DE202023102463U1

DE202023102463U1 - Materialien und Systeme, die eine Isolierschicht in die Einkapselungsschicht einer Pouch-Zelle einarbeiten

Info

Publication number: DE202023102463U1
Application number: DE202023102463.7U
Authority: DE
Original assignee: Aspen Aerogels Inc
Current assignee: Aspen Aerogels Inc
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2023-08-07
Anticipated expiration: 2033-03-04

Abstract

Batteriezelle, umfassend:
Batteriezellenkomponenten, wobei die Batteriezellenkomponenten Folgendes umfassen:
eine oder mehrere Kathoden;
eine oder mehrere Anoden;
einen oder mehrere Separatoren, die zwischen der einen oder den mehreren Kathoden und der einen oder den mehreren Anoden positioniert sind;
eine Einkapselungsschicht, das die Batteriezellenkomponenten umgibt, wobei die Einkapselungsschicht eine Isolierschicht umfasst.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität für die US-Provisional Application Nr. 63/316,497 mit dem Titel „MATERIALS, SYSTEMS, AND METHODS INCORPORATING AN INSULATION LAYER INTOTER OF THE ENCAPSULATING LAYER OF A POUCH CELL“, eingereicht am 4. März 2022, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten ist.
GEBIET DER TECHNOLOGIE
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Materialien, Systeme und Verfahren, die eine Isolierschicht in die Einkapselungsschicht einer Pouch-Zelle einarbeiten. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Batteriemodul oder Batteriepack mit einer oder mehreren Batteriezellen, die eine Isolierschicht in der Einkapselungsschicht einer Pouch-Zelle aufweisen.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien wie Lithium-Ionen-Batterien haben eine breite Anwendung in leistungsgetriebenen und energiespeichernden Systemen gefunden. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Arbeitsspannung, ihres geringen Speichereffekts und ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien häufig zur Stromversorgung von tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie Mobiltelefonen, Tablets, Laptops, Elektrowerkzeugen und anderen Hochstromvorrichtungen wie Elektrofahrzeugen verwendet. Die Sicherheit gibt jedoch Anlass zur Sorge, da LIBs unter „Missbrauchsbedingungen“ für katastrophale Ausfälle anfällig sind, wie etwa, wenn eine wiederaufladbare Batterie überladen (über die vorgesehene Spannung hinaus aufgeladen), überentladen oder bei hoher Temperatur und hohem Druck betrieben oder diesen ausgesetzt wird. Infolgedessen sind enge Betriebstemperaturbereiche und Lade-/Entladeraten Einschränkungen bei der Verwendung von LIBs, da LIBs durch eine schnelle Selbsterwärmung oder thermisches Durchgehen versagen können, wenn sie Bedingungen außerhalb ihres Designfensters ausgesetzt werden.
Thermisches Durchgehen kann auftreten, wenn die interne Reaktionsrate soweit zunimmt, dass mehr Wärme erzeugt wird als abgeführt werden kann, was zu einer weiteren Erhöhung sowohl der Reaktionsrate als auch der Wärmeerzeugung führt. Während eines thermischen Durchgehens lösen hohe Temperaturen eine Kette exothermer Reaktionen in einer Batterie aus, wodurch die Temperatur der Batterie schnell ansteigt. In vielen Fällen erwärmt die erzeugte Wärme beim thermischen Durchgehen in einer Batteriezelle schnell die Zellen in unmittelbarer Nähe der Zelle, die das thermische Durchgehen erfährt. Jede Zelle, die zu einer thermischen Durchgehreaktion hinzugefügt wird, enthält zusätzliche Energie, um die Reaktionen fortzusetzen, was eine Propagation des thermischen Durchgehens innerhalb des Batteriepacks verursacht, die schließlich zu einer Katastrophe mit Brand oder Explosion führt. Eine umgehende Wärmeableitung und eine wirksame Blockierung von Wärmeübertragungswegen können wirksame Gegenmaßnahmen sein, um die Gefahr zu verringern, die durch die Propagation von thermischem Durchgehen verursacht wird.
