DE102022115583A1

DE102022115583A1 - Sicherheits-Batteriesystem mit kontrollierter Entgasungsfunktion

Info

Publication number: DE102022115583A1
Application number: DE102022115583.8A
Authority: DE
Inventors: Branislav Zlatkov; Marc Rüggeberg; Piotr Wrzuszczak
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-06-22
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2023247530A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheits-Batteriesystem (10) zur kontrollierten, aktiven Entgasung.Das Sicherheits-Batteriesystem (10) zur kontrollierten Entgasung bei Alterung, Leckage oder Unfall weist ein Sorptionselement (15) zur Aufnahme der bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen sowie einen Sensor oder Indikator (26) zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements (15) auf. Beschrieben wird darüber hinaus die Verwendung eines Sensors oder Indikators (26) zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen (15) in Batteriesystemen (10) und schließlich die Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems (10) in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln, Haushaltsgeräten oder elektrochemischen Großspeicheranlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheits-Batteriesystem zur kontrollierten und aktiven Entgasung. Die Sicherheit von Batterien bei Laden, Entladen, Alterung, Leckage, thermische Beanspruchung, mechanische Beschädigung oder bei einem Unfall spielt in vielen Bereichen eine große Rolle, beispielsweise auch im Verkehr.
Mit der Weiterentwicklung der Elektromobilität sind die Anforderungen an automotive Batterien wesentlich höher geworden. Anhand der Verbesserung der Zellchemie konnte die Zell-Performance hinsichtlich Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lifetime in den letzten zehn Jahre deutlich erhöht werden. Eine der größten Herausforderungen ist die Zellsicherheit so zu verbessern, dass im Fall eines unerwünschten Ereignisses kein großer Schaden entstehen würde beziehungsweise keine Gefahr für Passagier und Umwelt besteht. Es werden unterschiedliche Maßnahmen gesucht, die dazu beitragen, eine Kettenreaktion und die thermische Propagierung zu verhindern und damit Sicherheit und Robustheit garantieren.
Denn es ist allgemein bekannt, dass es in einer Zelle in einem Batteriesystem zu einem thermischen Durchbrennen kommen kann. Daraus kann eine Kettenreaktion entstehen und sich weitere Zellen entzünden. Damit kann das gesamte Batteriesystem eines Fahrzeugs oder eines Fortbewegungsmittels oder eine statische Speicherausführung in Mitleidenschaft gezogen werden. Die hierbei entstehenden Gase können Ursache schwerer Brände sein. Als problematisch erweist sich dabei, dass sich das aus den einzelnen Zellgehäusen austretende Gas zunächst innerhalb des Batteriesystems ausbreitet und über dieses sich ausbreitende Gas thermische Energie auf weitere Zellen übertragen wird.
Auch mit langsam fortschreitender Gasbildung steigt der Druck in der Zelle, was eine Anschwellung (Swelling) zur Folge hat, die bis zu einer plastischen Deformation einer Zelle führen kann. Weiterhin kann sich diese Batteriezelle öffnen, wodurch im Batteriemodul beziehungsweise Batteriesystem Gase, Dämpfe beziehungsweise Elektrolyt austreten und dabei unterschiedliche Schäden auslösen können.
DE 10 2019 214 755 A1 schlägt eine Kühlung der Batteriezellen mittels Kühlkreislauf vor. Eine Trocknungseinrichtung, beispielsweise mit Kieselgel, Silikagel oder Zeolith, sorgt dafür, dass bei einem Druckausgleich von innen keine oder weniger Feuchtigkeit in das Batteriegehäuse dringen kann. Auch in der anderen Richtung wird ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Batteriezellen verhindert.
US 2013/0059175 A1 offenbart eine Batterie mit Entgasungssystem mit einer nach unten gerichteten Entgasungsöffnung, welche in einen Sammelbereich für entstehende Abbausubstanzen führt. Der Sammelbereich hat eine Ausformung zur Entfernung der Abbausubstanzen. Im Falle einer verlangsamten Leckage aus der Zelle werden die Gase allerdings im System bleiben und sich im Sammelbereich ansammeln, so dass das Risiko einer explosiven Reaktion nicht verringert wird.
