DE102022206661A1

DE102022206661A1 - Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022206661A1
Application number: DE102022206661.8A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere für ein Hochvoltbatteriesystem, mit einem Zellgehäuse (1). Erfindungsgemäß weist zumindest eine Gehäusewand (15) des Zellgehäuses (1) zumindest eine Intumeszenzschicht (21) auf, die im Brandfall eine voluminöse, isolierende Kohlenstoffschaumschicht (20) durch Verkohlung und gleichzeitiges Aufschäumen ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle nach Anspruch 10.
In den, in einem Zellmodul eines Fahrzeug-Batteriesystems verbauten Lithium-Ionen-Zellen kann aufgrund eines internen Zelldefekts ein thermischer Event zum Beispiel in Folge eines lokalen Kurzschlusses zwischen Elektroden einer Batteriezelle auftreten. Ein solcher thermischer Event kann zu einem thermischen Durchgehen, das heißt Thermal Runaway, führen. In diesem Fall führt der Umsatz von, in der havarierenden Batteriezelle elektrochemisch und chemisch gespeicherten Energie zu einer Erhitzung sowie zu weiteren lokalen Kurzschlüssen in den benachbarten Zellen. Dadurch können sich entsprechende Reaktionen in den benachbarten Zellen kaskadenförmig fortsetzen, was als thermische Propagation bezeichnet wird.
Zur Vermeidung einer thermischen Propagation kann das Batteriemanagementsystem die Betriebstemperaturen der Batteriezellen mit Hilfe von Temperatursensoren überwachen. Bei einem übermäßig großen Temperaturanstieg in einer Batteriezelle kann das Batteriemanagementsystem die Batteriezelle vom Stromkreis trennen, um ein thermischen Durchgehen der Batteriezelle zu vermeiden. Zudem ist bekannt, innerhalb des Batteriegehäuses Flammschutzmittel vorzusehen, etwa ein Flammschutzelement, das zwischen benachbarten Batteriezellen positioniert ist.
Aus der EP 3 683 048 A1 , aus der US 2021/0257690 A1 und aus der US 2017/0301968 A1 ist jeweils eine Batterie mit darin verbautem Flammschutzmittel bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Batteriezelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batteriezelle bereitzustellen, in der ein thermisches Durchgehen im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise verhindert werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Batteriezelle mit einem Zellgehäuse aus. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist zumindest eine Gehäusewand des Zellgehäuses zumindest eine Intumeszenzschicht auf. Diese bildet im Brandfall eine voluminöse, isolierende Kohlenstoffschaumschicht durch Verkohlung und gleichzeitiges Aufschäumen aus. Die Intumeszenzschicht weist im Wesentlichen die folgenden Intumeszenzkomponenten auf: eine Säure bildende Verbindung, zum Beispiel Phosphorsalze, insbesondere Ammoniumpolyphosphat, die unter Wärmeeinwirkung eine nicht flüchtige Säure freisetzt; eine hydroxylgruppenreiche Komponente, etwa Polyalkohole, die sich in Gegenwart von Säure und Wärme unter Wasserfreisetzung in Kohlenstoff und Kohlendioxid zersetzt; ein Treibmittel, etwa Melamin, das die Schaumbildung der Kohlenstoffzersetzungsprodukte bewirkt.
Die Intumeszenzschicht bildet eine Isolierschicht, mittels der die Wärmeübertragung während des thermischen Durchgehens eingeschränkt wird. Gleichzeitig bleibt während des normalen Zellbetriebs die Intumeszenzschicht deaktiviert, so dass die Intumeszenzschicht die Kühlrate der Zelle nicht verringert. Die Intumeszenzschicht wirkt daher bei erhöhter Zelltemperatur isolierend, bleibt aber bei normaler Zelltemperatur wärmeleitfähig.
In einer Ausführungsform kann die Außenfläche des Zellgehäuses mit der Intumeszenzschicht lackiert sein. Die Intumeszenzschicht kann bis zu einer Temperatur von 150°C wärmeleitfähig sein. Bei größeren Temperaturen wirkt sie isolierend. Das bedeutet, dass die Wärme nicht auf andere Zellen übertragen werden kann. Außerdem bildet sich bei etwa 150°C die Kohlenstoffschaumschicht auf der Oberfläche, die für externen Sauerstoff undurchlässig ist. Speziell in der äußeren Intumeszenzschicht wird kurzkettiges APP mit einer Molekülkette von weniger als 100 verwendet. Die Intumeszenzschicht wird auf die äußere Aluminiumoberfläche in der prismatischen Zelle oder auf die äußere PET-Oberfläche der Pouch-Zelle aufgetragen. Das APP mit niedriger Molekülkette ist wasserlöslich, so dass man Wasser als Lösungsmittel zur Herstellung einer flüssigen Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente verwenden kann. Die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente kann auch mit anderen Lösungsmitteln wie NMP hergestellt werden. Um die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente zu härten, muss ein Aushärtemittel hinzugefügt werden. Die Aushärtung kann durch Infrarotstrahlen (thermische Aushärtung) oder durch UV-Strahlen erfolgen. Die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente wird durch Sprühen auf das Zellgehäuse aufgetragen und anschließend ausgehärtet, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Aushärtungstemperatur beträgt weniger als 120°C, da APP bei 150°C zu verkohlen beginnen kann. Die Intumeszenzschichtdicke liegt im Bereich von 80µm.
In einer ersten Prozessvariante wird das Folienmaterial zunächst in die gewünschte Form geschnitten und dann die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente aufgetragen. Danach wird die Folienmaterial thermisch ausgehärtet, zum Beispiel durch Infrarotheizung. Durch die thermische Aushärtung verdampft das Lösungsmittel und die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente wird ausgehärtet. Bei der zweiten Prozessvariante wird das Folienmaterial durch Tiefziehen gezogen. Das Folienmaterial wird nach dem Tiefziehen auf einer Seite mit der flüssigen Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente aufgetragen und durch Infrarotheizung ausgehärtet. Das tiefgezogene Folienmaterial wird ausgehärtet. Anschließend wird ein Elektroden-/Separatorstapel in das tiefgezogene Folienmaterial gestapelt und werden die beiden Gehäusehälften versiegelt. Bei der dritten Option enthält die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente ein Lösungsmittel, das durch UV-Strahlen ausgehärtet wird. Auf diese Weise erfolgt die Aushärtung ohne größeren Wärmeeintrag. Dadurch kann die Intumeszenzschicht mit der flüssigen Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente nach dem Formgebungsprozess und der endgültigen Versiegelung erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zumindest eine zweite Intumeszenzschicht im Schichtaufbau des Folienmaterials integriert, und zwar bevorzugt zwischen der PP-Schicht und der Aluminiumschicht. Zwischen der PET-Schicht und der Aluminiumschicht befinden sich Nylonfaserschichten. Diese Nylonfasern und der Raum zwischen der PP- und der Aluminiumschicht können mit der Ausgangskomponente der Intumeszenzschicht versehen werden. Die dabei verwendeten APP-Kristalle haben eine Kettenlänge von mehr als 1000. Diese APP-Kristalle sind unlöslich in Wasser. Es führt zu einem Verkohlungsprozess mit PP bei 300°C. Zudem können sowohl die PP-Folie als auch die Nylonfolie, die mit Bezug auf die Aluminiumfolie einander gegenüber liegen, mit einer Intumeszenzschicht versehen sein. Diese Intumeszenzschicht kann etwa 40µm dick sein.
