DE102022205365A1

DE102022205365A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022205365A1
Application number: DE102022205365.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Dagger; Daniel Keglmeier; Anton Killer; Paul Meister; Joachim Müller; Andreas Sänger; Piotr Wrzuszczak; Wenbo Zhang; Branislav Zlatkov
Original assignee: WL Gore and Associates GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: WL Gore and Associates GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2023-11-30
Also published as: WO2023232380A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind. Das Zellgehäuse (26) weist eine Öffnung (28) auf, die mit einer gasdurchlässigen Membran (30) abgedeckt ist, wobei die Membran (30) außenseitig mit einem Abdeckelement (34) zur Begrenzung eines Stoffeintritts in das Zellgehäuse (26) abgedeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem mehrere Elektroden angeordnet sind.
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 Modulgehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Jede der Batteriezellen wiederum umfasst üblicherweise mehrere galvanische Elemente. Diese weisen jeweils 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 Batteriezelle als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor. Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batteriezelle bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger, der auch als Ableiter bezeichnet wird, 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.
Zum Schutz der galvanischen Elemente sind diese üblicherweise in einem Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnet, der in manchen Fällen auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Zellgehäuses insbesondere der Elektrolyt aber auch weitere Bestandteile vor Umwelteinflüssen geschützt. Damit mittels der jeweiligen Batteriezelle eine vergleichsweise große Kapazität bereitgestellt ist, sind üblicherweise mehrere derartige galvanischen Elemente, üblicherweise bis zu 100 Stück, in dem gemeinsamen Zellgehäuse angeordnet. Um den vorhandenen Platz vergleichsweise effizient auszunutzen und eine Fertigung zu vereinfachen, sind die einzelnen Bestandteile der galvanischen Elemente flächig ausgestaltet und in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt, sodass ein im Wesentlichen quaderförmiger Zellstapel gebildet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform ist beispielsweise der Separator bandförmig ausgestaltet und auf gegenüberliegenden Seiten jeweils mit mehreren Elektroden versehen. Das Band ist zu einer Rolle aufgewickelt, insbesondere zu einer sogenannten „Jelly Roll“.
Je nach verwendeter Anordnung der galvanischen Elemente ist das Zellgehäuse geformt. Hierbei ist es möglich, dieses starr auszugestalten und beispielsweise aus Aluminium zu fertigen. Hierbei ist die Form des Zellgehäuses beispielsweise quaderförmig. Eine derartige Batteriezelle wird auch als prismatische Zelle bezeichnet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Zellgehäuse mittels einer Folie erstellt, die um die galvanischen Elemente geschlagen ist. Eine derartige Batteriezelle wird auch als sogenannte Pouchzelle bezeichnet.
Bei Betrieb der Batteriezelle, also beim Laden und auch Entladen, ist es möglich, dass aufgrund von ungewünschten chemischen Reaktionen Gase entstehen. Aufgrund dieser erhöht sich ein Druck innerhalb des Zellgehäuses, sodass einerseits einige Elektrodenbereiche eine schlechtere Ionenleitung aufweisen können, was zu einer Leistungseinbuße der Batteriezelle führt. Andererseits ist es möglich, dass aufgrund des erhöhten Drucks das Zellgehäuse verformt wird, sodass insbesondere eine Umgebung der Batteriezelle mechanisch beeinflusst wird. Bei einem vergleichsweise hohen Druck birst das Zellgehäuse, sodass der Elektrolyt austreten kann und die vollständige Batteriezelle nicht mehr einsatzbereit ist. Auch ist es möglich, dass ungewünschte chemische Reaktionen der einzelnen Bestandteile der Batteriezelle mit der Umgebung stattfinden.
Um eine derartige Gasbildung zu minimieren, ist eine spezielle Kombination der einzelnen Materialien der Elektroden und des Elektrolyten erforderlich, was einerseits Herstellungskosten erhöht. Andererseits geht die Wahl von weniger reaktiven Elektrodenmaterialien oftmals mit einer Reduktion von Kapazität- und/oder Energiedichte einher. Alternativ hierzu sind beispielsweise in dem Zellgehäuse zusätzliche Elemente vorhanden, mittels derer die entstehenden Gase gebunden und/oder umgesetzt werden. Aufgrund der zusätzlichen Elemente jedoch ist ein Bauraum und auch ein Gewicht der Batteriezelle erhöht, weswegen eine Energiedichte verringert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriezelle anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Betriebssicherheit und/oder Energiedichte erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Batteriezelle ist insbesondere wiederladbar ausgestaltet und zweckmäßigerweise eine Sekundärbatterie. Vorzugsweise ist die Batteriezelle im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batteriezelle geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batteriezelle beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batteriezellen aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batteriezellen auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die 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 Batteriezellen bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batteriezellen dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht.
Das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls, die somit insbesondere einen Verbund derartiger Batteriezellen bilden, ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren, Tiefzugverfahren, Gießpressen oder Strangpressen verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls eine Schnittstelle eingebracht, die einen Anschluss des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Batteriezellen kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den 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, geeigneterweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs, angetrieben sind. Insbesondere 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 dem Energiespeicher 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 weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batteriezelle im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Outdoor-Aktivitäten zu verwenden.
Die Batteriezelle weist mehrere Elektroden auf, also beispielsweise zwei oder bevorzugt mehr. Insbesondere sind die Elektroden auf Anoden und Kathoden aufgeteilt, wobei zweckmäßigerweise die Hälfte der Elektroden die Anoden und die andere Hälfte die Kathoden bilden. Bevorzugt jedoch ist eine Anode mehr als Kathoden vorhanden. Besonders bevorzugt sind dabei sämtliche Anoden und sämtliche Kathoden jeweils zueinander baugleich, was eine Herstellung vereinfacht. Die Elektroden sind beispielsweise flächig ausgestaltet und weisen insbesondere einen Träger auf, der auch als Ableiter bezeichnet ist. Insbesondere ist der jeweilige Träger mittels einer Metallfolie gebildet, die einseitig oder beidseitig mit einer Schicht zumindest abschnittsweise beschichtet ist. Als Metall des Trägers/Ableiters der Kathoden wird beispielsweise Aluminium und als Metall des Ableiters der Anoden Kupfer verwendet.
Die Schicht weist hierbei eine Dicke unter 1 mm auf. Zweckmäßigerweise weisen die Träger eine Dicke unter 0,1 mm auf. Vorzugsweise weist die jeweilige Schicht ein Aktivmaterial, einen Binder und/oder ein Leitadditiv, wie Leitruß auf. Das Aktivmaterial dient zur Aufnahme/Abgabe von Arbeitsionen, wie Lithium-Ionen, und ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Als Aktivmaterial wird für die Kathode beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium-Cobalt (III)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA, LNMO oder Lireiche Materialien verwendet. Alternativen sind z.B. Olivine wie LFP. Für die Anode wird zum Beispiel Graphit, Si-basierte Materialien oder Mischungen daraus, Lithium Metall oder LTO verwendet.
Insbesondere sind die Elektroden im Wesentlichen rechteckförmig. Die Elektroden sind beispielsweise übereinander zu einem Zellstapel gestapelt, wobei die Stapelrichtung senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Elektroden ist, die zueinander parallel angeordnet sind. Hierbei wechseln sich die Anoden und Kathoden in der Stapelrichtung des Zellstapels vorzugsweise ab. Zweckmäßigerweise ist zwischen benachbarten Elektroden, also insbesondere zwischen jeweils einer der Anoden und einer der Kathoden, jeweils ein Separator des Zellstapels angeordnet, der vorzugsweise ebenfalls flächig ausgestaltet ist. Beispielsweise sind sämtliche Separatoren zueinander baugleich. Insbesondere sind die Elektroden im Wesentlichen bündig übereinander gestapelt, wobei beispielsweise sämtliche Anoden zumindest geringfügig über die Kathoden überstehen. Aufgrund der Stapelung der Elektroden ist der Zellstapels somit ebenfalls im Wesentlichen quaderförmig.
In einer alternativen Ausgestaltungsform sind beispielsweise sämtliche Anoden, sämtliche Kathoden oder der Separator mittels eines gemeinsamen Bandes gebildet, oder diese sind an einem gemeinsamen Band befestigt. Das Band selbst ist zu einer Zylinderform oder dergleichen aufgerollt, sodass eine sogenannte „Jelly Roll“ gebildet ist.
Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, innerhalb dessen die Elektroden angeordnet sind, also beispielsweise der Zellstapel oder die „Jelly Roll“. Insbesondere ist mittels des Zellgehäuses ein Volumen zwischen 0,1 dm3 und 10 dm3 umgeben. Beispielsweise ist zusätzlich das Zellgehäuse zumindest teilweise mit einem Elektrolyten befüllt. Das Zellgehäuse ist vorzugsweise starr ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle insbesondere um eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Zellgehäuse aus einem Metall, wie einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das Zellgehäuse weist zum Beispiel eine Quaderform auf. Alternativ hierzu ist das Zellgehäuse flexibel ausgestaltet und beispielsweise zumindest teilweise mittels einer Metallfolie gebildet, die insbesondere einseitig oder beidseitig beschichtet ist. Mittels der Metallfolie sind die Elektroden umgeschlagen, und die Metallfolie ist an den Enden zweckmäßigerweise versiegelt, sodass ein Austritt des Elektrolyten und/oder ein Eintritt von Umgebungsluft in das Zellgehäuse vermieden ist.
Die Elektroden sind insbesondere direkt in dem Zellgehäuse angeordnet, sodass die Elektroden beispielsweise direkt oder über ein weiteres Bauteil an einer Innenwand des Zellgehäuse anliegen und somit mittels dessen stabilisiert werden. Zumindest dient das Zellgehäuse direkt dem Schutz der Elektroden und/oder der Verhinderung eines Kontakts der Elektroden/des Elektrolyten mit Umgebungsluft oder sonstigen Partikeln. Mit anderen Worten sind die Elektroden innerhalb des Zellgehäuses vorzugsweise nicht, zumindest nicht vollständig, mittels eines weiteren Bauteils umgeben, sodass ein Gewicht der Batteriezelle und Materialkosten verringert sind. Insbesondere ist im Zellgehäuse kein weiteres Gehäuse vorhanden, mittels dessen die Elektroden umgeben sind. Folglich ist es möglich, das Zellgehäuse im Wesentlichen vollständig mittels der Elektroden sowie des/der etwaigen Separatoren auszufüllen.
Geeigneterweise weist das Zellgehäuse zumindest einen oder zwei Durchbrüche auf, durch die jeweils ein Anschluss geführt ist. Mittels des oder der Anschlüsse sind, je nach Verschaltung der Elektroden, zumindest einige der in dem Zellgehäuse angeordneten Elektroden elektrisch kontaktiert, sodass über den oder die Anschlüsse ein Einspeisen und/oder Entnahme von elektrischer Energie von außerhalb des Zellgehäuse zu bzw. aus den mittels der Elektroden gebildeten galvanischen Elemente möglich ist. Sofern lediglich ein einziger Anschluss vorhanden ist, sind zumindest einige der Elektroden elektrisch mit dem Zellgehäuse kontaktiert, sodass mittels dieser Elektroden ein elektrisches Potential des Zellgehäuses vorgegeben ist. Insbesondere sind der oder die Anschlüsse elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse isoliert, wobei die Anschlüsse fluiddicht mit dem Zellgehäuse verbunden sind, sodass im Bereich der Anschlüsse ein Austritt des Elektrolyten vermieden ist.
Das Zellgehäuse weist eine Öffnung auf, die beispielsweise rund oder rechteckförmig ausgestaltet ist. Insbesondere ist eine Fläche der Öffnung zwischen 50µm2 und 15mm2, bevorzugt zwischen 0,2 mm2 bis 3 mm2. Die Öffnung ist mittels einer Membran abgedeckt, die gasdurchlässig ist. Insbesondere ist die Membran starr an dem Zellgehäuse angebunden, sodass eine Bewegung der Membran bezüglich des Zellgehäuses vermieden ist. Die Membran weist eine größere Fläche als die Öffnung auf, sodass die Membran die Öffnung vollständig überlappt. Insbesondere ist die Fläche der Membran kleiner als die Fläche einer etwaigen Seite des Zellgehäuses, die die Öffnung aufweist. Auf diese Weise sind Materialkosten reduziert.
Vorzugsweise erfolgt die Anbindung der Membran an dem Zellgehäuse flüssigkeits- und/oder gasdicht, sodass ein Durchtritt von Flüssigkeiten und/oder Gas zwischen der Membran und dem Zellgehäuse hindurch in die Öffnung vermieden ist. Besonders bevorzugt ist hierbei die Membran mit dem Zellgehäuse verschweißt, geeigneterweise mit einer umlaufenden Schweißnaht. Alternativ hierzu ist zum Beispiel die Membran mit dem Zellgehäuse form- und/oder stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt. Hierbei ist mittels des Klebstoffs bzw. der Schweißnaht die Öffnung zweckmäßigerweise vollständig umgeben. Beispielsweise erfolgt die Verbindung direkt benachbart zur Öffnung, oder zwischen der Öffnung und der Anbindung der Membran an das Zellgehäuse, beispielsweise dem Klebstoff bzw. Schweißnaht, ist ein Abstand gebildet. Folglich ist ein Austritt von Gas aus oder in das Zellgehäuse lediglich durch die Öffnung möglich, wobei das Gas auch durch die Membran geführt wird.
Insbesondere ist die Membran derart ausgewählt, dass diese durchlässig für vorzugsweise zumindest CO, CO2, H2 und/oder CH4 ist. Zum Beispiel wird mittels der Membran ein Durchtritt derartiger Gase nicht oder lediglich in vergleichsweise geringem Maße behindert. Die Durchlässigkeit der Membran für Feuchtigkeiten, insbesondere Wasserdampf, ist jedoch geringer. Insbesondere hat die Membran ein Verhältnis der CO2-Durchlässigkeit zur Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von mindestens 0,5 oder von mindestens 1 oder von mindestens 1,5. Bevorzugt ist das Verhältnis mehr als 0,5 und weniger als 3. Zusammenfassend ist die Membran derart ausgestaltet, dass durch diese in dem Zellgehäuse entstehende Gase hindurch durch die Öffnung aus dem Zellgehäuse gelangen können, wofür die Öffnung genutzt wird. Mittels der Membran ist dabei ein Eintritt von Feuchtigkeiten, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse erschwert.
Die Membran selbst ist außenseitig, also bezüglich des Zellgehäuses nach außen versetzt, mit einem Abdeckelement abgedeckt. Mittels des Abdeckelements ist hierbei zumindest derjenige Teil der Membran abgedeckt, mittels dessen die Öffnung abgedeckt ist. Insbesondere ist mittels des Abdeckelements die Öffnung abgedeckt. Hierbei ist es möglich, dass das Abdeckelement ebenfalls innerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, jedoch bezüglich der Membran in Richtung der Öffnung hin versetzt. Alternativ hierzu befindet sich das Abdeckelement außerhalb des Zellgehäuses. Beispielsweise liegt das Abdeckelement an dem Zellgehäuse und/oder der Membran an oder ist zu einem hiervon oder beiden beabstandet. Insbesondere ist das Abdeckelement zumindest teilweise starr. Das Abdeckelement dient der Begrenzung eines Stoffeintritts, insbesondere von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse und ist hierfür geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Dabei wird mittels des Abdeckelements auch der Stoffeintritt zu der Membran vorzugsweise begrenzt. Mit anderen Worten wird mittels des Abdeckelements insbesondere eingestellt, wie viel und/oder ob ein Stoff, wie eine Flüssigkeit oder bevorzugt ein Gas, in das Zellgehäuse durch die Membran und durch die Öffnung eintritt. Mit nochmals anderen Worten ist mittels des Abdeckelements die Öffnung vorzugsweise zumindest zeitweise verschlossen. Zumindest ist das Abdeckelement vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mittels dessen der Gasdurchtritt durch die Membran und die Öffnung begrenzt oder zumindest zeitweise begrenzt und somit eingestellt ist. Vorzugsweise ist das Abdeckelement fluiddicht, beispielsweise stets oder zumindest, wenn sich dieses in einem bestimmten Zustand, wie einem geschlossenen Zustand, befindet. Mit anderen Worten ist in diesem Zustand ein Weiterleiten von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, weitestgehend ausgeschlossen, vorzugsweise prinzip- und/oder konstruktionsbedingt. Sofern oder solange sich innerhalb des Zellgehäuses keine Gase bilden, befindet sich das Abdeckelement vorzugsweise in dem bestimmten Zustand.
