Abschalttemperatur ist zu hoch, um eine dauerhafte thermische Schädigung der Batteriezelle zu vermeiden. Die meisten Schäden im Inneren der Batteriezelle sind bereits bei dieser Abschalttemperatur verursacht worden. Es wäre wünschenswert, wenn die Batteriezelle bereits bei einer viel niedrigeren Temperatur vor einem thermischen Durchgehen geschützt wäre. Das bedeutet, dass der Separator bereits bei 60 °C oder 70 °C und nicht erst bei 120 °C abgeschaltet werden sollte. Alternativ oder zusätzlich sollte der Separator so beschaffen sein, dass er einen elektrischen Kurzschluss und einen mit dem Kurzschluss verbundenen Elektronenfluss erkennt und der Separator dann die Poren schließt. Gegenwärtig sind solche Abschaltvorrichtungen nicht verfügbar, und daher gibt es keinen effizienten Schutz vor elektrischen Kurzschlüssen durch das Eindringen von Metallpartikeln.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Lösungsansätze bekannt, um die beschriebenen Problemstellungen zu lösen.
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Zum einen sind aus dem Stand der Technik Abschalt-Separatoren bekannt, welche eine mittlere Abschaltschicht mit einer niedrigen Auslösetemperatur und äußere Schmelzpunktschicht mit einer höheren Auslösetemperatur aufweisen.
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Zum anderen ist die Verwendung eines keramikbeschichteten Separators zur Erhöhung der Nagelpenetrationsfestigkeit bekannt.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von Temperatursensoren zur Vorhersage des Temperaturanstiegs bekannt, woraufhin das Batterie-Management-System die betreffende Batteriezelle oder das betroffene Batteriemodul abschaltet.
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Darüber hinaus lässt sich die Gefahr eines Kurzschlusses in der Batteriezelle durch sehr geringe Toleranz für die Grate beim Schneiden und Ausklinken verringern, was diesen Prozess sehr schwierig und teuer macht.
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Ferner ist zur Sicherheitsabschaltung einer Batteriezelle die Verwendung eines Entlüftungselements in einer Pouch-Zelle ähnlich wie bei prismatischen Zellen bekannt.
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Allerdings gibt es bislang noch keine Lösung, um die Spannung innerhalb einer Batteriezelle auf Elektrodenebene auszugleichen.
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Nachteilig an den bekannten Lösungen ist außerdem, dass die Abschalttemperatur des Separators zu hoch ist, um weitere Explosionen zu verhindern. Der Schmelzpunkt des Separators liegt in der Regel nahe der Abschalttemperatur. Ferner werden keramische Abscheider verwendet, um einen hohen Widerstand gegen das Eindringen von Nägeln oder metallischen Gegenständen zu gewährleisten. Aluminiumoxid, das als Beschichtung für den Separator verwendet wird, ist jedoch teuer und führt somit zu einer Kostenerhöhung für die Batteriezelle.
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Darüber hinaus kann die Entlüftung in einer Pouch-Zelle den im Inneren der Batteriezelle aufgebauten Gasdruck verringern. Es ist jedoch aufgrund von Leckageproblemen schwierig, eine solche Entlüftungstechnik in eine Pouch-Zelle zu integrieren, ohne ein unkontrolliertes Austreten des Elektrolyt zu riskieren.
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Um die Problematik der Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses durch das Eindringen eines metallischen Gegenstandes in die Batteriezelle zu verringern, sind Separatoren mit einer Aramidbeschichtung bekannt, die auch bei Temperaturen nahe des Schmelzpunkts des Separators eine isolierende Wirkung haben können.
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Um ein Nachlassen der Speicherfähigkeit der Batteriezelle zu verhindern und den Übergangswiderstand beim Laden der Batteriezelle gering zu halten, sind Batteriezellen bekannt, welche Lithiummetall als Anode verwenden. Auf diese Weise wird das Dendritenproblem gelöst, allerdings wird dadurch die elektrische Speicherkapazität der Batteriezelle gegenüber einer Anode mit Graphit reduziert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und die Dauerhaltbarkeit einer Batteriezelle sowie den Schutz gegen einen Kurzschluss oder ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Batteriezelle mit einem Gehäuse sowie mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten Anoden, mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten Kathoden sowie Separatoren, welche die Anoden und die Kathoden elektrochemisch voneinander trennen. Es ist vorgesehen, dass die Separatoren eine erste poröse Isolationsschicht und eine zweite poröse Isolationsschicht umfassen, wobei zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht permanentmagnetische Elemente oder magnetisierbare Elemente angeordnet sind. Die permanentmagnetischen Elemente oder die magnetisierbaren Elemente sind dazu eingerichtet, unter Anlegung eines elektromagnetischen Feldes die Poren in der ersten porösen Isolationsschicht, in der zweiten porösen Isolationsschicht oder einer zwischen der ersten porösen Isolationsschicht und der zweiten porösen Isolationsschicht angeordneten Zwischenschicht zumindest teilweise zu verschließen, um einen Durchtritt von Ionen durch zumindest eine der porösen Schichten zu verringern oder zu vermeiden.