DE 10 157 272 C2 beschreibt Batterien mit einem nicht-brennbaren Sorptionsmittel für die Adsowie die Absorption, beispielsweise von organischen Lösungsmitteln. Das Sorptionsmittel befindet sich in einem Bereich, der mit den Batterieeinzelzellen in Verbindung steht. Es kann als Granulat oder Pulver oder auch als Formteil verwendet werden. Auch Mittel zur Erhöhung der mechanischen Stabilität wie Netze oder Vliese aus beispielsweise Glasfaser oder PTFE-Fibriden wurden beschrieben.
DE 10 2014 211 043 A1 offenbart eine Lithium-Zelle mit Folienverpackung in einem Hartschalen-Zellgehäuse und einem Fluorabsorber. Der Fluorabsorber ist in der Folienverpackung und/oder dem Hartschalen-Zellgehäuse angeordnet, wodurch Fluorwasserstoff (HF), Fluoridionen und andere fluorhaltige Zersetzungschemikalien nah beziehungsweise direkt am Entstehungsort neutralisiert beziehungsweise gebunden werden können. Eine HF-Entwicklung wird damit ebenfalls direkt am Entstehungsort, insbesondere innerhalb des Hartschalen-Zellgehäuses, eingedämmt. Die Folienverpackung kann metallfrei und dehnbar ausgeführt sein, sodass ein Eindringen von HF in das Hartschalen-Zellgehäuse verzögert werden kann, ohne dass es einer Entgasungsöffnung bedarf. Das Hartschalen-Zellgehäuse kann aber auch eine Entgasungsöffnung, beispielsweise eine Sicherheitsberstmembran, aufweisen.
DE 10 2008 025 422 A1 beschreibt eine Energiespeicherzelle mit Sicherheitsberstmembran und einem direkt daran angrenzend befestigten Absorber. Dieser kann eine saugfähige Masse am Austrittsort des Elektrolyten sein, beispielsweise in Form getrockneter Tabletten oder eines Pulvers. Beim Zerbersten der Sicherheitsberstmembran wird so der austretende Elektrolyt unmittelbar durch den Absorber aufgesaugt.
Auch DE 10 2011 087 198 A1 beschreibt eine Batteriezelle mit geschlossenem Entgasungssystem, mit einem Absorptionsmittel sowie Druckventil oder eine Ausführung mit volumenveränderlichem Gasaufnahmeraum, um die Druckerhöhung bei Gasbildung auszugleichen.
Eine Überwachung der Druckentlastung in einem umschlossenen, zellenartigen Hohlraum mittels eines Sensors, beispielsweise bei Öffnung einer Deckeleinheit durch Drucküberschreitung, wird beschrieben in DE 20 2019 106 891 U1 .
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bestehende Batteriesysteme beziehungsweise Batteriemodule zu verbessern, insbesondere in Bezug auf die Sicherheit. Die austretenden Gase oder darin enthaltene chemisch reaktive Verbindungen, wie H₂, CH₄, C₂H₂ und so weiter. oder auch gasförmiger Elektrolytkomponenten, sollen aktiv gesammelt und danach entfernt werden. Die Veränderungen sollen die breite und sichere Einsetzbarkeit der Batteriesysteme für verschiedenste Anwendungen ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Sicherheits-Batteriesystem mit kontrollierter Entgasungsfunktion bei Zuständen einer möglichen Fehlfunktion wie zum Beispiel: Laden, Entladen, Alterung, Leckage bei einer thermischen- oder/und elektrischen- oder/und mechanischen Beanspruchung oder Unfall, umfassend mindestens eine Batteriezelle mit einer Entlüftungsmembran, und ein Sorptionselement zur Aufnahme der bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (bevorzugt) oder ein Indikator zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements umfasst ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Sensors beziehungsweise Indikators zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen in Batteriesystemen, insbesondere auch von Sorptionselementen in dem erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystem.
