DE102022205366A1 - Batteriezelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (28), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind. Das Zellgehäuse (28) weist einen Sollbruchbereich (30) auf, wobei der Sollbruchbereich (30) eine Öffnung (36) aufweist. Die Öffnung (36) ist mittels einer gasdurchlässigen Membran (38) abgedeckt.

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 auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Zellgehäuses der Elektrolyt 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“. Somit sind die galvanischen Elemente zu einer Zylinderform aufgerollt.
• Je nach verwendeter Anordnung der galvanischen Elemente ist das Zellgehäuse geformt. Hierbei ist es möglich, dieses starr auszugestalten und beispielsweise aus einem Aluminium zu fertigen. Hierbei ist der Form des Zellgehäuse 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 eine Dekontaktierung einzelner Elektroden erfolgen kann, 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 vermeiden, ist eine spezielle Auswahl der einzelnen Materialien der Elektroden erforderlich, was einerseits Herstellungskosten erhöht. Andererseits ist bei derartigen Materialien eine Kapazität der Batteriezelle herabgesetzt. Alternativ hierzu sind beispielsweise in dem Zellgehäuse zusätzliche Elemente vorhanden, mittels derer die entstehenden Gase gebunden und/oder umgesetzt werden. Bei einer weiteren Variante ist das Zellgehäuse vergleichsweise robust ausgestaltet, sodass der Druck, der zu einem Brechen des Zellgehäuses führt bei Betrieb der Batteriezelle nie erreicht wird. Aufgrund der zusätzlichen Elemente bzw. der robusten Ausgestaltung des Zellgehäuses 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. Vorzugsweise ist jedoch eine Anode mehr als Kathode vorhanden. Besonders bevorzugt sind 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 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, LMNO oder LFP, und/oder für die Anode LTO oder Graphit, Si-basiert, 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 einer der Kathoden, jeweils ein Separator des Zellstapels angeordnet, der vorzugsweise ebenfalls flächig ausgestaltet. 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. Besonders bevorzugt ist hierbei der Überstand auf einer der Seiten vergrößert. Vorzugsweise stehen ebenfalls auch die Kathoden einseitig über die Anoden über, wobei sich die (vergrößerten) Überstände auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels befinden. Auf diese Weise ist eine Kontaktierung der Anoden und Kathoden mit weiteren Bestandteilen vereinfacht. 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“. Geeigneterweise weist das Zellgehäuse einen Grundkörper auf, innerhalb dessen die Elektroden angeordnet sind. Der Grundkörper ist hierbei beispielsweise topfförmig ausgestaltet und mittels eines Deckels des Zellgehäuses verschlossen. Somit ist ein Anordnen der Elektroden vereinfacht. Insbesondere ist mittels des Zellgehäuses, vorzugsweise des Grundkörpers, ein Volumen zwischen 0,1 dm3 und 10 dm3 umgeben. Beispielsweise ist zusätzlich das Zellgehäuse zumindest teilweise mit einem Elektrolyten befüllt, oder der Elektrolyt ist beispielsweise teilweise bereits mittels des jeweiligen Aktivmaterials gebildet. Das Zellgehäuse, insbesondere der etwaige Grundkörper, ist vorzugsweise starr ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle um eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Zellgehäuse, vorzugsweise der Grundkörper und/oder der etwaige Deckel, aus einem Metall, wie einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das Zellgehäuse, insbesondere der Grundkörper, weist zum Beispiel eine Quaderform auf. Alternativ hierzu ist das Zellgehäuse, und vorzugsweise der Grundkörper, 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/Elektrolyten mit Umgebungsluft oder sonstigen Partikeln. Mit anderen Worten sind die Elektroden innerhalb des Zellgehäuse 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 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, insbesondere der etwaige Grundkörper, weist einen Sollbruchbereich auf. Der Sollbruchbereich überdeckt somit eine bestimmte Fläche des Zellgehäuses, insbesondere des Grundkörpers. Der Sollbruchbereich ist derart ausgestaltet, dass dieser bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Zellgehäuses bricht, sodass insbesondere ein Stoffaustausch zwischen dem Inneren des Zellgehäuses und der Umgebung ermöglicht ist. Das Brechen des Sollbruchbereichs ist hierbei irreversibel. Zum Beispiel bricht bei Überschreiten der Druckdifferenz, der nachfolgend insbesondere auch als Berstdruck bezeichnet wird, der solche vollständige Sollbruchbereich, oder lediglich teilweise. Insbesondere ist hierbei die Fläche des Sollbruchbereichs, die bricht und somit geöffnet wird, abhängig von der tatsächlich vorhandenen Druckdifferenz.
• Das Zellgehäuse ist hierbei insbesondere derart ausgebildet, dass bei Überschreiten des Berstdrucks zunächst das Zellgehäuse lediglich im Bereich des Sollbruchbereichs bricht, wohingegen die restlichen Bestandteil des Zellgehäuses, insbesondere des Grundkörpers, unversehrt bleiben. Diese werden lediglich bei einer weiter erhöhten Druckdifferenz beschädigt und brechen in diesem Fall insbesondere unkontrolliert. Der Berstdruck ist vorzugsweise derart gewählt, dass dieser geringer als die Druckdifferenz zwischen einem Druck innerhalb des Zellgehäuses und einem Druck außerhalb des Zellgehäuses ist, der zu einem Zerstörung des Zellgehäuses führt, beispielsweise einem vollständigen Bersten oder Brechen. Vorzugsweise ist der Berstdruck zwischen 70% und 90%, zwischen 75% und 85% oder 80 % dieser Druckdifferenz.
• Der Sollbruchbereich weist eine Öffnung auf, die insbesondere in einem mittleren Bereich, also von einem Rand des Sollbruchbereichs nach innen versetzt, angeordnet ist. Geeigneterweise ist der Abstand der Öffnung zu einem Rand des Sollbruchbereichs größer als ein Viertel der Ausdehnung des Sollbruchbereichs in die jeweilige Richtung. Insbesondere befindet sich die Öffnung genau in der Mitte des Sollbruchbereich. Die Fläche der Öffnung ist kleiner als die Fläche des Sollbruchbereichs und insbesondere kleiner als 50 %, 20 %, 10 %, 5 %, 1 % oder 0,1% hiervon.
• Die Öffnung ist mittels einer Membran abgedeckt, die gasdurchlässig ist. Insbesondere ist die Membran starr, also unbeweglich, an dem Zellgehäuse, vorzugsweise dem Grundkörper und/oder dem Sollbruchbereich, angebunden, sodass eine Bewegung der Membran bezüglich des Zellgehäuses/ Grundkörpers vermieden ist. Die Fläche der Membran ist zumindest gleich der Fläche der Öffnung oder bevorzugt größer, sodass die Membran die Öffnung vollständig überlappt. Insbesondere ist die Fläche der Membran kleiner als die Fläche des vollständigen Sollbruchbereichs. Auf diese Weise sind Materialkosten reduziert. Auch kann die Membranfläche unabhängig von der Fläche des Sollbruchbereichs hinsichtlich der notwendigen aktiven Fläche und ihrer Verbindung zum Sollbruchbereich/Zellgehäuse optimiert werden. Alternativ ist die Fläche größer als die Fläche des Sollbruchbereichs, und die Membran überlappt den Sollbruchbereich. Auf diese Weise erfolgt bei einer, insbesondere randseitigen, Befestigung der Membran an dem Zellgehäuse keine Beeinflussung des Sollbruchbereichs.