Aufgrund der Öffnung und der Membran ist ein Austritt von in dem Zellgehäuse entstehenden Gasen möglich, sodass das Entstehen eines übermäßigen Drucks innerhalb des Zellgehäuses, der zu einer Beschädigung der Elektroden und/oder des Zellgehäuse führen könnte, vermieden ist. Somit ist eine Betriebssicherheit erhöht. Hierfür sind lediglich die Membran und das Abdeckelement erforderlich, für die lediglich ein vergleichsweise geringes Raumvolumen benötigt ist. Zudem ist es möglich, das Abdeckelement außerhalb des Zellgehäuses anzuordnen, sodass eine Energiedichte nicht negativ beeinflusst wird. Aufgrund des Abdeckelements wird die Membran vor Umwelteinflüssen von außerhalb des Zellgehäuses zumindest teilweise geschützt, sodass eine Beschädigung der Membran vermieden ist. Auch werden mittels des Abdeckelements beispielsweise Partikel aus der Umgebung zumindest zeitweise/teilweise von der Membran abgehalten, insbesondere in dem bestimmten Zustand, wenn mittels des Abdeckelements der Gasein- und/oder Gasaustritt vollständig unterbunden ist. Somit wird die Membran von außerhalb des Zellgehäuses nicht mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasserdampf, beaufschlagt, sodass auch trotz der weiterhin bestehenden, wenn auch verringerten, Durchlässigkeit der Membran für Flüssigkeiten ein Eindringen dieser gänzlich unterbunden ist. Falls dahingegen mittels des Abdeckelements zeitweise ein Gasaustritt aus dem Zellgehäuse möglich ist, ist für diesen Zeitraum auch beispielsweise ein Vordringen von Wasser zur Membran möglich, wobei dies jedoch eine vergleichsweise geringe Menge ist, die mittels der Membran im Wesentlichen vollständig zurückgehalten wird. Somit ist das Eindringen von Wasser in das Zellgehäuse nahezu gänzlich unterbunden.
Die Membran ist insbesondere aus einem Polymer gefertigt und zum Beispiel eine Folie, beispielsweise ein Polymerfolie. Geeigneterweise ist die Membran aus PTFE, also einem Polytetrafluorethylen, gefertigt oder besteht hieraus. Zweckmäßigerweise weist die Membran eine Kristallinität zwischen 85% und 100% und eine Dichte zwischen 0,2 g/cm3 und 2 g/cm3 auf. Bei einer derartigen Materialwahl ist eine Gasdurchlässigkeit gegeben, wobei mittels der Membran ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse unterbunden oder zumindest erschwert ist. Insbesondere wird als Membran eine Membran verwendet, die in WO 2021/079163 A1 beschrieben ist.
Beispielsweise ist die Öffnung beliebig an dem Zellgehäuse positioniert. Besonders bevorzugt jedoch befindet sich diese, wenn die Batteriezelle als Pouchzelle ausgestaltet ist, im Bereich eines der Enden der Zylinderform nahe des Ableiters, in dem die etwaige Folie insbesondere versiegelt ist (z.B. auf der sogenannten Gastasche). Hierbei befindet sich die Öffnung zweckmäßigerweise von dem jeweiligen Enden bis maximal zu einem Drittel der maximalen Länge des Zellgehäuses nach innen versetzt.
Falls die Batteriezelle eine prismatische Zelle ist, befindet sich bevorzugt die Öffnung im Bereich der Stirnseiten und/oder Schmalseiten, die insbesondere nicht parallel zu den zu dem etwaigen Zellstapel geschichteten Elektroden sind. Alternativ hierzu befindet sich die Öffnung in einer der Seiten des Zellgehäuse, die parallel zu den Elektroden ist, jedoch vorzugsweise in einem Randbereich, also von dem Rand bis maximal zu einem Drittel der Breite der Seite nach innen versetzt. Aufgrund einer derartigen Position der Öffnung ist eine Konstruktion vereinfacht, und es ist nicht erforderlich, einen bestehenden Designentwurf des Zellstapels abzuändern. Ferner ist somit die Öffnung in einem Bereich angeordnet, an dem sich entstehende Gase sammeln, sodass ein vergleichsweiser effizienter Abtransport der Gase durch die Öffnung ermöglicht ist.
Beispielsweise ist die Membran an der Außenseite des Zellgehäuses befestigt. Auf diese Weise ist mittels der Membran ein Innenraum des Zellgehäuse nicht ausgefüllt, sodass dort ein vergleichsweise großes Volumen für die Elektroden zur Verfügung steht. Somit ist eine hohe Kapazität der Batteriezelle weiter gewährleistet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran an einer Innenwand des Zellgehäuses befestigt. Auf diese Weise wird auch bei einem vergleichsweise hohen Druck innerhalb des Zellgehäuse die Membran nicht übermäßig nach außen ausgebeult, wenn aufgrund der Ausgestaltung der Membran kein sofortiger Durchtritt des Gases ermöglicht ist. Folglich wird die Membran mittels der Innenwand stabilisiert, was eine Robustheit erhöht. Auch wird die Membran bei einem Überdruck gegen die Innenwand gedrückt, und ein Durchtritt von Gas zwischen dem Zellgehäuse und der Membran ist somit verhindert. Folglich ist lediglich ein Austritt des Gases durch die Membran möglich, was somit kontrolliert erfolgt. Zusammenfassend ist insbesondere die Membran an einer nach außen oder innen gerichteten Seite des Zellgehäuses angeordnet.
Beispielsweise ist das Abdeckelement in Abhängigkeit einer Temperatur betätigt. Hierbei ist das Abdeckelement zweckmäßigerweise derart ausgestaltet, dass bei einer Temperatur unterhalb eines Grenzwerts ein Gaseintritt und/oder -austritt vollständig verhindert ist, sodass mittels des Abdeckelements ein Beaufschlagen der Membran mit einem Fluid von außerhalb des Zellgehäuses unterbunden ist. Wenn die Temperatur der Batteriezelle hingegen größer als der Grenzwert ist, ist das Abdeckelement insbesondere derart eingestellt, dass mittels dessen der Gasaustritt aus dem Zellgehäuse nicht verhindert wird. Mit anderen Worten ist die Membran freigegeben. Infolgedessen ist es jedoch möglich, dass Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, von außerhalb des Zellgehäuse zu der Membran gelangt.
Der Grenzwert ist hierbei zweckmäßigerweise zwischen 25 °C und 60 °C. Aufgrund eines derartigen Grenzwerts ist das Abdeckelement somit insbesondere lediglich dann derart eingestellt, dass ein Entweichen von Gas möglich ist, wenn die Batteriezelle betrieben ist, also wenn ein einspeisen von elektrischer Energie in die Batteriezelle und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus der Batteriezelle erfolgt. Lediglich in diesem Zeitraum ist ein Entstehen von Gasen möglich, die entweichen sollen. Dahingegen wird, wenn die Batteriezelle nicht benötigt wird, mittels des Abdeckelements die Membran geschützt.
Alternativ oder in Kombination hierzu ist das Abdeckelement in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck in einem Raum betätigt, der zwischen dem Abdeckelement und der Membran gebildet ist. Insbesondere ist ein Volumen dieses Raums geringer als 4 cm3, 1 cm3 oder 0,5 cm3. Der Druck in dem Raum zwischen dem Abdeckelement und der Membran ist insbesondere gleich dem Druck innerhalb des Zellgehäuses oder aufgrund der Membran geringfügig verringert.
Das Abdeckelement ist insbesondere derart betätigt, dass ein Gasaustritt aus dem Zellgehäuse möglich oder zumindest vereinfacht ist, wenn der Druck in dem Raum größer als der Druck außerhalb des Zellgehäuse ist, beispielsweise um mehr als 0,1 bar, 0,5 bar, 1 bar, 2 bar oder 5 bar. Anderenfalls ist das Abdeckelement insbesondere geschlossen, sodass ein Gasaustritt vollständig unterbunden ist. Dabei ist die Membran mittels des Abdeckelements auch vor Flüssigkeiten von außerhalb des Zellgehäuses geschützt. Somit ist ein Schutz der Membran mittels des Abdeckelements lediglich dann verringert, wenn auf der dem Inneren des Zellgehäuse zugewandten Seite des Abdeckelements der Druck im Vergleich zum Druck außerhalb des Zellgehäuses erhöht ist. In diesem Fall wird jedoch eine Flussrichtung des Gases nach außerhalb des Zellgehäuses gerichtet. Somit ist ein Eindringen von Flüssigkeit bis zur Membran aufgrund der Flussrichtung des Gases verhindert ist. Wenn die Druckdifferenz absinkt, sinkt ebenfalls die Geschwindigkeit des Gases, sodass ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, möglich wäre. Dann jedoch ist das Abdeckelement erneut geschlossen, was das Eindringen von Flüssigkeit ebenfalls verhindert.