Des Weiteren ist der Gegenstand der Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln und Haushaltsgeräten und in elektrochemischen Großspeicheranlagen.
Der Begriff „Entgasung“ soll im Sinne der Erfindung auch umfassen, dass Gase, Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsdämpfe austreten. Bei Laden, Entladen, Alterung, Leckage bei einer thermischen- oder/und elektrischen- oder/und mechanischen Beanspruchung oder Unfall treten im häufigsten Fall allerdings gasförmige Verbindungen aus.
Es ist auch umfasst, dass eine Batteriezelle eine oder mehrere Entlüftungsmembranen haben kann. Die Entlüftungsmembranen kommen mit oder ohne Berstmembran aus, das heißt es kann eine ständige Entlüftung stattfinden. Die Position der Entlüftungsmembran ist beliebig. Um zu verdeutlichen: die Entlüftungsmembrane beinhalten eine oder mehrere Öffnungen, die mittels einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist.
Falls notwendig, ist die Entlüftungsmembran so ausgebildet, dass eine Berstfunktion zur Verfügung gestellt wird.
Mit Hilfe des Sorptionselements werden gefährliche Gase oder Stoffe (beispielsweise CO₂, H₂, CO, CH₄ etc. auch Feuchte oder Elektrolytdämpfe, aber auch flüssige austretende Bestandteile) gebunden und können sich nicht mehr unkontrolliert in dem Batteriesystem ausbreiten. Im Falle eines schädigenden Ereignisses kann durch Sorptionselemente das Schadensausmaß deutlich verringert oder sogar neutralisiert werden, wenn ein Sorptionselement die Gase hoher Temperatur oder hoher Reaktivität oder auch Elektrolytanteile dauerhaft aufnimmt. Ein Folgeschaden durch beispielsweise Entzündung der Gase und Propagierung im Falle eines Thermal Runaways durch das ganze Batteriesystem, welches zahlreiche Batteriezellen aufweisen kann, kann so verhindert werden beziehungsweise das Ausmaß minimiert werden.
Es gelingt mit der Erfindung auch, zu verhindern, dass eine langsame Leckage das Sorptionselement sättigt und diese Sättigung unerkannt bleibt. Denn die Erfindung ermöglicht mittels des erfindungsgemäßen Sensors beziehungsweise Indikators zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements eine Detektion des Sättigungszustands. Bei unerkannter Sättigung würde das Sorptionselement sonst wirkungslos und weitere Mengen des Gases würden sich im Batteriesystem verbreiten können beziehungsweise bei einem schwereren Unfall wäre eine kontrollierte Aufnahme durch das Sorptionselement nicht mehr möglich.
Um diese Gefahr zu umgehen, ist im Stand der Technik ein Wechsel des Sorptionselements in vorbestimmten, regelmäßigen Zeitintervallen oder eine Sättigung, je nachdem was früher auftritt, erforderlich. Einmal zur Inspektion ausgebaute Sorptionselemente können häufig nicht mehr verwendet werden. Dieser vorausschauende Wechsel wird durch die Erfindung obsolet und es müssen keine intakten Sorptionselemente mehr entsorgt werden. Vorteil ist somit, dass sich die Betriebskosten von Batteriesystemen, auch aufgrund der eingesparten Arbeitszeit, nennenswert verringern. Auch aus ökologischer Sicht ist es vorteilhaft, dass noch intakte Sorptionselemente nicht im Rahmen solch eines vorausschauenden Wechsels entsorgt werden müssen.
Mit Hilfe dieser Erfindung werden Gase wie zum Beispiel CO₂, CO, CH₄, C₂H₆, HF oder Elektrolytsalze, wie Lithiumhexafluorophosphat aus dem Elektrolyten, Dämpfe der Elektrolytbestandteile (wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Ethylpropionat), Säuren und andere gefährliche Medien durch das Sorptionselement aufgenommen.
