DE19529849C2 - Electrochemical cells with protective device and accumulator with non-aqueous electrolytes - Google Patents

Electrochemical cells with protective device and accumulator with non-aqueous electrolytes

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Description

Die Erfindung betrifft elektrochemische Zellen mit einer Schutzvorrichtung, die mindestens zwei parallel geschaltete Elektroden gleicher Polarität besitzt, sowie einen Akkumulator mit nichtwässrigen Elektrolyten.The invention relates to electrochemical cells with a protective device that has at least two electrodes of the same polarity connected in parallel, and one Accumulator with non-aqueous electrolytes.

Bei elektrochemischen Zellen mit hoher Energiedichte, die insbesondere als Energiespei­ cher für Elektrostraßenfahrzeuge eingesetzt werden, muß eine übermäßige Druckerhöhung und ein Bersten der Zellen sicher vermieden werden. Durch den Druckanstieg können die Zellen entweder heftig explodieren oder zumindest sich lokal öffnen, wodurch ihr korrosiver Inhalt nach außen gelangt. Solche unzulässigen Druckerhöhungen können durch Kurz­ schluß, eine zu hohe Stromentnahme oder durch eine unzulässige Ladung hervorgerufen werden. Zu Vermeidung eines überhöhten Innendruckes in elektrochemischen Zellen sind verschiedene Sicherungseinrichtungen bekannt. So werden z. B. in der US-PS 4184010 elektrochemische Zellen beschrieben, die mit einem Ablaß bzw. einer Entlüftung versehen sind, um Innendrücke, die etwa 24,3 bar erreichen, zu mindern.In the case of electrochemical cells with a high energy density, in particular as an energy store cher used for electric road vehicles, an excessive pressure increase must and cell bursting can be safely avoided. Due to the pressure increase, the Cells either explode violently or at least open locally, making them more corrosive Content came out. Such impermissible pressure increases can be caused by short conclusion, excessive current draw or caused by an impermissible charge become. To avoid excessive internal pressure in electrochemical cells various security devices known. So z. B. in U.S. Patent 4,184,010 electrochemical cells described, which provide a drain or a vent are to reduce internal pressures that reach about 24.3 bar.

Weiterhin sind aus dem Dokument US-PS 4650730 als Sicherungseinrichtungen Separato­ ren bekannt, die bei erhöhter Zelltemperatur zu einer undurchlässigen Folie verschmelzen, um so den Stromfluß zu unterbrechen. Das US-PS 4075400 offenbart als Sicherungsein­ richtung Separatoren, die thermoplastisch eingepackte Deaktivatoren enthalten. Diese De­ aktivatoren werden beim Anstieg der Zelltemperatur freigesetzt und "vergiften" die Zellreak­ tion.Furthermore, from document US-PS 4650730 as security devices Separato ren known, which merge into an impermeable film at elevated cell temperature, so as to interrupt the flow of electricity. U.S. Patent 4,075,400 discloses as a fuse towards separators that contain thermoplastic-packed deactivators. This De activators are released when the cell temperature rises and "poison" the cell freak tion.

Daneben sind z. B. aus den Druckschriften DE-PS 29 47 016 oder DE-OS 29 17 328 Schmelzsicherungen bekannt, die in den Zellen angeordnet sind und Kurzschlußströme unterbrechen sollen.In addition, z. B. from the publications DE-PS 29 47 016 or DE-OS 29 17 328 Fuses are known, which are arranged in the cells and short-circuit currents should interrupt.

Nachteilig bei den bekannten Sicherungseinrichtungen elektrochemischer Zellen ist, daß beim Ansprechen der Sicherheitseinrichtungen die gesamte Zeile stillgelegt wird. Insbeson­ dere beim Einsatz als Energiespeicher für Elektrostraßenfahrzeuge tritt dadurch ein rapider Kapazitätsverlust ein, bzw. es wird gar keine elektrische Energie mehr abgegeben.A disadvantage of the known safety devices for electrochemical cells is that the entire line is shut down when the safety devices respond. Insbeson  This is particularly rapid when it is used as an energy store for electric road vehicles Loss of capacity, or no more electrical energy is given off.