Beispielsweise ist oder umfasst das Abdeckelement ein poröses Element, wobei die Poren insbesondere offen sind. Zum Beispiel ist das poröse Element eine Schaumkeramik. Mittels des porösen Elements ist ein eine Weglänge, die in das Gas zurücklegen muss, erhöht, sodass ein vergrößerter Widerstand für das austretende Gas bereitgestellt ist. Somit ist mittels des porösen Elements der Gasaustritt aus dem Zellgehäuse begrenzt. Aufgrund des porösen Elements ist dabei auch ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, unterbunden oder zumindest erschwert, insbesondere aufgrund von kapillare Effekten. Zum Beispiel ist das poröse Elements zumindest in bestimmten Bereichen, beispielsweise an einer Seite, vollständig flüssigkeits- und/oder gasundurchlässig ausgestaltet, sodass ein für die Gase und die Flüssigkeit zurückzulegender Weg und somit ein fluidtechnischer Widerstand weiter erhöht ist. Insbesondere ist die der Öffnung gegenüberliegende Seite des porösen Elements derart ausgestaltet, weswegen ein für zurückzulegender Weg für Gase/Flüssigkeit durch das poröse Element vergleichsweise lang ist. Insbesondere ist das poröse Element im Wesentlichen quaderförmig, was eine Fertigung vereinfacht.
Besonders bevorzugt umfasst das Abdeckelement ein Ventil oder ist damit gebildet. Das Ventil ist beispielsweise mittels eines Aktors betätigt, wie eines Piezoaktors. Somit ist es möglich, den Gasaustritt aus dem Zellgehäuse zu steuern, insbesondere in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel der etwaigen Druckdifferenz. Vorzugsweise weist Abdeckelement einen Sensor auf, in Abhängigkeit dessen der Aktor gesteuert ist. Alternativ hierzu ist das Ventil beispielsweise federbelastet und insbesondere als ein Rückschlagventil ausgestaltet. Dabei ist das Ventil insbesondere in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem außerhalb des Zellgehäuses herrschenden Drucks und dem den Druck in dem zwischen dem Abdeckelement und der Membran gebildeten Raum betätigt, also wenn der Druck bestimmt bestimmten Grenzwert überschreitet. Hierbei ist ein Anpassen an unterschiedliche Einsatzgebiete und/oder sonstige Vorgaben mittels Austauschs der Feder ermöglicht.
Beispielsweise ist das Ventil ein gas- und flüssigkeitsundurchlässiger Körper, der beispielsweise einen membranartig/membranförmig ist. Mittels des Körpers ist zum Beispiel die Öffnung oder die Membran vollständig abgedeckt, wenn sich das Abdeckelement/Ventil im geschlossenen Zustand befindet. Mittels Längsverschieben, insbesondere senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung des Körpers und/oder der Membran wird das Abdeckelement in den geöffneten Zustand überführt, und der Körper ist vorzugsweise entsprechend gelagert. Aufgrund Längsverschieblichkeit ist dabei ein direktes Eindringen von Flüssigkeit zur Öffnung auch im geöffneten Zustand des Abdeckelements unterbunden. Alternativ hierzu ist das Abdeckelement nach Art einer Klappe ausgestaltet, und somit insbesondere schwenkbeweglich bezüglich des und/oder am Zellgehäuse gelagert. Zum Beispiel ist hierbei der etwaige Körper des Körpers mittels eines Lagers oder besonders bevorzugt eines Filmscharniers an dem Zellgehäuse gelagert. Auf diese Weise ist eine Konstruktion vereinfacht.
In einer Alternative hierzu weist das Abdeckelement eine Kunststoff, vorzugsweise Polymerschicht. auf, die beispielsweise direkt auf einen sonstigen Körper, wie einer Folie, aufgebracht ist. Die Polymerschicht umfasst hierbei Mikro- oder Nanostrukturen, also Strukturen, die eine Ausdehnung zwischen 100 µm und 1 nm aufweisen. Insbesondere wiederholen sich die Strukturen periodisch sodass ein Muster gebildet ist. Auf diese Weise ist eine Herstellung vereinfacht. Bei den Strukturen handelt es sich beispielsweise um Klappen und/oder Gräser. Sofern es sich um Gräser handelt, sind diese insbesondere von dem Inneren des Zellgehäuses weggerichtet, sodass bei einem erhöhten Druck außerhalb des Zellgehäuses oder bei einer darauf auftreffenden Flüssigkeit diese platt gegen einen Boden der Polymerschicht gedrückt werden, sodass das Abdeckelement vergleichsweise dicht ausgestaltet ist. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die Strukturen beispielsweise mittels Anlegens einer elektrischen Spannung einstellbar, sodass ein Gas- und Flüssigkeitsdurchtritt entweder ermöglicht oder unterbunden ist. Aufgrund der Mikro- oder Nanostrukturen ist eine mechanische Robustheit erhöht und ein Platzbedarf verringert.
In einer weiteren Alternative weist das Abdeckelement mehrere Abdeckflügel auf, also beispielsweise zwei Abdeckflügel, drei Abdeckflügel, vier Abdeckflügel, fünf Abdeckflügel oder mehr Abdeckflügel. Zweckmäßigerweise ist die Anzahl der Abdeckflügel kleiner als zehn, sodass eine Konstruktion vereinfacht ist. Die Abdeckflügel sind an dem Zellgehäuse angebunden, also beispielsweise direkt daran befestigt oder indirekt über ein weiteres Element. Hierbei sind die Abdeckflügel zueinander an unterschiedlichen Stellen, nämlich einem jeweiligen Anbindungspunkt, also beabstandet zueinander, an dem Zellgehäuse angebunden. Insbesondere umgeben die Anbindungspunkte der die Öffnung. Geeigneterweise sind die Abdeckflügel lediglich einseitig angebunden. Die Abdeckflügel überlappen zumindest teilweise die Membran, also insbesondere auch die Öffnung, oder zumindest den Teil der Membran, mittels derer die Öffnung abgedeckt ist. Zudem überdecken sich die Abdeckflügel gegenseitig. Mit anderen Worten überdeckt jeweils einer der Abdeckflügel zumindest teilweise einen oder mehrere der verbleibenden Abdeckflügel.
Die Abdeckflügel sind flexibel ausgestaltet, also elastisch verformbar. Insbesondere sind die Abdeckflügel aus einem gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Material ausgestaltet. Aufgrund der flexiblen Ausgestaltung der Abdeckflügel ist ein Verbiegen dieser möglich, sodass die Membran freigegeben wird. Hierbei stabilisieren sich die Abdeckflügel gegenseitig, sodass einerseits ein unbeabsichtigtes Verbiegen eines der Abdeckflügel nicht zu einer Freigabe der Membran führt. Auch sind die hierfür erforderlichen Kräfte vergleichsweise hoch. Aufgrund des gegenseitigen Überlappens ist zudem eine vergleichsweise große Kriechstrecke gegeben, sodass ein Eindringen von Flüssigkeit zwischen den Abdeckflügel bis zur Membran im Wesentlichen und ein Austritt von Gas in die entgegengesetzte Richtung dabei an dem Zellgehäuse anliegenden Abdeckflügeln im Wesentlichen unterbunden ist. Jedoch ist es mittels Aufbiegens sämtlicher oder zumindest einiger der Abdeckflügel möglich, die Membran freizugeben und somit einen Gasaustritt zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt sind die Abdeckflügel an der Außenseite des Zellgehäuses angebunden, sodass ein Eindrücken der Abdeckflügel, die zu einer Beschädigung der Membran führen könnte, vermieden ist. Beispielsweise sind die Abdeckflügel derart ausgestaltet, dass diese bei einem erhöhten Druck auf Seiten des Membran verbogen werden, sodass ein Gasaustritt ermöglicht ist. Alternativ hierzu sind die Abdeckflügel beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt, die sich bei einer Erhöhung der Temperatur unterschiedlich zusammenziehen. Somit werden bei einer erhöhten Temperatur die Abdeckflügel gekrümmt und folglich die Membran und somit auch die Öffnung freigegeben.
Besonders bevorzugt umfasst die Batteriezelle ein Trocknungselement zur Reduzierung einer durch die Öffnung in das Zellgehäuse eindringenden Feuchtigkeit. Hierfür ist das Trocknungselement geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Aufgrund des Trocknungselements wird somit trotz des Abdeckelements eindringende Feuchtigkeit, wie Wasser, beispielsweise im flüssigen oder gasförmigen Zustand, gebunden, sodass eine ungewollte Reaktion mit den in dem Gehäuse angeordneten Elektroden und/oder etwaigen Elektrolyten unterbunden ist. Somit ist eine Betriebssicherheit weiter erhöht. Insbesondere ist das Trocknungselement derart ausgestaltet, dass mittels dessen eine Bindung von Wasser erfolgt, insbesondere eine Absorption von Wassermolekülen.