• Vorzugsweise ist die Membran derart angeordnet, dass ein Durchtritt von Flüssigkeiten und/oder Gas zwischen der Membran und dem Sollbruchbereich hindurch vermieden ist. Mit anderen Worten ist die Membran gas- und fluiddicht an dem Zellgehäuse angebunden, beispielsweise direkt oder über weitere Bestandteile. Besonders bevorzugt ist hierfür die Membran mit dem Zellgehäuse, z.B. dem Sollbruchbereich, verschweißt, geeigneterweise mit einer umlaufenden Schweißnaht. Hierfür wird beispielsweise ein Ultraschall-, Laser- oder Temperaturschweißverfahren verwendet. 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. der 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 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 Feuchtigkeit, insbesondere für Wasserdampf, ist jedoch vorzugsweise deutlich geringer. Insbesondere hat die Membran ein Verhältnis der CO2-Durchlässigkeit zur Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von mindestens 0,5, von mindestens 1 oder mindestens 1,5. Bevorzugt ist das Verhältnis mehr als 0,5 und weniger als 3. Insbesondere wirkt die Membran als Barriere für das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasserdampf in das Zellgehäuse. 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 Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in das Zellgehäuse erschwert oder signifikant reduziert.
• Aufgrund der gasdurchlässigen Membran ist im Wesentlichen eine kontinuierliche Entgasung des Zellgehäuses möglich, sodass ein Ausbilden einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses, insbesondere aufgrund eines ungewollten Entstehens von Gasen in dem Zellgehäuse bei Betrieb der Batteriezelle, vermieden oder verlangsamt ist. Aufgrund der vergleichsweise geringen Fläche der Öffnung ist dabei einerseits eine mechanische Integrität des Zellgehäuses lediglich unwesentlich verringert. Andererseits ist lediglich in diesem Bereich ein Eindringen von Fremdstoffen, wie Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten, in das Zellgehäuse prinzipiell möglich, was vergleichsweise unwahrscheinlich ist. Somit ist ein vergleichsweise sicherer Betrieb der Batteriezelle über einen vergleichsweise langen Zeitraum möglich, sodass eine Betriebssicherheit erhöht ist. Mit anderen Worten erfolgt bei einem ungestörten Betrieb der Batteriezelle aufgrund der im Wesentlichen kontinuierlicher Entlassung über die Membran kein übermäßiges Ansammeln der Gase innerhalb des Zellgehäuses, sodass die Druckdifferenz zwischen der Umgebung des Zellgehäuses und dem Inneren des Zellgehäuses vergleichsweise gering bleibt.
• Falls jedoch aufgrund von ungewollten chemischen Reaktionen in dem Zellgehäuse, beispielsweise bei einer Überlastung, die Druckdifferenz vergleichsweise stark und schnell ansteigt, sodass die entstehenden Gase nicht ausreichend über die Öffnung und die Membran abgeführt werden können, bricht der Sollbruchbereich, und das Zellgehäuse wird an einer definierten Stelle, nämlich in dem Sollbruchbereich, geöffnet. Folglich ist eine unkontrollierte Beschädigung des Zellgehäuses und ein unkontrollierter Einfluss auf die Umgebung vermieden. Vielmehr erfolgt dies lediglich im Bereich des Sollbruchbereichs, und es ist somit möglich, die Einbausituation der Batteriezelle hierauf anzupassen. Somit ist eine Betriebssicherheit erhöht.
• Die Membran ist insbesondere aus einem Polymer gefertigt und zum Beispiel eine Folie, beispielsweise eine 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. Eine für Batterieanwendungen geeignete Membran ist in der WO 2021/079163 A1 beschrieben. Beispielsweise ist die Membran flach ausgestaltet. Auf diese Weise ist eine Fertigung vereinfacht und ein Gewicht verringert.
• Beispielsweise ist der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/die Öffnung in einem Bereich angeordnet, an dem sich entstehende Gas sammeln, sodass ein vergleichsweiser effizienter Abtransport der Gase durch die Öffnung ermöglicht ist. Beispielsweise weist der Sollbruchbereich lediglich die einzige Öffnung auf, die mit der Membran abgedeckt ist. Alternativ hierzu umfasst der Sollbruchbereich mehrere derartige Öffnungen, die jeweils mit der Membran abgedeckt sind. Hierbei ist die Membran beispielsweise durchgehend ausgestaltet, oder jeder der Öffnungen ist eine entsprechende (separate) Membran zugeordnet.
• Der Sollbruchbereich ist beispielsweise stadionförmig, rund oder rechteckförmig ausgestaltet. Insbesondere ist eine Fläche des Sollbruchbereichs zwischen 0,01 cm2 und 20 cm2 und vorzugsweise zwischen 0,1 cm2 und 10 cm2. Geeigneterweise hat der Sollbruchbereich eine Grö-ße von 0,01 % und 50% der Fläche des Zellgehäuses. Bevorzugt weist der Sollbruchbereich 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. Geeigneterweise hat die Öffnung eine Fläche von 50 µm2 bis 15 mm2, bevorzugt von 0,2 mm2 bis 3 mm2.
• Vorzugsweise ist die Öffnung mit einer gasdurchlässigen, hydrophoben, also zumindest Wasser abstoßenden, weiteren Membran abgedeckt. Vorzugsweise ist ein Kontaktwinkel des Materials der weiteren Membran zu Wasser größer als 80°, 90° oder 100°, insbesondere wenn das Material ebenfalls Luft ausgesetzt ist oder sich in Umgebungsluft befindet. Mittels der weiteren Membran wird somit Feuchtigkeit von der Membran abgehalten weswegen ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse weiter erschwert ist. Zumindest jedoch wird mittels der weiteren Membran von außen eindringende Feuchtigkeit abgehalten.
• Insbesondere sind die beiden Membrane parallel angeordnet, und die weitere Membran überdeckt zweckmäßigerweise die Membran vollständig. Vorzugsweise ist die weitere Membran an dem Zellgehäuse, zum Beispiel dem Sollbruchbereich fluiddicht befestigt. Zum Beispiel ist die Öffnung direkt mit der weiteren Membran abgedeckt, und die weitere Membran ist direkt an dem Zellgehäuse befestigt. Hierbei befindet sich die Membran insbesondere bezüglich des Sollbruchbereichs oder zumindest der weiteren Membran nach innen versetzt, sodass die Öffnung beidseitig mittels der beiden Membranen abgedeckt ist. Somit wird auch die Membran mittels der Membran geschützt und ein Auftreffen von Wasser(-dampf) auf diese verhindert. Auch ist aufgrund der Anordnung der beiden Membranen beidseitig des Sollbruchbereichs eine Konstruktion vereinfacht, und die beiden Membranen sind zweckmäßigerweise an dem Zellgehäuse fluiddicht befestigt. Alternativ hierzu ist beispielsweise die Position der weiteren Membran und der Membran vertauscht. In einer weiteren Alternative befinden sich die weitere Membran und die Membran auf der gleichen Seite bezüglich des Zellgehäuses/Sollbruchbereichs, und mittels der weiteren Membran ist insbesondere die Membran abgedeckt, sodass auch die Öffnung abgedeckt ist. Insbesondere befindet sich hierbei die weitere Membran bezüglich der Membran nach außen versetzt, sodass die Membran mittels der weiteren Membran geschützt ist. Auch ist auf diese Weise möglich, einen für den Gasdurchtritt genutzte Fläche der weiteren Membran vergleichsweise groß zu wählen. Zum Beispiel ist die weitere Membran an der Membran befestigt, und mittels dieser ist insbesondere eine Art Laminat oder Sandwich bereitgestellt. Auf diese Weise ist eine Fertigung vereinfacht.
• Beispielsweise ist die Membran reißfest ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses einen ersten Grenzwert überschreitet. Aufgrund des Einreißen ist ein Gasdurchtritt durch die Membran oder zumindest die Öffnung beschleunigt, sodass sich der Druck innerhalb des Zellgehäuses vergleichsweise schnell abbaut. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Zellgehäuses vermieden. Beispielsweise reißt bei Überschreiten des ersten Grenzwerts die Membran vollständig und wird somit zerstört, bricht also. Somit wird effektiv die vollständige Fläche der Öffnung für den Gasdurchtritt genutzt, sodass die Druckdifferenz vergleichsweise schnell abgebaut werden kann. Alternativ oder in Kombination zu dem Einreißen der Membran wird beispielsweise bei Überschreiten des ersten Grenzwerts oder eines weiteren Grenzwerts die fluiddichte Anbindung der Membran an dem Zellgehäuse zumindest teilweise aufgehoben. Somit ist auch dort ein Austritt der Gase ermöglicht, was zu einer Reduzierung der Druckdifferenz führt.