Basierend auf dem Verständnis der Mechanismen, die zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führen, werden derzeit viele Ansätze untersucht, mit dem Ziel, Sicherheitsgefahren durch das rationale Design von Batteriekomponenten zu reduzieren. Um zu verhindern, dass solche kaskadierenden thermischen Durchgehereignisse stattfinden, sind LIBs üblicherweise so ausgelegt, dass sie entweder die Energie ausreichend niedrig gespeicherthalten oder genügend Isoliermaterial zwischen Zellen innerhalb des Batteriemoduls oder -packs verwenden, um sie von thermischen Ereignissen zu isolieren, die in einer benachbarten Zelle auftreten können, oder eine Kombination davon. Ersteres schränkt die Energiemenge stark ein, die möglicherweise in einer solchen Vorrichtung gespeichert werden könnte. Letzteres begrenzt, wie nahe Zellen platziert werden können und begrenzt dadurch die effektive Energiedichte.
Derzeit gibt es eine Reihe unterschiedlicher Methoden, die eingesetzt werden, um die Energiedichte zu maximieren und gleichzeitig vor kaskadierendem thermischem Durchgehen zu schützen. Ein Ansatz besteht darin, eine ausreichende Menge an Isolierung zwischen den Zellen oder Zellclustern einzuarbeiten. Dieser Ansatz wird im Allgemeinen aus Sicherheitsperspektive als wünschenswert erachtet; bei diesem Ansatz geben jedoch die Fähigkeit des Isoliermaterials, die Wärme einzudämmen, kombiniert mit dem Volumen der erforderlichen Isolierung die Obergrenzen der erreichbaren Energiedichte vor.
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Phasenwechselmaterialien. Diese Materialien durchlaufen bei Erreichen einer bestimmten erhöhten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel. Der endotherme Phasenwechsel absorbiert einen Teil der erzeugten Wärme und kühlt dadurch den lokalisierten Bereich. Üblicherweise sind diese Phasenwechselmaterialien für elektrische Speicherungsvorrichtungen auf Kohlenwasserstoffmaterialien wie Wachse und Fettsäuren angewiesen. Diese Systeme kühlen zwar effektiv, sind aber selbst brennbar und daher nicht geeignet, ein thermisches Durchgehen zu verhindern, wenn es zu einer Entzündung innerhalb der Speicherungsvorrichtung kommt.
Die Einarbeitung von intumeszierenden Materialien ist eine weitere Strategie, um ein kaskadierendes thermisches Durchgehen zu verhindern. Diese Materialien dehnen sich oberhalb einer bestimmten Temperatur aus und erzeugen eine Verkohlung, die leichtgewichtig ist und bei Bedarf eine Wärmeisolierung bietet. Diese Materialien können beim Bereitstellen von isolierenden Vorteilen effektiv sein, aber die Ausdehnung des Materials muss bei der Konstruktion der Speicherungsvorrichtung berücksichtigt werden.
Auch Aerogel-Materialien werden als thermische Barrierematerialien verwendet. Thermische Barrieren aus Aerogel bieten zahlreiche Vorteile gegenüber anderen thermischen Barrierematerialien. Einige dieser Vorteile schließen eine günstige Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Feuerausbreitung ein, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden. Thermische Barrieren aus Aerogel besitzen auch günstige Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Druckfestigkeit und Nachgiebigkeit. Einige thermische Barrieren auf Aerogel-Basis lassen sich aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer geringen Steifigkeit nur schwer zwischen den Batteriezellen installieren, insbesondere in einer Massenproduktionsumgebung. Darüber hinaus neigen thermische Barrieren aus Aerogel dazu, Feststoffteilchen (Staub) zu produzieren, die für die elektrischen Speicherungssysteme schädlich sein können, was zu Problemen bei der Herstellung führt.
KURZDARSTELLUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, mindestens einen der vorstehend erwähnten Nachteile früherer Verfahren und Materialien zu beseitigen oder abzuschwächen. Die Verwendung von Isolierschichten im Einkapselungsmaterial einer Pouch-Zelle reduziert Probleme, die mit der Überhitzung und dem thermischen Durchgehen von Batteriezellen in Zusammenhang stehen.
Beispiel 1 der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Batteriezelle, die Batteriezellenkomponenten umfasst. Die Batteriezellenkomponenten umfassen: eine oder mehrere Kathoden; eine oder mehrere Anoden; und einen oder mehrere Separatoren, die zwischen der einen oder den mehreren Kathoden und der einen oder den mehreren Anoden positioniert sind. Die Batteriezelle umfasst ferner ein die Batteriezellenkomponenten umgebendes Einkapselungsmaterial. Die Einkapselungsschicht umfasst eine Isolierschicht. Die Batteriezelle kann in einigen Gesichtspunkten eine Lithium-Ionen-Batteriezelle sein.
