DE102023110032A1

DE102023110032A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer batteriezelle mit einem füllstoff mit hoher wärmeleitfähigkeit für hervorragende thermische leistung

Info

Publication number: DE102023110032A1
Application number: DE102023110032.7A
Authority: DE
Inventors: Liang Xi; Andrew P. Oury; Li Yang; SriLakshmi Katar
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2023-04-20
Publication date: 2024-04-25
Also published as: CN117917795A

Abstract

Eine Vorrichtung mit einer Batteriezelle enthält einen Elektrodenstapel. Der Elektrodenstapel umfasst eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und einen zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordneten Separator. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es den Elektrodenstapel umschließt und mechanisch schützt. Die Vorrichtung enthält ferner einen Elektrolyten. Die Vorrichtung umfasst ferner ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das sich zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse befindet und so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse herstellt.

Description

EINFÜHRUNG
Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle mit einem Füllmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit für eine ausgezeichnete thermische Leistung.
Eine Batteriezelle enthält eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, einen Separator und einen Elektrolyten. Während der Lade- und Entladezyklen erzeugt die Batteriezelle Wärme. Die Batteriezelle hat einen gewünschten Betriebstemperaturbereich, der in einem Beispiel typischerweise von etwa -30°C bis etwa 50°C reichen kann. Wird die Batteriezelle bei hohen Temperaturen betrieben, z. B. bei 45 °C oder höher, kann dies den Abbau der Batteriezelle beschleunigen und somit die Leistung der Batteriezelle verringern.
BESCHREIBUNG
Eine Vorrichtung mit einer Batteriezelle ist vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen Elektrodenstapel. Der Elektrodenstapel umfasst eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordnete Trennschicht. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es den Elektrodenstapel und einen Elektrolyten umschließt und mechanisch schützt. Die Vorrichtung umfasst ferner ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das sich zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse befindet und so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse herstellt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial Keramikpartikel.
In einigen Ausführungsformen werden die keramischen Teilchen aus mindestens einem der folgenden Stoffe gebildet: Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolith, lithierter Zeolith, Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid und Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat.
In einigen Ausführungsformen enthält das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial außerdem ein polymeres Bindemittel, das so konfiguriert ist, dass es die Form und Lage der Keramikteilchen innerhalb des Gehäuses fixiert.
In einigen Ausführungsformen umfasst das polymere Bindemittel Polyvinylidenfluorid, Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) oder Polytetrafluorethylen.
In einigen Ausführungsformen werden die keramischen Partikel und das polymere Bindemittel in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst und auf die Bodenfläche eines durch das Gehäuse definierten Innenraums aufgebracht.
In einigen Ausführungsformen ist das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial so konfiguriert, dass es Feuchtigkeit, Fluorwasserstoff oder Mangan(2+) aus dem Elektrolyten auffängt und zurückhält.
In einigen Ausführungsformen enthält das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ein polymeres Bindemittel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 Watt pro Meter-Kelvin bis 20 Watt pro Meter-Kelvin.
In einigen Ausführungsformen enthält das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ein festes Phasenwechselmaterial.
In einigen Ausführungsformen umfasst das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial einen mit dem Elektrolyt getränkten Schaum.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Elektrodenstapel einen Jellyroll-Elektrodenstapel mit einer flexiblen Anoden-Elektrodenschicht, einer flexiblen Kathoden-Elektrodenschicht und einer flexiblen Separatorschicht, die zwischen der flexiblen Anoden-Elektrodenschicht und der flexiblen Kathoden-Elektrodenschicht angeordnet ist. Die flexible Anoden-Elektrodenschicht, die flexible Kathoden-Elektrodenschicht und die flexible Separatorschicht sind in einer gerollten Konfiguration angeordnet, so dass ein Wirbelmuster an zwei distalen Enden des Jellyroll-Elektrodenstapels erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Elektrodenstapel eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenelektrodenpaaren, wobei jedes der Anoden- und Kathodenelektrodenpaare einen dazwischen angeordneten Separator aufweist.
In einigen Ausführungsformen ist das Gerät eine prismatische Batteriezelle, und das Gehäuse umfasst eine rechteckige Dose.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse eine zylindrische Außenfläche, eine ovalrackförmige Außenfläche oder einen flexiblen Beutel.
