DE102022115428B3

DE102022115428B3 - Batteriezelle mit Seitenwänden aus Stahl oder einer Stahllegierung

Info

Publication number: DE102022115428B3
Application number: DE102022115428.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kellner; Christopher Volkmer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2042-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1), wobei die Batteriezelle (1) eine Elektrodenschichtanordnung aufweist, wobei die Elektrodenschichtanordnung mehrere Anodenschichten und mehrere Kathodenschichten aufweist, wobei die Anodenschichten und die Kathodenschichten gestapelt angeordnet und durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die Batteriezelle (1) ein prismatisches Batteriezellengehäuse aufweist, wobei das Batteriezellengehäuse mehrere Seitenwände (2a, 2b) aufweist, wobei diese Seitenwände (2a, 2b) eine Mantelfläche des Batteriezellengehäuses bilden, wobei diese Seitenwände (2a, 2b) aus Stahl oder einer Stahllegierung gebildet sind, wobei zumindest eine der Seitenwände (2a, 2b) des Batteriezellengehäuses zumindest eine Entgasungsöffnung (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle. Batteriezellen werden unter anderem bei Hochvoltbatterien eingesetzt. Eine Hochvoltbatterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug, umfasst in der Regel eine Vielzahl von Batteriezellen, die elektrisch serielle und/oder parallel miteinander verschaltet sind, um die gewünschte elektrische Spannung bzw. die gewünschte elektrische Stromstärke bereitzustellen.
Bekannt sind unterschiedlichste Batteriezellen für die Traktionsbatterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Diese können prismatisch geformt sein und ein strukturell stabiles Gehäuse, in der Regel aus Aluminium, aufweisen. Ferner bekannt sind Pouch-Zellen, bei den die Hülle flexibel ist.
Aus der JP 2002198011 A , der DE 10 2009 010 146 A1 und der US 2013 323 567 A1 sind unterschiedliche prismatische Batteriezellen bekannt.
Problematisch bei Batteriezellen, bzw. einer Hochvoltbatterie aus mehreren Batteriezellen, ist ein sogenannter Thermal Runaway, auch als thermisches Durchgehen bezeichnet. Zur Vermeidung eines thermischen Durchgehens sind häufig in einem Gehäuse der Batteriezelle eine oder mehrere Entgasungsöffnungen vorgesehen, die Sollbruchstellen aufweisen, durch die die Zelle im Brandfall entgasen soll. In der Regel werden die aus den Entgasungsöffnungen entweichenden Gasen aus der Hochvoltbatterie herausgeleitet um ein entzünden der umliegenden Batteriezellen zu vermeiden. Die erforderliche Größe der Entgasungsöffnung steigt in der Regel mit zunehmender Energie- und Leistungsdichte der Batteriezelle an. Ist eine Entgasungsöffnung zu klein dimensioniert, kann es dazu kommen, dass das Gehäuse der Batteriezelle an einer undefinierten Stelle aufreißt, was zu einer Entzündung umliegender Batteriezellen führen kann. Allerdings haben große Entgasungsöffnungen den Nachteil, dass durch größere Entgasungsöffnung der notwendige Bauraum der Batteriezellen erhöht wird.
Aus der DE 10 2020 130 139 A1 ist eine Batteriezelle bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriezelle, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, weiterzubilden.
Diese Aufgabe wird durch eine Batteriezelle, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst.
Die Batteriezelle, weist eine Elektrodenschichtanordnung auf, wobei die Elektrodenschichtanordnung mehrere Anodenschichten und mehrere Kathodenschichten aufweist, wobei die Anodenschichten und die Kathodenschichten gestapelt angeordnet und durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die Batteriezelle ein prismatisches Batteriezellengehäuse aufweist, wobei das Batteriezellengehäuse mehrere Seitenwände aufweist, wobei diese Seitenwände eine Mantelfläche des Batteriezellengehäuses bilden, wobei diese Seitenwände aus Stahl oder einer Stahllegierung gebildet sind, wobei zumindest eine der Seitenwände des Batteriezellengehäuses zumindest eine Entgasungsöffnung, auch als Zellvent bezeichnet, aufweist.
Die Verwendung von Stahl oder einer Stahllegierung hat gegenüber Aluminium, das üblicherweise verwendet wird, den Vorteil, dass ein Stahl oder eine Stahllegierung einer größere strukturelle Stabilität aufweist, und auch bei hohen Temperaturen und hohen Innendrücken stabil bleibt, sodass die Entgasungsöffnungen kleiner dimensioniert werden können, als dies bei Verwendung von Aluminium der Fall wäre. Beim Austreten der Gase aus der Entgasungsöffnung kommen die Gase mit den Gehäuseteilen aus Stahl bzw. aus einer Stahllegierung in Kontakt, die besonders resistent bzw. stabil gegen die austretenden Gase sind. Auch ist eine Propagation bzw. Ausdehnung des Risses in die Gehäuseteile aufgrund der hohen Stabilität der Seitenwände verhindert oder zumindest verzögert. Das Vorsehen einer Entgasungsöffnung in der Seitenwand hat gegenüber Entgasungsöffnungen in Verbindungsnähten den Vorteil, das diese Entgasungsöffnungen in ansonsten stabilen und homogenen Bereichen gebildet sind, wodurch unerwünschte Rissbildungen vermieden werden, wie Sie beispielsweise in Nahtbereichen auftreten können, da die Qualität und Eigenschaften einer Verbindungsnaht teils starken Schwankungen unterliegen können. Zudem besteht die Gefahr einer ungewollten Beschädigung der Naht beim Einbringen der Entgasungsöffnung.