Beispiel 2 umfasst den Gegenstand von Beispiel 1, wobei das Einkapselungsmaterial einer Batteriezelle einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht und eine auf der inneren Polymerschicht positionierte Isolierschicht umfasst. Die innere Polymerschicht steht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt.
Beispiel 3 umfasst den Gegenstand von Beispiel 1 oder Beispiel 2, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst. Die innere Polymerschicht steht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt und die Isolierschicht ist zwischen der äußeren Polymerschicht und der inneren Polymerschicht positioniert.
Beispiel 4 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht, eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende, ein verformbares Material umfassende verformbare Schicht, und eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehenden äußere Polymerschicht umfasst. Die innere Polymerschicht steht in Kontakt mit den Batteriezellenkomponenten, die Isolierschicht ist zwischen der inneren Polymerschicht und der verformbaren Schicht positioniert, und die verformbare Schicht ist zwischen der Isolierschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert.
Beispiel 5 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende, ein verformbares Material umfassende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst. Die innere Polymerschicht steht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt, die verformbare Schicht ist zwischen der inneren Polymerschicht und der Isolierschicht positioniert, und die Isolierschicht ist zwischen der verformbaren Schicht und der äußeren Polymerschicht positioniert.
Beispiel 6 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende, ein verformbares Material umfassende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht und eine mit der äußeren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht umfasst. Die innere Polymerschicht steht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt, die verformbare Schicht ist zwischen der inneren Polymerschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert, und die äußere Polymerschicht ist zwischen der verformbaren Schicht und der Isolierschicht positioniert.
Beispiel 7 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die äußere Polymerschicht ein Polymer umfasst, das gegen dielektrische Wärmeübertragungsfluide in dem elektrischen Energiespeicherungssystem beständig ist. Zum Beispiel umfasst die äußere Polymerschicht ein Polymer, das gegen ein Wärmeübertragungsfluid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenwasserstofffluiden, Esterfluiden, Siliconfluiden, Fluoretherfluiden und Kombinationen davon beständig ist. In einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung ist die äußere Polymerschicht aus einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyoxymethylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid-Imid, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polystyrol, Polysulfon, Polyimid und Terephthalat hergestellt. In einem spezifischen Gesichtspunkt der Erfindung besteht die äußere Polymerschicht aus Polyethylenterephthalat („PET“) oder orientiertem Nylon („ONy“), und die innere Polymerschicht besteht aus Polypropylen („PP“).
Beispiel 8 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die innere Polymerschicht ein Polymer umfasst, das mit sich selbst heißverschweißt werden kann. Zum Beispiel umfasst die innere Polymerschicht ein Polyolefinpolymer. In einigen Gesichtspunkten besteht das innere Polymer aus einem Polymer, das sich von dem Polymer in der äußeren Polymerschicht unterscheidet.
Beispiel 9 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die verformbare Schicht in einigen Gesichtspunkten eine Metallfolie umfasst. In einigen Gesichtspunkten umfasst die verformbare Schicht ein verformbares Polymer.
Beispiel 10 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die Einkapselungsschicht ferner einen Klebstoff umfasst, der zwischen der äußeren Polymerschicht und der verformbaren Schicht und/oder der inneren Polymerschicht und der verformbaren Schicht aufgebracht ist.
Beispiel 11 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die äußere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist. In einem Gesichtspunkt der Offenbarung weist die verformbare Schicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm auf. In einem Gesichtspunkt der Offenbarung weist die innere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm auf.
Beispiel 12 umfasst den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist. In einem Gesichtspunkt der Offenbarung umfasst die Isolierschicht ein Aerogel.
Ein Beispiel umfasst ein Batteriemodul, das eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst, die eine Einkapselungsschicht aufweisen, die eine Isolierschicht umfasst, wie hierin beschrieben, und das den Gegenstand eines der vorangegangenen Beispiele umfasst.
In einem anderen Gesichtspunkt sind hierin eine Vorrichtung oder ein Fahrzeug bereitgestellt, die bzw. welches das Batteriemodul oder den Batteriepack gemäß einem der vorstehenden Beispiele einschließt. In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der Vorrichtung um einen Laptop-Computer, ein PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtausrüstung, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegerät, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. In einigen Ausführungsformen ist das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug.