Bei dem im Sorptionselement enthaltenen Material handelt sich um ein nicht reaktives Material, das aus unterschiedlichen Elementen und Zusammensetzungen bestehen kann und in unterschiedlicher Form eingebracht werden kann. In Frage kommen beispielsweise Granulat, Pellets, Pulver, ein Grünling, ein Pressling, Folie oder Membrane. Wichtig ist eine Kontaktherstellung mit möglichst großer Oberfläche zwischen dem Material des Sorptionselements und den vorbeiströmenden Stoffen. Die Form kann dabei beispielsweise rechteckig, kreisrund, oval, quadratisch, trapezförmig oder polygonförmig sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Entlüftungsmembran eine Entlüftungsöffnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein Widerstandssensor, ein optischer Sensor oder ein Gewichtssensor. Es ist dabei auch umfasst, dass im Falle mehrerer Sensoren, diese unterschiedliche Messmethoden verfolgen. Vorteil dieser Methoden ist eine gute und zuverlässige Eignung zur Anzeige der Sättigung des Sorptionselements. Bei einem Widerstandssensor wird der veränderte Widerstand des Sorptionselements bei Sättigung erfasst, bei einem optischen Sensor die Änderung der Extinktion beziehungsweise Lichtdurchlässigkeit und bei einem Gewichtssensor die Änderung des Gewichts des Sorptionselements. Die sensorische oder indikatorische Funktion kann auch auf weiteren physikalischen Prinzipien basieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensor beziehungsweise Indikator mit einer Batteriemanagement-Steuereinheit verbunden, die die Sättigung des Sorptionselements basierend auf den vom Sensor erfassten Daten ermitteln und ausgeben kann. Vorteilhaft kann so bei Überschreitung eines Sättigungsgrenzwerts durch den ermittelten Wert ein notwendiger Austausch des Sorptionselements angezeigt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sorptionselement ein nicht-hydrophiles Sorptionselement ist. Das bedeutet, das Material des Sorptionselements, das für die Absorption beziehungsweise Adsorption zuständig ist, ist nicht-hydrophil. Vorteil ist, dass es besonders gut geeignet ist für die Aufnahme solcher Verbindungen, die am häufigsten aus Batteriezellen austreten, wie beispielsweise H₂, CH₄, C₂H₆ oder organische Lösungsmittel. Besonders bevorzugt dient die Erfindung der kontrollierten Ad- beziehungsweise Absorption von gasförmigen Stoffen. In einer weiteren sekundären Ausführung weist das Sorptionselement eine Hybridzusammensetzung auf. Dabei können die die Anteile, die in der Materialmatrix sind, auch Feuchte aufnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entlüftungsmembran an der Oberseite der Batteriezelle angeordnet. Das entspricht einer Anordnung derart, dass die Entgasungsrichtung im Betrieb des Sicherheits-Batteriesystems bei dessen Anwendung (beispielsweise im PKW) nach oben weist.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems ist an der Entlüftungsmembran ein Schutzraum zum Schutz vor eintretenden Verunreinigungen (wie beispielsweise Spritzwasser) in die Batteriezelle vorgesehen. Beispielsweise eine Batteriewanne bildet den Schutzraum. Vorteil ist, dass der Schutz der Batteriezellen vergrößert wird. Es wird mit dieser Ausführungsform aber auch möglich, die Entfernung von Sorptionselement und Batteriezell-Innerem zu vergrößern und so eine Abkühlung der austretenden Verbindungen zu ermöglichen, bevor sie vom Sorptionselement gebunden werden.