Die äußere Intumeszenzschicht kann aus kurzkettigem APP ausgebildet sein, das hygroskopisch ist. Andererseits kann die innere Intumeszenzschicht aus langkettigem APP ausgebildet sein, das nicht hygroskopisch ist. Die innere Intumeszenzschicht kann vom Laminathersteller appliziert werden.
Zur Herstellung der äußeren Intumeszenzschicht werden die APP-Kristalle in die Polyurethan-Matrix gemischt, wodurch dem Folienmaterial der Pouchzelle Flexibilität gegen äußere Stöße verliehen wird und die Biegefestigkeit erhöht wird.
Obwohl APP II eine sehr geringe Wasserlöslichkeit aufweist (< 0,5 g/100 ml), ist bei bestimmten Anwendungen eine noch geringere Löslichkeit erforderlich. Verschiedene APP-Intumeszenzschichten können eine geringere Wasserlöslichkeit und eine bessere Haltbarkeit unter feuchten Bedingungen erreichen. Die flüssigkeitshemmende Wirkung wird durch die Intumeszenzschicht nicht beeinträchtigt. Ammoniumpolyphosphat Phase II hat eine gute thermische Stabilität bei Temperaturen von über 300°C. In Kombination mit anderen Chemikalien (z. B. Verkohlungsförderer, Treibmittel in Intumeszenzmischungen). Unter mechanischer Belastung und Scherung während der Extrusion ist APP jedoch auf Verarbeitungstemperaturen zwischen 190 und 210°C beschränkt.
Die innere Intumeszenzschicht wird zum Beispiel im Extrusionsverfahren auf eine PP- oder Nylonfolie aufgetragen. Sie wird dann ausgehärtet und schließlich mit einer Aluminiumfolie laminiert. Alternativ dazu kann auch eine flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente verwendet werden. Hierbei kann man die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente mit einem Lösungsmittel wie NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidon) herstellen und damit die Nylon- und PP-Folien auf einer Seite beschichten und dann trocknen. Schließlich werden die beschichteten Nylon- und PP-Folien mit dieser Intumeszenzschicht auf eine Aluminiumfolie laminiert. Auf diese Weise wird beidseitig der Aluminiumfolie jeweils eine Intumeszenzschicht bereitgestellt.
Ammoniumpolyphosphat (nachfolgend als APP abgekürzt) ist ein anorganisches Salz von Polyphosphorsäure und Ammoniak. Die Kettenlänge (n) dieser polymeren Verbindung ist sowohl variabel als auch verzweigt und kann mehr als 1000 betragen. Kurzkettige und lineare APPs (n < 100) sind wasserempfindlicher (Hydrolyse) und weniger thermisch stabil als längerkettige APPs (n > 1000), die eine sehr geringe Wasserlöslichkeit (< 0,1 g/100 ml) aufweisen.
APP ist eine stabile, nicht flüchtige Verbindung. In Kontakt mit Wasser wird APP langsam zu Monoammoniumphosphat (Orthophosphat) hydrolysiert. Höhere Temperaturen und längerer Kontakt mit Wasser beschleunigen die Hydrolyse. Langkettiges APP beginnt sich bei Temperaturen über 300°C zu Polyphosphorsäure und Ammoniak zu zersetzen. Kurzkettiges APP beginnt sich bei Temperaturen über 150°C zu zersetzen.
Es gibt zwei Hauptfamilien von Ammoniumpolyphosphat: Kristallphase I APP (nachfolgend APP I) und Kristallphase II APP (APP II). Die Kristallphase I von APP (APP I) ist durch eine variable lineare Kettenlänge gekennzeichnet und weist eine niedrigere Zersetzungstemperatur (ca. 150°C) und eine höhere Wasserlöslichkeit als Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II auf. In APP I ist n (Anzahl der Phosphateinheiten) im Allgemeinen kleiner als 100.
Die Struktur von APP II ist im Vergleich zu APP I vernetzt/verzweigt. Das Molekulargewicht ist viel höher als bei APP I mit einem „n“-Wert von über 1000. APP II hat eine höhere thermische Stabilität (die Zersetzung beginnt bei etwa 300°C) und eine geringere Wasserlöslichkeit als APP I.
Ammoniumpolyphosphat wirkt als Flammschutzmittel durch einen chemischen Effekt in der kondensierten Phase. Wenn Kunststoff oder andere Materialien, die APP enthalten, einem Feuer oder Hitze ausgesetzt werden, beginnt sich das Flammschutzmittel zu zersetzen, in der Regel in Polyphosphorsäure und Ammoniak. Die Polyphosphorsäure reagiert mit Hydroxyl- oder anderen Gruppen eines Synergisten zu einem instabilen Phosphatester. Im nächsten Schritt folgt die Dehydratisierung des Phosphatesters. Auf der Oberfläche bildet sich eine Kohlenstoffschaumschicht gegen die Wärmequelle (Verkohlung). Die Kohlenstoffbarriere wirkt wie eine Isolierschicht und verhindert eine weitere Zersetzung des Materials.
Wenn Kunststoffe oder andere Materialien, die APP enthalten, einem Feuer oder Hitze ausgesetzt werden, beginnt sich das Flammschutzmittel zu zersetzen, in der Regel in Polyphosphorsäure und Ammoniak. Die Polyphosphorsäure reagiert mit Hydroxyl- oder anderen Gruppen eines Synergisten zu einem instabilen Phosphatester. Im nächsten Schritt folgt die Dehydratisierung des Phosphatesters. Auf der Oberfläche bildet sich ein Kohlenstoffschaum gegen die Wärmequelle (Verkohlung). Die Kohlenstoffbarriere wirkt wie eine Isolierschicht und verhindert eine weitere Zersetzung des Materials.
Die Zugabe von synergetischen Produkten wie Pentaerythritol-Derivaten, Kohlenhydraten und Schaumbildnern (Melamin usw.) verbessert die flammhemmende Wirkung von APP erheblich. Dadurch wird die Leitfähigkeit der APP-Intumeszenzschicht erhöht und nach Erreichen der Intumeszenztemperatur wird sie isolierend.
In einer ersten Prozessabfolge wird Polyurethanpulver in einem Lösungsmittel (Öl/Wasser) aufgelöst und gleichmäßig gemischt. Wasser wird bevorzugt. In der Polyurethanlösung sind feine Partikel von APP I-Kristalle, Synergisten sowie Vernetzer gleichmäßig verteilt. Die Lösung wird dann auf das Folienmaterial aufgesprüht. Die Aushärtung erfolgt durch Erhitzen unter Infrarotstrahlen, so dass alle Lösungsmittel verdampfen. Ammoniumpolyphosphat ist ein nicht reaktives, anorganisches Material, das mit vielen Polymeren kompatibel ist. Die Verarbeitungstemperaturen schränken die Anwendung von APP I ein. Die maximale Verarbeitungstemperatur beträgt 130°C. Auch sollte das APP nicht bei einem pH-Wert >7 verarbeitet werden, da sonst Ammoniak freigesetzt wird. Je nach Intumeszenzschicht kann das APP unterschiedliche pH-Werte zwischen 5-8 haben. Für pH-empfindliche Anwendungen können unsere melaminbeschichteten Produkte verwendet werden.
