DE102022124804A1 - Cell housing of a battery cell with a stabilized cell vent - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellgehäuse (11) für eine Batteriezelle (10), insbesondere prismatischen Typs, mit einem stabilisiertem Zellvent (13). Das erfindungsgemäße Zellgehäuse (11) für eine Batteriezelle (10) mit im Zellgehäuse (11) angeordneten Zellschichten (14) aus wenigstens einer Anode, wenigstens einer Kathode und einem Elektrolyt weist wenigstens ein Zellvent (13) auf, welches dazu ausgebildet ist, einen im Zellgehäuse (11) herrschenden Überdruck aus dem Zellgehäuse (11) abzuleiten. Das Zellvent (13) weist dabei erfindungsgemäß wenigstens zwei Entgasungsöffnungen (131) auf, durch welche der Überdruck abgeleitet wird. Die Entgasungsöffnungen (131) sind dabei durch wenigstens einen Steg (132) getrennt, wobei dieser das Zellgehäuse (11) zwischen zwei Seiten des Zellvents (13) verbindet.The present invention relates to a cell housing (11) for a battery cell (10), in particular of the prismatic type, with a stabilized cell vent (13). The cell housing (11) according to the invention for a battery cell (10) with cell layers (14) arranged in the cell housing (11) consisting of at least one anode, at least one cathode and an electrolyte has at least one cell vent (13), which is designed to have an im Cell housing (11) to divert excess pressure from the cell housing (11). According to the invention, the cell vent (13) has at least two degassing openings (131) through which the excess pressure is discharged. The degassing openings (131) are separated by at least one web (132), which connects the cell housing (11) between two sides of the cell vent (13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellgehäuse für eine Batteriezelle, insbesondere prismatischen Typs, mit einem stabilisiertem Zellvent, sowie eine Batteriezelle mit dem erfindungsgemäßen Zellgehäuse und ein Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batteriezelle.The present invention relates to a cell housing for a battery cell, in particular of the prismatic type, with a stabilized cell vent, as well as a battery cell with the cell housing according to the invention and a vehicle with the battery cell according to the invention.
Durch ein „thermisches Event“ wie beispielsweise einem Kurzschluss oder einer Tiefenentladung, kann eine hohe Wärmeenergie zu einem Zeitpunkt freigesetzt werden, wobei ein Teil der in der Batteriezelle befindlichen Elektrolytflüssigkeit verdampft. Das hierdurch entstehende Gas erzeugt einen Überdruck und ist zudem leicht entflammbar. Überschreitet die Temperatur in der Zelle den Flammpunkt des Gases, besteht die Gefahr, dass sich dieses entzündet, wodurch es zu einem schlagartigen Druckanstieg innerhalb der Zelle und zur Gefahr eines Brands kommen kann. Daher ist es wichtig, dass in der Zelle herrschender Überdruck direkt kontrolliert, abgeleitet werden kann.A “thermal event” such as a short circuit or deep discharge can release a large amount of heat energy at a time, causing part of the electrolyte liquid in the battery cell to evaporate. The resulting gas creates excess pressure and is also highly flammable. If the temperature in the cell exceeds the flash point of the gas, there is a risk that it will ignite, which can lead to a sudden increase in pressure within the cell and the risk of a fire. It is therefore important that excess pressure in the cell can be directly controlled and drained away.