So ist weiter bevorzugt bei dieser Variante das Sorptionselement innerhalb des Schutzraums an dessen Ausgang (in Entgasungsrichtung betrachtet) angebracht. Vorteilhaft ist dabei der Abstand zwischen Batteriezell-Innerem und Sorptionselement maximal groß und die bei der Entgasung austretenden Verbindungen können so vor dem Binden im Sorptionselement größtmöglich abkühlen. Vorteil ist, dass dadurch das Sorptionselement geschont wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführung dieser oben genannten Variante hat der Schutzraum die Form eines Kanals und das Sorptionselement füllt den Kanal über den gesamten Querschnitt in Entlüftungsströmungsrichtung aus. Dies ist für eine kontrollierte Entgasung sehr nützlich, denn es kommt zu weniger Durchmischung der austretenden Verbindungen, beispielsweise als Gase. Es ist nämlich von Vorteil, die bei einem Batterieunfall häufig entstehenden verschiedenen Gase möglichst wenig miteinander zu vermischen, um Reaktionen zwischen ihnen zu verhindern.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführung dieser oben genannten Variante mit Schutzraum ist eine Matte von außen an der Entlüftungsmembran (das heißt zwischen Batteriezellgehäuse und Bodenöffnung des Schutzraumes) vorgesehen und das Sorptionselement ist in der Matte integriert. Vorteilhaft findet bei der Matte mit integriertem Sorptionselement gleichzeitig eine Abdichtung zwischen Batteriezellgehäuse und Schutzraum (beispielsweise als Batteriewanne ausgestaltet) statt. Schematisch ist dies auch in 4 erkennbar. Es ist leicht, das Sorptionselement, welches in der Matte integriert ist, auszutauschen. Dabei findet folglich gleichzeitig ein Tausch der Dichtung statt, was einer langen, sicheren Funktionsdauer von Batteriesystem zuträglich ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystem sind mindestens zwei Sorptionselemente umfasst, die sich an unterschiedlichen Positionen zwischen Gruppen von Batteriezellen befinden. Solch eine Ausführung ist in 3 gezeigt. Vorteil dabei ist, dass nicht pro Batteriezelle ein Sorptionselement nötig ist, dass aber die Aufnahme der bei Entgasung entstehenden Verbindungen trotzdem ausreichend ist. Es werden Sorptionselemente eingespart. Sie können entsprechend verteilt platziert werden. Vorteilhaft ist sogar möglich, die Platzierung an Stellen zu wählen, an denen die Wahrscheinlichkeit einer Leckage am größten ist, beispielsweise durch Aufprall oder durch eine Hitzeeinwirkung etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Sorptionselement eine Form, ausgewählt aus Quaderform, Rechteckform und Zylinderform, und das Sorptionselement befindet sich in einem netzartigen Träger. Vorteil ist dabei, dass das Sorptionselement Halt erhält, das heißt ortsfest ist, ohne dass seine Oberfläche unnötig verdeckt und der Adbeziehungsweise Absorption entzogen wird. Denn die aufnehmbare Menge an Verbindung(en) ist dadurch größer, als wenn Teile des Sorptionselements verdeckt würden.
In einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung hat das Sorptionselement eine flache Form und ist auf einer Membran (als netzartigem Träger) aufgebracht. Vorteilhaft kann damit ein durchströmter Querschnitt mit gleichverteiltem (weil gleich dickem) Sorptionselement so versehen werden, dass auch bei größerem Druck der entstehenden Verbindungen, das heißt großen Mengen, das Sorptionselement standhält und seine Form nicht verliert und auch nicht bricht, da es von der (in Strömungsrichtung) bevorzugt dahinter liegenden Membran gestützt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem im Sorptionselement enthaltenen Material um ein Material ausgewählt aus:

- physikalischen Adsorbentien, wie zum Beispiel: Zeolithe, Silika Materialien, MOF (metal organic framework), Aktivkohle, COF (Covalent organic framework), Kohlenstoffmolekularsiebe, Materialien auf Basis von Alkalimetallen/Metalloxiden, geordneter poröser Kohlenstoff, ACF (activated carbon fibres), Graphen, CMS (carbon molucular sieve) und deren Verbundwerkstoffe,
- chemische Adsorptionsmittel, wie Verbundadsorptionsmittel, hergestellt durch Imprägnierung mit K₂CO₃, binärem eutektischem Gemisch (KNO₃ und LiNO₃), NaNO₃, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, MnO₂, ZnO, ionische Flüssigkeit (IL), und wässriges Amin (das heißt, Tetraethylenpentamin (TEPA), Poly(allylamin) (PAA), Poly(ethylenimin) (PEI), Ethylendiamin (EDA), Diethylentriamin (DETA), Pentaethylenhexamin (PEHA), Aminopropyl (AP), Monoethanolamin (MEA), Lysin, Glycin, Prolin, Alanin, Arginin, Triethylentetramin (TETA) und 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP) etc.) in einer Träger-Adsorptionsmittel-Matrix.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Batteriesystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht;
2 ein Batteriesystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
3 ein Batteriesystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
4 ein Batteriesystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht;
5a-d zweidimensionale Ansichten unterschiedliche Formen eines erfindungsgemäßen Sorptionselements;
6 und 6a ein Batteriesystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei unterschiedlichen Schnittansichten; und
7 eine Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Es ist zweckdienlich die genannten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.