Das Dokument US-PS 5.415.948 offenbart elektrochemische Wickelzellen, deren Elektro­ den in Abschnitte gegliedert und über Stege mit jeweils einem gemeinsamen Stromableiter für alle Abschnitte einer Elektrodenart verbunden sind. Diese Stege sollen als Schmelz­ sicherungen für gegebenenfalls in einzelnen Abschnitten auftretende Kurzschlüsse dienen. Allerdings erhält der Betreiber keine Informationen über das Auftreten von Kurzschlüssen.The document US-PS 5,415,948 discloses electrochemical winding cells, the electro divided into sections and over bridges, each with a common current arrester are connected for all sections of an electrode type. These webs are said to be enamel fuses for short circuits that may occur in individual sections. However, the operator receives no information about the occurrence of short circuits.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, für elektrochemische Zellen mit mindestens zwei parallel geschalteten Elektroden gleicher Polarität, eine Schutzvorrichtung mit Anzei­ geeinheit anzugeben, die die Entladung der Zelle über Kurzschlußverbindungen vermindert, die Restzelle erhält und die Schädigung der Zelle anzeigt.The invention has set itself the task for electrochemical cells with at least two electrodes of the same polarity connected in parallel, a protective device with display specify unit that reduces the discharge of the cell via short-circuit connections, maintains the remaining cell and indicates the damage to the cell.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei elektrochemischen Zellen, die mindestens zwei parallel geschaltete Elektroden besitzen, jede der parallel geschalteten Einzelelektroden gleicher Polarität mit einen Sicherungselement verbunden ist, das den elektrischen Kontakt zwischen der Einzelelektrode und den die Einzelelektroden verbinden­ den Stromableiter unterbricht, wenn ein Stromschwellwert überschritten wird, und bei denen parallel zu jedem Sicherungselement eine Leuchtdiode geschaltet ist.According to the invention the object is achieved in that the electrochemical cells have at least two electrodes connected in parallel, each of the electrodes connected in parallel Individual electrodes of the same polarity is connected to a fuse element that the electrical contact between the individual electrode and connect the individual electrodes the current arrester interrupts when a current threshold is exceeded, and for those a light-emitting diode is connected in parallel with each fuse element.

Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß jede der parallel geschalteten Einzelelektroden gleicher Polarität mit einem Sicherungselement verbunden ist, das den elektrischen Kontakt zwischen den Einzelelektroden und den die Einzelelektroden verbindenden Stromableiter unterbricht, wenn ein Stromschwellwert überschritten wird, und wobei parallel zu den Siche­ rungselementen eine Reihenschaltung aus jeweils einer Diode, die der gegenseitigen Ent­ kopplung der Elektrodenstromkreise dient, und einer gemeinsamen Leuchtdiode geschaltet ist. Die Absicherung jeder der parallel geschalteten Elektroden gleicher Polarität erlaubt es, nur das jeweilige defekte Elektrodenpaar der elektrochemischen Zelle abzuschalten und damit die Restzelle weiter zu nutzen, wobei gleichzeitig eine Information über die Schädi­ gung der Zelle geliefert wird.The object is also achieved in that each of the individual electrodes connected in parallel the same polarity is connected to a fuse element that the electrical contact between the individual electrodes and the current arrester connecting the individual electrodes interrupts when a current threshold is exceeded, and in parallel to the safety tion elements a series connection of one diode each, the mutual Ent Coupling of the electrode circuits is used, and a common light emitting diode is switched is. The protection of each of the electrodes of the same polarity connected in parallel allows only to switch off the respective defective pair of electrodes of the electrochemical cell and so that the remaining cell can continue to be used, while at the same time providing information about the pest delivery of the cell.

In vorteilhafter Weise wird der Stromschwellwert für die Sicherungselemente so festgelegt, daß er größer als der Kurzschlußstrom zwischen zwei Einzelelektroden, aber kleiner als der Kurzschlußstrom der gesamten Zelle ist. Wird der erfindungsgemäße Stromschwellwert so bemessen, daß er zwar den Kurzschlußstrom eines Elektrodenpaares, nicht aber dem aller parallel geschalteter Elektroden entspricht, so tritt das Sicherungselement im Falle eines internen Kurzschlusses in Funktion, wenn die weiteren Elektroden sich über das kurzge­ schlossene Elektrodenpaar entladen wollen.The current threshold value for the fuse elements is advantageously determined in such a way that that it is greater than the short circuit current between two individual electrodes, but less than that Short circuit current of the entire cell is. If the current threshold value according to the invention is so dimensioned so that it is the short circuit current of a pair of electrodes, but not that of all corresponds to electrodes connected in parallel, the securing element occurs in the event of a  internal short circuit in function if the other electrodes are over the short want to discharge closed pair of electrodes.