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Eine erfindungsgemäße Batteriezelle ermöglicht es, den Ladungszustand der Elektroden innerhalb einer Batteriezelle auszugleichen, indem ein Durchtritt von Lithium-Ionen durch den Separator eingeschränkt oder verhindert wird. Da sich bei höheren Ladezuständen stärkere Magnetfelder ausbilden, kann der Ausgleich ohne zusätzliche Steuerungselemente erfolgen. Dadurch kann erreicht werden, dass jedes Elektrodenpaar innerhalb der Batteriezelle den gleichen Ladungszustand aufweist. Dabei kann der Herstellungsprozess der Batteriezelle im Wesentlichen unverändert bleiben, da die Modifikationen ausschließlich die Separatoren in der Batteriezelle betreffen. Der Elektrodenausgleich kann ohne externe Widerstände und Kondensatoren erreicht werden. Es wird keine Energie verschwendet wie beim passiven Abgleich mit Widerständen. Nicht nur die Batteriezelle, sondern auch alle Elektroden werden automatisch in Bezug auf ihren Ladestatus und ihre Lade-/Entladekapazität überwacht und gesteuert. Die gleichmäßige Be- und Entladung der Batteriezellen führt zu einer geringeren Alterung und somit höheren Lebensdauer der Batteriezelle. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ermöglicht eine einfache Kontrolle des Magnetfeldeinflusses auf den Separator durch Steuerung der Magnetpartikelbeschichtung.
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Es ist möglich, den Betrieb der Zelle durch Hinzufügen eines externen Magnetfeldes abzuschalten oder zu reduzieren. Der Separator schaltet nicht die gesamte Zelle ab, sondern nur die Elektrodenpaare, die sich schneller als andere Elektrodenpaare beim Be- und Entladen verhalten. Zudem kann die Steuerung zum Batterie-Management-System (BMS) deutlich vereinfacht werden, da die Batteriezelle auf der Elektrodenebene automatisch ausgeglichen wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Batteriezelle möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Separator zumindest eine erste Lage eines porösen Polymerwerkstoffes und eine zweite Lage eines porösen Polymerwerkstoffes umfasst, wobei die erste Lage die erste poröse Isolationsschicht und die zweite Lage die zweite poröse Isolationsschicht ausbildet. Dadurch lassen sich auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise Separatoren herstellen.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwischen der ersten Lage des porösen Polymerwerkstoffes und der zweiten Lage des porösen Polymerwerkstoffes eine dritte Lage eines porösen Polymerwerkstoffes angeordnet ist, wobei die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente zwischen der ersten Lage und der dritten Lage und/oder zwischen der zweiten Lage und der dritten Lage angeordnet sind. Durch die magnetischen Elemente können die Poren auf einfache Art und Weise in Abhängigkeit vom Stromfluss und dem daraus resultierenden elektromagnetischen Feld geöffnet und zumindest teilweise verschlossen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Batteriezelle ist vorgesehen, dass die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente eine Form und Größe aufweisen, welche sicherstellt, dass die Elemente nicht durch die Poren in einer der porösen Schichten durchtreten können. Dadurch können die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Elemente funktionssicher an den Grenzflächen zwischen den Schichten des Separators gehalten werden und es kann verhindert werden, dass die Elemente durch die Poren durchdringen und einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Elektroden der Batteriezelle herstellen.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten porösen Isolationsschicht und der zweiten porösen Isolationsschicht eine Lücke ausgebildet ist. Durch eine Lücke wird eine entsprechende Bewegungsfreiheit geschaffen, um den magnetischen oder magnetisierbaren Elementen oder Trägerelementen, welche diese magnetischen oder magnetisierbaren Elemente tragen, eine Veränderung bei unterschiedlichen Stromflüssen durch die Batteriezelle zu ermöglichen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente an einer der Lücke zugewandten Seite der ersten porösen Isolationsschicht und/oder an einer der Lücke zugewandten Seite der zweiten porösen Isolationsschicht angeordnet sind. Dadurch kann verhindert werden, dass die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Elemente mit den Elektroden in Kontakt kommen und einen elektrischen Kurzschluss in der Batteriezelle verursachen.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente eine mit einer der porösen Isolationsschichten verbindbare Polymerfaser umfassen, wobei die Polymerfaser mit einem Schmelzstoff beschichtet ist, welcher magnetisierbare Elemente oder permanentmagnetische Elemente trägt. Dabei sind die Polymerfasern vorzugsweise zwischen 5 und 10 Mikrometer lang und haben eine Durchmesser von 2 - 3 Mikrometer. Die Polymerfasern ermöglichen auf einfache Art und Weise eine Lageänderung der magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Elemente, um die Poren im Separator zumindest teilweise zu verschließen.