1 dient der Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Batteriesystems 10 mit zwei Batteriezellen 11, die unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, wobei der Blick jeweils auf eine Polseite des Zellgehäuses 12 gerichtet ist. In der Darstellung lässt sich erkennen, dass jede Batteriezelle 11 eine Entlüftungsmembrane 13 hat, die in diesem Fall nach unten gerichtet sind, sodass sich die Gase, Dämpfe, Medien etc. in den Schutzraum 14 (Unterfahrschutzraum) ausbreiten können und danach zum Sorptionselement 15 (hier als Adsorbereinheit) gelangen, wo sie adsorbiert werden können. Das Sorptionselement 15 kann beliebig auf eine Position gebracht werden. In der Ausführungsform der 1 ist das Sorptionselement 15 Bestandteil des Ausgangs des Schutzraums 16 (das heißt der Hauptentlüftung) des Batteriesystems. Eine Matte 18 ist zwischen Zellgehäuse 12 beziehungsweise deren Entlüftungsmembranen 13 und der Bodenöffnung 19 an der Batteriewanne 20 abgebildet.
2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein komplettes Modul, das aus mehreren Gruppen von Batteriesystemen 21 zusammengebaut ist. Die Gruppen 21 bestehen aus jeweils zwölf Batteriezellen 11. In der Summe sind es 192 Batteriezellen, die in der Batteriewanne 20 verbaut sind. Die Entlüftungsmembranen 13 von Batteriezellen sind nach unten ausgerichtet, wie in 1 dargestellt. Auf der Seite des Batteriesystem 10 (siehe Pfeil) befindet sich als Ausgang des Schutzraums die Hauptentlüftung 16, die in dem Unterfahrschutzraum als Schutzraum 14 eine oder mehrere Sorptionselemente 15 beinhaltet. Der Schutzraum 14 kann konstruktiv unterschiedlich abgebildet werden und auf mehrere Gruppen verteilt werden. Dadurch kann das Sorptionselement 15 auf nicht nur eine zentrale Stelle, sondern auch auf beliebige Stellen eingebracht werden. Das Sorptionselement 15 besteht aus einer Materialmatrix, die, wenn das darin enthaltene Sorbentmaterial bei der Ad- oder Absorption in die Sättigung kommt, beispielsweise eine entsprechende Innenwiderstandveränderung anzeigt. Dabei wird ein Signal über eine Zuleitung (zwischen Sorptionselement und Batteriemanagement-Steuereinheit) 22 an die BMS (Batteriemanagement-Steuereinheit) weitergeleitet, welche anzeigt, dass die Sorptionselemente 15 gesättigt und auszutauschen sind.
Materialmatrix des Sorptionselements: hier handelt es sich um komplexe Materialmischungen, die von der Art der Zellenchemie (NMC, LFP etc.), Anwendung, Konstruktion etc. abhängig sind. Es ist davon auszugehen, dass sehr viele folgende Materialkombinationen (aus der Literatur bekannt) möglich sind:

- physikalische Adsorbentien, wie zum Beispiel: Zeolithe, Silika Materialien, MOF (metal organic framework), Aktivkohle, COF (Covalent organic framework) beziehungsweise Kohlenstoffmolekularsiebe, Materialien auf Basis von Alkalimetallen/Metalloxiden, geordneter poröser Kohlenstoff, ACF (activated carbon fibres), Graphen, CMS (carbon molucular sieve) und deren Verbundwerkstoffe etc.