In einigen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine innere Aussparung, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels konfiguriert ist und eine Bodenfläche, eine Vielzahl von Seitenwandflächen und eine obere Fläche umfasst. Das thermisch leitfähige und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist zwischen der Bodenfläche und dem Elektrodenstapel angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine innere Aussparung, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels konfiguriert ist und eine Bodenfläche, eine Vielzahl von Seitenwandflächen und eine obere Fläche umfasst. Das thermisch leitfähige und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist zwischen einer der mehreren Seitenwandflächen und dem Elektrodenstapel angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine innere Aussparung, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels konfiguriert ist und eine Bodenfläche, eine Vielzahl von Seitenwandflächen und eine obere Fläche umfasst. Das thermisch leitfähige und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist zwischen einer ersten der mehreren Seitenwandflächen und dem Elektrodenstapel und zwischen einer zweiten der mehreren Seitenwandflächen und dem Elektrodenstapel angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine innere Aussparung, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels konfiguriert ist und eine Bodenfläche, eine Vielzahl von Seitenwandflächen und eine obere Fläche umfasst. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist zwischen der oberen Fläche und dem Elektrodenstapel angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine innere Aussparung, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels konfiguriert ist und eine Bodenfläche, eine Vielzahl von Seitenwandflächen und eine obere Fläche umfasst. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist zwischen der oberen Fläche und dem Elektrodenstapel und zwischen der unteren Fläche und dem Elektrodenstapel angeordnet.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Anordnen eines Elektrodenstapels innerhalb eines Gehäuses, das zum mechanischen Schutz des Elektrodenstapels konfiguriert ist. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterials zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse bildet. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines flüssigen Elektrolyten innerhalb des Gehäuses.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Figuren ohne weiteres ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 zeigt schematisch in der Vorderansicht eine Batteriezellen- und Kühlplattenkonfiguration mit einer Batteriezelle und einer Kühlplatte gemäß der vorliegenden Offenbarung;
Die 2-7 zeigen schematisch in der Seitenansicht Ausführungsformen von Batteriezellen mit verschiedenen Stellen, an denen das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung in den Batteriezellen angeordnet werden kann;
2 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial, das zwischen einer der Seitenwandflächen und einer Seitenfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial, das zwischen einer der Seitenwandflächen und der Seitenfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 mit dem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial, das zwischen einer der Seitenwandflächen und der Seitenfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, und einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial, das zwischen einer anderen der Seitenwandflächen und einer zweiten Seitenfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial, das zwischen der oberen Oberfläche und einer oberen Oberfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
6 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das zwischen der oberen Oberfläche und einer oberen Oberfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
7 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1 und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das zwischen der oberen Oberfläche und der oberen Oberfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das zwischen der unteren Oberfläche und einer unteren Oberfläche des Elektrodenstapels angeordnet ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
8 zeigt schematisch die Batteriezelle von 1, die eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse in Form einer polyedrischen, rechteckigen Dose gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
9 zeigt schematisch eine Batteriezelle aus 1, bei der es sich um eine Pouch-Batteriezelle mit einem Gehäuse in Form einer flexiblen Folienaußenhülle gemäß der vorliegenden Offenbarung handelt;
10 zeigt schematisch eine Batteriezelle aus 1, bei der es sich um eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse in Form einer zylindrischen Dose im Sinne der vorliegenden Offenbarung handelt;
11 zeigt schematisch eine Batteriezelle aus 1, die eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse in Form einer polyedrischen Dose mit einer oval-rackigen Form gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Temperaturgradientenkontur der Batteriezelle und der Kühlplattenkonfiguration von 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Batteriezelle enthält einen Elektrodenstapel. Der Elektrodenstapel umfasst eine oder mehrere Anodenelektroden, eine oder mehrere Kathodenelektroden und Separatoren, die jede der Anodenelektroden von jeder der Kathodenelektroden trennen. Ein Elektrodenstapel kann eine Vielzahl von flachen Platten umfassen. Ein Elektrodenstapel kann einen Jellyroll-Elektrodenstapel enthalten, der eine flexible Anodenelektrode, eine flexible Kathodenelektrode und einen flexiblen Separator umfassen kann. Die biegsame Anodenelektrode, die biegsame Kathodenelektrode und der biegsame Separator können in eine zylindrische Form gerollt werden, wobei die Schichten der Elektroden und des Separators als Wirbelmuster an zwei Enden der zylindrischen Form erscheinen.