• Der erste Grenzwert ist zweckmäßigerweise kleiner als der Berstdruck, der einen zweiten Grenzwert darstellt. Der Sollbruchbereich ist somit derart ausgestaltet ist, dass dieser bricht, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses und dem Druck innerhalb des Zellgehäuses den zweiten Grenzwert überschreitet, der größer als der erste Grenzwert ist. Der erste Grenzwert beträgt beispielsweise zwischen 90 % und 50 % des zweiten Grenzwerts (Berstdrucks), zwischen 80 % und 60 % des zweiten Grenzwerts (Berstdrucks) und beispielsweise im Wesentlichen gleich 70 % des zweiten Grenzwerts (Berstdrucks). Somit wird bei einem übermäßigen Druckanstieg zunächst die Membran zumindest teilweise zerstört, wohingegen der Sollbruchbereich intakt verbleibt. Somit ist nachfolgend auch weiterhin ein Betrieb der Batteriezelle möglich. Falls dahingegen trotz des Einreißens der Membran die Druckdifferenz nicht unterhalb des Berstdrucks verbleibt, birst der Sollbruchbereich, sodass ein Aufreißen des Zellgehäuses an einer anderen Stelle unterbunden ist.
• Beispielsweise ist die Membran an einer Außenseite des Zellgehäuses, zum Beispiel an einer Außenseite des Sollbruchbereichs oder des etwaigen Grundkörpers, 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 Kapazität der Batteriezelle erhöht. Auch ist es auf diese Weise möglich, eine Fläche der Membran größer als die Fläche der Öffnung zu wählen. Nach Durchtritt der Gase durch die Öffnung steht somit für diese eine vergrößerte Oberfläche zum Durchtritt durch die Membran zur Verfügung.
• Bevorzugt liegt die Membran an der dem Zellgehäuse abgewandten Seite an einem Stabilisierungselement an, das mehrere zusätzliche Öffnungen aufweist. Mittels des Stabilisierungselements werden insbesondere die räumlichen Freiheitsgrade für die Membrane begrenzt und somit die Membrane bei erhöhtem Druck zusätzlich stabilisiert. Mit anderen Worten wird mittels des Stabilisierungselements eine maximale Verformung der Membran vorgegeben und die Membran somit stabilisiert. Somit ist eine Stabilität der Membran selbst nicht erforderlich, oder zumindest die Anforderungen hieran sind reduziert, weswegen in dieser Hinsicht keine Beschränkungen bei der Materialwahl der Membran vorherrschen. Zweckmäßigerweise überdeckt das Stabilisierungselement die Membran vollständig. Das Stabilisierungselement ist vorzugsweise starr ausgestaltet und beispielsweise aus einem Metall gefertigt. Insbesondere ist das Stabilisierungselements nach Art eines Gitters ausgestaltet, mittels dessen somit die zusätzlichen Öffnungen gebildet sind. Aufgrund der zusätzlichen Öffnungen ist ein ungestörter Gasdurchtritt durch das Stabilisierungselement ermöglicht.
• Beispielsweise ist das Stabilisierungselement derart ausgestaltet, dass dieses bei einer erhöhten Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Zellgehäuses und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses bricht. Die Druckdifferenz, bei der dies erfolgt, ist vergleichsweise genau einstellbar. Aufgrund des Brechens wird die Membran nicht mehr stabilisiert und somit ebenfalls überlastet, sodass diese einreist. Infolgedessen ist ein Durchtritt eines vergleichsweise großen Volumens von Gas durch die weitere Öffnung möglich. Zweckmäßigerweise entspricht hierbei die Druckdifferenz dem etwaigen ersten Grenzwert.
• Beispielsweise ist das Stabilisierungselements beabstandet von dem Sollbruchbereich an dem Zellgehäuse befestigt. Auf diese Weise ist bei Fertigung eine Beschädigung des Sollbruchbereichs aufgrund der Anbindung des Stabilisierungselements an diesem vermieden, sodass ein Ausschuss und Herstellungskosten reduziert sind. Auch wird auf diese Weise der Sollbruchbereich zumindest teilweise mittels des Stabilisierungselements stabilisiert, weswegen Beschränkungen bei der Materialwahl oder Geometrie des Sollbruchbereichs verringert sind. Alternativ ist das Stabilisierungselement an dem Sollbruchbereich befestigt. Auf diese Weise ist ein Platzbedarf verringert.
• In einer Alternative ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite des Sollbruchbereichs angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich die Membran bezüglich des Sollbruchbereichs in das Innere des Zellgehäuses versetzt. Auf diese Weise wird auch bei einem vergleichsweise hohen Druck innerhalb des Zellgehäuses die Membran nicht übermäßig nach au-ßen ausgebeult, wenn aufgrund der Ausgestaltung der Membran kein sofortiger Durchtritt der Gase ermöglicht ist. Hierbei wird die Membran zumindest teilweise an die nach innen gerichtete Seite des Sollbruchbereichs gedrückt. Folglich wird die Membran mittels des Sollbruchbereichs stabilisiert, was eine Robustheit erhöht. Auch wird die Membran bei einem Überdruck gegen die des Sollbruchbereichs gedrückt, und ein Durchtritt von Gas zwischen dem Sollbruchbereich und der Membran ist somit verhindert, was eine Dichtigkeit in diesem Bereich erhöht. Folglich ist lediglich ein Austritt des Gases durch die Membran möglich, was somit kontrolliert erfolgt.
• Zum Beispiel ist die Membran direkt an der nach innen gerichteten Seite des Sollbruchbereichs befestigt. Auf diese Weise ist auch eine vergleichsweise großflächige Anbindung der Membran an dem Sollbruchbereichs möglich, sodass eine Dichtigkeit in diesem Bereich erhöht ist. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran über Abstandshalter teilflächig an dem Sollbruchbereich abgestützt. Somit liegt die Membran nicht oder lediglich randseitig an dem Sollbruchbereich an und ist in weiteren Bereichen mittels der Abstandshalter von dem Sollbruchbereich beabstandet. Infolgedessen ist eine vergrößerte Fläche der Membran für den Gasdurchtritt bereitgestellt, sodass ein Volumen von Gasen, das durch die Membran geführt werden kann, vergrößert ist. So ist es zum Beispiel möglich, dass ein Teil der Gase in den zwischen der Membran und dem Sollbruchbereich gebildeten Raum, der mittels der Abstandhalter definiert ist, durch die Membran eintritt und erst im Anschluss hieran durch die Öffnung in die Umgebung der Batteriezelle gelangt. Zusammenfassend ist mittels der Abstandhalter die Membran nicht vollflächig, sondern lediglich teilflächig, also beispielsweise punktuell oder in bestimmten Bereichen abgestützt, sodass ein vergleichsweise großer Raum zwischen der Membran und dem Sollbruchbereich gebildet ist.
• Die Abstandshalter sind beispielsweise zumindest teilweise dom- oder stegartig, sodass mittels dieser auch eine Stabilisierung der Membran erfolgt, die somit auch bei einer vergleichsweise großen Druckdifferenz nicht übermäßig verformt wird. Hierbei ist beispielsweise die Membran randseitig an dem Zellgehäuse direkt befestigt, oder die Membran ist randseitig über einen weiteren, umlaufende ausgestalteten Abstandhalter an dem Zellgehäuse, beispielsweise dem Sollbruchbereich, abgestützt. Die Abstandhalter sind beispielsweise an dem Sollbruchbereich befestigt. Besonders bevorzugt jedoch sind die Abstandhalter an der Membran befestigt und insbesondere an dieser angeformt. Somit ist eine fluiddichte Verbindung zwischen der Membran und den Abstandshaltern gegeben. Auch ist auf diese Weise eine Herstellung vereinfacht. Insbesondere sind die Abstandhalter aus dem gleichen Material wie die Membran gefertigt, und diese werden beispielsweise in einem Spritzguss- oder Laminationsverfahren in einem gemeinsamen Arbeitsschritt erstellt. In einer weiteren Alternative sind die Abstandhalter und die Membran separate Bauteile, die bei Montage aneinandergefügt werden. Vorzugsweise erfolgt mittels eines Teils der Abstandhalter, insbesondere der randseitigen, die fluiddichte Befestigung der Membran an dem Sollbruchbereich. Alternativ hierzu ist die Membran randseitig direkt an dem Sollbruchbereich befestigt, wobei die Membran in den weiteren Bereichen mittels der Abstandhalter von dem Sollbruchbereich beabstandet ist.
