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Die Erfindung betrifft eine Feststoffbatterie mit Temperierelementen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Feststoffbatterie.
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Heutige elektrifizierte Kraftfahrzeuge weisen Antriebsbatterien zum Speichern der elektrischen Energie auf, die eine Vielzahl an Batteriezellen aufweisen. Diese sind häufig in sog. Module gruppiert, wobei jedes Modul einen Stapel aus aneinander gestapelten Lithium-Ionen-Batterien aufweist, die verspannt sind. Wird dieser Aufbau, d.h. ein solcher Stapel, bei Feststoffbatterien angewendet, dann entsteht die Schwierigkeit, dass die Volumenänderung durch Alterung der Feststoffbatteriezellen sowie während der einzelnen Ladezyklen wesentlich größer ist als bei Lithium-Ionen-Batterien. Eine signifikante Längenänderung des Stapels ist jedoch wiederum aus Bauraum- und Befestigungsgesichtspunkten im Fahrzeug schwierig.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch eine Feststoffbatterie gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Feststoffbatterie bereitgestellt, mit mehreren in einer Stapelrichtung gestapelten und elektrisch verbundenen Feststoffbatteriezellen; mehreren, zwischen benachbarten Feststoffbatteriezellen angeordneten und von Temperierfluid durchströmbaren plattenartigen Temperierelementen, wobei eine Volumenabmessung der Temperierelemente, zumindest in einem Bereich, welcher sich zwischen den benachbarten Feststoffbatteriezellen befindet, in der Stapelrichtung variiert, um eine Ausdehnung und Kontraktion der Feststoffbatteriezellen in der Stapelrichtung zu kompensieren. Der Grundgedanke der Erfindung liegt demnach darin, Temperierelemente bereitzustellen, die eine Doppelfunktion aufweisen. Neben der Kühlung und/oder Beheizung der Feststoffbatteriezellen übernehmen die Temperierelemente auch die Funktion der Kompensation der Ausdehnung und Kontraktion der Feststoffbatteriezellen.
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Im Rahmen dieser Erfindung ist unter einer Feststoffbatteriezelle eine Batteriezelle zu verstehen, die zumindest teilweise einen Festkörperelektrolyten für die Lithiumionenleitung zwischen Anode und Kathode einsetzt (z.B. Al-Oxid, Polymer oder Sulfid oder Kombinationen) oder eine Lithium-Metall-Anode mit Flüssigelektrolyt verwendet. Kombinationen aus Li-Anode und Flüssig-/Feststoffelektrolyt sind zulässig. Das heißt, man spricht von einer Feststoffbatterie, wenn ein Teil eines Feststoffelektrolyten oder eine Li-Anode zum Einsatz kommt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Ausdehnung innerhalb eines Ladezyklus pro Feststoffbatteriezelle zumindest 3%, insbesondere 5%, insbesondere 10%, einer Abmessung der Feststoffbatteriezelle in Stapelrichtung, ausgehend vom ungeladenen Zustand. Dies verdeutlicht die enorme Ausdehnung der Feststoffbatteriezellen gegenüber herkömmlichen Batteriezellen, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Feststoffbatterie ferner einen Modulrahmen auf, welcher eine Gesamtlänge eines Stapels mit den gestapelten Feststoffbatteriezellen und den Temperierelementen konstant hält. Dadurch hat die Feststoffbatterie trotz der Ausdehnung/Kontraktion der Feststoffbatteriezellen ein konstante Außenabmessung und kann somit in einem definierten Bauraum untergebracht werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Temperierelement im Inneren einen Rahmen auf, der sich entlang einer Ebene erstreckt, welche normal zur Stapelrichtung ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Temperierelement im Inneren, in einem Bereich, der sich direkt zwischen den Feststoffbatteriezellen befindet, zwischen denen das Temperierelement befindet, ein Stützelement auf, welches bei einer Maximalkompression des Temperierelements eine Durchströmbarkeit mit Temperierfluid aufrechterhält. Dadurch wird trotz flexibler Materialeigenschaften einer Hülle der Temperierelemente eine hohe Stabilität der Temperierelemente erreicht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen allen benachbarten Feststoffbatteriezellen jeweils ein Temperierelement angeordnet. Dadurch werden die einzelnen Feststoffbatteriezellen beidseitig temperiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist entlang der Stapelrichtung nur nach jeder zweiten Feststoffbatteriezelle ein Temperierelement angeordnet. Dadurch kann die Anzahl an Temperierelementen reduziert und Herstellkosten eingespart werden.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Feststoffbatterie bereit.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer schematisch angedeuteten Feststoffbatterie;
- 2 zeigt schematisch die Feststoffbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Stapels mit Feststoffbatteriezellen und Temperierelementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4A zeigt schematisch ein Temperierelement in Stapelrichtung blickend;
- 4B zeigt schematisch eine Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene A-A aus 4A;
- 5 zeigt schematisch eine Feststoffbatteriezelle in Stapelrichtung blickend;
- 6A zeigt schematisch ein Temperierelement, welches an einem Stapelende angeordnet ist, und dessen Wirkungsweise;
- 6B zeigt schematisch ein Temperierelement, welches zwischen zwei benachbarten Feststoffbatteriezellen angeordnet ist, und dessen Wirkungsweise;
- 7 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Temperierelement mit einem Rahmen versehen ist, und
- 8 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Temperierelement ein Stützelement vorgesehen ist.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer schematisch angedeuteten Feststoffbatterie 2. Die Feststoffbatterie 2 ist in dem Kraftfahrzeug 1, beispielsweise unterhalb (bezogen auf eine Fahrzeughochachse) eines Fahrzeuginsassenraums angeordnet. Bei dem Kraftfahrzeug 1 handelt es sich um ein zumindest zeitweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, d.h. ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug.