Die Verwendung einer Isolierschicht im Einkapselungsmaterial einer Batteriezelle, wie hierin beschrieben und einschließlich des Gegenstands eines der vorhergehenden Beispiele, kann einen oder mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Strategien zur Abschwächung des thermischen Durchgehens bieten. Die Isolierschicht kann die Propagation des thermischen Durchgehens der Zellen minimieren oder verhindern, ohne die Energiedichte des Batteriemoduls oder -packs und die Montagekosten signifikant zu beeinflussen. Die Isolierschicht kann auch günstige Eigenschaften in Bezug auf Komprimierbarkeit, Druckfestigkeit und Nachgiebigkeit aufweisen, um das Aufquellen der Batteriezellen, das sich während der Lebensdauer der Zelle fortsetzt, aufzufangen und gleichzeitig günstige thermische Eigenschaften sowohl unter normalen Betriebsbedingungen als auch unter Bedingungen des thermischen Durchgehens zu besitzen. Die Isolierschichten weisen günstige Beständigkeit gegen Wärmeausbreitung und Feuerausbreitung auf, während die Dicke und das Gewicht der verwendeten Materialien minimiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem somit die Offenbarung allgemein beschrieben wurde, wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, und wobei:

1 ein schematisches Diagramm einer Pouch-Batteriezelle darstellt;
2 eine Querschnittsansicht eines üblichen Laminatfilms darstellt, der zum Einkapseln von Batteriezellenkomponenten verwendet wird;
3A eine Draufsicht auf Batteriekomponenten, die von einer Laminatfolie eingekapselt sind;
3B eine Querschnittsansicht eines Laminatfilms darstellt, der verwendet wird, um Batteriezellenkomponenten einzukapseln, der eine äußere Isolierschicht aufweist.
4 eine Querschnittsansicht eines Laminatfilms darstellt, der verwendet wird, um Batteriezellenkomponenten einzukapseln, der eine von einer inneren Polymerschicht und einer äußeren Polymerschicht umgebene Isolierschicht aufweist.
5 eine Querschnittsansicht eines Laminatfilms darstellt, der verwendet wird, um Batteriezellenkomponenten einzukapseln, der eine verformbare Schicht und eine von einer inneren Polymerschicht und einer äußeren Polymerschicht umgebene Isolierschicht aufweist.
6 eine Querschnittsansicht eines Laminatfilms darstellt, der verwendet wird, um Batteriezellenkomponenten einzukapseln, der eine verformbaren Schicht und eine von einer inneren Polymerschicht und einer äußeren Polymerschicht umgebene Isolierschicht aufweist, wobei die Isolierschicht zwischen der verformbaren Schicht und der äußeren Polymerschicht angeordnet ist.
7 eine Querschnittsansicht eines Laminatfilms darstellt, der verwendet wird, um Batteriezellenkomponenten einzukapseln, der eine von einer inneren Polymerschicht und einer äußeren Polymerschicht umgebene verformbaren Schicht aufweist, wobei die äußere Isolierschicht zwischen der verformbaren Schicht und der äußeren Polymerschicht angeordnet ist.
8 ein schematisches Diagramm eines Batteriemoduls darstellt.

Obwohl die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anfällig sein kann, sind spezifische Ausführungsformen davon in den Zeichnungen beispielhaft aufgezeigt und werden hierin detailliert beschrieben. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstabsgetreu. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung dazu nicht darauf abzielen, die Erfindung auf die bestimmte offenbarte Form zu beschränken, sondern dass die Absicht vielmehr ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Geist und den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und innerhalb der auf veranschaulichende Weise spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, anhand derer die Offenbarung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
Einer der heute am häufigsten verwendeten Batterietypen ist eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle schließt üblicherweise eine Kathode, die aus Kohlenstoff (z. B. Graphit) besteht, und eine Anode, die aus Lithium besteht, ein. Es wird ein nicht-wässriger Elektrolyt verwendet, der üblicherweise Lithiumsalze einschließt. Ein polymerer Separator wird verwendet, um die Anode von der Kathode zu trennen.