- chemische Adsorptionsmittel: Verbundadsorptionsmittel, hergestellt durch Imprägnierung mit K2CO3, binärem eutektischem Gemisch (KNO3 und LiNO3), NaNO3, Al2O3, ZrO2, TiO2, MnO2, ZnO, ionische Flüssigkeit (IL), und wässriges Amin (das heißt., Tetraethylenpentamin (TEPA), Poly(allylamin) (PAA), Poly(ethylenimin) (PEI), Ethylendiamin (EDA), Diethylentriamin (DETA), Pentaethylenhexamin (PEHA), Aminopropyl (AP), Monoethanolamin (MEA), Lysin, Glycin, Prolin, Alanin, Arginin, Triethylentetramin (TETA) und 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP) etc.) in die Träger-Adsorptionsmittel-Matrix etc.

Die Materialmatrix kann aus unterschiedlichen Bestandteilen beliebig kombiniert werden, das quasi ein Adsorber Compund darstellt.
3 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung für den Fall, dass eine Leckage an einer beliebigen Zellenstelle entsteht und dass sich die Gase, Dämpfe etc. aus der Zelle im Batteriesystem zwischen der Batteriezelle 11 unkontrolliert ausbreiten und nicht den Weg nach unten in den Schutzraum 14 finden können. Dabei werden sie direkt nach außen abgeführt. Das heißt konstruktiv am Boden der Batteriewanne 20 sind keine Bodenöffnungen 19 vorhanden. Vielmehr ist dort der Schutzraum als Kanal 23 ausgebildet, wie in der 4 abgebildet. Der Kanalboden 24 stellt in diesem Fall eine Barriere dar und ermöglicht dadurch, dass die gefährlichen Gase, Dämpfe etc. dort bleiben und keinen unerwünschten Schaden im Fahrzeug oder bei Insassen oder auch der Umgebung verursachen können. In dieser Ausführungsform ist das Sorptionselement 15 an unterschiedlichen Positionen 15.1 zwischen Gruppen von Batteriezellen 21 eingebaut. Die Größe und Form der Sorptionselemente 15.1 kann beliebig ausgewählt werden. Sie bestehen aus den gleichen Materialien, wie in Ausführungsbeispiel 2.
5 zeigt unterschiedliche Formen (2D-Darstellung) des Sorptionselements 15, das mit einem Sorptionsmaterial/Sorptionsmittel (Pellets und/oder Pulver und/oder Granulate etc.) gefüllt ist. Das Sorptionselement kann aufweisen: Quaderform 15a, Rechteckform 15b, Zylinderform 15c oder eine Membranform 15.d. Bei Quader-, Rechteck- und Zylinderform ist das Sorptionsmaterial des Sorptionselements in einem netzartigen Träger 15.5 als Trägertasche (Container) enthalten, der aus einem durchlässigen Netz besteht. Bei der Ausführung d) in 5 handelt es sich um ein Sorptionselement 15 mit flacher Form, das auf einer Membran als netzartigen Träger 15.5 angebracht (beschichtet) ist. Wir gehen davon aus, dass weitere Designformen möglich sind.
6 und 6a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Sorptionselement 15 in der Matte 18 so integriert ist, dass es an den Entlüftungsmembranen 13 von der jeweiligen Zelle 11 der Gruppe von Batteriezellen 19 abgestimmt ist.
6 zeigt dabei die Ebene der Matte, unterhalb der Gruppen von Batteriezellen.