Dafür sind bestimmte geschwächte Bereiche im Zellgehäuse der Batteriezelle, im Rahmen dieser Anmeldung als Zellvents bezeichnet, vorgesehen, um einen Überdruck im Zellinneren gezielt abzuleiten und somit die Gefahr eines Brands oder einer Kettenreaktion der Batteriezellen, einem sogenannten „thermal Runaway“, zu unterbinden. Das Zellvent ist also als Überdruckelement mit einer Entgasungsöffnung einer bestimmten Größe zu verstehen, welches den durch das Gas im Inneren des Zellgehäuses entstandenen Überdruck ab einem festgelegten Schwellwert an die Umgebung abgibt. Die Menge an Gas, welches im Falle eines thermischen Events einer Batteriezelle pro Zeit entsteht, ist abhängig von der verwendeten Zellchemie und der Größe der Batteriezelle. In der Regel führen größere Energie- und Leistungsdichten zu einer höheren Gasmenge. Je größer die entstehende Gasmenge ist, desto größer muss also auch die Entgasungsöffnung des Zellvents dimensioniert sein.For this purpose, certain weakened areas in the cell housing of the battery cell, referred to as cell vents in the context of this application, are provided in order to specifically dissipate excess pressure inside the cell and thus prevent the risk of a fire or a chain reaction of the battery cells, a so-called “thermal runaway”. The cell vent is therefore to be understood as an overpressure element with a degassing opening of a certain size, which releases the overpressure created by the gas inside the cell housing into the environment above a specified threshold value. The amount of gas that is produced per time in the event of a thermal event in a battery cell depends on the cell chemistry used and the size of the battery cell. As a rule, greater energy and power densities lead to a higher amount of gas. The larger the amount of gas produced, the larger the degassing opening of the cell vent must be.
Wie in
Je länger die Entgasungsöffnung und damit das Zellvent ist, desto stärker ist die Schwächung des Zellgehäuses 10 insbesondere im Hinblick auf das Zellswelling, wodurch eine starke Verformung des Zellgehäuses 10 erfolgen kann und damit eine Sicherheitsgefahr besteht. Mit zukünftigen Zellchemien, welche Batteriezellen mit höheren Leistungs- und Energiedichten ermöglichen, wird diese Gefahr weiter verstärkt.The longer the degassing opening and thus the cell vent, the greater the weakening of the
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Vor dem Hintergrund des dargelegten Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Zellgehäuse für eine Batteriezelle mit im Zellgehäuse angeordneten Zellschichten bereitzustellen, welche die geschilderte Problematik löst. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Batteriezelle mit einer erfindungsgemäßen Zellgehäuse und ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bereit zu stellen.Against the background of the stated prior art, it is the object of the present invention to provide a cell housing for a battery cell with cell layers arranged in the cell housing, which solves the problem described. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a battery cell with a cell housing according to the invention and a vehicle with a battery cell according to the invention.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This task is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are contained in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Zellgehäuse für eine Batteriezelle mit im Zellgehäuse angeordneten Zellschichten aus wenigstens einer Anode, wenigstens einer Kathode und einem Elektrolyt weist wenigstens ein Zellvent auf, welches dazu ausgebildet ist, einen im Zellgehäuse herrschenden Überdruck aus dem Zellgehäuse abzuleiten. Das Zellvent ist dabei so lange druckdicht, bis ein bestimmter Überdruck im Zellinneren, also der Innenseite des Zellgehäuses, erreicht wird. Wird dieser Druck erreicht, wird der Druck abgeleitet. Das Zellvent weist dabei erfindungsgemäß wenigstens zwei Entgasungsöffnungen auf, durch welche das Gas und somit der Überdruck abgeleitet wird. Die Entgasungsöffnungen sind dabei durch wenigstens einen Steg getrennt, wobei dieser das Zellgehäuse zwischen zwei Seiten des Zellvents verbindet. Als Seiten des Zellvents sind dessen räumlichen Begrenzungen zu verstehen. Somit weisen auch rund geformte Zellvents Seiten auf. Erfindungsgemäß weist ein Zellvent, also ein Überdruckelement zum Abführen des Überdrucks, mehrere Entgasungsöffnungen auf.The cell housing according to the invention for a battery cell with cell layers arranged in the cell housing consisting of at least one anode, at least one cathode and an electrolyte has at least one cell vent, which is designed to drain an excess pressure prevailing in the cell housing from the cell housing. The cell vent is like this pressure-tight for a long time until a certain excess pressure is reached inside the cell, i.e. the inside of the cell housing. When this pressure is reached, the pressure is dissipated. According to the invention, the cell vent has at least two degassing openings through which the gas and thus the excess pressure is drained away. The degassing openings are separated by at least one web, which connects the cell housing between two sides of the cell vent. The sides of the cell vent are its spatial limitations. This means that even round-shaped cell vents have sides. According to the invention, a cell vent, i.e. an overpressure element for dissipating the overpressure, has several degassing openings.