1 stellt ein schematisches Diagramm einer üblichen Pouch-Batteriezelle (z. B. einer Lithium-Pouch-Batteriezelle) dar. Pouch-Batteriezellen bestehen aus einer oder mehreren Kathoden 108 und einer oder mehreren Anoden 104A, 104B. Die eine oder die mehreren Kathoden 108 und Anoden 104A, 104B liegen üblicherweise in Form einer Folie vor. Die Kathoden 108 und Anoden 104A, 104B sind durch einen Separator 116A, 116B voneinander getrennt. Zwischen der (den) Kathode(n) 108 und der (den) Anode(n) befindet sich eine Elektrolytzusammensetzung. Die Kathode(n), die Anode(n) 104A, 104B, die Elektrolytzusammensetzung und die Separatoren 116A, 116B sowie andere Teile wie Stromabnehmer und Laschen werden hierin gemeinsam als „Batteriezellenkomponenten“ bezeichnet. In einer Pouch-Zellen-Batterie sind die Batteriezellenkomponenten in einem flexiblen Laminatfilm 112A, 112B eingekapselt, wie in 1 gezeigt. Es versteht sich, dass die 1 nur zur Veranschaulichung gedacht ist und die Anzahl der Kathoden 108 und Anoden 104A, 104B je nach Verwendungszweck der Batteriezelle und der Art der verwendeten Chemie zur Erzeugung elektrischer Leistung variieren kann.
Pouch-Batteriezellen bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber prismatischen Batterien, die ein hartes Aluminium- oder Edelstahlgehäuse verwenden, um die chemischen Komponenten zu umschließen. Einige der Vorteile von Pouch-Batteriezellen bestehen darin, dass das Gewicht geringer sein kann und Pouch-Batteriezellen leicht in verschiedenen Größen und Formen hergestellt werden können.
2A stellt eine Querschnittsansicht eines üblichen Laminatfilms 200 dar, der verwendet wird, um die Batteriezellenkomponenten 204 (z. B. eine Pouch-Batteriezelle wie in 1 dargestellt) einzukapseln. Der Laminatfilm schließt eine innere Polymerschicht 210, eine Metallfolienschicht 220 (üblicherweise Aluminium) und eine äußere Polymerschicht 230 ein. Die innere Polymerschicht wird üblicherweise aus einem Polymer gebildet, das gegenüber den chemischen Komponenten der Pouch-Batteriezelle (z. B. dem Batteriezellenelektrolyt) beständig ist. Eine Metallfolienschicht wird verwendet, um die Batteriezelle vor Feuchtigkeit und Luft zu schützen. Die Metallfolienschicht kann auch zu einem Fach geformt werden, um die Batteriezellenkomponenten 204 aufzunehmen. Die äußere Polymerschicht dient dazu, die Batteriezelle vor externen Flüssigkeiten und Stößen, Brüchen und Kratzern zu schützen.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Pouch-Batteriezelle, die eine Isolierschicht in dem Einkapselungsmaterial einschließt, das die Batteriezellenkomponenten 204 umgibt. Die in das Einkapselungsmaterial der Pouch-Batteriezelle eingearbeitete Isolierschicht trägt dazu bei, die Übertragung von Wärme und erhitzten Partikeln auf nahegelegene Batteriezellen während eines thermischen Durchgehereignisses zu verhindern oder zu hemmen.
3A zeigt eine Draufsicht auf Batteriezellenkomponenten 204, die von einer Laminatfolie 300 eingekapselt sind. Der in 3A angegebene Querschnitt A-A' stellt die Position der Querschnittsansicht dar, die in den verschiedenen Beispielen der in 3B, 4, 5, 6 und 7 dargestellten gekapselten Batteriezellenkomponenten 204 verwendet wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen die Querschnittsansichten in den 3B, 4, 5, 6 und 7 nur einen Teil der Querschnittsansicht. Der dargestellte Teil umfasst die Komponenten der Batteriezelle und nur eine Schicht der Laminatfolie, die die Batteriezelle einkapselt. Diese Ansicht wird in den folgenden Abbildungen aus Gründen der Kürze und Bequemlichkeit nicht speziell dargestellt. 3B zeigt eine Querschnittsansicht (A-A') einer Ausführungsform eines Pouch-Batteriezellen-Laminatfilms 300 dar. Der Pouch-Batteriezellen-Laminatfilm 300 besteht aus einer inneren Polymerschicht 310 und einer Isolierschicht 340, die auf der inneren Polymerschicht positioniert ist. Die innere Polymerschicht steht mit mindestens einer der Batteriezellenkomponenten 204 in Kontakt.