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Der Schmelzstoff ist vorzugsweise ein Wachs, ein Elastomer oder ein Bindemittel, wobei der Schmelzstoff vorzugsweise eine Schmelztemperatur von 70°C bis 100°C, insbesondere von 75°C bis 85°C, aufweist. Durch einen Schmelzstoff mit einer Schmelztemperatur von 70° bis 100°C kann eine thermische Sicherung in den Separator eingebaut werden, um bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperatur ein Abschalten des Elektrodenpaares zu bewirken. Ein Wachs ist dabei besonders bevorzugt, da es nach dem Schmelzen in die Poren des Separators fließt und diese verschließt. Dadurch kann funktionssicher und zuverlässig ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle verhindert werden, da ein Abschalten der Batteriezelle bereits bei ca. 80°C möglich ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten porösen Isolationsschicht und der zweiten porösen Isolationsschicht des Separators eine elektrisch leitende Zwischenschicht des Separators angeordnet ist. Eine elektrisch leitende Zwischenschicht ermöglicht einen Aufbau eines elektromagnetischen Feldes im Separator.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente an einer der elektrisch leitenden Zwischenschicht des Separators zugewandten Seite der ersten porösen Isolationsschicht und/oder an einer der elektrisch leitenden Zwischenschicht des Separators zugewandten Seite der zweiten porösen Isolationsschicht angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn aus der elektrisch leitenden Schicht des Separators zumindest auf einer der ersten porösen Isolationsschicht oder der zweiten porösen Isolationsschicht zugewandten Seite Polymerfasern austreten, wobei die Polymerfasern mit einem Schmelzstoff beschichtet sind, welcher magnetisierbare Elemente oder permanentmagnetische Elemente trägt. Dadurch können die Poren in der elektrisch leitenden Schicht durch ein Verbiegen der Polymerfasern besonders einfach verschlossen werden.
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In einer weiteren Verbesserung der Batteriezelle ist vorgesehen, dass aus der elektrisch leitenden Schicht auf einer der ersten porösen Isolationsschicht zugewandten Seite und auf einer der zweiten porösen Isolationsschicht zugewandten Seite Polymerfasern austreten, wobei die Polymerfasern mit einem Schmelzstoff beschichtet sind, welcher die magnetisierbaren Elemente oder die permanentmagnetischen Elemente trägt. Durch auf beiden Seiten austretende Polymerfasern kann das Schließen der Poren gleichmäßiger erfolgen. Zudem können durch Polymerfasern auf beiden Seiten der elektrisch leitenden Schicht insgesamt mehr Polymerfasern eingebracht werden, wodurch der Selbstregulierungseffekt durch sich schließende Poren weiter verbessert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Separators ist vorgesehen, dass die Polymerfasern Polypropylenfasern sind. Polymerfasern lassen sich einfach und kostengünstig in der gewünschten Länge und Stärke herstellen. Zudem leiten Polymerfasern nicht den Strom, sodass die gewünschten Funktionen auf einfache Art und Weise realisiert werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die permanentmagnetischen Elemente permanentmagnetische Partikel, insbesondere permanentmagnetische Nanopartikel sind. Partikel eignen sich besonders, um die mit Wachs beschichteten Polymerfasern bei einer elektromagnetischen Aktivierung entsprechend im elektromagnetischen Feld zu verbiegen, um die Poren in dem Separator zu verschließen.
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Die Poren des Separators können durch Verschließen verkleinert werden. Dies geschieht durch magnetische Partikel, die auf den Separator aufgebracht werden. Hierfür werden in der vorliegenden Patentanmeldung vier verschiedene Arten von Separatoren gezeigt. Die Batteriezellen unterschieden sich von bekannten Batteriezellen lediglich in der Ausgestaltung der Separatoren. Es werden grundsätzlich zwei Arten von Separatoren gezeigt. Eine Art von Separatoren, der auf ein induziertes Magnetfeld reagiert oder eine Art von Separatoren, die auf magnetische Anziehung reagiert.
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Der Separator hat eine faserige Struktur, die mit magnetischen Partikeln beschichtet ist. Die Polymerfasern werden durch die Beschichtung mit magnetischen Partikeln unter dem Einfluss des Magnetfeldes biegsam gemacht.
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Der Separator kann entweder zwei oder drei Lagen haben. Alle Lagen des Separators werden zusammenlaminiert, so dass der Separator wie eine einzige Baugruppe wirkt. Die Separatoren blockieren die Poren, wenn der Strom, der durch die benachbarte Elektrode fließt, seinen Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kontrolliert der Separator die lonenbewegungen durch den Separator und hält indirekt und ohne teure Hardware den Strom (die Kapazität) der Batteriezelle innerhalb der zulässigen Grenzen. Dabei erfolgt der Abgleich auf Elektrodenebene und nicht wie bisher bekannt auf der Ebene von Batteriemodulen oder Batteriezellen. Ein erfindungsgemäßer Separator sorgt dafür, dass jedes Elektrodenpaar gleich viel zur Gesamtkapazität beiträgt.