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2 zeigt schematisch die Feststoffbatterie 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese hat eine Vielzahl an Feststoffbatteriezellen 3 auf elektrochemischer Basis, die in einer Stapelrichtung x gestapelt sind. Die Feststoffbatteriezellen 3 sind im Wesentlichen quaderförmig oder in einem Pouch-Zellen-Format. Es handelt sich dabei um Batteriezellen, die zumindest teilweise einen Festkörperelektrolyten für die Lithiumionenleitung zwischen Anode und Kathode einsetzt (z.B. Al-Oxid, Polymer oder Sulfid oder Kombinationen) oder eine Lithium-Metall-Anode mit Flüssigelektrolyt verwendet. Kombinationen aus Li-Anode und Flüssig-/Feststoffelektrolyt sind zulässig. Das heißt, man spricht von einer Feststoffbatterie, wenn ein Teil eines Feststoffelektrolyten oder eine Li-Anode zum Einsatz kommt.
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Darüber hinaus sind Temperierelemente 4 vorgesehen, die plattenartig ausgebildet sind. Die Temperierelemente 4 sind in einen (nicht dargestellten) Temperierkreislauf eingebunden, der von einem Temperierfluid durchströmt wird. Das heißt, die Temperierelemente 4 sind vom Temperierfluid durchströmbar, so dass die Feststoffbatteriezellen 3 über die Temperierelemente 4 temperierbar, d.h. beheizbar und/oder kühlbar, sind. Bei dem Temperierfluid handelt es sich beispielsweise um ein mit Additiven versetztes Wasser, welches aus dem Stand der Technik als Kühlmittel bekannt ist. Es ist jedoch auch die Verwendung eines Kältemittels und die Einbindung der Temperierelemente 4 in einen Kältekreislauf denkbar. Die Temperierelemente 4 sind so angeordnet, dass zwischen zwei benachbarten Feststoffbatteriezellen 3 ein Temperierelement 4 vorgesehen ist, wobei so viele Temperierelemente 3 vorgesehen sein können, dass zwischen jedem Paar an benachbarten Feststoffbatteriezellen 3 jeweils ein Temperierelement 3 angeordnet ist oder dass nur nach jeder zweiten Feststoffbatterie 3 ein Temperierelement 3 angeordnet ist, so wie dies in 2 dargestellt ist. Die erstgenannte Möglichkeit führt dazu, dass die Feststoffbatteriezellen 3 jeweils nur einseitig temperiert werden, während die letztgenannte Möglichkeit dazu führt, dass jede Feststoffbatteriezelle 3 beidseitig temperiert wird.
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Die Feststoffbatteriezellen 3 weisen eine Zelldicke von zumindest 5 mm auf. Bei einer Zelldicke zwischen 5 mm und 10 mm (Ladezustand 100%) bietet sich beispielsweise eine einseitige Temperierung an. Bei einer Zelldicke ab 10 mm (Ladezustand 100%) bietet sich eine beidseitige Temperierung an.
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Es wird somit ein Stapel aus aneinander gestapelten Feststoffbatteriezellen 3 und Temperierelementen 4 ausgebildet, die jeweils mit ihrer kleinsten Abmessung in Stapelrichtung x (d.h. ihrer Dicke) ausgerichtet, aneinander gestapelt sind.