Zum Beispiel ist das Trocknungselement im Bereich der Öffnung angeordnet und umgibt diese beispielsweise. Insbesondere weist das Trocknungselement mehrere siliziumhaltige Gruppen auf, die an der Membran angebunden sind. Mit anderen Worten ist die Membran mit den siliziumhaltigen Gruppen funktionalisiert. Somit ist ein Platzbedarf verringert. Besonders bevorzugt ist das Trocknungselement membranförmig und beispielsweise lose auf die Membran aufgelegt oder zu diesem beabstandet. Aufgrund der Anordnung auf der Innenseite der Membran wird mittels des Trocknungselements lediglich derjenige Teil des Flüssigkeit, insbesondere Wasser, aufgehalten, der durch die Membran ins Innere des Zellgehäuses gelangt. Mit anderen Worten dient zunächst die Membran dem Aufhalten der Feuchtigkeit/Flüssigkeit und erst im Anschluss hieran wird das Trocknungselement verwendet. Somit ist auch ein vergleichsweise langer Betrieb der Batteriezelle ermöglicht, ohne dass eine Funktionsweise des Trocknungselements aufgehoben wird.
Beispielsweise ist die Membran reißfest ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses einen Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Zellgehäuses vermieden. Beispielsweise reißt die Membran vollständig ein und bricht somit. Zweckmäßigerweise erfolgt das Einreißen lediglich dann, wenn der Grenzwert überschritten ist. Wenn die Druckdifferenz den Grenzwert erneut unterschreitet, wird insbesondere das Einreißen beendet. Auf diese Weise wird eine vollständige Zerstörung der Membran verhindert.
Beispielsweise weist die Batteriezelle mehrere Öffnungen auf, die jeweils mittels einer entsprechenden gasdurchlässigen Membran abgedeckt sind, wobei jede Membran außenseitig mit einem zugeordneten Abdeckelement zur Begrenzung des Feuchtigkeitseintritts in das Zellgehäuse abgedeckt ist. Beispielsweise sind mehrere oder alle der Öffnungen mit dem gleichen Abdeckelement abgedeckt. Insbesondere sind hierbei sämtliche Öffnungen/Membranen/ Abdeckelemente zueinander baugleich, und deren Position am Zellgehäuse unterscheidet sich lediglich. Alternativ hierzu sind beispielsweise die Abdeckelemente und/oder Membranen unterschiedlich ausgestaltet, sodass diese unterschiedlich durchlässig und/oder bei unterschiedlichen Druckdifferenzen oder sonstigen Bedingungen betätigt sind. Somit ist eine Flexibilität erhöht.
Besonders bevorzugt jedoch weist die Batteriezelle lediglich die einzige Öffnung auf, was eine Fertigung vereinfacht. Insbesondere liegt die Membran zumindest im Bereich der Öffnung an einem Stabilisierungselement an und ist zum Beispiel an diesen befestigt. Mit anderen Worten überdeckt das Stabilisierungselement zumindest teilweise die Öffnung. Das Stabilisierungselement ist vorzugsweise starr ausgestaltet und beispielsweise aus einem Metall gefertigt. Vorzugsweise ist der Stabilisierungselement an dem Zellgehäuse befestigt, geeigneterweise mittels Schweißens. Das Stabilisierungselement weist weitere Öffnungen auf, die jeweils von der Öffnung überdeckt sind. Somit ist die effektive Fläche, die für den Gasaustritt aus dem Zellgehäuse zur Verfügung steht, auf die Summe der weiteren Öffnungen begrenzt, sodass auch eine vergleichsweise große Öffnung gewählt werden kann, ohne dass ein übermäßiger Gasaustritt bzw. Eintritt von Flüssigkeit in das Zellgehäuse erfolgt.
Geeigneterweise ist das Stabilisierungselement im Vergleich zu der Membran nach außen versetzt. Somit wird mittels der weiteren Öffnungen eine maximale Verformung der Membran vorgegeben und die Membran somit stabilisiert. Beispielsweise ist das Stabilisierungselement derart ausgestaltet, dass dieses bei einer erhöhten Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Gehäuses und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses bricht. Hierfür weist das Stabilisierungselement beispielsweise eine oder mehrere Sollbruchstellen auf, die zum Beispiel mittels eines Lasers oder Prägens hergestellt sind. Die Druckdifferenz, bei der dies erfolgt, ist hierbei jeweils vergleichsweise genau einstellbar. Alternativ oder in Kombination hierzu ist das Stabilisierungselement derart ausgestaltet, dass dieses bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur bricht. Aufgrund des Brechens wird die Membran nicht mehr stabilisiert und somit ebenfalls überlastet, sodass diese einreißt. Infolgedessen ist ein Durchtritt eines vergleichsweise großen Volumens von Gas durch die Öffnung möglich. Insbesondere bricht das Abdeckelement in diesem Fall ebenfalls oder ist zumindest derart eingestellt, dass der Gasaustritt im Wesentlichen ungehindert möglich ist. Somit erfolgt ein kontrolliertes Entgasen der Batteriezelle, und eine unkontrollierte Zerstörung des Zellgehäuse aufgrund übermäßigen Drucks ist vermieden. Zwar ist auf diese Weise die Batteriezelle beschädigt und nicht mehr einsetzbar, jedoch ist eine Belastung der Umgebung verringert. Mit anderen Worten wirkt die Membran und das Stabilisierungselement nach Art einer Berstscheibe.
Alternativ oder in Kombination zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen weist das Zellgehäuse geeigneterweise eine integrierte Sollbruchstelle auf. Die integrierte Sollbruchstelle ist beispielsweise von der Öffnung räumlich getrennt oder zum Beispiel weist die integrierte Sollbruchstelle die Öffnung auf. In einer weiteren Alternative ist die Sollbruchstelle durch die Öffnung gebildet. Beispielsweise ist die Sollbruchstelle eine Fläche des Zellgehäuses mit reduzierter Wandstärke. Alternativ oder in Kombination ist die Sollbruchstelle zum Beispiel eine Fläche des Zellgehäuses mit einer Gravur und/oder Kerbe. In einer Weiterbildung ist die Sollbruchstelle eine mit einer Berstscheibe verschlossene zusätzliche Öffnung im Zellgehäuse. Mit anderen Worten weist das Zellgehäuse die zusätzliche Öffnung auf, die vollständig mittels der Berstscheibe verschlossen ist. Geeigneterweise hat die Sollbruchstelle eine Größe von 0,01 % und 50% der Fläche des Zellgehäuses. Bevorzugt weist die Sollbruchstelle eine Größe zwischen 0,1 % und 40 % und insbesondere zwischen 0,3 % und 30 % der Fläche des vollständigen Zellgehäuses auf. Zum Beispiel hat die Membran eine um 50 % größere Fläche als die Öffnung.
Zum Beispiel ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite des Zellgehäuses angeordnet. Dabei steht zum Beispiel die Membran außerhalb der Öffnungen nicht vollständig im physikalischen Kontakt mit dem Zellgehäuses. In einer Alternative ist die Membran über Abstandshalter teilflächig vom Zellgehäuse beabstandet.
In einer weiteren Alternative umfasst das Zellgehäuse zum Beispiel eine Hilfsöffnung, die mit einer Berstscheibe verschlossen ist, die die Öffnung aufweist, die mit der gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist. Die Berstscheibe ist beispielsweise mittels einer Verringerung der Wandstärke des Zellgehäuses gebildet oder ein von dem Zellgehäuse zunächst separates Bauteil, das zur Montage an dem Zellgehäuse befestigt wird. Insbesondere ist mittels der Berstscheibe die etwaige Sollbruchstelle gebildet. Vorzugswiese ist die Membran an einer nach au-ßen gerichteten Seite der Berstscheibe befestigt. Dabei liegt zum Beispiel außenseitig die Membran an einem weiteren oder dem etwaigen Stabilisierungselement an, das mehrere zusätzliche Öffnungen aufweist. Vorzugsweise ist hierbei das Stabilisierungselement an der Berstscheibe befestigt. In einer Alternative ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite der Berstscheibe angeordnet, wobei die Membran über Abstandshalter teilflächig an der Berstscheibe abgestützt ist
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbund derartiger Batteriezellen, wobei der Verbund vorzugsweise ein Batteriemodul oder eine Hochvoltbatterie ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen (PKW), mit einer derartigen Batteriezelle, insbesondere einem derartigen Verbund. Die Batteriezelle wird insbesondere zur Bestromung eines Hauptantriebs des Kraftfahrzeugs verwendet.
Die im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf den Verbund / das Kraftfahrzeug sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das mehrere baugleiche Batteriezellen aufweist,
2 schematisch in einer Schnittdarstellung eine der ein Zellgehäuse aufweisenden Batteriezellen,
3 - 6 schematisch ausschnittsweise das Zellgehäuse, das eine Öffnung für einen Gasaustritt aufweist, bei unterschiedlichen Drücken innerhalb des Zellgehäuses, wobei die Öffnung mit einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist, und wobei die Membran außenseitig mit einem Abdeckelement zur Begrenzung eines Gasaustritts aus dem Zellgehäuse abgedeckt ist,
7, 8 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform der Batteriezelle,
9, 10 in einer Draufsicht jeweils alternative Ausführungsformen eines Stabilisierungselements,
11 - 13 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform der Batteriezelle, und
14 - 17 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform des Abdeckelements.

