DE102022200908A1

DE102022200908A1 - Lithium-Ionen-Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022200908A1
Application number: DE102022200908.8A
Authority: DE
Inventors: Ralf Benger; Alexander Börger; Jens Grabow; Nury Orazov; Heinz Wenzl; Nils Wolter
Original assignee: Technische Univ Clausthal Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Clausthal Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Volkswagen AG
Current assignee: Technische Univ Clausthal Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Clausthal Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Volkswagen AG
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) mit zwei Trägern (32) und einem dazwischen angeordneten Aktivmaterial (40). Einer der Träger (32) ist aus einem Metall gefertigt, dessen Schmelztemperatur geringer als 120°C ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, die zwei Träger und ein dazwischen angeordnetes Aktivmaterial aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriemodul.
In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batteriezellen, die meist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Jede Batteriezelle, auch als Batterie bezeichnet, weist zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. In einer Alternative ist die Batterie als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor.
Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batterie bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger aufgebrachten Schicht ist. Hierbei ist es möglich, dass in der Schicht bereits der Elektrolyt vorhanden ist, oder dieser wird nachträglich eingebracht. Zumindest jedoch ist das Aktivmaterial zur Aufnahme der Arbeitsionen, z.B. Lithium-Ionen, geeignet. Je nach Verwendung als Anode oder Kathode wird ein anderes Material für den Träger und eine unterschiedliche Art des Materials der Schicht verwendet.
Aufgrund von Überlastungen, einer Partikelkontamination oder Fertigungstoleranzen ist es möglich, dass zwischen den beiden Trägern ein Kurzschluss entsteht, sodass ein Kurzschlussstrom zwischen diesen fließt. Aufgrund dessen erfolgt eine Erwärmung der Batteriezelle. Falls die Batteriezelle auf Lithium-Ionen-Technologie basiert, tritt, wenn die Erwärmung oberhalb einer kritischen Grenze ist, eine Kettenreaktion von exothermen Reaktionen auf, die wiederum zu einer weiteren Erwärmung der Batteriezellen führt, sodass sich die Erwärmung selbst verstärkt, was auch als thermisches Durchgehen bezeichnet wird. Infolgedessen wird die Batteriezelle vollständig zerstört. Die dabei entstehende Energie kann benachbarte Batteriezellen ebenfalls vergleichsweise stark erwärmen, sodass auch diese thermisch durchgehen, was zu einer vollständigen Zerstörung des Batteriemoduls sowie weiterer Bestandteil des Kraftfahrzeugs führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Lithium-Ionen-Batteriezelle und ein besonders geeignetes Batteriemodul anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Sicherheit erhöht ist.
Hinsichtlich der Lithium-Ionen-Batteriezelle wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Batteriemoduls durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Batteriezelle ist ein galvanisches Element, das zwei Träger aufweist, die auch als Ableiter bezeichnet sind. Vorzugsweise umfasst die Batteriezellen zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, wobei jeder der Elektroden jeweils einer der Träger zugeordnet ist. Zwischen den beiden Trägern ist ein Aktivmaterial angeordnet, das zur Aufnahme von Arbeitsionen, nämlich Lithium-Ionen, geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet ist. Folglich ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Als Aktivmaterial wird beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt(III)-Oxid (LiCoO2), NMC, NCA, LFP, GIC, LTO verwendet. Alternativ wird als Aktivmaterial NMC622 oder NMC811 herangezogen. Beispielsweise ist dabei das Aktivmaterial einer der Elektroden zugeordnet. Besonders bevorzugt jedoch ist jeder der Elektroden jeweils ein Aktivmaterial zugeordnet, wobei sich die beiden Aktivmaterialien beispielsweise unterscheiden.
Die Lithium-Ionen-Batteriezelle weist vorzugsweise einen Elektrolyten auf, der eine Anzahl an freibeweglichen Ladungsträger, nämlich die Lithium-Ionen, bereitstellt. Beispielsweise ist der Elektrolyt ein Bestandteil der Anode und/oder Kathode, vorzugsweise des jeweiligen Aktivmaterials, oder ist zumindest geeignet, sich dort anzulagern und somit von diesen aufgenommen zu werden. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle ist beispielsweise eine Festkörperbatterie, sodass der Elektrolyt als Festkörper vorliegt. Alternativ ist der Elektrolyt flüssig. Zum Beispiel ist die Lithium-lonen-Batteriezelle eine Sekundärbatterie.