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Dieser Stapel wird von einem Modulrahmen 5 umgriffen, der beispielsweise zwei an den jeweiligen Stirnseiten des Stapels vorgesehene Druckplatten 6 und mit diesen verbundene Zuganker 7 aufweisen kann. Dabei sind die Zuganker 7 mit den Druckplatten 6 verbunden, so dass die Gesamtlänge des Stapels, d.h. der Abstand der Druckplatten 6 zueinander, und damit auch die Gesamtlänge des Modulrahmens 5 in Stapelrichtung x konstant bleibt. Zwischen den äußeren Feststoffbatteriezellen 3 eines Stapels und den angrenzenden Druckplatten 6 kann ebenfalls ein Temperierelement 4 angeordnet sein.
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Die Temperierelemente 4 sind jeweils mit einem Zulauf 8 und einem Ablauf 9 (siehe 3) versehen, über welche Temperierfluid in die Temperierelemente geführt und aus diesen wieder abgeführt werden kann.
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3 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Stapels mit Feststoffbatteriezellen 3 und Temperierelementen 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bezüglich der in 3 dargestellten Komponenten wird auf die vorstehende Beschreibung im Zusammenhang mit 2 verwiesen.
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Die Feststoffbatteriezellen 3 unterliegen, im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen, einer relativ großen Ausdehnung über die Lebensdauer, d.h. bei Alterung dehnen sich die Feststoffbatteriezellen 3, insbesondere entlang einer Zelldicke bzw. entlang der Stapelrichtung x, aus. Auch während eines Ladezyklus unterliegen die Feststoffbatteriezellen 3, im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen, einer relativ großen Ausdehnung während des Aufladens und Kontraktion während des Entladens. Dabei beträgt die Ausdehnung/Kontraktion während eines Ladezyklus zwischen dem entladenen Zustand und dem vollgeladenen Zustand insbesondere zumindest 3% der Zelldicke (entlang der Stapelrichtung x) gegenüber dem ungeladenen Zustand. Insbesondere ist die Ausdehnung/Kontraktion zumindest 5%, insbesondere zumindest 10% und insbesondere zumindest 15%. Die Ausdehnung der Feststoffbatteriezellen 3 durch Alterung beträgt zumindest 5% der Zelldicke nach 300 Ladezyklen gegenüber dem ungeladenen Neuzustand.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Temperierelemente 4 eine veränderbare Dicke, d.h. Abmessung in Stapelrichtung x, haben, um die vorstehend beschriebene Ausdehnung und Kontraktion zu kompensieren, so dass die Gesamtlänge des Stapels konstant bleibt. Diese veränderbare Dicke wird durch eine entsprechende Materialauswahl und Materialdicke einer Hülle der Temperierelemente 4 erreicht. Die Temperierelemente 4, insbesondere deren Hüllen, sind beispielsweise aus Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl, beispielsweise in Form einer Folie oder einem dünnen Blech. Darüber hinaus ist eine Hülle aus Kunststoff oder Gummi denkbar. Außerdem kann die Hülle mehrschichtig sein, wobei die Schichten aus unterschiedlichen Materialien sein können, wie beispielsweise eine Hülle aus einer mehrschichtigen Kunststoff-Aluminium-Kunststoff-Kombination.
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4A zeigt schematisch ein Temperierelement 4 in Stapelrichtung x blickend. Wie bereits erwähnt ist das Temperierelement 4 im Wesentlichen plattenartig und kann beispielsweise durch zwei rechteckige blattförmige Materialstücke ausgebildet werden, die aufeinandergelegt und an ihren Rändern 10 miteinander verbunden werden. Dafür kommt beispielsweise dünnes Metallblech und/oder Metallfolie in Frage. Solche Metallbleche können an ihren Ränder 10 durch Bördeln miteinander verbunden werden.
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4B zeigt schematisch eine Schnittdarstellung entlang einer Schnittebene A-A aus 4A. Zu erkennen sind die an ihren Rändern 10 miteinander verbundenen, flachen Materialstücke, die im Inneren 11 einen durchströmbaren Hohlraum ausbilden. Bei der Materialauswahl der Temperierelemente 4 sollte berücksichtigt werden, dass einerseits eine variable Dicke erreichbar ist und andererseits die Temperierelemente 4 stabil genug sind, dass diese der Kompensation der Ausdehnung/Kontraktion der Feststoffbatteriezellen 3 standhalten. Im Betrieb herrscht auf einer Zelloberfläche der Feststoffbatteriezellen 3, beispielsweise in der Mitte der Zelloberfläche, die mit dem Temperierelement 4 in Kontakt ist, ein Betriebsdruck von mehr als 3 bar.