6a zeigt eine Ebene weiter oben die Unterseite der Gruppen von Batteriezellen mit den Entlüftungsmembranen 13. 6a visualisiert dabei schematisch, wie die Schnittstelle von Batteriezellgruppe 21 und deren Batteriezellen 11 zur Matte 18 aussieht. Die integrierten Sorptionselemente 15 haben in der gezeigten Ausführungsform eine rechteckige Grundform. Es kann jedoch alternativ auch eine beliebige andere Form aufweisen, insbesondere eine kreisrunde, ovale, quadratische, trapezförmige, polygonförmige oder sonstige Grundform.
7 zeigt schematisch einen Sensor oder einen Indikator 26, der in Verbindung mit dem Sorptionselement 15 steht und der dem Batteriemanagementsystem 25 die Sättigung des Sorptionselements 15 anzeigen und einen notwendigen Austausch signalisieren kann.
Bezugszeichenliste

10: Sicherheits-Batteriesystem
11: Batteriezelle
12: Batteriezellgehäuse
13: Entlüftungsmembran
14: Schutzraum
15: Sorptionselement
15.1: Sorptionselement an unterschiedlichen Positionen
15.5: Netzartiger Träger
15a: Quaderform
15b: Rechteckform
15c: Zylinderform
15d: Membranform
16: Ausgang des Schutzraums (Hauptentlüftung)
18: Matte
19: Bodenöffnung der Batteriewanne
20: Batteriewanne (besondere Ausführung des Schutzraums)
21: Gruppen von Batteriesystemen
22: Zuleitung zwischen Sorptionselement und Batteriemanagement-Steuereinheit
23: Schutzraum als Kanal ausgebildet
24: Kanalboden
25: Batteriemanagement-Steuereinheit
26: Sensor beziehungsweise Indikator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019214755 A1 [0005]
US 2013/0059175 A1 [0006]
DE 10157272 C2 [0007]
DE 102014211043 A1 [0008]
DE 102008025422 A1 [0009]
DE 102011087198 A1 [0010]
DE 202019106891 U1 [0011]

Claims

Sicherheits-Batteriesystem (10) mit kontrollierter Entgasungsfunktion bei Alterung, Leckage oder Unfall, umfassend • mindestens eine Batteriezelle (11) mit einer Entlüftungsmembran (13), • ein Sorptionselement (15) zur Aufnahme von bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen, und • einen Sensor oder einen Indikator (26) zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements (15).
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ein Widerstandssensor, ein optischer Sensor, ein Gewichtssensor ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) ein nicht-hydrophiles Sorptionselement ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsmembran (13) an der Oberseite der Batteriezelle (11) angeordnet ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Entlüftungsmembran (13) ein Schutzraum (14) zum Schutz vor eintretenden Verunreinigungen in die Batteriezelle (11) vorgesehen ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) innerhalb des Schutzraums (14) an dessen Ausgang (16) angebracht ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzraum (14) die Form eines Kanals (23) hat und das Sorptionselement (15) den Kanal über den gesamten Querschnitt in Entlüftungsströmungsrichtung ausfüllt.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matte (18) von außen an der Entlüftungsmembran (13) der Batteriezelle zwischen Batteriezelle (11) und Schutzraum (14) vorgesehen ist und dass das Sorptionselement (15) in der Matte (18) integriert ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sorptionselemente (15) umfasst sind, die sich an unterschiedlichen Positionen (15.1) zwischen Gruppen von Batteriezellen (21) befinden.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) eine Form hat, ausgewählt aus Quaderform, Rechteckform und Zylinderform, und dass sich das Sorptionselement (15) in einem, beispielsweise netzartigen, Träger (15.5) befindet.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) eine flache Form hat und auf einer Membran als netzartigem Träger (15.5) aufgebracht ist.
Sicherheits-Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Indikator (26) mit einer Batteriemanagement-Steuereinheit (25) verbunden ist, die die Sättigung des Sorptionselements (15) ermitteln und ausgeben kann.
Verwendung eines Sensors oder eines Indikators (26) zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen (15) in einem Batteriesystem (10).
Verwendung eines Sicherheits-Batteriesystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln, Haushaltsgeräten oder elektrochemischen Großspeicheranlagen.