Das Folienmaterial (d.h. das Aluminiumlaminat) wird tiefgezogen, die Elektrodenstapel werden darin abgelegt und anschließend heiß versiegelt. Die äußere Intumeszenzschicht Folienmaterial verleiht den tiefgezogenen Folienmaterialien eine hohe Zähigkeit und Abriebfestigkeit. Außerdem sorgt sie für elektrische Isolierung. Zudem sorgt die äußere Intumeszenzschicht bei Normaltemperaturen für Wärmeleitfähigkeit und ab 150°C für eine Isolierung.
Bevorzugt werden nur die flachen Bereiche der Pouchzelle (unter dem Stempel) beschichtet. Im Bereich unter dem Niederhalter und im Bereich der Gastasche wird keine Intumeszenzschicht aufgebracht. Obwohl der Matrizenradius und der Niederhalter nicht beschichtet werden, ist es ratsam, die Matrize aus hochfestem legiertem Stahl herzustellen, damit die Abriebfestigkeit und der Verschleiß beim Tiefziehen verringert werden. Es ist besser, Keramik oder Hartmetall als Einsatz für die Herstellung von Matrize und Stempelradius zu verwenden.
Mittels der Infrarotheizung wird das Lösungsmittel verdampft und härtet die Intumeszenzschicht aus. Die Intumeszenzschicht erhält nach der thermischen Aushärtung ihre endgültige Festigkeit. Das durch die Infrarotheizung verdampfte Lösungsmittel wird durch einen Vakuumsauger abgesaugt, gekühlt und dann wiederverwendet. Während des Laminationsprozesses wird das Laminat auf ca. 100-110°C erwärmt. Durch Erwärmung des Folienmaterials wird auch die Ziehfähigkeit des Aluminiumlaminats erhöht. Der Zusatz von Polyurethan ist optional. Der Hauptzweck von Polyurethan besteht darin, die Duktilität der Intumeszenzschicht zu erhöhen. Es unterstützt auch den Verkohlungsprozess.
Gemäß einer zweiten Option wird das Aluminiumlaminat wird tiefgezogen. Die Intumeszenzschicht wird dann auf das Aluminiumlaminat aufgesprüht. Die Aushärtung erfolgt durch Erhitzen unter Infrarotstrahlen, so dass alle Lösungsmittel verdampfen. Die Infrarotheizung lässt das Lösungsmittel verdampfen und härtet die Intumeszenzschicht aus. Die Intumeszenzschicht erhält nach der thermischen Aushärtung ihre endgültige Festigkeit zurück.
Das durch die Infrarotheizung verdampfte Lösungsmittel wird durch einen Vakuumsauger abgesaugt, gekühlt und dann wiederverwendet. Nur der flache Bereich Das Folienmaterialzelle (unterhalb des Stempels) wird beschichtet. Im Bereich unter dem Rohlingshalter und im Bereich der Gastasche wird keine Intumeszenzschicht aufgebracht. Die Intumeszenzschicht verleiht dem tiefgezogenen Folienmaterial eine hohe Zähigkeit und Abriebfestigkeit. Außerdem sorgt sie für elektrische Isolierung. Die Pouchzellen können nach der herkömmlichen Methode tiefgezogen werden. Es besteht keine Notwendigkeit, hochfeste Stahl und Keramik/Hartmetall-Einsätze in Matrize und Stempel-Radius einzusetzen. Die Erwärmung des Laminats erfolgt je nach verwendetem Lösungsmittel bis auf 100-110°C. Die Erwärmung des tiefgezogenen Folienmaterials verringert die Rückfederung des tiefgezogenen Folienmaterials. Polyurethan hat im Wesentlichen zwei Funktionen: Es verleiht der Intumeszenzschicht Duktilität und hilft auch beim Verkohlungsprozess..
In einer dritten Option wird Polyurethan-Pulver in UV-härtbarem Lösungsmittel aufgelöst und gleichmäßig gemischt. Dabei werden in der Polyurethanlösung feine Partikel von APP I Kristallen, Synergisten sowie UV-Härter gleichmäßig dispergiert. Die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente wird dann auf das Aluminium-Laminat gesprüht. Die Aushärtung erfolgt durch Erwärmung unter Infrarotstrahlen, so dass das Lösungsmittel verdampft. Ammoniumpolyphosphat ist ein nicht reaktives, anorganisches Material, das mit vielen Polymeren kompatibel ist. Das Folienmaterial aus Aluminiumlaminat wird tiefgezogen und dann mit einem Elektroden-Separator-Stapel bestückt. Die Folienmaterialzelle wird heißversiegelt und anschließend formatiert. Das Gaspaket wird nach der Entgasung geschnitten und abschließend wieder versiegelt. Die Intumeszenzschicht wird dann auf die flache Oberfläche des Folienmaterials aufgesprüht. Das Sprühen erfolgt auf die äußere flache Oberfläche des Folienmaterials. Die Aushärtung erfolgt durch UV-Strahlen. Durch UV-Strahlen findet die Polymerisation statt und die Intumeszenzschicht erhält ihre endgültige Stärke. Obwohl die UV-Härtung nicht temperaturabhängig ist, verdampft dennoch etwas Lösungsmittel von der Oberfläche. Diese Lösungsmitteldämpfe werden mit einem Vakuumsauger abgesaugt, gekühlt und dann wiederverwendet. Da die Zelle bei der Aushärtung nicht erhitzt wird, kann die Aushärtung kurz vor dem Aging oder vor der endgültigen Verpackung und Montage im Batteriesystem verwendet werden. Die Aushärtung durch UV-Strahlen ist im Vergleich zur thermischen Aushärtung ein sehr schneller Prozess. Es ist teuer, da UV-härtbare Harze verwendet werden müssen.
Der Hauptunterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik ist folgender: Die Pouch-Zelle oder die prismatische Zelle ist außen mit der Intumeszenzschicht beschichtet.
Diese Intumeszenzschicht verleiht Duktilität und Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur sowie Isolierung und Flammschutz bei hohen Temperaturen.
Die Intumeszenzschicht wird mit drei verschiedenen, bereits erläuterten Methoden auf die Außenfläche des Folienmaterials aufgesprüht. Es ist notwendig, die Intumeszenzschicht auszuhärten. Die Aushärtung erfolgt entweder bei hoher Temperatur (ca. 100°C) durch Infrarotstrahlen oder bei Raumtemperatur durch UV-Strahlen. Die Aushärtung mit UV-Strahlen kann als letzter Prozess vor dem Zusammenbau der Zellen im Batteriesystem durchgeführt werden. Wenn die Intumeszenzschicht vor dem Tiefziehen des Folienmaterials erfolgt, benötigen Stempel und Matrize harte Einsätze, um den Verschleiß zu verringern. Die Intumeszenzschicht enthält Oxide, die den Verschleiß der Werkzeuge erhöhen.