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5 zeigt schematisch eine Feststoffbatteriezelle 3 in Stapelrichtung x blickend. Dabei ist beispielhaft eine Feststoffbatteriezelle 3 in Form einer Pouch-Zelle dargestellt, bei der ein Aktivmaterial zwischen zwei Metallfolien eingeschlossen ist, die an ihren umlaufenden Rändern 12 miteinander verbunden sind.
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6A zeigt schematisch ein Temperierelement 4, welches an einem Stapelende angeordnet ist, und dessen Wirkungsweise. Genauer ist das Temperierelement 4 zwischen einer Druckplatte 6 und einer Feststoffbatteriezelle 3 angeordnet. Rechts in 6A ist ein Zustand dargestellt, in dem die Feststoffbatteriezelle 3 ungeladen ist, wohingegen links in 6A ein Zustand dargestellt ist, in dem die Feststoffbatteriezelle 3 vollgeladen ist. Genauso kann der Vergleich zwischen der rechten und linken Hälfte der 6A für einen neuen Zustand (rechts) und einen gealterten Zustand (links) der Feststoffbatteriezellen 3 stehen. Wie zu erkennen, ist im ungeladenen/neuen Zustand rechts in 6A die Zelldicke (in Stapelrichtung x) kleiner als links in 6A, im vollgeladenen/gealterten Zustand. Diese Differenz in der Zelldicke wird durch eine sich verändernde Dicke des Temperierelements 4 ausgeglichen.
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6B zeigt schematisch ein Temperierelement 4, welches zwischen zwei benachbarten Feststoffbatteriezellen 3 angeordnet ist, und dessen Wirkungsweise. Rechts in 6B ist ein Zustand dargestellt, in dem die beiden Feststoffbatteriezellen 3 zwischen denen das Temperierelement 4 angeordnet ist, ungeladen sind, wohingegen links in 6B ein Zustand dargestellt ist, in dem die beiden Feststoffbatteriezelle 3 vollgeladen sind. Genauso kann der Vergleich zwischen der rechten und linken Hälfte der 6B für einen neuen Zustand (rechts) und einen gealterten Zustand (links) der Feststoffbatteriezellen 3 stehen. Wie zu erkennen, ist in dem ungeladenen/neuen Zustand rechts in 6B eine Zelldicke (in Stapelrichtung x) kleiner als links in 6B, im vollgeladenen/gealterten Zustand. Diese Differenz in der Zelldicke wird durch eine sich verändernde Dicke des Temperierelements 4 ausgeglichen.
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7 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Temperierelement 4 mit einem Rahmen 13 versehen ist. Zur Stabilitätserhöhung des Temperierelements 4, ist im Inneren 11 des Temperierelements 4 der Rahmen 13 vorgesehen, der in Stapelrichtung x blickend einen viereckigen Rahmen bildet. Dieser Rahmen 13 verläuft beispielsweise im Bereich der Ränder 12 (siehe auch 5) der Feststoffbatteriezellen 3. Auch hier ist rechts in 7 ein Zustand dargestellt, in dem die beiden Feststoffbatteriezellen 3 zwischen denen das Temperierelement 4 angeordnet ist, ungeladen sind, wohingegen links in 6A ein Zustand dargestellt ist, in dem die beiden Feststoffbatteriezelle 3 vollgeladen sind. Genauso kann der Vergleich zwischen der rechten und linken Hälfte der 7 für einen neuen Zustand (rechts) und einen gealterten Zustand (links) der Feststoffbatteriezellen 3 stehen. Wie zu erkennen, ist in dem ungeladenen/neuen Zustand rechts in 7 eine Zelldicke (in Stapelrichtung x) kleiner als links in 7, im vollgeladenen/gealterten Zustand. Diese Differenz in der Zelldicke wird durch eine veränderte Dicke des Temperierelements 4 in dem Bereich, welcher sich direkt zwischen den benachbarten Feststoffbatteriezellen 3 befindet, ausgeglichen.
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Zusätzlich hierzu ist in 8 noch ein Stützelement 14 vorgesehen, welches im Inneren 11 des Temperierelements 4 angeordnet ist und zwar im Bereich des Temperierelements 4, welcher sich zwischen den benachbarten Feststoffbatteriezellen 3 befindet. Somit wird selbst in einem Zustand, in dem dieser Bereich in x-Richtung maximal zusammengedrückt wird, immer noch eine Durchströmung des Inneren 11 des Temperierelements 4 ermöglicht.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf das offenbarte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