• Beispielsweise der etwaige Grundkörper eine weitere Öffnung auf. Der Grundkörper ist hierbei beispielsweise starr, sodass die Batteriezelle eine prismatische Zelle ist. Alternativ hierzu ist der Grundkörper zumindest teilweise elastisch ausgestaltet, und die Batteriezelle ist eine Pouchzelle. In die weitere Öffnung ist eine Berstscheibe eingesetzt, sodass die Öffnung mit der Berstscheibe verschlossen ist. Die Berstscheibe besteht beispielsweise aus einem Metall, wie Aluminium, oder einem Kunststoff. Die Berstscheibe ist ein zu dem Grundkörper separates Bauteil, das bei Montage an das Zellgehäuse gefügt wird. Insbesondere ist die Berstscheibe gas- und fluiddicht an dem Zellgehäuse angebunden, vorzugsweise befestigt, beispielsweise mittels Schweißens und/oder Klebens. Die Berstscheibe ist zum Beispiel rund und insbesondere im Wesentlichen plan. Hierbei ist die Berstscheibe zweckmäßigerweise parallel zu einer etwaigen Seite des Zellgehäuses angeordnet, die die weitere Öffnung aufweist. Alternativ hierzu ist die Berstscheibe zumindest teilweise konkav oder konvex ausgestaltet, sodass mittels dieser eine Druckfestigkeit erhöht ist. Der Sollbruchbereich umfasst zweckmäßigerweise die Berstscheibe. Zum Beispiel ist der Sollbruchbereich mittels der Berstscheibe gebildet, oder der Sollbruchbereich weist noch weitere Bauteile auf. Zumindest jedoch umfasst die Berstscheibe vorzugsweise die Öffnung. Insbesondere bricht die Berstscheibe bei Überschreiten des Berstdrucks, und die Berstscheibe ist insbesondere entsprechend ausgewählt. Aufgrund der Berstscheibe steht somit ein vorgefertigtes Bauteil zur Verfügung, dass bei Montage zur Bereitstellung der Sollbruchstelle in die weitere Öffnung eingesetzt wird. Somit ist die Montage vereinfacht. Auch ist es möglich, den Berstdruck mittels Auswahl der entsprechenden Berstscheibe auf die jeweilige Anwendung anzupassen.
• Zweckmäßigerweise ist die Membran an der Berstscheibe befestigt, beispielsweise mittels Klebens und/oder Schweißens. Hierfür wird beispielsweise ein Ultraschall-, Laser- oder Temperaturschweißverfahren verwendet. Aufgrund der Befestigung der Membran an der Berstscheibe ist es möglich, diesen Verbund separat zu fertigen und anschließend die Berstscheibe mit der Membran in die weitere Öffnung einzusetzen. Auf diese Weise ist eine Montage vereinfacht, und eine nachfolgende Beschädigung der Berstscheibe im Wesentlichen ausgeschlossen. Auch ist auf diese Weise eine vergleichsweise kostengünstige fluidtechnischen Anbindung der Membran an der Berstscheibe ermöglicht. Zudem ist es auf diese Weise möglich, die Berstscheibe mit der daran befestigten Membran als Modul zu fertigen, wobei bereits eine Abstimmung der Materialeigenschaften der Membran auf die Berstscheibe erfolgt. Für den konkreten Anwendungsfall wird zum Beispiel eines von mehreren Modulen herangezogen.
• Alternativ oder in Kombination hierzu ist eine Wanddicke des Zellgehäuses, vorzugsweise des etwaigen Grundkörpers, im Sollbruchbereich verringert. Mit anderen Worten weist das Zellgehäuse eine Wand auf, die den Sollbruchbereich umfasst. Die Wand ist hierbei beispielsweise eben oder gerundet. Benachbart zum Sollbruchbereich ist hierbei die Dicke der Wand vergrößert. Insbesondere ist die Dicke der oder aller Wände des Zellgehäuses, mit Ausnahme des Sollbruchbereichs, konstant, und der Sollbruchbereich ist insbesondere mittels einer Stufe randseitig umgeben. Die Wanddicke des Zellgehäuses im Sollbruchbereich ist insbesondere auf den Berstdruck angepasst. Zum Beispiel wird das Zellgehäuse bereits mit der verringerten Wanddicke im Sollbruchbereich urgeformt. Alternativ hierzu wird zur Herstellung des Sollbruchbereichs Material von einer der Wände des Zellgehäuses abgetragen, beispielsweise mittels Fräsens oder eines Lasers. Zum Beispiel ist die Wanddicke im Sollbruchbereich konstant. Alternativ hierzu variiert diese im Sollbruchbereich, sodass bei Überschreiten des Berstdrucks eine bestimmte Art des Einreißen des Sollbruchbereichs erfolgt. Zum Beispiel ist der Sollbruchbereich lediglich mittels der Verringerung der Wanddicke gebildet. Alternativ hierzu weist der Sollbruchbereich noch weitere Bauteile auf, wie zum Beispiel die Berstscheibe. Zumindest jedoch befindet sich bevorzugt die Öffnung im Bereich der verringerten Wanddicke des Zellgehäuses.
• Alternativ hierzu weist das Zellgehäuse im Sollbruchbereich eine oder mehrere Kerben auf. Mittels der Kerbe(n) ist insbesondere zumindest teilweise Material des Zellgehäuses, vorzugsweise des Grundkörpers, abgetragen, sodass die Kerbe eine gewünschte strukturelle Schwächung des Zellgehäuses, beispielsweise des Grundkörpers, darstellt. Bei Überschreiten des Berstdrucks reißt das Zellgehäuse im Bereich der Kerbe oder Kerben, sodass dort ein Austritt von Material aus dem Zellgehäuse möglich ist.
• Die Kerbe(n) wird/werden beispielsweise nach Urformen des Zellgehäuses, insbesondere des Grundkörpers, eingebracht. Auf diese Weise ist eine Fertigung erleichtert. Beispielsweise ist hierbei die Kerbe geschlossen ausgestaltet, und somit insbesondere nach Art eines Rings geformt. Alternativ hierzu ist die Kerbe länglich ausgestaltet und weist zwei Enden auf, die zueinander beabstandet sind. In einer weiteren Alternative sind die Kerben oder zumindest ein Teil der Kerben punktförmig und nach Art einer Perforation ausgestaltet. Beispielsweise umfasst der Sollbruchbereich mehrere Kerben, die als Ringe oder Kreise ausgestaltet sind. Diese sind zum Beispiel konzentrisch zu der Öffnung angeordnet, die somit mittels der Kerben umgeben ist. Beispielsweise ist zusätzlich zu der Kerbe/den Kerben die Wanddicke des Zellgehäuses im Sollbruchbereich flächig verringert. Auf diese Weise ist ein vergleichsweise genaues Einstellen des Berstdrucks ermöglicht, wobei eine Fertigung vereinfacht ist.
• Insbesondere ist mittels der oder den Kerben die Außenkontur des Sollbruchbereichs begrenzt. Mit anderen Worten verlaufen die, alle oder zumindest ein Teil der Kerben entlang der Außenkontur, also der Grenze, des Sollbruchbereichs. Somit reißt bei Überschreiten des Berstdrucks der Sollbruchbereich entlang dessen Außenkontur, sodass insbesondere der vollständige Sollbruchbereich freigegeben wird. Somit erfolgt ein vergleichsweiser rascher Ausgleich der Druckdifferenz. Zum Beispiel sind zusätzlich noch weitere Kerben im Sollbruchbereich vorhanden, sodass lediglich vergleichsweise kleine Bruchstücke beim Reißen/Brechen entstehen. Folglich sei Beschädigung von weiteren Bauteilen aufgrund der Bruchstücke ausgeschlossen.
• Besonders bevorzugt umfasst die Batteriezelle ein Trocknungselement. Das Trocknungselement dient dabei insbesondere der Reduzierung einer durch die weitere Öffnung in das Zellgehäuse eindringenden Feuchtigkeit. Hierfür ist das Trocknungselement geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Aufgrund des Trocknungselements wird somit eindringende Feuchtigkeit, wie Wasser(-dampf), gebunden, sodass eine ungewollte Reaktion mit den in dem Zellgehäuse 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. Geeigneterweise weist das Trocknungselement Silikat auf oder ist hieraus gebildet. Auf diese Weise ist eine Trocknungswirkung weiter verbessert.