Die Intumeszenzschicht kann aus zwei Hauptkomponenten bestehen: Die erste ist Polyurethan oder ein gummiartiges Material. Dies verleiht der Intumeszenzschicht Zähigkeit, indem es Stoßbelastungen absorbiert. Die andere Komponente ist die Intumeszenzschicht-Ausgangskomponete , die im Brandfall für Isolierung und Verkohlung sorgt. Die aufgebrachte Intumeszenzschicht liegt in einem Dickenbereich von 80µm. Die Intumeszenzschicht wird nur auf die flache Oberfläche des Folienmaterials aufgetragen. Sie wird nicht auf die heiße Siegelfläche und auf den Stromabnehmer aufgetragen. Daher ist es wichtig, dass die Intumeszenzschicht nur auf die gewünschte Fläche aufgetragen wird und der Rest der Fläche abgedeckt wird.
Die innere Intumeszenzschicht kann im Schichtaufbau des Folienmaterials integriert werden, wobei der eingesetzte Säurebildner aus APP II-Kristallen besteht. Diese beginnen den Verkohlungsprozess bei 300°C. Die Folienmaterialzelle hat außen eine APP I-Intumeszenzschicht, die den Verkohlungsprozess bei 150°C startet. Sobald sich die Zelle übermäßig erwärmt, verkohlt zunächst die äußere Intumeszenzschicht und bildet eine isolierende und sauerstoffundurchlässige Intumeszenzschicht aus Polymer. Dadurch wird verhindert, dass Sauerstoff von außen in die Zelle gelangt. Wenn die Temperatur im Inneren der Zelle weiter steigt, verkohlen die inneren Intumeszenzschichten und bilden diese Isolierschichten. Dadurch wird verhindert, dass die Wärme aus der Zelle entweicht. Auf diese Weise ergibt sich eine doppelte flammhemmende Wirkung.
Gemäß einer weiteren Option wird das Folienmaterial in Bandform bereitgestellt. Im Schichtaufbau des Folienmaterials ist die zumindest eine innere Intumeszenzschicht enthalten. Im weiteren Prozessverlauf wird das Folienmaterial abgewickelt, dann vollflächig mit der flüssigen Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente besprüht, gehärtet und anschließend wieder aufgewickelt. Später wird es in Segmente geschnitten und dann tiefgezogen, um einen Folienmaterial herzustellen.
In diesem Fall ist das Folienmaterial auch in Bereichen mit der äußeren Intumeszenzschicht beschichtet, die keine Intumeszenzschicht benötigen, etwa im Bereich der Gastasche und im Siegelbereich. Das bedeutet, dass mit dem Entfernen der Gastasche wertvolles Intumeszenzschicht-Material verschwendet wird. Zudem muss bei der thermischen Aushärtung mit Infrarotheizungen die Intumeszenzschicht schnell verdampfen, da es sonst zu lange dauert, bis die Folienmaterial-Spule hergestellt ist. Zudem ist zu bedenken, dass Coils mit Intumeszenzschicht sich nur schwer tiefziehen lassen, da die Intumeszenzschicht auch im Bereich des Niederhalters vorhanden ist. Dies erhöht die Reibung und verringert somit den Materialfluss im Tiefziehwerkzeug. Es ist ferner schwierig, zwei Folienmaterialhälften nach dem Stapeln heiß zu versiegeln. Die Intumeszenzschicht wirkt als Wärmeisolator, so dass die Temperatur beim Versiegeln langsam ansteigt. Infolgedessen kann die Versiegelung beeinträchtigt werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung in erster Linie eine Pouchzelle, die mit flammhemmenden Intumeszenzschichten versehen ist. Diese funktionieren bevorzugt in zwei Stufen. Die erste Stufe wird etwa bei 150°C aktiviert, damit der Verkohlungsprozess abläuft. Die zweite Verkohlung wird bei 300°C aktiviert. Die bei der Verkohlung entstehende Schicht wirkt nicht nur isolierend, sondern ist auch sauerstoffundurchlässig. Die Pouch-Zelle kann aufgrund ihrer robusten und dauerhaften äußeren Intumeszenzschicht mechanischen Einflüssen standhalten. Die mit Polyurethan ausgebildete Intumeszenzschicht wirkt zudem als ein Druckmedium. Das bedeutet, dass ein Kompressionspad zwischen zwei benachbarten Zellen im Zellstapel in der Dicke reduziert oder eliminiert werden kann. Die Pouchzelle hat aufgrund der Intumeszenzschicht eine höhere Biegefestigkeit, was den Montageprozess für das Batteriesystem einfacher und sicherer macht. Der Beschichtungs- und Aushärtungsprozess kann problemlos in die herkömmlichen Zellherstellungsprozesse integriert werden.
Nachfolgend sind die wesentlichen Aspekte der Erfindung nochmals im Einzelnen dargelegt: So ist die Intumeszenzschicht bevorzugt auf der Außenseite der Zellgehäusewand angeordnet. In diesem Fall die Intumeszenzschicht eine Kunststoffmatrix aus Polyurethan aufweisen, in der die Intumeszenzkomponente integriert sind. Die so gebildete Intumeszenzschicht ist gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen (durch Verwendung des Polyurethans) ausreichend stabilisiert.
Die Intumeszenzschicht kann in einer nachfolgend beschriebenen Prozessabfolge hergestellt werden: zunächst wird eine flüssige Ausgangskomponente der Intumeszenzschicht bereitgestellt, die ein in Wasser oder organischem Öl gelöstes Polyurethan mit darin dispergierten Intumeszenzkomponenten ist. Anschließend folgt ein Beschichtungsprozess, in dem die Polyurethanlösung auf die Gehäusewand beschichtet wird. Im Anschluss wird ein Aushärteprozess durchgeführt, in dem die beschichtete Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente durch Wärmebeaufschlagung oder durch UV-Strahlung zur Intumeszenzschicht ausgehärtet wird.
In einer konkreten Ausführungsform ist die Batteriezelle eine Pouchzelle mit einem Zellgehäuse aus Folienmaterial. Das Zellgehäuse weist zwei gegenüberliegende Flachseitenwände auf. Das aus Folienmaterial hergestellte Zellgehäuse wird wie folgt hergestellt: Zunächst wird ein Tiefziehprozess durchgeführt, bei dem aus dem Folienmaterial zwei schalenförmige Gehäuseteile mit jeweils einer Flachseitenwand sowie davon hochgezogenen Randstegen mit Siegelflanschen geformt werden. Anschließend folgt ein Zusammenbauprozess, bei dem die beiden Gehäuseteile an den Siegelflanschen zusammengefügt werden, und zwar unter Bildung des Zellgehäuses mit darin angeordneten Elektroden-/Separatorstapel.