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 gespeist 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 Energiespeichergehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist.
Innerhalb des Energiespeichergehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere nicht näher dargestellte zueinander baugleiche Batteriemodule angeordnet, die jeweils mehrerer Batteriezellen 14 umfassen. Die Batteriezellen 14 jedes Batteriemoduls sind dabei zueinander teilweise elektrisch in Reihe sowie teilweise zueinander elektrisch parallel geschaltet. Die Batteriemodule wiederum sind zueinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule und somit auch der Batteriezellen 14 erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V oder 800 V beträgt, ein Vielfaches der mit jedem der Batteriemodule und auch mit jedem der Batteriezellen 14 bereitgestellten elektrischen Spannung.
In 2 ist in einer Schnittdarstellung eine der zueinander baugleichen Batteriezellen 14 dargestellt. Die Batteriezelle 14 weist mehrere Anoden 16 und Kathoden 18 auf, von denen jeweils lediglich zwei dargestellt sind. Die Anoden 16 und die Kathoden 18, die die Elektroden 20 der Batteriezelle 14 bilden, sind jeweils flächig ausgestaltet und zu einem Zellstapel abwechselnd aufeinandergeschichtet, wobei zwischen jeweils benachbarten Anoden 16 und Kathoden 18 ein nicht näher dargestellter Separator angeordnet ist. Die Anoden 16 stehen auf einer gemeinsamen Seite über die Kathoden 18 über, nämlich jeweils ein jeweiliger Ableiter, der mittels einer jeweiligen Metallfolie gebildet ist. In dem Bereich des Überstands ist dabei der jeweilige Ableiter frei von weiteren Bestandeilen, jedoch in den sonstigen Bereichen ist eine Schicht auf den jeweiligen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet wird, aufgebracht, die ein Aktivmaterial umfasst. Auch die Kathoden 18 stehen in gleicher Weise über die Anoden 16 über, wobei sich die Überstände auf gegenüberliegenden Seiten des mittels der Anode 16 und Kathoden 18 gebildeten Stapels befinden.
Die Überstände der Anoden 16 und der Kathoden 18 sind jeweils an einer Stromschiene 22 (Tabs) angeschweißt, die aus einem Kupfer gefertigt ist. Hierbei ist den Anoden 16 und den Kathoden 18 jeweils eine gemeinsame Stromschienen 22 zugeordnet. Die Stromschienen 22 weisen jeweils einen Anschluss 24 auf, der durch ein Zellgehäuse 26 geführt ist, innerhalb dessen die Anoden 16 und die Kathoden 18 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Elektroden 20 innerhalb des Zellgehäuses 26 angeordnet. Das Zellgehäuse 26 ist starr ausgestaltet und aus einem Aluminium, also einem aluminiumhaltigen Material, gefertigt. Somit handelt es sich bei der Batteriezelle 14 um eine prismatische Zelle. Das Zellgehäuse 26 ist mit einem nicht näher dargestellten flüssigen Elektrolyten befüllt.
In den 3-6 ist die Batteriezelle 14 schematisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung während des Betriebs dargestellt. Das Zellgehäuses 26 weist eine Öffnung 28 auf, die eine Fläche von 50 mm2 aufweist. Die Öffnung 28 befindet sich hierbei in der gleichen Wand des Zellgehäuse 26, in die auch der Durchbruch für einen der Anschlüsse 24 eingebracht ist. Mit Ausnahme der Öffnung 28 ist das Zellgehäuse 26 fluiddicht und gasdicht ausgestaltet. So sind die Bereiche zwischen den Anschlüssen 24 und den hierzu zugeordnete Durchbrüchen des Zellgehäuses 26 mit einem nicht näher dargestellten Kunststoff ausgefüllt.
Die Öffnung 28 ist mit einer gasdurchlässigen Membran 30 abgedeckt, die an der die Öffnung 28 aufweisenden Innenwand 32 des Zellgehäuse 26 befestigt ist, nämlich mittels Schweißens oder Klebens. Bei dem dargestellten Beispiel überdeckt die Membran 30 die vollständige Innenwand 32 des Gehäuses 26 und somit auch vollständig die Öffnung 28. Die Membran 30 besteht zumindest teilweise aus PTFE. Somit ist ein Gasdurchtritt von H2, CO, CH4 und CO2 durch die Membran 30 vergleichsweise einfach möglich, wohingegen ein Durchtritt von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, und sonstigen Flüssigkeiten im Vergleich hierzu erschwert ist. Die Membran 30, nämlich der Teil, mittels dessen die Öffnung 28 abgedeckt ist, ist bezüglich des Zellgehäuse 26 außenseitig mit einem Abdeckelement 34 abgedeckt. Das Abdeckelement 34 befindet sich an der Außenseite des Zellgehäuse 26 und ist an diesem befestigt. Das Abdeckelement 34 ist gas- und flüssigkeitsdicht und dient der Begrenzung eines Gaseintritts in das Zellgehäuse 26. Somit wird mittels des Abdeckelements 34 ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung, insbesondere Wasserdampf, in die Öffnung 28 und somit auch zur Membran 30 vollständig verhindert.
Bei Betrieb der Batteriezelle 14 ist es möglich, dass sich aufgrund ungewollter chemische Reaktionen, beispielsweise aufgrund einer vergleichsweise hohen Belastung oder aufgrund von ungewünschten Fremdpartikeln, sich in dem Zellgehäuse 26 Gase 36 bilden, wie H2, CO, CH4 und/oder CO2. Hierbei die Gase 36 benötigen ein größeres Volumen als die Reaktionsstoffe, sodass ein Druck innerhalb des Zellgehäuse 26 ansteigt. Wie in 4 gezeigt, ist ein Durchtritt der Gase 36 durch die Membran 30 in die Öffnung 28 möglich, also einen zwischen dem Abdeckelement 34 und der Membran 30 gebildeten Raum 38, der in dieser Ausführungsform mittels der Öffnung 28 definiert ist.
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 und der Druck in dem Raum 38 einen Grenzwert überschreitet, wie z.B. 0,5 bar, wird das Abdeckelement 34 betätigt, sodass dieses teilweise geöffnet wird. Infolgedessen erfolgt ein Gasaustritt aus dem Raum 38 in die die Umgebung des Zellgehäuses 26, wie in 5 gezeigt. Auch strömen weiter Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 durch die Membran 30 und die Öffnung 28 in die Umgebung. Dabei wird mittels der Membran 30 ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellgehäuses 26 vermieden (siehe auch unten).
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Raum 38 und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 erneut abgesunken ist, da die Gase 36 zumindest teilweise ausgetreten sind, wird das Abdeckelement 34 erneut geschlossen, sodass ein weiterer Austritt der Gase 36 aus dem Raum 38 und somit aus dem Zellgehäuse 26 nicht weiter stattfindet, wie in 6 dargestellt. Somit ist nachfolgend wiederum die Membran 30 vollständig mittels des Abdeckelement 34 abgedeckt, sodass ein Eintritt von Feuchtigkeit in die Öffnung 28 vermieden ist.
Aufgrund der Konstruktion der Batteriezelle 14 wäre ein Eintritt von Feuchtigkeit von außerhalb der Batteriezelle 26 zu den Elektroden 20 lediglich dann möglich, wenn das Abdeckelement 34 derart betätigt ist, dass ein Gasdurchtritt möglich ist. In diesem Fall jedoch strömen die Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuse 26 nach außen, sodass aufgrund der Strömungsbewegung der Gase 36 ein Eindringen von Feuchtigkeit unterbunden oder zumindest stark reduziert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Betätigen des Abdeckelements 34 zusätzlich oder alternativ lediglich in Abhängigkeit der Temperatur der Batteriezelle 14. In diesem Fall wird das Abdeckelement 34 betätigt, sodass ein Entweichen der Gase 36 möglich ist, wenn die Temperatur der Batteriezelle 14 einen Grenzwert, wie beispielsweise 40 °C, überschreitet.
Die Membran 30 ist ferner derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses 26 einen (weiteren, höheren) Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert, also der weitere Grenzwert, ist um 10 % - 25% geringer als die maximal Druckbelastung des Zellgehäuses 26, also derjenigen Druckdifferenz, bei der eine irreversible Zerstörung des Zellgehäuses 26 erfolgt. Diese beträgt insbesondere zwischen 6 bar und 8 bar. Mit anderen Worten wirkt die Membran 30 als Berstmembran, die aufreißt, um eine Zerstörung des Zellgehäuses 26 zu vermieden.