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Zusätzlich zur Magnetpartikelbeschichtung haben die Separatoren auch eine niedrigschmelzende Elastomer- oder Wachsbeschichtung. Diese schmelzen bei etwa 80 °C und verstopfen die Poren. Auf diese Weise kann ein thermisches Durchgehen vermieden werden, da die Abschaltung bei einer viel niedrigeren Temperatur erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Separator eine mittlere Schicht, die durch Zugabe von Kohlenstoff-Füllstoff elektrisch leitfähig gemacht wird. Die mittlere Schicht ist ebenfalls kurzgeschlossen, so dass Strom durch diese mittlere Schicht fließen und ein Magnetfeld induziert werden kann. Die Magnetpartikelbeschichtung auf dem Separator ist so beschaffen, dass sie nur dann reagiert, wenn das Magnetfeld an der Elektrode einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Das bedeutet, dass dieser Separator bei normalem Stromwert genauso porös ist wie ein aus dem Stand der Technik bekannter Separator.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit einem Gehäuse sowie mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten Anoden, mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten Kathoden sowie mindestens zwei Separatoren, welche die Anoden und die Kathoden elektrochemisch voneinander trennen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Separatoren eine erste poröse Isolationsschicht und eine zweite poröse Isolationsschicht umfassen, wobei zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht permanentmagnetische Elemente oder magnetisierbare Elemente angeordnet werden. Die permanentmagnetischen Elemente oder die magnetisierbaren Elemente sind dazu eingerichtet, unter Anlegung eines elektromagnetischen Feldes die Poren in der ersten porösen Isolationsschicht, in der zweiten porösen Isolationsschicht oder einer zwischen der ersten porösen Isolationsschicht und der zweiten porösen Isolationsschicht angeordneten Zwischenschicht zumindest teilweise zu verschließen, um einen Durchtritt von Ionen durch zumindest eine der porösen Schichten zu verringern oder zu vermeiden.
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Dadurch können Batteriezellen hergestellt werden, welche einen Spannungsausgleich auf Elektrodenebene innerhalb der Batteriezelle ermöglichen und zusätzlich einen verbesserten Schutz gegen ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle liefern.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Batteriezelle mit einem Gehäuse sowie mehreren in dem Gehäuse angeordneten Anoden und Kathoden, welche jeweils durch einen Separator getrennt sind;
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Separator für eine Batteriezelle;
- 3 eine Darstellung einer Anode, einer Kathode und eines Separators einer erfindungsgemäßen Batteriezelle;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Separators für eine solche Batteriezelle;
- 5 der Separator aus 4 in einem elektromagnetisch aktivierten Zustand, in welchem die Poren im Separator verschlossen sind;
- 6 eine Anode, eine Kathode und ein in 4 und 5 dargestellter Separator einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem elektromagnetisch aktivierten Zustand;
- 7 der Separator aus 4 in einem thermisch aktivierten Zustand;
- 8 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Separators für eine Batteriezelle;
- 9 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Separators für eine Batteriezelle; und
- 10 den Separator aus 9 in einem elektromagnetisch aktivierten Zustand.
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannt Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 umfasst ein Gehäuse 12, in welchem ein Zellstapel 13 aus eine Mehrzahl von Anoden 14 und Kathoden 16 angeordnet ist, welche jeweils durch einen Separator 18 voneinander getrennt sind. Der Strombeitrag der einzelnen Elektrodenstapelkombinationen 14, 16 ist nicht gleich. Das bedeutet, dass einige Stapel einen höheren Beitrag zum Strom leisten und einige Stapel einen geringeren Beitrag zur Stromabgabe oder Stromaufnahme. Während des Ladens C der Batteriezelle 10 bewegen sich die Elektronen zu jeder Anode 14 und es kann nicht garantiert werden, dass der Stromfluss in jeder Elektrode 14, 16 gleich groß ist. Während des Entladens D bewegen sich die Elektronen von jeder Anode 14 zur korrespondierenden Kathode 16. Dabei wird der Strom von allen Elektronenpaaren 14, 16 addiert und fließt durch einen elektrischen Verbraucher. Es gibt keine Möglichkeit zu garantieren, dass der Strom von jeder Anodenelektrode 14 gleich groß ist. Die Separatoren 18 trennen dabei die Anoden 14 und die Kathoden 16, ohne Einfluss auf die Spannungsverteilung zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren 14, 16 nehmen zu können.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Separator 18 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10 dargestellt. Der Separator 18 umfasst eine erste poröse Isolationsschicht 40, eine zweite poröse Isolationsschicht 42 sowie eine zwischen den beiden Isolationsschichten 40, 42 angeordnete poröse Zwischenschicht 54, welche vorzugsweise aus einem porösen Polymerwerkstoff 24, insbesondere einem porösen Polypropylen 25 hergestellt sind. Die porösen Schichten 40, 42, 54 werden auch als Lagen 20, 21, 22 des Separators 18 bezeichnet. Zwischen der ersten porösen Isolationsschicht 40 und der Zwischenschicht 54 sowie zwischen der zweiten porösen Isolationsschicht 42 und der Zwischenschicht 54 sind jeweils magnetisierbare Element 26 oder permanentmagnetische Elemente 36 angeordnet. Die magnetisierbaren Elemente 26 oder die permanentmagnetischen Elemente 36 sind vorzugsweise als Beschichtung auf die Zwischenschicht 54 aufgetragen.