In einer ersten Ausführungsvariante kann der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess der Intumeszenzschicht bereits vor dem Tiefziehprozess stattfinden. Alternativ dazu kann der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess der Intumeszenzschicht nach dem Tiefziehprozess, jedoch noch vor dem Zusammenbauprozess stattfinden. Alternativ dazu kann der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess der Intumeszenzschicht erst nach dem Zusammenbauprozess durchgeführt werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn ausschließlich die Flachseitenwände außenseitig mit der Intumeszenzschicht beschichtet werden. Demgegenüber sind die verbleibenden äußeren Zellgehäuseabschnitte, das heißt insbesondere die Randstege sowie die Siegelflansche frei von der Intumeszenzschicht.
Das Folienmaterial des Pouchzellengehäuses weist einen Schichtaufbau von außen nach innen mit einer Außenfolie, insbesondere PET-Folie, mit einer Zwischenfolie, insbesondere Nylonfolie, mit einer Aluminiumfolie und mit einer Innenfolie, insbesondere aus PP, auf. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Zellgehäusewand neben der oben beschriebenen äußeren Intumeszenzschicht zumindest eine weitere innere Intumeszenzschicht aufweisen, die im Schichtaufbau integriert ist. Bevorzugt ist es, wenn beidseitig der Aluminiumfolie jeweils eine Intumeszenzschicht im Schichtaufbau integriert ist.
Das Folienmaterial des Zellgehäuses kann in bekannter Weise in einem Laminationsprozess hergestellt werden, in dem die Außenfolie, die Zwischenfolie, die Aluminiumfolie sowie die Innenfolie zu dem Folienmaterial laminiert werden. Eine fertigungstechnisch einfache Integration der Intumeszenzschicht in das Folienmaterial ist von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann vor dem Laminationsprozess ein Beschichtungsprozess erfolgen, in dem die Zwischenfolie und/oder die Innenfolie mit einer Ausgangskomponente der Intumeszenzschicht beschichtet werden.
Die Intumeszenztemperatur der äußeren Intumeszenzschicht kann bevorzugt kleiner bemessen sein als die Intumeszenztemperatur der inneren Intumeszenzschicht. Die Intumeszenztemperatur der inneren Intumeszenzschicht ist dabei größer zu bemessen als die Prozesstemperatur während des Laminationsprozesses, die bei etwa 100 bis 110°C liegen kann. Bevorzugt kann für die äußere Intumeszenzschicht als Säurebildner ein kurzkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase I verwendet werden, das sich ab einer Temperatur von etwa 150°C zersetzt. Im Gegensatz dazu kann für die innere Schutzsicht ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II verwendet, das sich ab einer Temperatur von etwa 300°C zersetzt.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittansicht eine Batteriepouchzelle;
2 bis 16 jeweils Ansichten, anhand derer Prozesse zur Herstellung der in der 1 gezeigten Batteriepouchzelle veranschaulicht sind.

In der 1 ist eine fertiggestellte Batteriepouchzelle gezeigt, die ein Zellgehäuse 1 aus Folienmaterial aufweist. Im Zellgehäuse-Inneren ist ein Elektroden-/Separatorstapel 3 aus übereinander gestapelten Elektroden- und Separatorlagen angeordnet. Die Elektroden-Lagen sind über Kontaktfähnchen 5 mit jeweiligen Stromableitern 7, 9 verbunden. Gemäß der 1 ist das Zellgehäuse 1 aus zwei tiefgezogenen Gehäuseteilen 11, 13 aufgebaut. Jedes der Gehäuseteile 11, 13 weist eine Flachseitenwand 15 mit davon hochgezogenen Randstegen 17 auf, von denen Siegelflansche 19 seitlich nach außen abragen. Die beiden Gehäuseteile 11, 13 sind in einem Siegelverfahren an den Siegelflanschen 19 zusammengefügt. Die Stromableiter 7, 9 sind zwischen den zusammengefügten Siegelflanschen 19 nach gehäuseaußen geführt. Um die Betriebssicherheit der Batteriepouchzelle zu erhöhen, ist die Außenseite der jeweiligen Flachseitenwand 15 mit einer äußeren Intumeszenzschicht 21 überdeckt, die in der 1 mit übertrieben großer Materialstärke dargestellt ist.
Die Intumeszenzschicht 21 ist im Wesentlichen aus den folgenden Intumeszenzkomponenten gebildet: eine säurebildende Verbindung, zum Beispiel Phosphorsalze, insbesondere Ammoniumpolyphosphat, die unter Wärmeeinwirkung eine nicht flüchtige Säure freisetzt; eine hydroxylgruppenreiche Komponente, etwa Polyalkohole, die sich in Gegenwart von Säure und Wärme unter Wasserfreisetzung in Kohlenstoff und Kohlendioxid zersetzt; und ein Treibmittel, etwa Melamin, das die Schaumbildung der Kohlenstoffzersetzungsprodukte bewirkt. Zudem weist die äußere Intumeszenzschicht 21 eine Kunststoffmatrix aus Polyurethan auf, in der die Intumeszenzkomponenten integriert sind, wodurch die äußere Intumeszenzschicht 21 gegenüber mechanischen Einwirkungen stabilisiert ist. Die Intumeszenzschicht 21 weist daher im Vergleich zum Folienmaterial eine hohe Biegesteifigkeit, eine hohe Abriebsfestigkeit und/oder eine hohe Intrusionsfestigkeit gegenüber externer Bauteil-Intrusion auf. Im Gegensatz zu den Flachseitenwänden 15 sind die Randstege 17 sowie die Siegelflansche 19 frei von der Intumeszenzschicht 21.
Nachfolgend ist anhand der 2 und 3 eine Prozesskette zur Herstellung der Batteriepouchzelle insoweit veranschaulicht, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge sind ein Reservoirbehälter 23 für Polyurethan-Granulat sowie ein Reservoirbehälter 25 für ein Lösungsmittel, etwa Wasser oder organisches Öl, bereitgestellt. Von den Reservoirbehältern 23, 25 wird das Polyurethan-Granulat sowie das Lösungsmittel in einen Mischbehälter 27 geführt und dort zu einer Polyurethan-Lösung durchmischt. Der Polyurethan-Lösung wird anschließend von einem Reservoirbehälter 29 die Intumeszenzkomponenten sowie ein Aushärtemittel zugeführt, die in der Polyurethan-Lösung dispergiert werden. Die so erzeugte Dispersion bildet einen flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente, die in einer Beschichtungsstation 31 mittels Sprühdüsen 33 einseitig auf einen Folienmaterial-Zuschnitt 34 aufgebracht wird. Der Beschichtungsstation 31 ist eine Aushärtekammer 35 nachgeschaltet, in der die Intumeszenzschicht 21 thermisch ausgehärtet wird, und zwar mittels einer Infrarot-Heizung 37. In der 2 weist die Aushärtekammer 35 zusätzlich eine angedeutete Absaugeinrichtung 36 auf, mittels der dampfförmiges Lösungsmittel aus der Aushärtekammer 35 abgesaugt werden kann.