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des wenigstens eines Steges, ist es möglich die Struktur des Zellgehäuses insbesondere gegen die Belastung beim Zellswelling deutlich zu stärken und somit die Funktionssicherheit der Batteriezelle deutlich zu erhöhen. Weiterhin kann das Gewicht eines gesamten Batteriemoduls, welches sich aus mehreren verspannten einzelnen Batteriezellen zusammensetzt, verringert werden, da durch die gestärkte Struktur der Batteriezellen geringere Anforderungen an die Verspannung der einzelnen Zellen untereinandergestellt werden müssen. Diese kann somit einfacher und auch kostengünstiger ausgeführt werden. Zudem wird ebenfalls eine Gewichtsreduktion im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen erreicht, da das erfindungsgemäße Zellgehäuse mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt werden kann, um die gleiche Funktionssicherheit erzielen zu können.Due to the inventive arrangement of at least one web, it is possible to significantly strengthen the structure of the cell housing, in particular against the stress of cell swelling, and thus to significantly increase the functional reliability of the battery cell. Furthermore, the weight of an entire battery module, which is made up of several clamped individual battery cells, can be reduced, since the strengthened structure of the battery cells means that there are fewer requirements for the clamping of the individual cells. This can therefore be carried out more easily and more cost-effectively. In addition, a weight reduction is also achieved in comparison to conventional embodiments, since the cell housing according to the invention can be designed with a smaller wall thickness in order to be able to achieve the same functional reliability.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Zellgehäuses ist der Steg senkrecht zu der Ebene angeordnet, in welcher die Zellschichten anzuordnen sind. Betrachtet man also die gesamte Batteriezelle ist der Steg senkrecht zu den Zellschichten angeordnet. Auf diese Weise kann die stabilisierende Wirkung des Stegs maximiert werden.In an advantageous embodiment of the cell housing, the web is arranged perpendicular to the plane in which the cell layers are to be arranged. If you look at the entire battery cell, the web is arranged perpendicular to the cell layers. In this way, the stabilizing effect of the bar can be maximized.
Aus demselben Grund ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der der wenigstens eine Steg senkrecht zu zwei parallelen Seitenflächen des Zellgehäuses angeordnet ist.For the same reason, a further embodiment of the invention is advantageous, in which the at least one web is arranged perpendicular to two parallel side surfaces of the cell housing.
Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der wenigstens eine Steg integraler Bestandteil des Zellgehäuses ist. Dabei sind Steg und Zellgehäuse vorzugsweise aus einem Stück gefertigt, oder aber zumindest der Steg am Zellgehäuse irreversibel befestigt. Durch derartige Ausführungsformen kann eine Stabilität des Stegs am Zellgehäuse und damit die stabilisierende Wirkung des erfindungsgemäßen Zellgehäuses sichergestellt werden.Furthermore, an embodiment of the invention is advantageous in which the at least one web is an integral part of the cell housing. The web and cell housing are preferably made in one piece, or at least the web is irreversibly attached to the cell housing. Such embodiments can ensure the stability of the web on the cell housing and thus the stabilizing effect of the cell housing according to the invention.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Zellvent durch eine aufreißbare Folie ausgeführt. Die Folie ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie bei einem vorgegebenen Innendruck innerhalb des Zellgehäuses reißt und den Überdruck, bzw. das dafür verantwortliche Gas, über die Entgasungsöffnungen ableitet. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn die Folie eine Sollbruchstelle aufweist. Eine Folie stellt eine einfach auszulegende und einfach zu verarbeitende sowie günstige Möglichkeit dar, die Funktion des Zellvents sicherzustellen.In an advantageous embodiment of the invention, the cell vent is made of a tear-open film. The film is preferably designed in such a way that it tears at a predetermined internal pressure within the cell housing and discharges the excess pressure, or the gas responsible for it, via the degassing openings. It is particularly advantageous if the film has a predetermined breaking point. A film is an easy-to-layout, easy-to-use and inexpensive way to ensure the function of the cell vent.