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In 2b und 2c ist jeweils nur die Zwischenschicht 54 des Separators 18 dargestellt. Die Zwischenschicht 54 enthält normalerweise magnetische oder magnetisierbare Elemente 26, 36, die wie in 2b dargestellt zufällig angeordnet sind. Sobald Strom durch die Elektroden 14, 16 fließt, wird durch das Induktionsprinzip ein Magnetfeld im Separator 18 erzeugt. Die zufällig angeordneten magnetischen oder magnetisierbaren Elemente 26, 36 auf dem Separator 18 richten sich in Richtung des Magnetfelds aus und schließen die Poren 28 im Separator 18. Da sich die Poren 28 schließen, können keine Ionen durch den Separator 18 strömen und der Stromkreis ist somit offen. Es fließt kein Strom durch dieses Elektrodenpaar 14, 16. Es ist auch möglich, dass die Poren 28 nur teilweise geschlossen werden und dann der Strom in der Elektrode 14, 16 reduziert wird, was beim Elektrodenausgleich helfen kann.
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3 zeigt eine Anode 14, eine Kathode 16 und einen zwischen der Anode 14 und der Kathode 16 angeordneten Separator 18 einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Während der Entladung der Batteriezelle 10 kann das Lithium-Ion nicht durch den Separator 18 fließen, da die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Elemente 26, 36 die Poren 28 im Separator 18 blockieren. Die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Elemente 26, 36 werden durch das Magnetfeld, das durch den in der Elektrode 14, 16 fließenden Strom erzeugt wird, magnetisch. Die Kathode 16 beeinflusst eine Seite des Magnetfeldes. Die Anode 14 beeinflusst die andere Seite der magnetischen Beschichtung auf der Zwischenschicht 54 des Separators 18.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist, dass beim Durchfließen des elektrischen Stroms durch die Anoden 14 und die Kathoden 16 ein Magnetfeld um die Elektroden 14, 16 erzeugt wird. Dieses Magnetfeld induziert ein Magnetfeld im Inneren des Separators 18. Auf dem Separator 18 sind magnetisierbare Elemente 26, vorzugsweise Eisenpartikel oder Kobaltpartikel verteilt, die magnetisiert werden und sich neu ausrichten. Auf diese Weise werden die Poren 28 in den Lagen 20, 21, 22 des Separators 18 geschlossen und ein lonentransfer durch den Separator 18 wird eingeschränkt.
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In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Separators 18 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10 dargestellt. Dabei umfasst der Separator 18 zwei Schichten 20, 22 aus einem porösen Polymerwerkstoff 24, insbesondere aus porösem Polypropylen 25. Zwischen den beiden Schichten 20, 22, welche die beiden porösen Isolationsschichten 40, 42 des Separators 18 ausbilden, ist eine Lücke 30 vorgesehen. Die beiden porösen Isolationsschichten 40, 42 weisen eine den Elektroden 14, 16 zugewandte Außenseite 46 und eine der Lücke 30 zugewandte Innenseite 47 auf. Diese Innenseite 47 der beiden porösen Isolationsschichten 40, 42 ist mit einer faserigen Struktur beschichtet. Die faserige Struktur umfasst Polymerfasern 32, insbesondere Polypropylenfasern 33, welche mit einem Schmelzstoff 39, insbesondere einem Wachs 35 oder einem Elastomer 34 beschichtet sind. Auf den Schmelzstoff 39 sind permanentmagnetische Elemente 36, vorzugsweise permanentmagnetische Partikel 37, besonders bevorzugt permanentmagnetische Nanopartikel 38, aufgetragen. Der Schmelzstoff 39 weist vorzugsweise ein Schmelztemperatur von etwa 80°C , vorzugsweise von 75° bis 90°C auf.
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4b zeigt eine Seitenansicht des Separators 18, auf dem Polypropylenfasern 33 zu sehen sind, die mit Wachs 35 beschichtet sind und anschließend mit permanentmagnetischen Nanopartikeln 38 überzogen werden.