Wenn also ein vergleichsweise großes Volumen an Gasen 36 gebildet wird, treten diese in den Raum 28 ein, sodass das Abdeckelement 34 betätigt wird. Infolgedessen entspricht der Druck in dem Raum 28 im Wesentlichen dem Druck in der Umgebung des Zellgehäuses 26, also dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26. Falls dann die Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Raum 28 und dem Druck in dem Inneren des Zellgehäuse 26 den weiteren Grenzwert überschreitet, reist die Membran 30 kontrolliert ein, sodass ein Entweichen der Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 in die Umgebung aufgrund des fehlenden oder verringerten fluidtechnischen Widerstands der Membran 30 beschleunigt ist. Somit wird eine Beschädigung des Gehäuses 26 aufgrund des übermäßigen Drucks im Inneren des Zellgehäuse 26 vermieden.
Wenn die Druckdifferenz erneut unter den weiteren Grenzwert gesunken ist, stoppt das Einrei-ßen der Membran 30. Auch wird, wenn ein Großteil der Gase 36 entwichen ist, sodass die Druckdifferenz zwischen der Umgebung des Zellgehäuse 26 und dem Druck in dem Raum 28 den Grenzwert von 0,5 bar unterschreitet, das Abdeckelement 34 wieder betätigt, sodass mittels dessen die Öffnung 28 vollständig abgedeckt ist. Somit wird mittels des Abdeckelements 34 wiederum ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse 26 vermieden. Folglich ist auch ein weiterer Betrieb der Batteriezelle 14 möglich, wobei jedoch aufgrund der eingerissenen Membran 30 ein Eindringen von Flüssigkeit zumindest zeitweise und teilweise ermöglicht ist.
In 7 ist eine Abwandlung der Batteriezelle 14 gemäß der Darstellung der 3 gezeigt. Bei dieser Variante weist die Batteriezelle 14 ein Trocknungselement 40 auf. Das Trocknungselement 40 besteht aus siliziumhaltigen Gruppen, und liegt als Schicht vor, mittels derer die Membran 30 innenseitig flächig, nämlich in dieser Variante vollflächig, beschichtet und somit abgedeckt ist. Mit anderen Worten liegt das Trocknungselement 40 las zu der Membran 30 separate Lage vor. Mittels des Trocknungselements 40 wird ein Durchtritt der Gase 36 nicht oder lediglich geringfügig behindert. Jedoch wird mittels des Trocknungselements 40 die dennoch durch die Öffnung 28 und die Membran 30 gelangende Feuchtigkeit, nämlich Wasser(-dampf), gebunden und/oder absorbiert, sodass dieses nicht zu den Elektroden 30 und/oder dem Elektrolyten gelangen kann. Somit dient das Trocknungselement 40 der Reduzierung der durch die Öffnung 28 in das Zellgehäuse 26 eindringenden Feuchtigkeit.
In 8 ist eine weitere Abwandlung der Batteriezelle 14 gemäß der Darstellung der 3 gezeigt. Bei dieser Variante ist die Öffnung 28 an der Außenseite mittels der Membran 30 abgedeckt, und die Membran 30 ist an der Außenseite des Zellgehäuse 26 befestigt, nämlich mittels Schweißens oder Klebens. Ferner weist die Batteriezelle 14 ein Stabilisierungselement 42 auf, das aus einem Metall gefertigt ist. Das Stabilisierungselement 42 ist flächig ausgestaltet und liegt vollflächig an der Membran 30 an. Folglich liegt die Membran 30 auch im Bereich der Öffnung 28 an dem Stabilisierungselement 42 an. Die Membran 30 ist dabei zwischen dem Zellgehäuse 26 und dem Stabilisierungselement 42 angeordnet, das somit bezüglich der Membran 30 nach außen versetzt ist.
In den 9 und 10 ist in einer Draufsicht jeweils eine Ausführungsform des Stabilisierungselement 42 dargestellt. Diese weisen jeweils mehrere weitere Öffnungen 44 auf. Bei der in 9 dargestellten Variante sind die weiteren Öffnungen 44 jeweils separat zueinander und mittels runder Aussparungen bereitgestellt. Bei der in 10 dargestellten Variante sind die weiteren Öffnungen 44 streifenförmig.
Die weiteren Öffnungen 44 oder zumindest jeweils ein Teil hiervon ist oberhalb der Öffnung 28 angeordnet, und die weiteren Öffnungen sind somit mittels der Öffnung 28 überdeckt. Das Stabilisierungselement 42 und somit auch die Membran 30 sind vollflächig mittels des Abdeckelements 34 abgedeckt, das ebenfalls außerhalb des Zellgehäuse 26 angeordnet ist. Bei einem Anstieg des Drucks innerhalb des Zellgehäuses 26 und bei einem zumindest teilweise geöffneten Abdeckelement 34 wird die Membran 30 lediglich in den Bereichen der weiteren Öffnungen 44 geringfügig nach außen ausgebeult, sodass eine übermäßige Verformung der Membran 30 vermieden ist. Lediglich dann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Zellgehäuses 26 und der Umgebung des Zellgehäuses 26 den weiteren Grenzwert, nämlich 6 bar - 8 bar, überschreitet, bricht das Stabilisierungselement 42, sodass mittels dessen keine Stabilisierung der Membran 30 mehr erfolgt, die somit einreißt, sodass das Entweichen eines vergleichsweise großen Volumens der Gase 36 ungehindert ermöglicht ist.
In 11 ist eine Variante des Abdeckelements 34 in einer Draufsicht dargestellt. Das Abdeckelement 34 weist mehrere Abdeckflügel 46 auf, die an jeweils zueinander beabstandeten Anbindungspunkten 48 an dem Zellgehäuse 26 angebunden, nämlich befestigt, sind. Die Anbindungspunkte 48 umgeben die Öffnung 28, und die Abdeckflügel 46 sind derart angeordnet, dass diese an dem dem jeweiligen Anbindungspunkt 48 gegenüberliegenden Ende zumindest teilweise einander und die Öffnung 28, und daher auch die Membran 30, überdecken. Die Abdeckflügel 46 sind flexibel ausgestaltet und zum Beispiel aus einem Polymer gefertigt. Bei Überschreiten des Grenzwerts durch die Druckdifferenz werden in die Abdeckflügel 46 an dem von den jeweiligen Anbindungspunkt 48 beabstandeten Freiende aufgrund des erhöhten Drucks von dem Zellgehäuse 26, an dem diese sonst flächig anliegen, abgehoben, sodass der Gasaustritt ermöglicht ist. Falls die Druckdifferenz hingegen geringer ist, ist ein Gasaustritt von innerhalb des Zellgehäuses 26 und/oder ein Eintritt von Feuchtigkeit von außerhalb des Zellgehäuses 26 in die Öffnung 28 oder zumindest zur Membran 30 aufgrund der vergleichsweise großen Kriechstrecke verhindert, die mittels des Überlapps bereitgestellt ist. Bei einer Alternative sind die Abdeckflügel 46 aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt, die ein unterschiedliches Temperaturverhalten aufweisen. Dabei ist das Material des der Außenseite des Zellgehäuses 26 zugewandten Teils der Abdeckflügel 46 derart gewählt, dass sich dieses verstärkt zusammen zieht, wenn die Temperatur ansteigt. Infolgedessen werden bei einer erhöhten Temperatur die Abdeckflügel 46 derart verformt, dass die Öffnung 28 und somit die Membran 30 freigegeben ist.
In 12 ist wiederum in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht die Batteriezelle 14 ausschnittsweise dargestellt. Bei dieser Variante ist die Öffnung 28 außenseitig wiederum mittels der Membran 30 abgedeckt. Die Membran 30 wiederum ist vollständig mittels des Abdeckelements 34 abgedeckt, das ein poröses Element 50 umfasst, nämlich eine Schaumkeramik oder einen Schaumstoff. Das poröse Element 50 weist mehrere nicht näher dargestellte Poren auf, die offen sind. Aufgrund der Poren ist ein Gasdurchtritt möglich, wobei dieser aufgrund des erhöhten fluidtechnischen Widerstands begrenzt ist.
Auf der der Membran 30 gegenüberliegenden Seite ist das quaderförmige poröse Element 50 mit einer Schicht 52 versehen, die vollständig fluiddicht ausgestaltet ist. Mittels der Schicht 52 wird sichergestellt, dass die austretenden Gase 36 einen vergleichsweise langen Weg durch das poröse Element 50 zum Austritt nehmen, wobei eine Baugröße des Abdeckelements 34 nicht übermäßig erhöht ist. Auch ist mittels der Schicht 52 sichergestellt, dass auftreffendes Wasser ebenfalls erst nach einem vergleichsweise langen Weg durch das poröse Element 50 zu der Öffnung 28 gelangt, was aufgrund der Kapillareffekte vergleichsweise stark verzögert wird.