Einer der Träger ist aus einem Metall gefertigt. Insbesondere ist der Träger als Metallstreifen ausgestaltet und beispielsweise eine Metallfolie. Somit ist eine vergleichsweise schmal bauende Lithium-Ionen Batteriezelle realisiert. Die Schmelztemperatur des Metalls, aus dem der Träger gefertigt ist, ist hierbei geringer als 120 °C. Falls somit die Temperatur des Trägers aufgrund der Erwärmung damit direkt thermisch kontaktierter Bauteile größer als 120 °C ist, wechselt der Träger den Aggregatszustand und wird somit verflüssigt. Hierbei ist die Schmelztemperatur insbesondere auf den bei Betriebsbedingungen vorherrschenden Druck, insbesondere den Normaldruck bezogen.
Die Temperatur, bei der der Träger somit schmilzt, ist geringer als die Temperaturobergrenze des als sicher geltenden Bereichs des Aktivmaterials, also geringer als die Temperatur, ab der eine sich selbst verstärkende exotherme Reaktion oder mehrere Reaktionen einsetzt. Falls somit ein Kurzschluss zwischen den beiden Trägern erfolgen sollte, führt dies zu einer Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezelle, sodass sich diese auf über 120 °C erwärmt. Daher beginnt einer der Träger zu schmelzen. Infolgedessen verliert dieser Träger die Formstabilität, sodass ein zumindest teilweises Ablösen von dem Aktivmaterial und/oder von weiteren Bestandteilen der Lithium-Ionen-Batteriezelle erfolgt. Insbesondere löst sich dabei das Material des Trägers auch von einem Anschluss der Lithium-Ionen-Batteriezelle, über die bei Betrieb ein Ausleiten der elektrischen Energie aus der Lithium-Ionen-Batteriezelle erfolgt. Infolgedessen wird der elektrische Stromfluss, also der Kurzschlussstrom, unterbunden. Da nunmehr kein elektrischer Kurzschlussstrom fließt, erfolgt auch keine weitere Erwärmung, sodass ein thermisches Durchgehen, insbesondere aufgrund eines Fehlerfalls, unterbunden ist. Somit ist eine Sicherheit erhöht.
Beispielsweise ist der verbleibende Träger ebenfalls aus einem Metall gefertigt, dessen Schmelztemperatur geringer als 120 °C ist. Alternativ hierzu ist die Schmelztemperatur größer, sodass eine Vielzahl unterschiedlicher Metalle verwendet werden kann, weswegen Herstellungskosten reduziert sind.
Vorzugsweise ist die Lithium-Ionen-Batteriezelle, auch lediglich als Batteriezelle oder als Batterie bezeichnet, im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Lithium-Ionen-Batteriezelle geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Lithium-Ionen-Batteriezelle beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Lithium-Ionen-Batteriezellen auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen sind insbesondere in einem Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespeicher/Batteriemodul anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Lithium-Ionen-Batteriezelle bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Lithium-Ionen-Batteriezellen dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht. Das Gehäuse ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminium-Legierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse eine Schnittstelle eingebracht, die einen Anschluss des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Lithium-Ionen-Batteriezellen, vorzugsweise den etwaigen Anschlüssen, kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Lithium-Ionen-Batteriezellen von außerhalb des Energiespeichers möglich ist, sofern an den Anschluss ein entsprechender Stecker gesteckt ist.
Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, vorzugsweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs angetrieben sind. Geeigneterweise ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen des Energiespeichers und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.
In einer Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batterie ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batterie im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.