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4c zeigt eine Vorderansicht des Separators 18, auf dem Polypropylenfasern 33 zu sehen sind, die mit Wachs 35 und anschließend mit permanentmagnetischen Nanopartikeln 38 beschichtet sind. Zwischen den Polypropylenfasern 33 befinden sich Poren 28. Die Poren 28 dienen einem Transfer von Lithium-Ionen 56 durch den Separator 18.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Separator 18 zwei Isolationsschichten 40, 42. Die Innenseiten 47 der beiden äußeren Isolationsschichten 40, 42 aus Polypropylen oder einem anderen Polymer haben eine faserige Struktur, die durch die Integration frei beweglicher Polymerfasern 32 aus Polypropylen oder anderen Polymeren entsteht. Zwischen der faserigen Struktur befinden sich Poren 28. Die Polymerfasern 32 sind mit einem Schmelzstoff 39, vorzugsweise mit einem Wachs 35, einem Elastomer 34 oder einem niedrig schmelzenden Bindemittel beschichtet. Auf diesen Schmelzstoff 39 sind nanopartikuläre permanentmagnetische Partikel 38 abgeschieden. Wenn die Elektrode 14, 16 eine normale Stromentladung oder Ladung aufweist, blockieren die Polymerfasern 32 die Poren 28 in der porösen Isolationsschicht 40, 42 des Separators 18 nicht. Die Lithium-Ionen 56 können sich leicht durch den Zwei- oder Mehrschichtseparator 18 bewegen.
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Sobald der Strom einen Schwellenwert erreicht, wird im Inneren der Elektrode 14, 16 ein stärkeres Magnetfeld erzeugt. Infolgedessen bewegen sich die permanentmagnetischen Elemente 36 auf der Faserstruktur in Richtung der Elektrode 14, 16. Dadurch wird die faserige Struktur gebogen. Diese Polymerfasern 32 schließen oder blockieren nun einige Poren 28 in dem Separator 18 und verringern so die lonenmobilität durch diese Poren 28. Dadurch wird schließlich der Stromfluss durch das benachbarte Elektrodenpaar 14, 16 reduziert.
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5 zeigt den Separator 18 in einem elektromagnetisch aktivierten Zustand, bei dem die Poren 28 in den porösen Isolationsschichten 40, 42 zumindest teilweise durch die Polymerfasern 32 verschlossen sind. In 5b ist der Separator 18 in einer Seitenansicht dargestellt, bei der sich die Polymerfasern 32 durch die elektromagnetische Kraft der Elektroden 14, 16 biegen und somit die Poren 28 in dem Separator 18 verschließen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle 10. Dabei sind eine Anode 14, eine Kathode 16 und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordneter Separator 18 dargestellt. Während der Entladung der Batteriezelle 10 kann das Lithium-Ion 56 nicht durch den Separator 18 gelangen, da die Polymerfasern 32 die Poren 28 im Separator 18 blockieren. Der elektrische Strom an jeder Elektrode 14, 16 verursacht ein Magnetfeld. Wenn das Magnetfeld über dem Schwellenwert liegt, werden die permanentmagnetischen Partikel 37 auf den Polymerfasern 32 von der magnetisierten Elektrode 14, 16 angezogen. Dies führt dazu, dass sich die Polymerfasern 32 zur Elektrode 14, 16 hin biegen und die Poren 28 schließen oder blockieren. Auf diese Weise wird die lonenmobilität eingeschränkt und der Strom in der Elektrode 14, 16 nimmt allmählich ab. Diese Idee zeigt, wie die Poren 28 im Separator 18 durch die Anziehung von Permanentmagneten auf dem Separator 18 zur Elektrode 14, 16 hin reduziert werden können, die sich ebenfalls wie ein Magnet verhält (der Strom fließt durch den Leiter). Hier sind die Permanentmagnete 36, 37, 38 auf einer faserigen Struktur angebracht. Es ist möglich, diese Nanopartikel 38 auch auf andere Formen von Strukturen aufzubringen, die in den Separator 18 eingebettet sind.
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7 zeigt eine thermische Aktivierung eines Separators 18 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10. Wenn die Temperatur in der Batteriezelle 10 bis zum Schmelzpunkt des Wachses 35 oder des niedrig schmelzenden Elastomerbindemittels 34 ansteigt, schmilzt es und füllt die Poren 28 in dem Separator 18 zusammen mit den magnetischen Partikeln 37. Da die Poren 28 geschlossen werden, ist der Separator 18 nicht mehr porös für die lonenbewegung und somit können keine Lithium-Ionen 56 durch den Separator 18 gelangen. Die magnetischen Partikel wirken auch als Blocker in den Poren 28 für das metallische Eindringen zwischen den Elektroden 14, 16. Auf diese Weise können auch keine Elektronen zwischen den Elektroden 14, 16 hindurchtreten, da die metallischen Partikel 27, 37 durch das Wachs 35 und die magnetischen Partikel 37, die alle Poren 28 gefüllt haben, eingeschränkt werden.
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8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Separators 18 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10. Der Separator 18 umfasst drei Lagen 20, 21, 44. Alle drei Lagen 20, 21, 44 sind porös. Die beiden äußeren Lagen 20, 21 sind poröse Isolationsschichten 40, 42. Zwischen den beiden porösen Isolationsschichten 40, 42 ist eine elektrisch leitende Separatorschicht 44 angeordnet. Die porösen Isolationsschichten 40, 42 sind an ihrer der mittleren Lage 44 zugewandten Seite 48 mit permanentmagnetischen Partikeln 37 beschichtet. Die innere Schicht 44 ist eine leitende Schicht, welche vorzugsweise ebenfalls aus einem porösen Polymerwerkstoff 24, vorzugsweise aus einem Polypropylen 25 oder einem Polyethylen, besteht. Dieser poröse Polymerwerkstoff 24 wird durch Kohlenstofffüllstoffe leitfähig gemacht. Alle drei Trennschichten sind nur an den vier Rändern laminiert. Das bedeutet, dass es zwischen den drei Schichten 20, 21, 44 kleine Lücken gibt.