In einer anderen Ausführungsform kann die Jellyroll-Elektrode zu einer ovalen oder O-förmigen Rennbahnform abgeflacht werden.
Die Batteriezelle kann eine prismatische Batteriezelle mit einem harten Außengehäuse oder einer Dose sein, die so konfiguriert ist, dass sie den Elektrodenstapel innerhalb des Gehäuses enthält und mechanisch schützt. Das Gehäuse kann aus Metall, Kunststoff, einem Polymer oder anderen ähnlichen Materialien bestehen. Eine Batteriezelle kann eine Pouch-Zelle mit einer flexiblen Außenhülle sein. Die flexible Außenhülle kann aus einer Metallfolie bestehen.
Eine Batteriezelle erzeugt beim Betrieb in einem Lade- oder Entladezyklus Wärme. Um einen gewünschten Betriebstemperaturbereich innerhalb der Batteriezelle aufrechtzuerhalten, kann die Wärme von der Batteriezelle weggeführt werden. Eine Kühlplatte kann in Kontakt mit einer Außenfläche der Batteriezelle angeordnet werden, um die Wärme von der Batteriezelle wegzuleiten. Wärme wird in der Batteriezelle innerhalb des Elektrodenstapels durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, die zwischen der/den Anodenelektrode(n) und der/den Kathodenelektrode(n) stattfindet. Damit die Wärme vom Elektrodenstapel auf die Kühlplatte übertragen werden kann, muss die Wärme vom Elektrodenstapel auf die Dose oder die flexible Außenhülle übertragen werden, die zur Aufnahme des Elektrodenstapels verwendet wird. Ein Wärmeübertragungspfad mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel und dem Becher oder der flexiblen Außenhülle der Batteriezelle sorgt für eine ausgezeichnete Wärmeübertragung und die Fähigkeit, einen gewünschten Betriebstemperaturbereich innerhalb der Batteriezelle aufrechtzuerhalten.
Die Batteriezelle kann einen flüssigen Elektrolyten oder einen Festkörperelektrolyten enthalten. Ein flüssiger Elektrolyt kann einen Wärmeübertragungspfad vom Elektrodenstapel zur Dose oder zur flexiblen Außenhülle bieten, sofern vorhanden. Der flüssige Elektrolyt kann jedoch in der Batteriezelle knapp werden, da der Elektrolyt während der Zyklen der Batteriezelle austrocknet. Zwischen dem Elektrodenstapel und dem Behälter oder der flexiblen Außenhülle kann ein Spalt vorhanden sein. Ein Spalt kann eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen oder eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Behälter oder der flexiblen Außenhülle verhindern.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle sind vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen Elektrodenstapel. Der Elektrodenstapel umfasst eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Trennschicht, die zwischen der flexiblen Anodenelektrodenschicht und der flexiblen Kathodenelektrodenschicht angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es den Elektrodenstapel umschließt und mechanisch schützt. Die Vorrichtung umfasst ferner ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse angeordnet ist und eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und der äußeren Hülle herstellt.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial bietet einen Wärmeübertragungspfad mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel und der Dose oder der flexiblen Außenhülle der Batteriezelle. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ist elektrisch isolierend, was bedeutet, dass das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial keinen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode oder zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse bildet. In einer Ausführungsform enthält das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial keramische Partikel. Die keramischen Partikel können aus Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxid wie Siliziumdioxid (SiO₂), lithiumhaltigem Zeolith, Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid (LLZO) oder Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat (LATP) gebildet werden. In einer Ausführungsform kann das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,1 Watt pro Meter-Kelvin und 20 Watt pro Meter-Kelvin beschrieben werden.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial kann ein polymeres Bindemittel enthalten, das so konfiguriert ist, dass es die Form und Position der Keramikpartikel innerhalb des Gehäuses fixiert. Das polymere Bindemittel kann Polyvinylidenfluorid, Poly(vinylidenfluorid-cohexafluorpropylen) oder Polytetrafluorethylen enthalten. Die keramischen Partikel und das polymere Bindemittel werden in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst und auf die Bodenfläche des Gehäuses aufgebracht.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial kann so konfiguriert sein, dass es Feuchtigkeit, Fluorwasserstoff oder Mangan(2+) aus dem flüssigen Elektrolyten auffängt und zurückhält.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial kann ein polymeres Bindemittel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 Watt pro Meter-Kelvin und 20 Watt pro Meter-Kelvin enthalten.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial kann ein festes Phasenwechselmaterial enthalten.
Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial besteht aus einem mit dem flüssigen Elektrolyten getränkten Schaum.
Der Elektrodenstapel kann einen Jellyroll-Elektrodenstapel mit einer flexiblen Anoden-Elektrodenschicht, einer flexiblen Kathoden-Elektrodenschicht und einer flexiblen Trennschicht, die zwischen der flexiblen Anoden-Elektrodenschicht und der flexiblen Kathoden-Elektrodenschicht angeordnet ist, umfassen. Die flexible Anoden-Elektrodenschicht, die flexible Kathoden-Elektrodenschicht und die flexible Separatorschicht sind in einer gerollten Konfiguration angeordnet, so dass an zwei distalen Enden des Jellyroll-Elektrodenstapels ein Wirbelmuster erzeugt wird.
Der Elektrodenstapel kann eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenelektrodenpaaren umfassen, wobei jedes der Anoden- und Kathodenelektrodenpaare einen dazwischen angeordneten Separator aufweist.
Die Vorrichtung kann eine prismatische Batteriezelle enthalten. Das Gehäuse umfasst eine rechteckige Dose.
In einigen Ausführungsformen kann das Gehäuse eine zylindrische Außenfläche, eine ovalrackförmige Außenfläche oder einen flexiblen Beutel aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, zeigt 1 schematisch eine Batteriezellen- und Kühlplattenkonfiguration 10 mit einer Batteriezelle 20 und einer Kühlplatte 12. Die Kühlplatte 12 kann wärmeleitende Materialien, einen Kreislauf aus flüssigem Kühlmittel und andere bekannte Strukturen zur Ableitung von Wärme von einer Oberfläche oder einem Bereich enthalten. Die Kühlplatte 12 ist neben einer Bodenfläche 71 der Batteriezelle 20 angeordnet oder liegt an dieser an. In anderen Ausführungsformen kann die Kühlplatte 12 zusätzlich oder alternativ an einer oder mehreren Seitenflächen 72 der Batteriezelle 20 und/oder einer oberen Fläche 73 der Batteriezelle 20 anliegen. Die Batteriezelle 20 umfasst einen Elektrodenstapel 30, einen Elektrolyten 25 und eine Umhüllung 40. Der Elektrodenstapel 30 kann aus einer Vielzahl von Elektrodenplatten bestehen, die eine Vielzahl von Paaren von Anoden- und Kathodenelektroden umfassen, wobei jedes Paar durch einen Separator getrennt ist. Innerhalb des Elektrodenstapels 30 kann ein flüssiger Elektrolyt vorhanden sein. Eine oder mehrere Laschen 42 können als Batteriezellenanschluss vorgesehen sein.
Zwischen einer Bodenfläche 38 des Elektrodenstapels 30 und dem Gehäuse 40 kann ein Spalt 50 vorhanden sein. Ein Spalt 51 kann zwischen dem Gehäuse 40 und einer Seite 37 des Elektrodenstapels 30 vorhanden sein. Zwischen einer Oberseite 35 des Elektrodenstapels 30 und dem Gehäuse 40 kann ein Spalt 52 vorhanden sein. Die Spalte 50, 51, 52 bieten eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum Elektrodenstapel 30, der direkt mit dem Gehäuse 40 in Kontakt steht. Folglich kann das Vorhandensein der Lücken 50, 51, 52 zu einer ineffizienten Wärmeübertragung zwischen dem Elektrodenstapel 30 und dem Gehäuse 40 führen.