• Vorzugsweise umgibt das Trocknungselement die Öffnung. Auf diese Weise ist eine Trocknungswirkung im Bereich der fluidtechnischen Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äu-ßeren des Zellgehäuses verbessert. Vorzugweise ist das Trocknungselement somit nach Art eines Hohlzylinders ausgestaltet, was eine Fertigung erleichtert. Beispielsweise befindet sich hierbei das Trocknungselement auf der Außenseite oder der Innenseite des Sollbruchbereichs. Vorzugsweise ist das Trocknungselement im Vergleich zur Membran ins Innere des Zellgehäuses versetzt, sodass die trotz der Membran in das Zellgehäuse eindringende Feuchtigkeit mittels des Trocknungselements gebunden wird.
• 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 mit einem Sollbruchbereich aufweisenden Batteriezellen,
• 3 perspektivisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung das Zellgehäuse, wobei der Sollbruchbereich eine Berstscheibe umfasst,
• 4 - 7 jeweils schematisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung Varianten des Zellgehäuses, wobei der Sollbruchbereich eine Öffnung aufweist, die mit einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist, und
• 8, 9 jeweils schematisch perspektivisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung weitere Varianten des Zellgehäuses.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 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. Ein Teil der Batteriemodule wiederum ist zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. 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 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 Bestandteilen, jedoch in den sonstigen Bereichen ist eine Schicht auf den jeweiligen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet wird, aufgebracht, der 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 zugeordneten Stromschiene 22 angeschweißt, die aus einem Kupfer gefertigt ist. Hierbei ist den Anoden 16 und den Kathoden 18 jeweils eine der Stromschienen 22 zugeordnet. Die Stromschienen 22 weisen jeweils einen Anschluss 24 auf, der durch einen Grundkörper 26 eines Zellgehäuse 28 geführt ist, innerhalb dessen die Anoden 16 und die Kathoden 18 angeordnet sind. Somit sind die Elektroden 20 innerhalb des Zellgehäuses 28 angeordnet. Der Grundkörper 26 ist starr ausgestaltet und aus einem Aluminium gefertigt. Somit handelt es sich bei der Batteriezelle 14 um eine prismatische Zelle. Der Grundkörper 26, und somit das Zellgehäuse 28, ist mit einem nicht näher dargestellten flüssigen Elektrolyten befüllt.
• Das Zellgehäuse 28 umfasst einen Sollbruchbereich 30, der eine Fläche von 5 cm 2 aufweist. Der Sollbruchbereich 30 ist derart ausgebildet, dass bei einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses 28, nämlich des Grundkörpers 26, und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses 28, nämlich des Grundkörpers 26, die einen Berstdruck von 1 bar überschreitet, bricht, sodass das Zellgehäuse 28 geöffnet ist, und ein Druckausgleich stattfinden kann. Der Berstdruck beträgt dabei 90 % der maximalen Druckbelastung des Grundkörpers 26, also derjenigen Druckdifferenz, bei der eine irreversible und unkontrollierte Zerstörung des Grundkörpers 26 erfolgt. Der Berstdruck stellt hierbei einen zweiten Grenzwert dar.
• In 3 ist perspektivisch das Zellgehäuse 28 mit dem quaderförmigen Grundkörper 26 ausschnittsweise dargestellt. In den Grundkörper 26 ist eine stadionförmige weitere Öffnung 32 eingebracht, die mittels einer Berstscheibe 34 des Zellgehäuses 28 verschlossen ist. Mit anderen Worten ist die Berstscheibe 34 in die weitere Öffnung 32 eingesetzt, wobei der Rand der Berstscheibe 34 mit dem Rand der weiteren Öffnung 32 überlappt und mittels Schweißens daran fluiddicht und gasdicht befestigt ist. Das Zellgehäuse 28 ist derart ausgestaltet, dass der Grundkörper 26 sowie die Berstscheibe 34 an der Außenseite bündig zueinander sind. Mittels der Berstscheibe 34 ist der Sollbruchbereich 30 bestimmt, sodass der Sollbruchbereich 30 die Berstscheibe 34 umfasst. Dabei ist die Größe der weiteren Öffnung 32 gleich der Größe des Sollbruchbereichs 30. Bei Überschreiten des Berstdrucks reist oder bricht die Berstscheibe 34 vollständig, sodass die weitere Öffnung 32 freigegeben ist.
• Die Berstscheibe 30 ist aus einem Aluminium gefertigt und weist eine verringerte Dicke als die Wanddicke des Zellgehäuse 26 auf. Die weitere Öffnung 32 befindet sich in der gleichen Wand des Grundkörpers 26, in die auch der Durchbruch für einen der Anschlüsse 24 eingebracht ist. Mit Ausnahme der weiteren Öffnung 28 ist der Grundkörper 26 fluiddicht und gasdicht ausgestaltet. So sind die Bereiche zwischen den Anschlüssen 24 und den hierzu zugeordnete Durchbrüchen des Grundkörpers 26 mit einem nicht näher dargestellten Kunststoff ausgefüllt.
• In der 4 ist die Batteriezelle 14 schematisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung dargestellt. Die Berstscheibe 34 und somit auch der Sollbruchbereich 30 weisen in deren Mitte eine Öffnung 36 auf, die kreisrund ist. Die Öffnung 36 weist eine im Vergleich zu der weiteren Öffnung 32 verringerte Fläche von 1 mm2 auf. Die Öffnung 36 ist mit einer gasdurchlässigen Membran 38 abgedeckt, die zumindest teilweise aus PTFE besteht und eine Kristallinität zwischen 85% und 100% und eine Dichte zwischen 0,2 g/cm3 und 2 g/cm3 aufweist. Somit ist ein Gasdurchtritt von H2 und CO2 durch die Membran 38 vergleichsweise einfach möglich, wohingegen ein Durchtritt von Feuchtigkeit, nämlich insbesondere Wasserdampf, im Vergleich hierzu erschwert ist. Die Fläche der Membran 38, die konzentrisch zur Öffnung 36 angeordnet und ebenfalls rund ausgestaltet ist, beträgt bei dieser Ausführungsform dem Dreifachen der Fläche der Öffnung 36.
• Die Membran 38 ist an einer nach innen gerichteten Seite 40 der Berstscheibe 34 und somit des Sollbruchbereichs 30 angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich die Membran 38 bezüglich der Berstscheibe 30 und des Sonstigen Sollbruchbereichs 30 in das Innere des Grundkörpers 26 und daher auch des Zellgehäuses 28 hineinversetzt. Zwischen der Membran 38 und der Berstscheibe 34 sind stegförmige Abstandshalter 42 angeordnet, mittels derer die Membran 38 teilflächig an der Berstscheibe 34 und somit auch an dem Sollbruchbereich 30 abgestützt ist. Mit anderen Worten ist die Membran 34 von dem Sollbruchbereich 30 beabstandet, nämlich um die Dicke der Abstandhalter 42.
• Einer der Abstandhalter 42 ist am Rand der Membran 38 angeordnet und umlaufend ausgestaltet, sodass dieser kreis- oder ringförmig ist. Dieser Abstandhalter 42 ist gas- und flüssigkeitsdicht, also fluiddicht, an der Berstscheibe 34 befestigt, nämlich mittels Laserschweißens. Die anderen Abstandhalter 42 hingegen liegen lediglich lose an der Berstscheibe 34 an, und mittels dieser ist abweichend zu dem ringförmigen Abstandhalter 42 kein vollständiger Raumbereich umfangsseitig umschlossen. Sämtliche Abstandhalter 42 sind an der Membran 38 angeformt und aus dem gleichen Material und in dem gleichen Arbeitsschritt hergestellt.
• Die Membran 38 ist derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 28 und dem Druck innerhalb des Zellgehäuse 28 einen ersten Grenzwert überschreitet. Der erste Grenzwert ist um 50% geringer als der Berstdruck, also der zweite Grenzwert. Sobald das Einreißen begonnen hat, setzt sich dieses solange fort, bis die Druckdifferenz unter den ersten Grenzwert sinkt. Wenn dies der Fall ist, stoppt das Einreißen.