Nach erfolgter Aushärtung wird der Folienmaterial-Zuschnitt 34 noch im Heißzustand einem Tiefziehwerkzeug 39 zugeführt, das einen Tiefziehstempel 41, eine Matrize 43 sowie einen Niederhalter 45 aufweist. Nach dem Tiefziehvorgang erfolgt ein Zusammenbauprozess, bei dem zwei tiefgezogene Gehäuseteile 11, 13 im Siegelverfahren zusammengefügt werden, und zwar unter Bildung eines Zellgehäuse-Zwischenprodukts 47. Gemäß der 3 weist das Zellgehäuse-Zwischenprodukt 47 das Zellgehäuse 1, in dem das Aktivmaterial 3 eingebracht ist, und eine daran angeformte Gastasche 49 auf.
Anschließend wird ein Formationsprozess durchgeführt, bei dem erste Lade- und Entladevorgänge erfolgen. Das dabei im Zellgehäuse 1 gebildete Formationsgas kann in die Gastasche 49 entweichen und sich dort sammeln. Zum Abschluss des Formationsprozesses wird das Formationsgas aus dem Zellgehäuse 1 in die Gastasche 49 gepresst. Danach wird der Bereich (gestrichelte Linie 50 in der 3) zwischen dem Zellgehäuse 1 und der Gastasche 49 gasdicht gesiegelt. Abschließend wird die Gastasche 49 von dem Zellgehäuse 1 abgetrennt und einem Materialausschuss zugeführt. Wie aus der 3 hervorgeht, ist das Folienmaterial im Bereich der Gastasche 49 nicht von der Intumeszenzschicht 21 überdeckt.
In der 4 ist eine Prozesskette gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, deren grundsätzlicher Aufbau dem in der 2 gezeigten Aufbau gleicht. Von daher wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. Im Unterschied zur 2 erfolgt in der 4 der Beschichtungsprozess nach dem Tiefziehprozess sowie vor dem Zusammenbauprozess. Entsprechend ist in der 4 die Beschichtungsstation 31 mitsamt Aushärtekammer 35 dem Tiefziehwerkzeug 39 nachgeschaltet.
In der 5 ist eine weitere Prozesskette gezeigt, deren grundsätzliche Prozessabfolge identisch wie in der 2 oder 4 ist. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist in der 5 die Beschichtungsstation 31 und die Aushärtekammer 35 dem Formatierungsprozess nachgeschaltet. In diesem Fall wird somit die bereits fertiggestellte Batteriepouchzelle dem Beschichtungsprozess in der Beschichtungsstation 31 und dem Aushärteprozess in der Aushärtestation 35 unterworfen. Um eine thermische Beschädigung des im Zellgehäuse 1 angeordneten Elektroden-/Separatorstapels 3 zu vermeiden, weist in der 5 die Aushärtekammer 35 keine Infrarotheizung auf, sondern vielmehr eine UV-Strahlungseinheit 51. Auf diese Weise erfolgt die Aushärtung ohne zusätzlichen Wärmeeintrag in die Batteriepouchzelle.
In der 6 und ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die Gehäusewand 15 nicht nur eine äußere Intumeszenzschicht 21, sondern auch zwei weitere, innere Intumeszenzschichten 22 aufweist. Die beiden inneren Intumeszenzschichten 22 sind im Schichtaufbau 56 des Folienmaterials der Gehäusewand 15 enthalten. Gemäß der 6 weist das Folienmaterial der Gehäusewand 15 einen Schichtaufbau 56 von außen nach innen mit einer PET-Außenfolie 57, einer Nylon-Zwischenfolie 58, einer Aluminiumfolie 59 und einer PP-Innenfolie 60 auf. Die beiden inneren Intumeszenzschichten 22 sind jeweils auf der Zwischenfolie 58 und auf der Innenfolie 60 beschichtet.
Die PET-Außenfolie 57, die Nylon-Zwischenfolie, die Aluminiumfolie 59 und die PP-Innenfolie 60 werden in einem in der 7 angedeuteten Laminationsprozess zu dem Folienmaterial laminiert. Für den Laminationsprozess werden zunächst die Außenfolie 57, die Zwischenfolie 58, die Aluminiumfolie 59 und die Innenfolie 60 als Endlosbahnware bereitgestellt und der Laminierstation L zugeführt.
Die inneren Intumeszenzschichten 22 werden vor dem in der 7 gezeigten Laminiationsprozess auf die PP- oder Nylonfolien 58, 60 aufgetragen, zum Beispiel in einem Extrusionsverfahren, und anschließend ausgehärtet. Es kann zum Beispiel eine flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente verwendet werden, etwa mit einem Lösungsmittel wie NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidon).
Dabei ist zu beachten, dass der Laminationsprozess meist bei einer Betriebstemperatur im Bereich von 100 bis 110°C stattfindet. Die Intumeszenztemperatur der inneren Intumeszenzschichten 22 muss daher größer bemessen sein als die Prozesstemperatur im Laminationsprozess. Vor diesem Hintergrund kann für die äußere Intumeszenzschicht 21 als Säurebildner ein kurzkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase I verwendet werden, das sich ab einer Temperatur von etwa 150°C zersetzt. Demgegenüber kann für die inneren Intumeszenzschichten 22 ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II verwendet werden, das sich ab einer Temperatur von etwa 300°C zersetzt.
In der 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel angedeutet. Demzufolge wird das Folienmaterial vor Durchführung des Tiefziehprozesses als Bandware bereitgestellt. Diese wird in einem Schneidprozess zu Folienmaterial-Zuschnitten 34 abgelängt. Die abgelängten Folienmaterial-Zuschnitte 34 werden anschließend dem Tiefziehwerkzeug 39 zugeführt. Wie aus der 8 hervorgeht, wird die äußere Intumeszenzschicht 21 in einem kontinuierlichen Beschichtungs- und Aushärtungsprozess aufgebracht, bei dem die Folienmaterial-Bandware in einer Abwickelstation 53 abgewickelt wird und die Beschichtungsstation 31 sowie die nachgeschaltete Aushärtekammer 35 durchläuft. Anschließend wird die beschichtete Bandware in der Aufwickelstation 55 wieder aufgewickelt. Die beschichtete Bandware wird dann dem Schneidprozess zugeführt, um die Folienmaterial-Zuschnitte 34 zu erhalten.
Das in der 8 gezeigte Ausführungsbeispiel weist jedoch die folgenden Nachteile auf: Bei der thermischen Aushärtung mit Infrarotheizung 37 muss das Lösungsmittel schnell verdampfen, da es sonst zu lange dauert, bis in der Aufwickelstation 55 das Coil hergestellt wird. Coils mit der vollflächig ausgebildeten Intumeszenzschicht 21 lassen sich nur schwer tiefziehen, da die Intumeszenzschicht 21 auch im Bereich des Niederhalters 45 des Tiefziehwerkzeugs 39 vorhanden ist. Dies erhöht die Reibung und verringert somit den Materialfluss im Tiefziehwerkzeug 39. Der Radius der Matrize 43 und des Stempels 41 nutzt sich schnell ab, da die Intumeszenzschicht 21 mit diesen Radien in Kontakt kommt. Es ist zudem schwierig, die beiden Gehäuseteile 11, 13 nach dem Einbringen des Aktivmaterials 3 heiß zu versiegeln. Die Intumeszenzschicht 21 wirkt als Wärmeisolator, so dass die Temperatur beim Versiegeln langsam ansteigt. Infolgedessen kann die Versiegelung beeinträchtigt werden.
Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Pouchzelle eine hohe Abriebfestigkeit sowie einen hohen Intrusionswiderstand auf. Besonders in einem cell-to-pack-System ist dies sehr vorteilhaft, da kein schützendes Modulgehäuse vorhanden ist. Die Intumeszenzschicht 21 wirkt darüber hinaus auch als Isolator. Das bedeutet, dass die Dicke des Kompressionspads zwischen zwei Pouchzellen reduziert oder ganz beseitigt werden kann. Die Elastomerkomponente (d.h. das Polyurethan) in den Intumeszenzschichten 21 benachbarter Zellen komprimiert und sorgt für eine gleichmäßige Druckkraft gegen das Ausbeulen der Zellen, so dass keine Aramid-Folie erforderlich ist. Die isolierende Eigenschaft der Pouchzelle trägt dazu bei, die Wärmeausbreitung von einer Zelle zur anderen zu verzögern. Der Beschichtungs- und Aushärtungsprozess kann problemlos in die herkömmlichen Zellherstellungsprozesse integriert werden.
In den 9 und 10 sind im Vergleich der Schichtaufbau 56 eines aus dem Stand der Technik bekannten Folienmaterials (9) und der Schichtaufbau 56 eines erfindungsgemäßen Folienmaterials (10) angedeutet. Demnach besteht das konventionelle Folienmaterial in der 9 aus einem Laminat, das von außen nach innen wie folgt aufgebaut ist:

- eine Außenfolie 57 aus PET mit einer Schichtdicke von 12µm
- eine Trockenlaminierung 62 mit einer Schichtdicke von 3µm
- eine Zwischenfolie 58, die als Nylonfolie mit orientierten Nylonfasern mit einer Schichtdicke von 15µm ausgebildet ist
- eine weitere Trockenlaminierung 62 mit einer Schichtdicke von 3µm
- eine HF-Schutzschicht 63
- eine Aluminiumfolie 59 mit einer Schichtdicke von 40µm
- eine weitere HF-Schutzschicht 63
- eine Innenfolie 60, die als PPA- oder PP-Folie mit einer Schichtdicke von 40µm ausgebildet ist.

Das in der 10 angedeutete Folienmaterial weist grundsätzlich denselben Schichtaufbau 56 wie in der 9 auf. Im Unterschied zur 9 ist auf der Außenseite des Folienmaterial die äußere Intumeszenzschicht 21 aufgetragen. Die äußere Intumeszenzschicht 21 weist eine Schichtdicke von 80µm auf. Zudem weist die äußere Intumeszenzschicht 21 als Säurebildner ein kurzkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase I auf, das sich ab einer Temperatur von etwa 150°C zersetzt.
Ferner weist die das in der 10 angedeutete Folienmaterial die beiden inneren Intumeszenzschichten 22 auf. Diese sind jeweils auf der Nylon-Zwischenfolie 58 und auf der Innenfolie 60 laminiert. Die beiden inneren Intumeszenzschichten 22 weisen jeweils eine Schichtdicke von 40µm auf. Zudem weisen die inneren Intumeszenzschichten 22 als Säurebildner ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II auf, das sich ab einer Temperatur von etwa 300°C zersetzt.
Anhand der 11 bis 16 ist der Wirkmechanismus der Intumeszenzschicht 21, 22 erläutert:

Gemäß der 11 ist Ammoniumpolyphosphat (APP) ein anorganisches Salz von Polyphosphorsäure und Ammoniak. Die Kettenlänge (n) dieser polymeren Verbindung ist sowohl variabel als auch verzweigt und kann mehr als 1000 betragen. Kurzkettige und lineare APPs (n < 100) sind wasserempfindlicher (Hydrolyse) und weniger thermisch stabil als längerkettige APPs (n > 1000), die eine sehr geringe Wasserlöslichkeit (< 0,1 g/100 ml) aufweisen.

APP ist eine stabile, nicht flüchtige Verbindung. In Kontakt mit Wasser wird APP langsam zu Monoammoniumphosphat (Orthophosphat) hydrolysiert. Höhere Temperaturen und längerer Kontakt mit Wasser beschleunigen die Hydrolyse. Langkettiges APP beginnt sich bei Temperaturen über 300°C zu Polyphosphorsäure und Ammoniak zu zersetzen. Kurzkettiges APP beginnt sich bei Temperaturen über 150°C zu zersetzen.
Es gibt zwei Hauptfamilien von Ammoniumpolyphosphat: Kristallphase I APP (nachfolgend APP I) und Kristallphase II APP (APP II). Die Kristallphase I von APP (APP I) ist durch eine variable lineare Kettenlänge gekennzeichnet und weist eine niedrigere Zersetzungstemperatur (ca. 150°C) und eine höhere Wasserlöslichkeit als Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II auf. In APP I ist n (Anzahl der Phosphateinheiten) im Allgemeinen kleiner als 100. Die Strukturformel von APP I ist in der 12 dargestellt.
Die Strukturformel von APP II ist in der 13 dargestellt. Daraus geht hervor, dass APP II im Vergleich zu APP I vernetzt/verzweigt ist. Das Molekulargewicht ist viel größer als bei APP I mit einem n-Wert von über 1000. APP II hat eine höhere thermische Stabilität (die Zersetzung beginnt bei etwa 300°C) und eine geringere Wasserlöslichkeit als APP I.
Ammoniumpolyphosphat wirkt als Flammschutzmittel durch einen chemischen Effekt in der kondensierten Phase. Wenn Kunststoff oder andere Materialien, die APP enthalten, einem Feuer oder Hitze ausgesetzt werden, beginnt sich das Flammschutzmittel zu zersetzen, in der Regel in Polyphosphorsäure und Ammoniak (14). Die Polyphosphorsäure reagiert gemäß der 15 mit Hydroxyl- oder anderen Gruppen eines Synergisten zu einem instabilen Phosphatester. Die Zugabe von Synergisten wie Pentaerythritol-Derivaten, Kohlenhydraten und Schaumbildnern (Melamin usw.) verbessert die flammhemmende Wirkung von APP erheblich. Dadurch wird die Leitfähigkeit der Intumeszenzschicht erhöht und nach Erreichen der Intumeszenztemperatur wird sie isolierend. Im nächsten Schritt folgt gemäß der 15 die Dehydratisierung des Phosphatesters.