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Wenn elektrischer Strom durch die Elektrode 14, 16 fließt, wird sie magnetisiert. Dieses Magnetfeld wird in den Separator 18 induziert. Dieses induzierte Magnetfeld erzeugt eine Spannung auf dem Separator 18. Da die mittlere Schicht 44 des Separators 18 elektrisch leitend ist, bietet sie einen Widerstand, so dass der Strom durch die mittlere Schicht 44 fließt. Die mittlere Schicht 44 wird kurzgeschlossen, so dass kontinuierlich Strom durch die mittlere leitende Schicht 44 fließen kann.
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Da die mittlere leitfähige Schicht 44 Strom erhält, verhält sie sich auch wie ein stromdurchflossener Leiter und wird somit auch magnetisch.
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Wenn das Magnetfeld der mittleren Schicht stark ist, zieht es magnetische Partikel 36, 37 an, die auf den beiden äußeren Isolierschichten 40, 42 des Separators 18 aufgebracht sind. Dies bedeutet, dass sich der Abstand zwischen den drei Schichten 20, 21, 44 verringert. Durch die Beschichtung mit Magnetpartikeln 36, 37 wird die Porosität der mittleren Schicht 44 verringert, da die drei Schichten 20, 21, 44 durch das Magnetfeld fest zusammengepresst werden.
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Normalerweise werden Magnetpartikel 36, 37 auf eine Schicht aus weichem Bindemittel wie Elastomer oder Wachs aufgetragen. Auf diese Weise ist die Beschichtung von Natur aus elastisch und kann komprimiert werden. Da die drei Schichten 20, 21, 44 durch das Magnetfeld eng zusammengepresst werden, werden die Poren 28 in dem Separator 18 verkleinert.
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Sobald sich die Poren 28 verkleinern, verringert sich die lonenbewegung durch den Separator 18, was schließlich zu einer Verringerung des Stroms in der Elektrode 14, 16 führt. Sobald der Strom in der Elektrode 14, 16 abnimmt, verringert sich das Magnetfeld in der Elektrode 14, 16 und auch das induzierte Magnetfeld im Separator 18. Die magnetischen Partikel 36, 37 kehren in ihre Ausgangsposition zurück, da die Anziehungskraft nicht mehr so stark ist. Da die Beschichtung elastisch ist, wird sie wie eine kleine Feder wirken und die beiden äußeren Schichten 40, 42 des Separators 18 zurückbringen. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen den drei Schichten 20, 21, 44 des Separators 18 und auch die Poren 28 werden wieder größer.
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9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Separators 18 für eine erfindungsgemäße Batteriezelle 10. Der Separator 18 umfasst drei Lagen 20, 21, 44. Alle drei Lagen 20, 21, 44 sind porös. Die beiden äußeren Lagen 20, 21 sind poröse Isolationsschichten 40, 42. Zwischen den beiden porösen Isolationsschichten 40, 42 ist eine elektrisch leitende Separatorschicht 44 angeordnet. Die porösen Isolationsschichten 40, 42 sind an ihrer der mittleren Lage 44 zugewandten Seite 48 mit permanentmagnetischen Partikeln 37 beschichtet. Die innere Schicht 44 ist eine leitende Schicht, welche vorzugsweise ebenfalls aus einem porösen Polymerwerkstoff 24, vorzugsweise aus einem Polypropylen 25 oder einem Polyethylen, besteht. Dieser poröse Polymerwerkstoff 24 wird durch Kohlenstofffüllstoffe leitfähig gemacht. Die elektrisch leitfähige Mittelschicht 44 des Separators 18 ist mit Polymerfasern 32 verbunden, welche aus beiden den porösen Isolationsschichten 40, 42 zugewandten Seiten der Mittelschicht 44 austreten. Die Polymerfasern 32 haben eine Beschichtung aus niedrig schmelzendem Elastomer 34, einem Wachs 35 oder einem sonstigen Schmelzstoff 39 und sind dann wiederum mit magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Partikeln 27, 37 beschichtet.
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Wie bei dem in 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht auch dieser Separator 18 aus drei Schichten 40, 42, 44. Die mittlere Schicht 44 ist elektrisch leitend und die beiden äußeren porösen Isolationsschichten 40, 42 nicht. Die mittlere Schicht 44 wird elektrisch kurzgeschlossen, damit die induzierte Spannung einen Stromfluss durch die mittlere Schicht 44 bewirken kann. Die der mittleren Schicht 44 zugewandten Innenseiten 46 der porösen Isolationsschichten 40, 42 sind in diesem Ausführungsbeispiel unbeschichtet und weisen keine Beschichtung aus permanentmagnetischen Partikeln an ihren der Mittelschicht 44 zugewandten Innenseiten 46 auf.