Beispielsweise ist die Schmelztemperatur geringer als 100 °C, 80 °C oder 70 °C gewählt. Infolgedessen schmilzt der Träger bereits bei geringeren Temperaturen der Lithium-Ionen-Batteriezelle, beispielsweise auch bereits dann, wenn eine benachbarte Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein sonstiges benachbartes Bauteil einen Fehlerfall aufweist, und beispielsweise thermisch durchgeht. Hierbei erfolgt ein Aufwärmen aufgrund der benachbarten Lithium-lonen-Batteriezelle beispielsweise mittels eines direkten mechanischen und somit thermischen Kontakts zwischen diesen oder über einen Zellverbinder, mittels dessen jeweils einer der Anschlüsse der beiden Lithium-Ionen-Batteriezellen niederohmig elektrisch miteinander verbunden sind. Zusammenfassend wird, wenn die benachbarte Lithium-Ionen-Batteriezelle den Fehlerfall aufweist und beispielsweise thermisch durchgeht, bei der Lithium-Ionen-Batteriezelle der elektrische Stromfluss unterbrochen, sodass, obwohl diese Lithium-Ionen-Batteriezelle keinen Fehlerfall aufweist, vorsorglich ein Kurzschlussstrom und ein übermäßiges Erwärmen verhindert ist. Infolgedessen ist eine Sicherheit weiter erhöht.
Besonders bevorzugt ist zwischen den beiden Trägern, insbesondere zwischen den beiden etwaigen Elektroden, ein Separator angeordnet. Mittels dessen werden insbesondere die Anode und die Kathode räumlich zueinander getrennt. Der Separator ist vorzugsweise als Festkörper ausgestaltet und weist eine Schmelztemperatur auf. Die Schmelztemperatur ist hierbei größer als die des Trägers, dessen Schmelztemperatur geringer als 120 °C bzw. 80 °C ist. Infolgedessen wird bei einer übermäßigen Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezelle zunächst der Träger verflüssigt, bevor der Separator zerstört wird. Folglich wird ein elektrischer Stromfluss zwischen den beiden Trägern unterbunden, bevor aufgrund einer Zerstörung des Separators eine übermäßige exotherme Reaktion erfolgt. Daher ist eine Sicherheit weiter erhöht.
Beispielsweise ist der Träger der Anode zugeordnet. Besonders bevorzugt jedoch ist der Träger, der aus dem Metall gefertigt ist, dessen Schmelztemperatur geringer als 120 °C ist, der Kathode zugeordnet. Bei der Kathode tritt, im Vergleich zu der Anode, ein erhöhter elektrischer Widerstand zwischen dem Träger und dem zugeordneten Aktivmaterial auf, sodass dort eine verstärkte Erwärmung erfolgt. Folglich wird der Träger verflüssigt, wenn der heißeste Teil der Lithium-Ionen-Batteriezelle die Schmelztemperatur des Metalls überschreitet, sodass eine Sicherheit weiter erhöht ist.
Beispielsweise ist der Träger, der aus dem Metall mit der Schmelztemperatur geringer als 120 °C gefertigt ist, flächig ausgestaltet und beispielsweise unversehrt. Somit ist eine Fertigung vereinfacht. Besonders bevorzugt jedoch ist der Träger gelocht und weist somit mehrere Löcher auf. Die Löcher sind beispielsweise in einem Raster und/oder symmetrisch angeordnet. Alternativ hierzu sind die Löcher erratisch in den Träger eingebracht. Aufgrund der Löcher ist ein elektrischer Widerstand geringfügig erhöht, sodass eine Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezelle bei einem erhöhten elektrische Stromfluss erhöht ist. Infolgedessen wird bei einem einsetzenden Kurzschluss vergleichsweise frühzeitig aufgrund des sich verflüssigenden Trägers der Stromfluss unterbrochen, was eine Sicherheit erhöht. Ferner erfolgt aufgrund der Abwesenheit des Materials des Trägers eine Gewichts- und Kosteneinsparung.
Beispielsweise wird als Metall ein Amalgam oder eine interalkalische Metalllegierung verwendet. Besonders bevorzugt jedoch wird als Metall, dessen Schmelztemperatur geringer als 120 °C ist, eine intermetallische Verbindung herangezogen, also insbesondere eine intermetallische Phase. Diese ist eine homogene chemische Verbindung aus zwei oder mehr Metallen, wobei sich die Gitterstruktur von den Gitterstrukturen der konstituierenden Metalle unterscheidet oder mit einer von beiden identisch ist. Infolgedessen ist eine vergleichsweise hohe chemische Beständigkeit realisiert. Auch ist auf diese Weise eine Anpassung des Metalls an die jeweiligen gewünschten Eigenschaften vereinfacht.