Besonders bevorzugt ist ein Stromschwellwert, der größer ist als das zweifache des beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zwischen einem Elektrodenpaar fließenden Stromes.A current threshold value which is greater than twice that of the Intended use between a pair of electrodes flowing current.

In vorteilhafter Weise wird als Sicherungselement eine Schmelzsicherung vorgesehen, wo­ bei die Schmelzsicherung ein träges Verhalten hat. Die Trägheit des Schmelzverhaltens der Sicherung wird vorzugsweise so gewählt, daß die Schmelzsicherung spätestens nach der Entladung von 10% der vollen Zellkapazität anspricht. Dies gewährleistet eine noch ausrei­ chende Restkapazität der Zelle und schränkt gleichzeitig die eintretende Erwärmung der Zelle auf ein akzeptables Maß ein.In an advantageous manner, a fuse is provided as a fuse element, where the fuse has a slow behavior. The inertia of the melting behavior of the Fuse is preferably chosen so that the fuse at the latest after Discharge of 10% of the full cell capacity responds. This ensures a still sufficient appropriate residual capacity of the cell and at the same time limits the onset of heating Cell to an acceptable level.

Die Schmelzsicherung wird vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Schwachstelle in der Ableiterfahne ist. Dadurch ist sie einfach im Rahmen der Konturierung des Elektrodenträgers herstellbar.The fuse is preferably designed so that it has a weak point in the arrester flag is. This makes it easy to contour the Produced electrode carrier.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Akkumulator mit nichtwässrigen Elektrolyten, der mindestens eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle aufweist. Solche Akkumulatoren können sehr hohe Energiemengen aufnehmen und die nichtwässrigen Elektrolyten geben bei ihrer Zersetzung noch zusätzliche Energie ab. Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Figuren beispielhaft erläutert.The task is further solved by an accumulator with non-aqueous Electrolyte which has at least one electrochemical cell according to the invention. Such batteries can absorb very large amounts of energy and that non-aqueous electrolytes release additional energy when they decompose. The invention is explained below using two figures as an example.

Fig. 1 zeigt eine Lithium-Sekundärzelle mit organischem Elektrolyten mit einer Vielzahl parallel geschalteter Elektroden 1, 2 gleicher Polarität, wobei alle Elektroden mindestens einer Polarität mit je einem Sicherungselement 3 versehen sind, welche zwischen die Elek­ troden 1, 2 und dem Stromableiter angeordnet werden. Dabei ist parallel zu allen Siche­ rungselementen 3 eine Reihenschaltung aus jeweils einer Diode 4, die der gegenseitigen Entkopplung der Elektrodenstromkreise dient, und einer gemeinsamen Leuchtdiode 5 ge­ schaltet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Sicherungselemente 3 kann bei ei­ nem Kurzschluß zwischen einem Elektrodenpaar 1, 2 die Entladung der Zelle vermindert werden. Gleichzeitig erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung der Sicherungselemente 3 die Nutzung der Restzelle. Fig. 1 shows a lithium secondary cell with organic electrolyte with a plurality of electrodes 1 , 2 connected in parallel with the same polarity, all electrodes having at least one polarity each having a fuse element 3 , which are arranged between the electrodes 1 , 2 and the current conductor , In this case, parallel to all hedging elements 3 is a series connection of a diode 4 , which serves for the mutual decoupling of the electrode circuits, and a common light-emitting diode 5 switches. Due to the arrangement of the fuse elements 3 according to the invention, the discharge of the cell can be reduced in the event of a short circuit between a pair of electrodes 1 , 2 . At the same time, the arrangement of the securing elements 3 according to the invention allows the remaining cell to be used.

Fig. 2 zeigt eine alternative Anzeigeeinrichtung für das Ansprechen eines oder mehrerer Sicherungselemente 3. Parallel zu jedem der als Schmelzsicherungen ausgebildeten Siche­ rungselemente 3 ist je eine Leuchtdiode 5 geschaltet. Die Information über das Ansprechen einer oder mehrerer Schmelzsicherungen kann in einen gemeinsamen Lichtleiter 4 einge­ koppelt und an zentraler Stelle angezeigt werden, wobei sowohl die Anzeige jeder einzel­ nen Zelle als auch für Gruppen von Zellen vorgesehen werden kann. Fig. 2 shows an alternative display device for the response of one or more fuse elements 3. In parallel with each of the fuse elements 3 designed as fuses, a light-emitting diode 5 is connected. The information about the response of one or more fuses can be coupled into a common light guide 4 and displayed at a central point, both the display of each individual cell and groups of cells can be provided.