Ein wärmeleitfähiges und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial 60 ist vorgesehen, um den Spalt 50 zu füllen und einen Wärmeübertragungsweg mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 30 und dem Gehäuse 40 zu schaffen. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 ist zwischen einer Bodenfläche 43 innerhalb einer inneren Ausnehmung 41 des Gehäuses 40 und einer Bodenfläche 38 des Elektrodenstapels 30 angeordnet. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 kann in einem oder mehreren der Lücken 50, 51, 52 verwendet werden. In einer Ausführungsform kann das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 in Kontakt mit einem Teil des Gehäuses 40 angeordnet werden, der auch an der Kühlplatte 12 anliegt, um eine hervorragende Wärmeübertragung vom Elektrodenstapel 30 durch das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60, durch das Gehäuse 40 und zur Kühlplatte 12 zu gewährleisten.
Die 2-7 zeigen schematisch Ausführungsformen von Batteriezellen 20, 120 mit verschiedenen Stellen, an denen das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 innerhalb des Gehäuses 40, 140 der Batteriezellen 20, 120 angeordnet sein kann. Die 2-5 zeigen die Batteriezelle 20 mit zwei Laschen 42, 44, die sich auf einer oberen Fläche 47 der Batteriezelle 20 befinden. Die Batteriezelle 20 umfasst die innere Aussparung 41 mit der Bodenfläche 43, den Seitenwandflächen 45 und einer oberen Fläche 47. In den 6 und 7 ist die Batteriezelle 120 mit zwei Laschen 142, 144 dargestellt, die sich an zwei Seitenwandflächen der Batteriezelle 120 befinden. Die Batteriezelle 120 enthält eine innere Aussparung 141 mit einer Bodenfläche 143, Seitenwandflächen 145 und einer oberen Fläche 147.
2 zeigt schematisch die Batteriezelle 20 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial 60A, das zwischen einer der Seitenwandflächen 45 und einer Seitenfläche 32 des Elektrodenstapels 30 angeordnet ist. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60A bedeckt die gesamte Seitenfläche 32.
3 zeigt schematisch die Batteriezelle 20 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial 60B, das zwischen einer der Seitenwandflächen 45 und der Seitenfläche 32 des Elektrodenstapels 30 angeordnet ist. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60B bedeckt einen Teil der Seitenfläche 32.
4 zeigt schematisch die Batteriezelle 20 mit dem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial 60A, das zwischen einer der Seitenwandflächen 45 und der Seitenfläche 32 des Elektrodenstapels 30 angeordnet ist, und einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial 60C, das zwischen einer anderen der Seitenwandflächen 45 und einer zweiten Seitenfläche 34 des Elektrodenstapels 30 angeordnet ist.
5 zeigt schematisch die Batteriezelle 20 mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterial 60D, das zwischen der oberen Oberfläche 47 und einer oberen Oberfläche 36 des Elektrodenstapels 30 angeordnet ist.
6 zeigt schematisch die Batteriezelle 120 und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial 160A, das zwischen der oberen Oberfläche 147 und einer oberen Oberfläche 136 des Elektrodenstapels 130 angeordnet ist.
7 zeigt schematisch die Batteriezelle 120 und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial 160B, das zwischen der oberen Oberfläche 147 und der oberen Oberfläche 136 des Elektrodenstapels 130 angeordnet ist, sowie ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial 160C, das zwischen der unteren Oberfläche 143 und einer unteren Oberfläche 138 des Elektrodenstapels 130 angeordnet ist. Die Ausführungsformen der sind Beispiele für Stellen, an denen die wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterialien 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C innerhalb der Batteriezelle 20, 120 angeordnet sein können. Andere Stellen und Ausführungsformen sind denkbar, und die Offenbarung soll nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt sein.
Die wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterialien 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C der 2-7 können in verschiedenen Batteriezellenkonfigurationen verwendet werden. 8 zeigt schematisch die Batteriezelle 20 von 1, die eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse 40 in Form einer polyedrischen, rechteckigen Dose ist. Der Elektrodenstapel 30 ist innerhalb des Gehäuses 40 angeordnet, und eines oder mehrere der wärmeleitenden und elektrisch isolierenden inerten Füllmaterialien 60, 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C der 1-7 sind innerhalb des Gehäuses 40 vorhanden und sorgen für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 30 und dem Gehäuse 40.