In einer alternativen Ausführungsform dazu ist das Zellvent als Blattventil ausgebildet, welches derart vorgespannt ist, dass es bis zu einem definierten Druck den Ventilsitz sicher schließt und bei Erreichen dieses Drucks den Ventilsitz freigibt, um das Gas aus dem Zellgehäuse zu leiten. Auch ein Blattventil ist eine einfache und kostengünstige sowie gut auszulegende Möglichkeit als Überdruckelement zu fungieren. Das Blattventil hat dabei insbesondere den Vorteil, dass dessen Dichtwirkung bei einem leicht erhöhten Außendruck, welcher das Zellgehäuse umgibt und beispielsweise durch ein Kühlsystem der Batteriezelle hervorgerufen werden kann, erhöht wird.In an alternative embodiment, the cell vent is designed as a leaf valve, which is pre-tensioned in such a way that it securely closes the valve seat up to a defined pressure and, when this pressure is reached, releases the valve seat in order to direct the gas out of the cell housing. A leaf valve is also a simple, cost-effective and well-designed option for acting as an overpressure element. The leaf valve has the particular advantage that its sealing effect is increased when there is a slightly increased external pressure that surrounds the cell housing and can be caused, for example, by a cooling system of the battery cell.
Die erfindungsgemäße Batteriezelle weist ein erfindungsgemäßes Zellgehäuse auf und das erfindungsgemäße Fahrzeug wenigstens eine erfindungsgemäße Batteriezelle.The battery cell according to the invention has a cell housing according to the invention and the vehicle according to the invention has at least one battery cell according to the invention.
Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:
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1 zeigt eine schematische Abbildung eines Ausschnitts einerBatteriezelle 10 gemäß dem Stand der Technik -
2 zeigt eine schematische Abbildung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einerBatteriezelle 10 in einer perspektivischen Ansicht -
3 zeigt eine schematische Abbildung der erfindungsgemäßen Ausführungsform einerBatteriezelle 10 aus2 in einer Seitenansicht
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1 shows a schematic illustration of a section of abattery cell 10 according to the prior art -
2 shows a schematic illustration of an embodiment of abattery cell 10 according to the invention in a perspective view -
3 shows a schematic illustration of the embodiment of abattery cell 10 according to the invention2 in a side view
Auf
Die Vorderseite ist dabei in einer Seitenansicht in
Kommt es nun zu einem Druckanstieg im Inneren des Zellgehäuses 11 kann dieser durch das Zellvent und die entsprechenden Entgasungsöffnungen abgeleitet werden. Durch den im Falle eines thermischen Events rasant steigenden Überdruck geht damit jedoch trotz Zellvent 13 eine starke Belastung auf das Zellgehäuse 11 einher. Die Stege 132 können dabei die Struktur des Zellgehäuses 11 insbesondere im Bereich des Zellvents 13 deutlich verstärken und die entsprechend auf die Seiten des Zellvents 13 wirkenden Kräfte aufnehmen. Auf diese Weise wird ein stabilisiertes Zellvent 13 ermöglicht, welches die Funktionssicherheit des Zellgehäuses insbesondere im Fall eines thermischen Events deutlich verbessert, wobei auch großflächige Zellvents 13 mit einer langen Haupterstreckungsrichtung sicher stabilisiert werden können.If there is now an increase in pressure inside the cell housing 11, this can be drained away through the cell vent and the corresponding degassing openings. However, due to the rapidly increasing excess pressure in the event of a thermal event, this is accompanied by a heavy load on the cell housing 11 despite the
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