Beispielsweise wird dabei als intermetallische Verbindung eine Laves- oder Heusler-Phase verwendet. Besonders bevorzugt jedoch ist die intermetallische Verbindung eine Zintl-Phase, die somit aus Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen erstellt ist. Die Zintl-Phase weist eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur auf, wobei dennoch eine elektrische Leitfähigkeit vergleichsweise hoch ist, sodass elektrische Verluste vergleichsweise gering sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul, das mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweist, die jeweils zwei Träger und ein dazwischen angeordnetes Aktivmaterial aufweisen. Hierbei ist jeweils einer der Träger jeder der Lithium-Ionen-Batteriezellen aus einem Metall gefertigt, dessen Schmelztemperatur geringer als 120 °C ist. Beispielsweise weist das Batteriemodul lediglich derartige Lithium-Ionen-Batteriezellen auf, oder das Batteriemodul umfasst weitere Batteriezellen, die sich von diesen Lithium-Ionen-Batteriezellen unterscheiden. Die einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen sowie die etwaigen weiteren Batteriezellen sind mittels Zellverbindern elektrisch miteinander kontaktiert, sodass die einzelnen Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch in Reihe und/oder elektrisch parallel geschaltet sind. Besonders bevorzugt ist ein Teil der Lithium-Ionen-Batteriezellen miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die einzelnen Reihenschaltungen zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Aufgrund einer derartigen Verschaltung ist die an dem Batteriemodul anliegende elektrische Spannung bei Betrieb ein Vielfaches der mittels jeder der Lithium-Ionen-Batteriezellen bereitgestellten elektrischen Spannung. Vorzugsweise ist jeder Lithium-Ionen-Batteriezelle zumindest ein derartiger Zellverbinder zugeordnet, zweckmäßigerweise jeweils zwei, und/oder zwei der Lithium-Ionen- Batteriezellen teilen sich jeweils einen der Lithium-Ionen-Batteriezellen. Geeigneterweise sind die Zellverbinder aus einer Kupfer-Legierung gefertigt, sodass ein elektrischer Widerstand vergleichsweise gering ist.
Insbesondere erfolgt mittels der Zellverbinder auch eine Weiterleitung einer Temperatur zwischen den Lithium-Ionen-Batteriezellen, sodass bei einem Fehlerfall einer der Lithium-Ionen-Batteriezellen die verbleibenden Lithium-Ionen-Batteriezellen des Batteriemoduls ebenfalls erwärmt werden, sodass deren jeweiliger Träger schmilzt und somit ein elektrischer Stromfluss in den Batteriemodul zusammenbricht. Hierbei erfolgt die Erwärmung der von dem Fehlerfall nicht betroffenen Lithium-Ionen-Batteriezellen vergleichsweise langsam - bevor ein thermisches Durchgehen des vollständigen Batteriemoduls erfolgt, die jeweiligen Träger bereits geschmolzen sind.
Die im Zusammenhang mit der Lithium-Ionen-Batteriezelle beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das Batteriemodul zu übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das eine Hochvoltbatterie mit mehreren baugleichen Batteriemodulen aufweist,
2 schematisch eines der mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen aufweisenden Batteriemodule,
3 in einer Seitenansicht eine der zueinander baugleichen Lithium-Ionen-Batteriezellen, und
4 in einer Draufsicht die Lithium-Ionen-Batteriezelle.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Anzahl an Rädern 4 auf, von denen zumindest einige mittels eines Antriebs 6 angetrieben sind, der einen Elektromotor umfasst. Somit ist das Kraftfahrzeug 2 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antrieb 6 weist einen Umrichter auf, mittels dessen der Elektromotor bestromt ist. Der Umrichter des Antriebs 6 wiederum ist mittels eines Energiespeichers 8 in Form einer Hochvoltbatterie bestromt. Hierfür ist der Antrieb 6 mit einer Schnittstelle 10 des Energiespeichers 8 verbunden, die in ein Gehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist. Innerhalb des Gehäuses 12 sind mehrere Batteriemodule 14 angeordnet, von denen zwei dargestellt sind. Die Batteriemodule 14 sind miteinander elektrisch kontaktiert, wobei ein Teil der Batteriemodule 14 zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule 14 ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule 14 erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V beträgt, ein Vielfaches der mit den zueinander baugleichen Batteriemodule 14 jeweils bereitgestellten elektrischen Spannung.