9 zeigt schematisch eine Batteriezelle 220, bei der es sich um eine Beutel-Batteriezelle mit einem Gehäuse 240 handelt, das als flexible Folienaußenhülle ausgeführt ist. Ein Elektrodenstapel 230 ist innerhalb des Gehäuses 240 angeordnet, und eines oder mehrere der wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterialien 60, 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C der 1-7 sind innerhalb des Gehäuses 240 vorhanden und sorgen für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 230 und dem Gehäuse 240.
10 zeigt schematisch eine Batteriezelle 320, bei der es sich um eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse 340 handelt, das als zylindrisch geformte Dose ausgeführt ist. Ein Elektrodenstapel 330 ist innerhalb des Gehäuses 340 angeordnet und kann einen zylindrisch geformten Jellyroll-Elektrodenstapel umfassen. Eines oder mehrere der wärmeleitenden und elektrisch isolierenden inerten Füllmaterialien 60, 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C der 1-7 befinden sich innerhalb des Gehäuses 340 und sorgen für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 330 und dem Gehäuse 340.
11 zeigt schematisch eine Batteriezelle 420 aus 1, die eine prismatische Batteriezelle mit einem Gehäuse 440 ist, das als polyedrische Dose mit einer oval-racetrackförmigen Form ausgeführt ist. Ein Elektrodenstapel 430 ist innerhalb des Gehäuses 440 angeordnet und kann eine ovale oder rennbahnförmige Jellyroll-Elektrode sein. Eines oder mehrere der wärmeleitenden und elektrisch isolierenden inerten Füllmaterialien 60, 60A, 60B, 60C, 60D, 160A, 160B, 160C der befinden sich innerhalb des Gehäuses 440 und sorgen für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 430 und dem Gehäuse 440.
12 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 500 zur Herstellung einer Batteriezelle 20 zeigt. Das Verfahren 500 wird in Bezug auf die Batteriezellen- und Kühlplattenkonfiguration 10 von 1 beschrieben. Das Verfahren 500 kann in ähnlicher Weise für andere Batteriezellen- und Kühlvorrichtungskonfigurationen verwendet werden. Das Verfahren 500 beginnt in Schritt 502. In Schritt 504 wird das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 in einem Teil der inneren Aussparung 41 des Gehäuses 40 angeordnet oder darauf aufgebracht. In Schritt 506 wird der Elektrodenstapel 30 in das Gehäuse 40 eingesetzt, und das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 befindet sich zwischen dem Elektrodenstapel 30 und dem Gehäuse 40. In Schritt 508 wird ein flüssiger Elektrolyt innerhalb des Gehäuses 40 und in Kontakt mit dem Elektrodenstapel 30 angeordnet. In Schritt 510 wird die Batteriezelle 20 verwendet, um einem Gerät oder System, wie z. B. einem Fahrzeug, einem Motor, der ein Ausgangsdrehmoment für ein Fahrzeug bereitstellt, einem Stromerzeugungssystem, einem Boot oder einem Flugzeug, elektrische Energie zuzuführen. Während die elektrische Energie bereitgestellt wird, wird Wärme vom Elektrodenstapel 30 durch das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60, durch das Gehäuse 40 und in die Kühlplatte 12 übertragen, so dass ein Betriebstemperaturbereich der Batteriezelle 20 aufrechterhalten werden kann. Das Verfahren 500 endet mit Schritt 512. Das Verfahren 500 ist beispielhaft, und eine Reihe von zusätzlichen oder alternativen Verfahrensschritten sind denkbar. Die Offenbarung soll nicht auf die aufgeführten Beispiele beschränkt sein.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle ist vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Anordnen eines Elektrodenstapels innerhalb eines Gehäuses, das zum mechanischen Schutz des Elektrodenstapels konfiguriert ist. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterials zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse bildet. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen eines flüssigen Elektrolyten innerhalb des Gehäuses.