• Die Öffnung 36 ist mit einer weiteren Membran 44 abgedeckt, die auf der Außenseite der Berstscheibe 34 und somit auch des Sollbruchbereichs 30 angeordnet ist. Somit ist die weitere Membran 44 bezüglich der Berstscheibe 34/des Sollbruchbereichs 30 nach außen versetzt, und die Öffnung 36 ist auf jeder Seiten mittels jeweils einer der Membranen 38, 44 abgedeckt. Die weitere Membran 44 ist gasdurchlässigen jedoch zusätzlich hydrophob ausgestaltet. Mit anderen Worten wird mittels der weiteren Membran 44 Wasser zurückgewiesen. Die weitere Membran 44 ist ebenfalls fluiddicht an der Berstscheibe 34 befestigt.
• Bei Betrieb der Batteriezelle 14 ist es möglich, dass sich aufgrund ungewollter chemischer Reaktionen, beispielsweise aufgrund einer vergleichsweise hohen Belastung oder aufgrund von ungewünschten Fremdpartikeln, sich in dem Zellgehäuse 28 Gase bilden, wie H2 und/oder CO2. Die Gase 36 benötigen ein größeres Volumen als die Reaktionsstoffe, sodass ein Druck innerhalb des Zellgehäuse 28 ansteigt. Somit herrscht im Inneren des Zellgehäuses 28 im Vergleich zum Äußeren des Zellgehäuses 28 ein erhöhter Druck. Mit anderen Worten ist der Umgebungsdruck um das Zellgehäuse 28 geringer als der Druck innerhalb des Zellgehäuses 28.
• Infolgedessen treten die Gase oder zumindest ein Teil der Gase durch die Membran 38 sowie durch die Öffnung 36 und die weitere Membran 44 in die Umgebung der Batteriezelle 14 aus, sodass eine Druckangleichung erfolgt. Da die Fläche der Membran 38 vergleichsweise groß ist, ist ein Abführen eines vergleichsweise großen Volumens von Gasen möglich. Ein Teil hiervon tritt nämlich durch den Bereich der Membran 38, der mittels der Berstscheibe 34 abgedeckt ist. Nachfolgend ist für diesen Teil kein weiterer fluidtechnischer Widerstand für den Durchtritt durch die Öffnung 36 vorhanden, da mit Ausnahme des äußersten der Abstandhalter 42 kein Raum vollständig umschlossen ist. Mit anderen Worten wird mittels dieser Abstandshalter 42 ein Weiterströmen der Gase nicht behindert. Mittels des äußersten der Abstandhalter 42 wird dabei verhindert, dass die Gase oder ein sonstiges Fluid zwischen der Berstscheibe 34 und der Membran 38 aus dem Zellgehäuse 28 oder in dieses hineinströmen, ohne die Membran 38 zu passieren.
• Die durch die Öffnung 36 nach außen strömenden Gase passieren die weitere Membran 44 und entweichen somit. Mittels der Membran 44 wird dabei ein Eindringen von Wasser im flüssigen oder gasförmigen Zustand und auch von Wasserdampf in die Öffnung 36 und somit auch in das Innere des Zellgehäuses 28 verhindert. Sollte dennoch Feuchtigkeit bis zur Membran 38 gelangen, wird diese mittels der Membran 38 zurückgehalten, die eine vergleichsweise hohe Undurchlässigkeit für Feuchtigkeit aufweist. Somit wird verhindert, dass Feuchtigkeit von außerhalb des Zellgehäuses 28 in dieses eintritt und dort zu ungewünschte Reaktionen mit den Elektroden 20 führt.
• Sollte aufgrund von besonderen Umständen, wie einer übermäßigen Belastung, das mittels der Membran 38 durchgelassen Volumen der Gase nicht ausreichen, um die Druckdifferenz auf unter 0,5 bar, also den ersten Grenzwert, zu begrenzen, beginnt die Membran 38 einzureißen. Infolgedessen ist ein Durchtritt eines vergrößerten Volumens der Gase möglich, sodass der Druckanstieg begrenzt oder zumindest verlangsamte wird. Wenn dies zum Aufheben der Druckdifferenz ausreicht, ist nachfolgend auch ein weiterer Betrieb der Batteriezelle 14 möglich, wobei das Eindringen von Feuchtigkeit von außen in das Zellgehäuse 28 mittels der Membran 38 lediglich nur noch teilweise verhindert wird. Alternativ oder in Kombination zum Einreißen der Membran 38 beginnt auch bei der Druckdifferenz, die größer als der erste Grenzwert ist, ein sich Auflösen der fluiddichten Anbindung des äußersten Abstandhalters 42 an der Berstscheibe 34, sodass auch dort ein Entweichen der Gase bis zur Öffnung 36 und von dort in die Umgebung möglich ist.
• Falls auch bei einer vollständig eingerissenen/abgelösten Membran 38, also wenn die Öffnung 36, mit Ausnahme der weiteren Membran 44, vollständig freigegeben ist, der Druckanstieg nicht begrenzt wird und den Berstdruck, also den zweiten Grenzwert, überschreitet, bricht die Berstscheibe 34, sodass die weitere Öffnung 32 freigegeben ist. Somit ist das Volumen der Gase, das aus dem Zellgehäuse 28 austreten kann, weiter erhöht, wobei hierbei im Wesentlichen kein fluidtechnischer Widerstand mehr vorhanden ist. Somit wird die Druckdifferenz vergleichsweise schnell abgebaut und infolgedessen ein unkontrollierte Zerstörung des Grundkörpers 26 verhindert, die zu einer Beschädigung von in der Umgebung der Batteriezelle 14 angeordneten Gegenständen führen könnte. Dabei ist es jedoch auch möglich, dass der Elektrolyt aus der weiteren Öffnung 32 austritt, sodass die Batteriezelle 14 nicht mehr einsatzbereit ist.
• In 5 ist eine Abwandlung der Batteriezelle 14 dargestellt, wobei die weitere Öffnung 32 sowie die die Position der Berstscheibe 34 und deren Befestigung an dem Grundkörper 26 nicht verändert ist. Auch weist die Berstscheibe 34, also der Sollbruchbereich 30, weiterhin die Öffnung 36 auf, die ebenfalls nicht abgeändert ist. Bei dieser Ausführungsform jedoch ist die Berstscheibe 34 aus einem Polymer gefertigt, und die Dicke der Berstscheibe 34 ist derart angepasst, dass diese ebenfalls bei dem Berstdruck von 1 bar bricht. Die Öffnung 36 ist auch weiterhin vollständig mittels der Membran 38 abgedeckt, die bezüglich der Berstscheibe 34 ins Innere des Grundkörpers 26 versetzt angeordnet ist. Auch ist das Material der Membran 38 nicht verändert. Jedoch ist die Fläche der Membran 38 geringfügig verkleinert, und diese liegt mechanisch direkt an der Berstscheibe 34, also dem Sollbruchbereich 30, an und ist an dieser befestigt, nämlich mittels Ultraschallschweißens. Somit ist zwischen der Membran 38 und dem Sollbruchbereich 30 direkt eine fluiddichte Verbindung realisiert.
• Im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform ist zudem die weitere Membran 44 weggelassen, und die Öffnung 36 ist mittels eines ringförmigen oder hohlzylinderförmigen Trocknungselements 46 umgeben, das hydrophil und aus einem Silikat erstellt ist. Mit Ausnahme der Membran 38 ist somit die Öffnung 36 nicht abgedeckt. Mittels des Trocknungselements 46 wird von außen auf den Sollbruchbereich 30 im Bereich der Öffnung 36 auftreffendes Wasser, und daher auch Wasserdampf, absorbiert, sodass dieses nicht bis zur Öffnung 36 gelangt. Somit ist mittels des Trocknungselements 46 ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse 28 verhindert oder zumindest reduziert. Bei Betrieb der Batteriezelle 14 wird das Trocknungselement 46 aufgrund von Verlustwärme zumindest teilweise erwärmt, sodass etwaige absorbierte Feuchtigkeit erneut in die Umgebung freigesetzt und abtransportiert wird. Somit ist das Trocknungselement 46 für einen vergleichsweise langen Zeitraum einsatzbereit.
• Die Funktionsweise der Membran 38 sowie der Berstscheibe 34 ist im Vergleich zur vorhergehenden Ausgestaltungsform nicht abgeändert. Jedoch ist bei dieser Variante die effektive Fläche, die für den Durchtritt der Gase durch die Öffnung 36 mittels der Membran 38 bereitgestellt wird, gleich der Fläche der Öffnung 36. Mit anderen Worten ist das Volumen an Gasen, das durch die Membran 36 treten kann, verringert. Daher wird bei dieser Variante der Batteriezelle 14 der Druckanstieg in dem Zellgehäuse 28 bis zum Einreißen der Membran 38 oder dem Bersten der Berstscheibe 34 lediglich in geringem Maße verringert oder begrenzt.