Claims (10)

1. Elektrochemische Zelle mit Schutzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie min­ destens zwei parallel geschaltete Elektroden (1, 2) gleicher Polarität besitzt, wobei jede der parallel geschalteten Einzelelektroden (1, 2) gleicher Polarität mit einem Sicherungs­ element (3) verbunden ist, das den elektrischen Kontakt zwischen den Einzelelektroden (1, 2) und dem die Einzelelektroden (1, 2) verbindenden Stromableiter unterbricht, wenn ein Stromschwellwert überschritten wird, und die eine Nachweiseinrichtung besitzt, die das Ansprechen eines Sicherungselementes (3) außerhalb der Zelle anzeigt.1. electrochemical cell with protective device, characterized in that it has at least two parallel electrodes ( 1 , 2 ) of the same polarity, each of the parallel electrodes ( 1 , 2 ) of the same polarity being connected to a fuse element ( 3 ), which interrupts the electrical contact between the individual electrodes ( 1 , 2 ) and the current conductor connecting the individual electrodes ( 1 , 2 ) when a current threshold value is exceeded, and which has a detection device which indicates the response of a fuse element ( 3 ) outside the cell. 2. Elektrochemische Zelle mit Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß als Nachweisvorrichtung. Leuchtdioden (5) dienen, die parallel zu jedem Sicherungselement (3) geschaltet sind.2. Electrochemical cell with protective device according to claim 1, characterized in that as a detection device. LEDs ( 5 ) are used, which are connected in parallel to each fuse element ( 3 ). 3. Elektrochemische Zelle mit Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeich­ net, daß als Nachweisvorrichtung eine Reihenschaltung verwendet wird, bestehend aus jeweils einer Diode (4), die der gegenseitigen Entkopplung der Elektrodenstromkreise dient, und einer gemeinsamen Leuchtdiode (5) und die parallel zu den Sicherungsele­ menten (3) geschaltet ist.3. Electrochemical cell with protective device according to claim 1, characterized in that a series circuit is used as the detection device, each consisting of a diode ( 4 ), which serves the mutual decoupling of the electrode circuits, and a common light-emitting diode ( 5 ) and parallel to the Security elements ( 3 ) is switched. 4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschwellwert für das Sicherungselement (3) größer als der Kurzschlußstrom eines Elektrodenpaares (1, 2), aber kleiner als der Kurzschlußstrom der gesamten Zeile ist.4. Electrochemical cell according to claim 2 or 3, characterized in that the current threshold value for the fuse element ( 3 ) is greater than the short-circuit current of a pair of electrodes ( 1 , 2 ), but less than the short-circuit current of the entire line. 5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom­ schwellwert größer als das zweifache des bei bestimmungsgemäßen Gebrauch zwi­ schen einem Elektrodenpaar (1, 2) fließenden Stromes ist.5. Electrochemical cell according to claim 4, characterized in that the current threshold is greater than twice the normal use between a pair of electrodes ( 1 , 2 ) flowing current. 6. Elektrochemische Zelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sicherungselement (3) eine Schmelzsicherung ist.6. Electrochemical cell according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the securing element ( 3 ) is a fuse. 7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzsi­ cherung ein träges Verhalten hat.7. Electrochemical cell according to claim 6, characterized in that the Schmelzsi security has sluggish behavior. 8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelz­ sicherung nach 10%iger Entladung der vollen Zellkapazität anspricht. 8. Electrochemical cell according to claim 7, characterized in that the melt fuse responds after 10% discharge of the full cell capacity.   9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelz­ sicherung eine Schwachstelle der Ableiterfahne ist.9. Electrochemical cell according to claim 6, characterized in that the melt fuse is a weak point of the arrester flag. 10. Akkumulator mit nichtwässrigen Elektrolyten, gekennzeichnet durch mindestens eine elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9.10. Accumulator with non-aqueous electrolytes, characterized by at least an electrochemical cell according to one of claims 1 to 9.
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