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Entgasungsöffnung dadurch gebildet ist, dass die Seitenwand eine die Seitenwand durchsetzende Öffnung aufweist, wobei diese Öffnung mit einer Folie verschlossen ist, wobei diese Folie aus einem anderen Material als die Seitenwand besteht. Die Öffnung kann vor der Bildung des Gehäuses, beispielsweise vor einem Verschweißen der Seitenwände, beispielsweise mittels Stanzen in ein Rohbauteil, wie beispielsweise ein Blechteil, eingebracht werden. Die Folie kann ebenfalls vor Bildung des Gehäuses angebracht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Folie auch unproblematisch an einer späteren Innenseite der Seitenwand angebracht werden kann. Durch die Wahl der Dicke der Folie und/oder des Materials der Folie und/oder der Art der Befestigung der Folie kann eine Anpassung auf die Chemie der Batteriezelle und/oder die Energiedichte der Batteriezelle in besonders einfacher Art und Weise erfolgen. Dadurch können beispielsweise die gleichen Gehäuseteile bei unterschiedlichen Batteriezellen verwendet werden.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Folie aus einem Kunststoff und/oder Aluminium besteht.
Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn die Folie an einer Innenseite der Seitenwand angebracht ist.
Vorzugsweise sind aneinander angrenzende Seitenwände hinsichtlich der Abmessung Ihrer Seitenflächen unterschiedlich, wobei die Entgasungsöffnung in der Seitenwand mit der geringsten Seitenfläche ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die Batteriezelle eine Hocherstreckung von 90 mm bis 120 mm, eine Längserstreckung von 230 mm bis 300 mm und eine Dicke von 20 mm bis 35 mm auf. Vorzugsweise weist die Entgasungsöffnung eine Fläche von 400 mm² bis 2000 mm² auf, insbesondere bei einer Kapazität der Batteriezelle von etwa 150 Ah.
Erfindungsgemäß beträgt ein Anteil der Entgasungsöffnung an der gesamten Seitenfläche der Seitenwand, in der sie ausgebildet ist, zwischen 0,1 und 0,25.
Unter dem Aspekt einer hohen Korrosionsbeständigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Seitenwände aus Edelstahl oder einer Edelstahllegierung bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Seitenwände auf ihrer Innenseite eine Beschichtung aufweisen.
Vorzugsweise sind die Seitenwände stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt.
Unter dem Aspekt einer einfachen Herstellung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Seitenwände durch ein oder mehrere vorgebogene Blechbiegeteile gebildet sind, die an Stoßstellen miteinander verschweißt sind.
Erfindungsgemäß weisen die Seitenwände eine Materialstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm auf. Dieser Dickenbereich hat sich als besonders guter Kompromiss hinsichtlich einer ausreichenden Stabilität bei dennoch geringem Gewicht erwiesen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Seitenwände, die sich parallel zu den Elektrodenschichten erstrecken, eine geringere Materialstärke aufweisen als die Seitenwände, die sich orthogonal zu den Elektrodenschichten erstrecken.
Vorzugsweise weisen die Seitenwände, die sich parallel zu den Elektrodenschichten erstrecken, eine Materialstärke von 0,2 mm bis 0,3 mm auf. Vorzugsweise weisen die Seitenwände, die sich orthogonal zu den Elektrodenschichten erstrecken, eine Materialstärke von 0,2 mm bis 0,5 mm auf.
Bei der Batteriezelle handelt es sich vorzugsweise um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anodenschichten und/oder die Kathodenschichten mit einem Zellterminal verbunden sind, wobei das jeweilige Zellterminal in einer weiteren Seitenwand ausgebildet ist, wobei diese weitere Seitenwand von den die Mantelfläche bildenden Seitenwänden elektrisch isoliert ist. Dies kann beispielsweise durch eine zwischen die weitere Seitenwand und die die Mantelfläche bildenden Seitenwände eingebrachte Isolierschicht, bspw. in Form eines Isolierbandes, erfolgen. Es ist aber auch denkbar, dass das Zellterminal in einem Rahmen gelagert und gegenüber dem Rahmen elektrisch isoliert ist oder der Rahmen als solcher aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, wobei der Rahmen wiederrum mit den Seitenwänden des Gehäuses verbunden ist. Der Rahmen und das Zellterminal bilden dann gemeinsam die Seitenwand. Beispielsweise ist das Zellterminal in einem Kunststoffrahmen aus elektrisch isolierendem Material gelagert ist, wobei der Kunststoffrahmen mit den die Mantelfläche bildenden Seitenwänden verklebt ist.
Vorzugsweise sind die Zellterminals an gegenüberliegenden Seitenwänden ausgebildet.
Vorzugsweise bilden die Zellterminals als solche die Seitenwände und sind insofern einteilig ausgebildet.
Vorzugsweise besteht das Zellterminal aus Aluminium.
Vorzugsweise weist das Zellterminal eine Materialstärke von 2 mm bis 3 mm auf.
In den nachfolgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform einer Batteriezelle in einer perspektivischen Ansicht.
2 eine Innenansicht einer Ausführungsform der Batteriezelle in einer schematischen Darstellung.

Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer Batteriezelle 1. Die Batteriezelle 1 weist ein prismatisches, vorliegend quaderförmiges, Batteriezellengehäuse auf, wobei das Batteriezellengehäuse vier Seitenwände 2a, 2b aufweist, wobei diese Seitenwände 2a, 2b eine Mantelfläche des Batteriezellengehäuses in Form eines Hohlprofils mit rechteckigem Querschnitt bilden. Diese Seitenwände 2a, 2b bzw. das Hohlprofil erstreckt sich vorliegend in Y-Richtung. Diese Seitenwände 2a, 2b bestehen vorliegend aus einer Stahllegierung. Die Innenseiten der Seitenwände 2a, 2b können eine gegenüber dem verwendeten Elektrolyt chemisch resistente Beschichtung aufweisen, beispielsweise eine Kunststoffbeschichtung aufweisen
In einer Seitenwand 2b der Seitenwände 2a, 2b, die die Mantelfläche des Gehäuses bilden, ist eine Entgasungsöffnung 3 eingebracht, wobei diese Entgasungsöffnung 3 durch eine Folie 4 verschlossen ist. Die Entgasungsöffnung 3 ist in einer der beiden schmaleren Seitenwände 2b der vier Seitenwände 2a, 2b ausgebildet. Die Entgasungsöffnung 3 ist rechteckförmig ausgebildet, wobei die Ecken abgerundet sind. Die Abrundung der Ecken hat sich als vorteilhaft hinsichtlich der Vermeidung von Rissbildungen im Bereich der Ecken erwiesen.
Die Batteriezelle weist in X-Richtung eine Höhe von ca. 100 mm, in Y-Richtung eine Länge von ca. 270 mm und in Z-Richtung eine Dicke von ca. 25 mm auf. Die Entgasungsöffnung 3 weist vorliegend eine Fläche von ca. 1000 mm² auf. Ein Anteil der Entgasungsöffnung 3 an der gesamten Seitenfläche der Seitenwand 2b, in der sie ausgebildet ist, beträgt daher vorliegend etwa 0,15.
Die Batteriezelle 1 weist Zellterminals 5 auf, die an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle 1 ausgebildet sind. Diese Terminals 5 sind wiederum in einem Rahmen 6 gelagert und bilden zusammen mit dem Rahmen 6 eine Deckfläche und eine Grundfläche des Gehäuses. Der jeweilige Rahmen 6 ist mit den Seitenwänden 2a, 2b mittels einer Klebeverbindung 7 dichtend verbunden und die Zellterminals 5 sind mit dem jeweiligen Rahmen 6 dichtend verbunden, beispielsweise verklebt. Der Rahmen 6 als solcher besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie beispielsweise Kunststoff. Die Zellterminals 5 bestehen vorliegend aus Aluminium. Die Zellterminals 5 bilden zusammen mit dem jeweiligen Rahmen 6 einen Deckel und einen Boden des Gehäuses und verschließen die gegenüberliegenden Öffnungen des durch die Seitenwände 2a, 2b gebildeten Hohlprofils.
Die 2 zeigt eine Innenansicht der Batteriezelle 1 in einer schematischen Darstellung. Die Batteriezelle 1 weist eine Elektrodenschichtanordnung auf, wobei die Elektrodenschichtanordnung mehrere Anodenschichten 8 und mehrere Kathodenschichten 9 aufweist, wobei die Anodenschichten 8 und die Kathodenschichten 9 in Stapelrichtung X gestapelt angeordnet und durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Anodenschichten 8 sind mit einem der beiden Zellterminals 5 verbunden und die Kathodenschichten 9 sind mit dem anderen der beiden Zellterminals 5 verbunden. Wie der 2 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Seitenwände 2a vorliegend parallel zu den Elektrodenschichten 8, 9 und die Seitenwände 2b erstrecken sich orthogonal zu den Elektrodenschichten 8, 9.
Bezugszeichenliste