• In 6 ist eine weitere Abwandlung der Batteriezelle 14 gezeigt, wobei das Zellgehäuse 26 sowie die weitere Öffnung 32, die mittels der Berstscheibe 34 verschlossen ist, nicht verändert ist. So weist die Berstscheibe 34, und daher auch der Sollbruchbereich 30, weiterhin die Öffnung 36 auf. Die Membran 38 ist wiederum vorhanden, wobei die Ausdehnung der Membran 38 im Wesentlichen der in 3 gezeigten Variante entspricht. Die Membran 38 ist jedoch nun an der gegenüberliegenden Seite der Berstscheibe 30, also an einer Außenseite 48 des Zellgehäuses 28, nämlich an der nach außen gerichteten Seite des Sollbruchbereichs 30, randseitig befestigt, nämlich mittels Thermoschweißens. Ansonsten ist die Membran 38 an der Berstscheibe 34 nicht befestigt und liegt in den weiteren Bereichen lediglich lose auf der Berstscheibe 34 auf.
• Die Batteriezelle 14 weist ferner ein Stabilisierungselement 50 auf, mittels dessen die Membran 38 vollständig abgedeckt ist und das randseitig über die Membran 38 geringfügig übersteht. Somit liegt die Membran 38 außenseitig an dem Stabilisierungselement 50 an, das aus einem Metall gefertigt ist. Im Randbereich des Stabilisierungselements 50 ist dieses durchgehend ausgestaltet und mit dem Sollbruchbereich 30, nämlich der Berstscheibe 34, verschweißt und daher fluiddicht mit dieser verbunden. Das Stabilisierungselement 50 ist mit Ausnahme des Randes nach Art eines Gitters ausgestaltet und weist somit eine Vielzahl von zusätzlichen Öffnungen 52 auf.
• Bei Betrieb der Batteriezelle 14 treten die etwaigen entstehenden Gase zunächst durch die Öffnung 36 sowie anschließend durch die Membran 38 und die zusätzlichen Öffnungen 52 in die Umgebung. Aufgrund des lediglich losen Anliegens der Membran 38 an der Berstscheibe 34, mit Ausnahme der randseitigen Befestigung, ist ein Ansammeln der Gase in dem zwischen der Membran 38 und der Berstscheibe 34 gebildeten Bereich möglich, sodass eine vergleichsweise große Fläche der Membran 38 für den Durchtritt der Gase zur Verfügung steht. Hierbei wird die Membran 38 teilweise nach außen ausgewölbt/ausgebeult, wobei ein übermäßiges Auswölben mittels des Stabilisierungselements 50 verhindert wird. So ergibt sich in jeder der zusätzlichen Öffnungen 52 eine entsprechende Auswölbung der Membran 38. Aufgrund der Ausbeulung oder Auswölbung ist die für den Durchtritt der Gase zur Verfügung stehende Fläche der Membran 38 weiter erhöht. Jedoch wird eine übermäßiges Verformung der Membran 38 mittels des Stabilisierungselements 50 verhindert, sodass eine Beschädigung der Membran 38 vermieden ist. Auch wird mittels des Stabilisierungselements 50 die mechanische Verbindung der Membran 38 mit der Berstscheibe 34 stabilisiert, sodass ein Abreißen der Membran 38 von der Berstscheibe 34 verhindert ist.
• Falls die Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Zellgehäuses 28 und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 28 den ersten Grenzwert überschreitet, bricht das Stabilisierungselement 50 zumindest teilweise, sodass die Stabilisierungsfunktion der Membran 38 aufgehoben wird. Infolgedessen reist die Membran 38 ein, weswegen auch weiterhin ein Austritt eines vergrößerten Volumens der Gase ermöglicht ist.
• In 7 ist eine weitere Abwandlung der Batteriezelle 14 dargestellt. Diese Variante entspricht im Wesentlichen der vorhergehenden Ausführungsform, wobei jedoch das Stabilisierungselement 50 außenseitig mit der weiteren Membran 44 abgedeckt ist. Somit befindet sich das Stabilisierungselement 50 zwischen den beiden Membranen 38, 44. Mittels der weiteren Membran 44 wird ein Eindringen von Feuchtigkeit in die zusätzlichen Öffnungen 52 und somit bis zur Membran 38 verhindert, wobei jedoch auch weiterhin ein Entweichen der Gase aus dem Zellgehäuse 28 möglich ist.
• Bei einer nicht näher dargestellten Variante ist anstatt der weiteren Membran 44 oder zusätzlich das Trocknungselement 46 vorhanden, mittels dessen das Stabilisierungselement 50 umgeben ist, oder das auf dem Rand des Stabilisierungselements 50 aufliegt, sodass die Öffnung 36 damit umgeben ist.
• Bei nicht näher dargestellten Varianten ist entweder bei der Ausführungsform gemäß 6 oder bei der Ausführungsform gemäß 7 das Stabilisierungselement 50 nicht vorhanden, und die Membran 38 ist stabiler ausgestaltet. Bei einem Ansammeln der Gase zwischen der Membran 38 und der Berstscheibe 34 erfolgt somit eine vergleichsweise weite Auswölbung der Membran 38, wobei das Einreißen vermieden ist. Dieses erfolgt lediglich erst bei Überschreiten des ersten Grenzwerts.
• In den 8 und 9 sind Varianten der Batteriezelle 14 dargestellt, wobei jeweils der Sollbruchbereich 30 verändert ist. Dieser weist auch weiterhin jeweils die Öffnung 36 auf, die mittels der Membran 38 abgedeckt ist. Bei den dargestellten Varianten ist jeweils die Membran 38 an der Außenseite 48 des Zellgehäuses 28 befestigt, nämlich mittels Schweißens. Bei den beiden dargestellten Varianten ist weder die weitere Membran 44, noch das Trocknungselement 46 oder das Stabilisierungselement 50 vorhanden. Jedoch ist bei nicht näher dargestellten Abwandlungen die Batteriezelle 14 entsprechend der in den 4-7 gezeigten Varianten weitergebildet, wobei der Sollbruchbereich 30 entsprechend der in 8 und 9 gezeigten Ausführung ausgestaltet ist.
• Bei der in 8 dargestellten Variante ist in dem Sollbruchbereich 30 eine Wanddicke des Zellgehäuses 28, nämlich des Grundkörpers 26 verringert. Der Sollbruchbereich 30 ist an den Grundkörper 26 angeformt sowie einstückig mit diesem. Im Vergleich zum Grundkörper 26 jedoch ist im Sollbruchbereich 30 die Wanddicke auf 25% reduziert, sodass der Sollbruchbereich 30 über eine umlaufende Stufe 54 von dem Grundkörper 46 abgetrennt ist. Mit anderen Worten bildet die Stufe 54 den Übergang vom Sollbruchbereich 30 zu dem Grundkörper 26. Die Wanddicke im Sollbruchbereich 30 ist hierbei kontant. Der Sollbruchbereich 30 ist rund ausgestaltet und konzentrisch zur Öffnung 36 angeordnet.
• Zur Herstellung des Sollbruchbereich 30 wird von dem erstellten Grundkörper 26, der eine kontinuierliche Wanddicke aufweist, Material zur Ausbildung des Sollbruchbereichs 30 abgetragen, zum Beispiel mittels Fräsens oder mittels der Verwendung eines Lasers. Das Materialabgetragen erfolgt bei der dargestellten Variante von der Innenseite, sodass die Außenseite des Zellgehäuses 28 eben ist. Auf diese Weise ist eine Befestigung der Membran 38 erleichtert.
• Bei der in 9 dargestellten Variante weist der Sollbruchbereich 30 im Wesentlichen die gleiche Wanddicke wie der Grundkörper 26 auf, und der Sollbruchbereich 30 ist ebenfalls einstückig mit dem Grundkörper 26. Der Sollbruchbereich 30 ist von dem Grundkörper 26 mittels einer umlaufenden Kerbe 56 abgetrennt, die ebenfalls nach Fertigstellung des Grundkörpers 28 in diesen zur Erstellung des Sollbruchbereichs 30 eingebracht wird. Folglich wird die Außenkontur des Sollbruchbereichs mittels der Kerbe 56 begrenzt. Die Kerbe 56 ist ringförmig und konzentrisch zur Öffnung 36 angeordnet. Zudem weist in der Sollbruchbereich 30 eine weitere derartige Kerbe 56 auf, die ebenfalls ringförmig ist, jedoch einen verringerten Durchmesser aufweist. Somit umfasst der Sollbruchbereich 30 die beiden konzentrisch zur Öffnung 36 angeordneten Kerben 56, die eine strukturelle Schwächung des Zellgehäuses 26 darstellen.
• Auch bei den in 8 und 9 dargestellten Varianten des Sollbruchbereichs 30 ist die Schwächung des Zellgehäuse 28 mittels der Reduzierung der Wanddicke bzw. der Kerben 56 derart, dass der Sollbruchbereich 30 bei Überschreiten des Berstdrucks bricht, sodass ein Austritt eines vergrößerten Volumens von Gas aus dem Zellgehäuse 26 ermöglicht ist. Auch hier ist somit eine unkontrollierte Beschädigung des Grundkörpers 26 bei einem Druckanstieg vermieden.
• 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