13 ist ein Diagramm 600, das eine Beziehung zwischen einer Temperaturgradientenkontur der Batteriezelle und der Kühlplattenkonfiguration 10 von 1 darstellt. Das Diagramm 600 enthält einen ersten Abschnitt 610, der die Temperaturschwankungen in der Batteriezelle 20 beschreibt, wenn das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 nicht vorhanden ist und ein Spalt zwischen der Batteriezelle 20 und dem Gehäuse 40 besteht. Der Bereich 612 beschreibt die Temperaturen innerhalb der Batteriezelle 20, wobei die Daten an der Unterseite des Bereichs 612 eine Temperatur in der Nähe der Unterseite der Batteriezelle 20 und die Daten an der Oberseite des Bereichs 612 die Temperatur im Abstand von der Unterseite der Batteriezelle 20 darstellen. Die Daten im Bereich 614 veranschaulichen die Temperatur der Kühlplatte 12. Die Daten im Bereich 612 zeigen eine vernachlässigbare Temperaturänderung durch die Batteriezelle 20, was darauf hindeutet, dass nur wenig Wärme von der Batteriezelle 20 weggeleitet wird. Der Spalt zwischen der Batteriezelle 20 und dem Gehäuse 40 verhindert, dass Wärme von der Batteriezelle 20 auf die Kühlplatte 12 übertragen wird.
Das Diagramm 600 enthält einen zweiten Abschnitt 620, der die Temperaturschwankungen in der Batteriezelle 20 beschreibt, wenn das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 zwischen der Batteriezelle 20 und dem Gehäuse 40 angeordnet ist. Der Bereich 622 beschreibt die Temperaturen innerhalb der Batteriezelle 20, wobei die Daten an der Unterseite des Bereichs 622 eine Temperatur in der Nähe der Unterseite der Batteriezelle 20 und die Daten an der Oberseite des Bereichs 622 die Temperatur im Abstand von der Unterseite der Batteriezelle 20 darstellen. Die Daten im Bereich 624 veranschaulichen die Temperatur der Kühlplatte 12. Die Daten im Bereich 622 zeigen erhebliche und signifikante Temperaturänderungen in der Batteriezelle 20, wobei die höheren Temperaturwerte in der Entfernung von der Kühlplatte 12 stetig auf niedrigere Temperaturwerte in der Nähe der Kühlplatte 12 abfallen, was darauf hindeutet, dass eine erhebliche Wärmemenge von der Batteriezelle 20 abgeführt wird. Das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial 60 stellt einen Wärmeübertragungspfad mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Elektrodenstapel 30 und dem Gehäuse 40 bereit und ermöglicht eine erhebliche Wärmeübertragung vom Elektrodenstapel 30 zur Kühlplatte 12.
Während die bevorzugten Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Eine Vorrichtung, die eine Batteriezelle enthält, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Elektrodenstapel, einschließlich: eine Anodenelektrode; eine Kathodenelektrode; und eine Trennschicht, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordnet ist; ein Gehäuse, das so gestaltet ist, dass es den Elektrodenstapel umschließt und mechanisch schützt; einen Elektrolyten und ein wärmeleitendes und elektrisch isoliertes inertes Füllmaterial, das sich zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse befindet und so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse herstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial keramische Partikel enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die keramischen Teilchen aus mindestens einem der folgenden Stoffe gebildet werden: Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolith, lithiierter Zeolith, Lithium-Lanthan-Zirkoniumoxid und Lithium-Aluminium-Titan-Phosphat.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ferner ein polymeres Bindemittel enthält, das so konfiguriert ist, dass es die Form und die Lage der Keramikteilchen innerhalb des Gehäuses fixiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das polymere Bindemittel Polyvinylidenfluorid, Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) oder Polytetrafluorethylen enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die keramischen Teilchen und das polymere Bindemittel in einem organischen Lösungsmittel gelöst und auf die Bodenfläche eines durch das Gehäuse definierten Innenraums aufgebracht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial so konfiguriert ist, dass es Feuchtigkeit, Fluorwasserstoff oder Mangan(2+) aus dem Elektrolyten auffängt und zurückhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ein polymeres Bindemittel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 Watt pro Meter-Kelvin bis 20 Watt pro Meter-Kelvin enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial ein festes Phasenwechselmaterial enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines Elektrodenstapels innerhalb eines Gehäuses, das zum mechanischen Schutz des Elektrodenstapels konfiguriert ist; Anordnen eines wärmeleitenden und elektrisch isolierten inerten Füllmaterials zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse, wobei das wärmeleitende und elektrisch isolierte inerte Füllmaterial so konfiguriert ist, dass es eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Elektrodenstapel und dem Gehäuse schafft; und Einbringen eines flüssigen Elektrolyten in das Gehäuse.