1: Batteriezelle
2: Seitenwand
3: Entgasungsöffnung Kathodenschicht
4: Folie
5: Zellterminal
6: Rahmen
7: Klebeverbindung
8: Anodenschicht
9: Kathodenschicht

Claims

Batteriezelle (1), wobei die Batteriezelle (1) eine Elektrodenschichtanordnung aufweist, wobei die Elektrodenschichtanordnung mehrere Anodenschichten (8) und mehrere Kathodenschichten (9) aufweist, wobei die Anodenschichten (8) und die Kathodenschichten (9) gestapelt angeordnet und durch einen Separator voneinander getrennt sind, wobei die Batteriezelle (1) ein prismatisches Batteriezellengehäuse aufweist, wobei das Batteriezellengehäuse mehrere Seitenwände (2a, 2b) aufweist, wobei diese Seitenwände (2a, 2b) eine Mantelfläche des Batteriezellengehäuses bilden, wobei die die Mantelfläche bildenden Seitenwände (2a, 2b) aus Stahl oder einer Stahllegierung gebildet sind, wobei die Anodenschichten (8) und/oder die Kathodenschichten (9) mit jeweils einem Zellterminal (5) verbunden sind, wobei das jeweilige Zellterminal (5) in einer weiteren Seitenwand des Batteriezellengehäuse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese weitere Seitenwand von den die Mantelfläche bildenden Seitenwänden (2a, 2b) elektrisch isoliert ist wobei zumindest eine der die Mantelfläche bildenden Seitenwände (2a, 2b) des Batteriezellengehäuses zumindest eine Entgasungsöffnung (3) aufweist, wobei die Seitenwände (2a, 2b) durch ein oder mehrere vorgebogene Blechbiegeteile gebildet sind, die an Stoßstellen miteinander verschweißt sind, wobei die Seitenwände (2a, 2b) eine Materialstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweisen, wobei ein Anteil der Entgasungsöffnung (3) an der gesamten Seitenfläche der Seitenwand (2a, 2b), in der sie ausgebildet ist, zwischen 0,1 und 0,25 beträgt, wobei die Entgasungsöffnung (3) rechteckförmig ausgebildet ist, wobei die Ecken der Entgasungsöffnung (3) abgerundet sind.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1, wobei die Seitenwände (2a, 2b) eine Mantelfläche des Batteriezellengehäuses in Form eines Hohlprofils mit rechteckigem Querschnitt bilden, wobei die Zellterminals (5) an gegenüberliegenden Seiten der Batteriezelle (1) ausgebildet sind, wobei die Terminals (5) in einem Rahmen (6) gelagert sind und wobei die Zellterminals (5) zusammen mit dem jeweiligen Rahmen (6) einen Deckel und einen Boden des Batteriezellgehäuses bilden und die gegenüberliegenden Öffnungen des durch die Seitenwände (2a, 2b) gebildeten Hohlprofils verschließen.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entgasungsöffnung (3) dadurch gebildet ist, dass die Seitenwand (2a, 2b) eine die Seitenwand (2a, 2b) durchsetzende Öffnung aufweist, wobei diese Öffnung mit einer Folie (4) verschlossen ist, wobei diese Folie (4) aus einem anderen Material als die Seitenwand (2a, 2b) besteht.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 3, wobei die Folie (4) aus einem Kunststoff und/oder Aluminium besteht.
Batteriezelle (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Folie (4) an einer Innenseite der Seitenwand (2a, 2b) angebracht ist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Seitenwände (2a, 2b) aus Edelstahl oder einer Edelstahllegierung bestehen.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Batteriezelle (1) eine Hocherstreckung von 90 mm bis 120 mm, eine Längserstreckung von 230 mm bis 300 mm und eine Dicke von 20 mm bis 35 mm aufweist, wobei die Entgasungsöffnung eine Fläche von 400 mm² bis 2000 mm² aufweist.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei der Batteriezelle (1) um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle handelt.
Batteriezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zellterminal (5) aus Aluminium besteht.