Grundkörper

28

Zellgehäuse

30

Sollbruchbereich

32

weitere Öffnung

34

Berstscheibe

36

Öffnung

38

Membran

40

nach innen gerichtete Seite

42

Abstandshalter

44

weitere Membran

46

Trocknungselement

48

Außenseite

50

Stabilisierungselement

52

zusätzliche Öffnung

54

Stufe

56

Kerbe

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2021079163 A1 [0030]

Claims (10)

1. Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (28), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind, und das einen Sollbruchbereich (30) aufweist, wobei der Sollbruchbereich (30) eine Öffnung (36) aufweist, die mittels einer gasdurchlässigen Membran (38) abgedeckt ist.
2. Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (38) derart ausgestaltet ist, dass diese einreißt, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses (28) und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses (28) einen ersten Grenzwert überschreitet.
3. Batteriezelle (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbruchbereich (30) derart ausgestaltet ist, dass dieser bricht, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses (28) und dem Druck innerhalb des Zellgehäuses (28) einen zweiten Grenzwert überschreitet, der größer als der erste Grenzwert ist.
4. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (38) an einer Außenseite (48) des Zellgehäuses (28) befestigt ist.
5. Batteriezelle (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (38) an der dem Zellgehäuse (26) abgewandten Seite an einem Stabilisierungselement (50) anliegt, das mehrere zusätzliche Öffnungen (52) aufweist.
6. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (38) an einer nach innen gerichteten Seite (40) des Sollbruchbereichs (30) angeordnet ist, wobei die Membran (38) über Abstandshalter (42) teilflächig an dem Sollbruchbereich (30) abgestützt ist.
7. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (28) einen Grundkörper (26) mit einer weiteren Öffnung (32) umfasst, in die eine Berstscheibe (34) eingesetzt ist, wobei der Sollbruchbereich (30) die Berstscheibe (34) umfasst.
8. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wanddicke des Zellgehäuses (28) im Sollbruchbereich (30) verringert ist.
9. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellgehäuse (28) im Sollbruchbereich (30) eine Kerbe (56) aufweist, mittels derer insbesondere eine Außenkontur des Sollbruchbereichs (30) begrenzt ist.
10. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (36) mit einem Trocknungselement (46) umgeben ist.

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