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Stattdessen weist die mittlere Schicht 44 eine faserige Struktur auf, ähnlich wie bei dem in 4 bis 7 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel. Die faserige Struktur besteht vorzugsweise aus porösem Polypropylen-Material 25 und ist mit einer Beschichtung aus niedrig schmelzendem Wachs 35, Elastomer 34 oder einem anderen Schmelzstoff 39 mit niedrigem Schmelzpunkt versehen. Auf diese Beschichtung 34, 35, 39 werden magnetisierbare oder permanentmagnetische Partikel 27, 37, insbesondere Eisenpartikel oder Kobaltpartikel aufgebracht.
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Sobald Strom durch die Elektrode 14, 16 fließt, wird im Inneren der Elektrode 14, 16 ein Magnetfeld induziert. Dies führt zu einem induzierten Magnetfeld in der mittleren Schicht 44 des Separators 18. Dadurch wird eine induzierte Spannung erzeugt. Da die mittlere Schicht 44 durch die Zugabe von Kohlenstofffüllstoff elektrisch leitfähig ist und einen Kurzschluss erzeugt, fließt Strom durch diese mittlere Schicht 44. Jetzt verhält sich die mittlere Schicht 44 wie ein stromdurchflossener Leiter. Das bedeutet, dass in der mittleren Schicht 44 ein Magnetfeld erzeugt wird. Dieses Magnetfeld zieht magnetisierbare oder permanentmagnetischen Partikel 27, 37 auf den Polymerfasern 32 an. Die Polymerfasern 32 biegen sich, da die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Partikel 27, 37 von der magnetisierten Mittelschicht 44 angezogen werden. Dadurch werden die Poren 28 in der Mittelschicht 44 blockiert.
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Auf diese Weise können sich die Lithium-Ionen 56 nicht mehr so leicht durch die Mittelschicht 44 bewegen. Sobald sich die Lithium-Ionen 56 nicht mehr bewegen können, liefert die Elektrode 14, 16 weniger Strom. Auf diese Weise wird das einzelne Elektrodenpaar 14, 16 automatisch ausgeglichen.
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Sobald der durch die Elektroden fließende Strom abgenommen hat, nimmt das induzierte Magnetfeld ab und damit auch das induzierte Magnetfeld in der Mittelschicht 44 des Separators 18. Das bedeutet, dass die magnetisierbaren oder permanentmagnetischen Partikel 27, 37 auf den Polymerfasern 32 nicht mehr von der Mittelschicht 44 angezogen werden. Die Polymerfasern 32 nehmen wieder ihren ungebogenen Ausgangszustand ein. Die Poren 28 der Mittelschicht 44 werden nicht blockiert, und die Lithium-Ionen 56 können wie zuvor problemlos passieren.
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10 zeigt den Separator aus 9 in einem elektromagnetisch aktivierten Zustand. Die Polymerfasern 32 mit den permanentmagnetischen oder magnetisierbaren Partikeln 27, 37 biegen sich in Richtung der mittleren leitfähigen Schicht 44 des Separators 18. Infolgedessen werden die Poren 28 in der mittleren Schicht 44 geschlossen und die Kapazität verringert sich. Der Separator 18 kann analog dem in 4 bis 7 dargestellten Separator 18 auch thermisch aktiviert werden, wobei der Schmelzstoff 39 aus der Beschichtung der Polymerfasern 32 in diesem Fall die Poren 28 in dem Separator 18 verschließt und somit ein Durchtreten von Lithium-Ionen 56 durch den Separator 18 verhindert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batteriezelle
- 12
- Gehäuse
- 13
- Zellstapel
- 14
- Anode
- 16
- Kathode
- 18
- Separator
- 20
- erste Lage
- 21
- zweite Lage
- 22
- dritte Lage
- 24
- poröser Polymerwerkstoff
- 25
- poröses Polypropylen
- 26
- magnetisierbare Elemente
- 27
- magnetisierbare Partikel
- 28
- Poren
- 30
- Lücke
- 32
- Polymerfaser
- 33
- Polypropylenfaser
- 34
- Elastomerbeschichtung
- 35
- Wachsbeschichtung
- 36
- permanentmagnetische Elemente
- 37
- permanentmagnetische Partikel
- 38
- Nanopartikel
- 39
- Schmelzstoff
- 40
- erste Isolationsschicht
- 42
- zweite Isolationsschicht
- 44
- elektrisch leitende Separatorschicht
- 46
- Innenseite
- 47
- Außenseite
- 48
- der mittleren Lage zugewandte Seite
- 50
- erste Polymerfaser
- 52
- zweite Polymerfaser
- 54
- Zwischenschicht
- 56
- Lithium-Ionen