In der 16 ist beispielhaft ein mit einer Intumeszenzschicht beschichtetes Kunststoffteil 64 im Brandfall gezeigt. Demzufolge bildet sich auf der Oberfläche des Kunststoffteiles 64 eine Kohlenstoffschaumschicht 20 (Verkohlung), die gegen die Wärmequelle (ΔT) isoliert. Die Kohlenstoffschaumschicht 20 wirkt wie eine Isolierschicht und verhindert eine weitere Zersetzung des Materials. Zudem unterbindet die Kohlenstoffschaumschicht 20 eine Rauchentwicklung R. Außerdem ist die Kohlenstoffschaumschicht 20 undurchlässig für externen Sauerstoff, wie es in der 16 angedeutet ist.
Bezugszeichenliste

1: Zellgehäuse
3: Elektroden-/Separatorstapel
5: Kontaktfähnchen
7,9: Stromableiter
11, 13: Gehäuseteile
15: Flachseitenwand
17: Randsteg
19: Siegelflansch
20: Kohlenstoffschaumschicht
21: äußere Intumeszenzschicht
22: innere Intumeszenzschicht
23, 25: Reservoirbehälter
27: Mischbehälter
29: Reservoirbehälter
31: Beschichtungsstation
33: Sprühdüsen
34: Folienmaterial-Zuschnitt
35: Aushärtekammer
36: Absaugeinrichtung
37: Heizeinrichtung
39: Tiefziehwerkzeug
41: Tiefziehstempel
43: Matrize
45: Niederhalter
47: Zellgehäuse-Zwischenprodukt
49: Gastasche
50: Bereich zwischen dem Zellgehäuse und der Gastasche
51: UV-Strahler
53: Abwickelstation
55: Aufwickelstation
56: Schichtaufbau
57: Außenfolie
58: Zwischenfolie
59: Aluminiumfolie
60: Innenfolie
61: Sprüheinheit
62: Trockenlaminierung
63: HF-Schutzschicht
64: Kunststoffteil
L: Laminierstation
R: Rauchentwicklung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3683048 A1 [0004]
US 2021/0257690 A1 [0004]
US 2017/0301968 A1 [0004]

Claims

Batteriezelle, insbesondere für ein Hochvoltbatteriesystem, mit einem Zellgehäuse (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gehäusewand (15) des Zellgehäuses (1) zumindest eine Intumeszenzschicht (21) aufweist, die im Brandfall eine voluminöse, isolierende Kohlenstoffschaumschicht (20) durch Verkohlung und gleichzeitiges Aufschäumen ausbildet.
Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intumeszenzschicht (21) im Wesentlichen aus den folgenden Intumeszenzkomponenten gebildet ist: - eine säurebildende Verbindung, zum Beispiel Phosphorsalze, insbesondere Ammoniumpolyphosphat, die unter Wärmeeinwirkung eine nicht flüchtige Säure freisetzt; - eine hydroxylgruppenreiche Komponente, etwa Polyalkohole, die sich in Gegenwart von Säure und Wärme unter Wasserfreisetzung in Kohlenstoff und Kohlendioxid zersetzt; - ein Treibmittel, etwa Melamin, das die Schaumbildung der Kohlenstoffzersetzungsprodukte bewirkt.
Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Intumeszenzschicht (21) auf der Außenseite der Zellgehäusewand (15) angeordnet ist, und/oder dass die Intumeszenzschicht (21) eine Kunststoffmatrix aus Elastomer, insbesondere Polyurethan, aufweist, in der die Intumeszenzkomponenten integriert sind, wodurch die Intumeszenzschicht (21) gegenüber mechanischen Einwirkungen stabilisiert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intumeszenzschicht (21) in einer Prozessabfolge herstellbar ist, in der eine flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente bereitgestellt ist, die ein in Wasser oder organischem Öl gelöstes Elastomer, insbesondere Polyurethan, mit darin dispergierten Intumeszenzkomponenten sowie Aushärtemittel ist, insbesondere mit einem Beschichtungsprozess, in dem die Polyurethanlösung auf die Gehäusewand (15) beschichtet wird, mit einem Aushärteprozess, in dem die flüssige Intumeszenzschicht-Ausgangskomponente durch Wärmebeaufschlagung oder durch UV-Strahlung zur Intumeszensschicht (21) ausgehärtet wird.
Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle eine Pouchzelle mit einem Zellgehäuse (1) aus Folienmaterial ist, das zwei gegenüberliegende Flachseitenwände (15) aufweist, und/oder dass insbesondere das Zellgehäuse (1) in einer Prozessabfolge herstellbar ist, mit - einem Tiefziehprozess, bei dem aus dem Folienmaterial zwei schalenförmige Gehäuseteile (11, 13) mit jeweils einer Flachseitenwand (15) sowie davon hochgezogenen Randstegen (17) mit Siegelflanschen (19) geformt werden, - einem Zusammenbauprozess, bei dem die beiden Gehäuseteile (11, 13) an den Siegelflanschen (19) zusammengefügt werden, und zwar unter Bildung des Zellgehäuses (1) mit darin angeordnetem Elektroden-/Separatorstapel.
Batteriezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess vor dem Tiefziehprozess erfolgen, oder dass der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess nach dem Tiefziehprozess, jedoch noch vor dem Zusammenbauprozess erfolgen, oder dass der Beschichtungsprozess und der Aushärteprozess nach dem Zusammenbauprozess erfolgen, und/oder dass ausschließlich die Flachseitenwände (15) mit der Intumeszenzschicht (21) beschichtet sind, und dass insbesondere die verbleibenden äußeren Zellgehäuseabschnitte, das heißt insbesondere die Randstege (17) sowie die Siegelflansche (19) frei von der Intumeszenzschicht (21) sind.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial des Pouchzellengehäuses (1) einen Schichtaufbau (56) von außen nach innen mit einer Außenfolie (57), insbesondere PET-Folie, einer Zwischenfolie (58), insbesondere Nylonfolie, einer Alufolie (59) und einer Innenfolie (60), insbesondere aus PP, aufweist, und dass insbesondere die Gehäusewand (15) neben der äußeren Intumeszenzschicht (21) zumindest eine weitere, innere Intumeszenzschicht (21) zumindest eine weitere, innere Intumeszenzschicht (22) im Schichtaufbau (56) aufweist, und dass insbesondere beidseitig der Alufolie (59) jeweils eine innere Intumeszenzschicht (22) im Schichtaufbau (56) enthalten ist.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmaterial in einem Laminationsprozess hergestellt ist, in dem die Außenfolie (57), die Zwischenfolie (58), die Alufolie (59) und die Innenfolie (60) zu dem Folienmaterial laminiert werden, und dass vor dem Laminationsprozess ein Beschichtungsprozess erfolgt, in dem die Zwischenfolie (58) und/oder die Innenfolie (60) mit der Intumeszenzschicht (22) beschichtet werden.
Batteriezelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Intumeszenztemperatur der äußeren Intumeszenzschicht (21) kleiner bemessen ist als die Intumeszenztemperatur der inneren Intumeszenzschicht (22), und dass insbesondere für die äußere Intumeszenzschicht (21) als Säurebildner ein kurzkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase I verwendet wird, das sich ab einer Temperatur von etwa 150°C zersetzt, und/oder dass für die innere Intumeszenzschicht (22) ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat der Kristallphase II verwendet wird, das sich ab einer Temperatur von etwa 300°C zersetzt.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.