In 2 ist schematisch vereinfacht eines der zueinander baugleichen Batteriemodule 14 dargestellt. Jedes der Batteriemodule 14 weist mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 auf, die auf mehrere Stränge 18 aufgeteilt sind. Die Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 jedes Strangs 18 sind mittels entsprechender Zellverbinder 20, die aus einem Kupfer gefertigt sind, elektrisch in Reihe geschaltet. Die einzelnen Stränge 18 wiederum sind mittels entsprechend ausgestalteter Zellverbinder 20 elektrisch parallel zwischen zwei Stromanschlüsse 22 geschaltet, an denen die elektrische Spannung des jeweiligen Batteriemoduls 14 bereitgestellt wird.
In 3 ist in einer Seitenansicht eine der zueinander baugleichen Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 dargestellt. Die Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 weist zwei Elektroden 24 auf, die über einen Separator 26 voneinander getrennt sind. Die beiden Elektroden 24 und der Separator 26 sind übereinandergestapelt und liegen jeweils direkt aneinander an. Eine der Elektroden 24 ist eine Anode 28, und die verbleibenden der Elektroden 16 ist eine Kathode 30.
Die beiden Elektroden 24 sind zueinander gleichartig aufgebaut und weisen jeweils einen Träger 32 auf, der aus einer Metallfolie gefertigt ist. Im Fall der Anode 28 ist der Träger 32 aus einer Kupferfolie und im Fall der Kathode 30 aus einer Folie gefertigt, die aus einer Zintl-Phase, also einer intermetallischen Verbindung, besteht. Dabei ist die Schmelztemperatur der Zintl-Phase, also die Temperatur, bei der der der Kathode 30 zugeordnete Träger 32 in den flüssigen Aggregatszustand bei Betriebsdruck wechselt, geringer als 80 °C. Die Schmelztemperatur der Zintl-Phase ist hierbei geringer als die Schmelztemperatur des Separators 26, der bei 90 °C noch weiterhin als Festkörper vorliegt.
Jeder Träger 32, der eine Dicke von im Wesentlichen 8 µm aufweist, weist einen Hauptkörper 34 auf, die beide zueinander deckungsgleich sind, und im Wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie der Separator 26 aufweisen. Die beiden Hauptkörper 34 sind zueinander parallel, jedoch voneinander beabstandet. An den jeweiligen Hauptkörper 34 schließt sich einseitig jeweils ein Anschluss 36 an, mit dem im Montagezustand jeweils einer der Zellverbindern 20 elektrisch verbunden ist. Somit weist jede Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 zwei derartige Anschlüsse 36 auf.
Auf jeden Hauptkörper 34 ist jeweils eine Schicht 38 aufgetragen, die jeweils ein Aktivmaterial 40 enthält. Als Aktivmaterial 40 wird dabei in einer Ausführung NMC verwendet. Jede der Schichten 38 umfasst ferner einen nicht näher dargestellten Binder sowie ein Lösungsmittel und Leitruß. Die beiden Schichten 38 sind zwischen dem Separator 26 und dem jeweiligen Träger 32 angeordnet und an diesem befestigt. Das Aufbringen der Schichten 38 erfolgt beispielsweise mittels Druckens oder Gießens, wobei bei dem Gießvorgang das Material der Schicht 38 mittels eines Rakels verteilt und mittels eines Kalandrierprozesses die gewünschte Dicke eingestellt wird. Die Dicke jeder der Schichten 38 ist hierbei im Wesentlichen 60 µm.
In 4 ist in einer Draufsicht der Träger 32, der der Kathode 30 zugeordnet ist, dargestellt, und der somit aus dem Metall gefertigt ist, dessen Schmelztemperatur geringer als 80 °C ist. Der Träger 32 ist gelocht und weist folglich mehrere Löcher 52 auf, die in einem Raster angeordnet sind. Daher ist ein Gewicht und auch ein Materialbedarf dieses Trägers 32 verringert.
Zudem ist aufgrund der Aussparungen der elektrische Widerstand dieses Trägers 32 geringfügig erhöht.