In 13 ist gemäß 12 eine weitere Ausgestaltung der Batteriezelle 14 dargestellt. Auch hier ist die Membran 30 an der Außenseite des Zellgehäuse 26 angeordnet und überdeckt die Öffnung 28. Auch das Abdeckelement 34 ist an der Außenseite des Gehäuses 26 angeordnet. Das Abdeckelement 34 umfasst ein Ventil 54 und ist bei der dargestellten Ausführungsform damit gebildet. Das Ventil 54 weist einen fluidundurchlässigen Körper 56 auf, die derart geformt, dass mittels dessen die vollständige Membran 30 umschlossen ist, wenn der Körper 56 an dem Zellgehäuse 26 randseitig anliegt. Der Körper 56 ist aus einem Kunststoff gefertigt und mittels nicht näher dargestellter Führungen längsverschieblich senkrecht zur Fläche der Membran 30 gelagert. Zudem ist der Körper an einem Anschlag 58 mittels mehrerer Feder 60 abgestützt, wobei sich der Körper 56 zwischen dem Anschlag 58 und der Membran 30 befinden. Die Federn 60 sind derart ausgestaltet, dass mittels dieser der Körper 56 gegen die Membran 30 und das Zellgehäuse 26 gedrückt wird, solang die Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Gehäuses 26 und der Umgebung des Zellgehäuse 26 kleiner als der Grenzwert von 0,5 bar ist. Wenn der Grenzwert überschritten wird, wird aufgrund des Drucks der Körper 56 entgegen der mittels der Federn 60 aufgebrachten Kraft von der Membran 30 beabstandet, sodass ein Entweichen der Gase 36 ermöglicht ist.
In einer nicht näher dargestellten Variante sind die Federn 60 durch einen Aktor ersetzt, oder der Aktor ist zusätzlich vorhanden. Der Aktor, wie ein Piezoaktor oder ein Magnetelement, wird zum Beabstanden des Körpers 56 von der Membran 30 betätigt, wenn bestimmte Bedingungen vorliegen, wie beispielsweise ein bestimmter Temperaturanstieg.
In 14 ist eine alternative Ausführungsform des Ventils 54 dargestellt. Bei dieser ist der Körper 56 mittels eines Scharniers 62, wie eines Filmscharniers, an weiteren Bestandteilen des Abdeckelements 34 oder dem Zellgehäuse 26 schwenkbeweglich gelagert. Bei einer Variante ist das Ventil 54 nach Art eines Rückschlagventils ausgestaltet, sodass von außen auf den Körper 56 auftreffende Flüssigkeit zu einem Schließen des Ventils 54 führt. Bei nicht näher dargestellten Variante ist der Körper 56 zudem mittels der nicht näher dargestellten Federn 60 belastet, mittels derer der Körper 56 in die geschlossene Position gedrückt oder gezogen wird, wenn die Druckdifferenz geringer als der Grenzwert ist. Bei einer weiteren, nicht dargestellten Variante ist der Körper 56 zusätzlich oder alternativ mittels des Aktors betätigt.
In den 15 und 16 ist eine abgewandelte Form des Abdeckelements 34 dargestellt. In einer Alternative ist die Polymerschicht 64 auf ein hierzu separates Bauteil aufgebracht, oder mittels der Polymerschicht 64 ist eine weitere Membran gebildet. Die Polymerschicht 64 weist einen Boden 66 auf, an dem mehrere Nanostrukturen 68 befestigt sind. Die Nanostrukturen 68 sind jeweils zueinander jeweils 200nm beabstandet und in einem sich wiederholenden Muster angeordnet. Jede Nanostruktur 68 weist einen an dem Boden 66 befestigten und davon wegweisende Zapfen 70 auf, an dem auf dem dem Boden 66 gegenüberliegenden Freiende eine Verdickung 72 angebunden ist. Die Ausdehnung der Verdickung 72 ist abhängig von einer angelegten elektrischen Spannung. Im Normalzustand des Abdeckelements 34, also wenn keine elektrische Spannung anliegt, sind die Verdickungen 20 derart aufgebläht, dass jeweils benachbarte Verdickungen 20 aneinander anliegen, sodass ein Durchtritt der Gase 36 nicht möglich ist, wie in 15 gezeigt. Falls hingegen eine elektrische Spannung angelegt ist, ziehen sich die Verdickungen 72 zusammen, sodass benachbarte Verdickungen 20 zueinander beabstandet sind. Infolgedessen ist ein Durchtritt der Gase 36 ermöglicht, wie in 16 gezeigt.
In 17 ist eine Abwandlung des Abdeckelements 34 gezeigt, das ebenfalls mittels der Polymerschicht 64 gebildet ist. Bei dieser sind jedoch die Nanostrukturen 68 als Mikrogräser ausgestaltet. Mit anderen Worten stehen von dem Boden 66 die einzelnen Zapfen 70 lediglich ab, und diese sind vergleichsweise flexibel ausgestaltet. Hierbei weisen, wie bei der vorherigen Ausführungsform, die Zapfen 70 von dem Zellgehäuse 26 weg bzw. nach außen. Bei einer von außen auftreffenden Flüssigkeitstropfen werden die Zapfen 70 auf den Boden 66 umgebogen, sodass die Zapfen 70 übereinander und aneinander anliegen. Infolgedessen ist ein Durchtritt der Feuchtigkeit vermieden. Sobald die Feuchtigkeit entfernt ist, nehmen die Zapfen 70 im Wesentlichen wieder die ursprüngliche Position ein. Der Durchtritt der Gase 36 von der entgegengesetzten Richtung ist bei den gerade ausgerichteten Zapfen 70 stets möglich.
Bei einer nicht näher dargestellten Variante ist die Form der Zapfen 70 abgeändert, und diese sind beispielsweise verkürzt und/oder konisch ausgestaltet. Bei nicht näher dargestellten Varianten sind die Zapfen 70 vergrößert, sodass die Polymerschicht 64 anstatt der Nanostrukturen 68 Mikrostrukturen aufweist. Mit anderen Worten ist die Größe der Zapfen 70 sowie deren Abstand zueinander vergrößert. Die Form der Zapfen 70 hingegen ist jedoch im Wesentlichen nicht abgeändert.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele 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 den einzelnen Ausführungsbeispielen 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: Energiespeichergehäuse
14: Batteriezelle
16: Anode
18: Kathode
20: Elektrode
22: Stromschiene
24: Anschluss
26: Zellgehäuse
28: Öffnung
30: Membran
32: Innenwand
34: Abdeckelement
36: Gas
38: Raum
40: Trocknungselement
42: Stabilisierungselement
44: weitere Öffnung
46: Abdeckflügel
48: Anbindungspunkt
50: poröses Element
52: Schicht
54: Ventil
56: Körper
58: Anschlag
60: Feder
62: Scharnier
64: Polymerschicht
66: Boden
68: Nanostruktur
70: Zapfen
72: Verdickung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021/079163 A1 [0027]

Claims

Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind, und das eine Öffnung (28) aufweist, die mit einer gasdurchlässigen Membran (30) abgedeckt ist, wobei die Membran (30) außenseitig mit einem Abdeckelement (34) zur Begrenzung eines Stoffeintritts in das Zellgehäuse (26) abgedeckt ist.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) an einer Innenwand (32) des Zellgehäuses (26) befestigt ist.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses (26) und einem Druck in einem Raum (38) betätigt ist, der zwischen dem Abdeckelement (28) und der Membran (30) gebildet ist.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) ein Ventil (54) umfasst.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) eine Polymerschicht (64) mit Mikro- oder Nanostrukturen (68) umfasst.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) mehrere einander und die Membran (30) zumindest teilweise überlappende flexible Abdeckflügel (46) umfasst, die zueinander beabstandet an dem Zellgehäuse (26) angebunden sind.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Trocknungselement (40) zur Reduzierung einer durch die Öffnung (28) in das Zellgehäuse (26) eindringenden Feuchtigkeit.
Batteriezelle (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) innenseitig flächig mit dem Trocknungselement (40) abgedeckt ist.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) derart ausgestaltet ist, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses (26) und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses (26) einen Grenzwert überschreitet.
Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) im Bereich der Öffnung (28) an einem Stabilisierungselement (42) anliegt, das mehrere weitere Öffnungen (44) aufweist, die jeweils von der Öffnung (28) überdeckt sind.