Bei Betrieb der Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 erfolgt mittels der jeweiligen Träger 32 ein Ableiten von elektrischer Energie, nämlich Elektronen, sodass an jedem der Batteriemodule 14 eine bestimmte elektrische Spannung anliegt, bzw. über die Stromanschlüsse 22 eine Entnahme von elektrischer Energie erfolgen kann. Falls eine Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 eine Fehlfunktion aufweist, beispielsweise aufgrund von Fertigungsfehlern oder aufgrund von Alterungsprozessen, ist es möglich, dass zwischen den beiden Elektroden 24 dieser Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 ein elektrischer Kurzschluss auftritt. Dies tritt auch auf, wenn Separator 26 beschädigt wird. Infolgedessen fließt ein Kurzschlussstrom zwischen den beiden Trägern 32 der gleichen Lithium-lonen-Batteriezelle 16. Da der elektrische Widerstand in der Kathode 30, nämlich konstruktionsbedingt der Übergangswiderstand zwischen dem Träger 32 und der jeweiligen Schicht 38 bzw. dem Aktivmaterial 40 und auch aufgrund der dortigen Löcher 42, im Vergleich zu der Anode 28 erhöht ist, erfolgt bei dem Kurzschluss eine Erwärmung der Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 vorwiegend oder zumindest verstärkt im Bereich der Kathode 30. Wenn diese größer als 80 °C ist, beginnt der Träger 32 der Kathode 30 zu schmelzen. Infolgedessen erfolgt ein Ablösen des Trägers 32 von der Schicht 38 der Kathode 30 sowie von dem an dem Anschluss 36 angeordneten Zellverbinder 20, sodass ein elektrischer Stromfluss über die Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 nicht mehr möglich ist. Folglich wird der Kurzschlussstrom unterbunden, und eine weitere Erwärmung bleibt aus. Somit ist ein thermisches Durchgehen unterbunden.
Auch die benachbarten Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 werden über die Zellverbinder 20, die mit den Anschlüssen 36 der den Kurzschluss aufweisenden Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 verbunden sind, erwärmt, sodass auch bei diesen ein Schmelzen des der Kathode 30 zugeordneten Trägers 32 eingesetzt. Daher ist auch bei diesen ein elektrischer Stromfluss unterbunden, sodass diese Lithium-lonen-Batteriezellen16 stillgesetzt werden, bevor dort ein Fehlerfall auftreten kann. Dabei ist aufgrund der vergleichsweise niedrigen Schmelztemperatur des Trägers 32 sichergestellt, dass das Stillsetzen erfolgt, bevor eine Beschädigung des der diesen Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 zugeordneten Separators 26 erfolgt. Folglich werden, selbst wenn eine der Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 des Batteriemoduls 18 eine übermäßige exotherme, sich selbst verstärkende Reaktion aufweist und insbesondere thermisch durchgeht, die verbleibenden Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 stillgesetzt, sodass mit Ausnahme der den Fehlerfall aufweisenden Lithium-Ionen-Batteriezelle 16 kein weiteren Wärmeeintrag in das Batteriemodul 14 erfolgt. Infolgedessen wird eine Zerstörung weitere Komponenten des Energiespeichers 8 vermieden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Kraftfahrzeug
4: Rad
6: Antrieb
8: Energiespeicher
10: Schnittstelle
12: Gehäuse
14: Batteriemodul
16: Lithium-Ionen-Batteriezelle
18: Strang
20: Zellverbinder
22: Stromanschluss
24: Elektrode
26: Separator
28: Anode
30: Kathode
32: Träger
34: Hauptkörper
36: Anschluss
38: Schicht
40: Aktivmaterial
42: Loch

Claims

Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) mit zwei Trägern (32) und einem dazwischen angeordneten Aktivmaterial (40), wobei einer der Träger (32) aus einem Metall gefertigt ist, dessen Schmelztemperatur geringer als 120°C ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur geringer als 80°C ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägern (32) ein Separator (26) angeordnet ist, dessen Schmelztemperatur größer als die des Trägers (32) ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (32) einer Kathode (30) zugeordnet ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (32) gelocht ist.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall eine intermetallische Verbindung herangezogen wird.
Lithium-Ionen-Batteriezelle (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische Verbindung eine Zintl-Phase ist.
Batteriemodul (14) mit mehreren Lithium-Ionen-Batteriezellen (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die mittels Zellverbindern (20) elektrisch miteinander kontaktiert sind.