Das Hinzufügen einer Isolierschicht zum Einkapselungsmaterial einer Batteriezelle kann dazu beitragen, Probleme, die mit einer übermäßigen Erwärmung und einem thermischen Durchgehen von Batteriezellen verbunden sind, zu mildern. Eine Isolierschicht kann jede Art von Isolierschicht einschließen, die üblicherweise zum Trennen von Batteriezellen oder Batteriemodulen verwendet wird. Beispielhafte Isolierschichten schließen Thermobarrieren auf Polymerbasis (z. B. Polypropylen, Polyester, Polyimid und aromatisches Polyamid (Aramid)), Phasenwechselmaterialien, intumeszierende Materialien, Aerogel-Materialien, mineralbasierte Barriere (z. B. Glimmer) und anorganische Thermobarrieren (z. B. Glasfaser enthaltende Barrieren) ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Isolierschicht kann in einem einzelnen Polymerfilm oder einem Laminatpolymerfilm eingekapselt sein, wie in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/304,258 erörtert, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Isolierschicht ein Aerogel-Material. Eine Beschreibung einer Aerogel-Isolierschicht ist in der US-Patentanmeldung Nr. 2021/0167438 und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/218,205 beschrieben, die beide durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
Die Isolierschicht kann eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen beliebigen zwei dieser Werte bei 25 °C unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa aufweisen.
In einem Gesichtspunkt umfasst die innere Polymerschicht ein Material, das mit sich selbst heißverschweißt werden kann. Üblicherweise erstreckt sich nach dem Einkapseln der Batteriezellenkomponenten 204 ein Teil der inneren Polymerschicht von den Batteriezellenkomponenten 204 weg. Eine thermische Dichtung kann durch Aufbringen von Wärme auf die innere Polymerschicht gebildet werden. Durch die aufgebrachte Wärme wird die Temperatur des Polymers so weit erhöht, dass die innere Polymerschicht verschmelzen und einen versiegelten Beutel bilden kann, der die Batteriezellenkomponenten 204 umschließt. Ein beispielhaftes Polymer, das als innere Polymerschicht des Einkapselungsmaterials verwendet werden kann, ist ein Polyolefinpolymer. Beispiele für Polyolefinpolymere, die als innere Polymerschicht verwendet werden können, schließen Polyethylen und Polypropylen ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
4 stellt eine Querschnittsansicht (A-A') einer alternativen Ausführungsform eines Pouch-Batteriezellen-Laminatfilms 400 dar. Der Pouch-Batteriezellen-Laminatfilm 400 besteht aus einer inneren Polymerschicht 410, einer Isolierschicht 440 und einer äußeren Polymerschicht 430. Wie in 4 dargestellt, steht die innere Polymerschicht 410 in Kontakt mit den Batteriezellenkomponenten 204. Die Isolierschicht 440 steht in Kontakt mit der inneren Polymerschicht. Die äußere Polymerschicht 430 steht in Kontakt mit der Isolierschicht. Die Isolierschicht 440 ist zwischen der inneren Polymerschicht 410 und der äußeren Polymerschicht 430 positioniert.
Die äußere Polymerschicht kann der Batteriezelle Verschleißschutz bieten. Während des Gebrauchs können äußere Beanspruchungen dazu führen, dass das Einkapselungsmaterial beschädigt wird. Eine Beschädigung des Einkapselungsmaterials kann die Batteriezelle beeinträchtigen. Äußere Beanspruchungen, die auf eine ungeschützte Batteriezelle einwirken können, schließen das Auslaufen von Chemikalien aus gerissenen Batteriezellen, Beanspruchungen durch die Ausdehnung der Batteriezellen, Änderungen der Umgebungstemperatur, äußere Einwirkungen, äußere Risse und äußere Kratzer an der Isolierschicht ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In einigen Gesichtspunkten der vorliegenden Offenbarung ist die äußere Polymerschicht aus einem Material ausgewählt, das die Isolierschicht vor äußeren Beanspruchungen schützt. Beispielhafte Polymere, die für die äußere Polymerschicht verwendet werden können, schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Polyoxymethylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid-Imid, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polystyrol, Polysulfon, Polyimid, Terephthalat oder Kombinationen davon. Spezielle Beispiele für Polymere, die als äußere Polymerschicht verwendet werden können, schließen Polyethylenterephthalat („PET“) und orientiertes Nylon („ONy“) ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Es versteht sich, dass die äußere Polymerschicht aus zwei oder mehr Polymerschichten bestehen kann, auch wenn vorstehend nur eine einzige äußere Polymerschicht beschrieben wurde. Wenn mehrere äußere Polymerschichten verwendet werden, können die zusätzlichen äußeren Polymerschichten aus demselben Polymer oder aus unterschiedlichen Polymeren gebildet sein. In einem Gesichtspunkt der Erfindung besteht die äußere Polymerschicht aus einer ONy-Polymerschicht mit einer darüberliegenden PET-Polymerschicht.
5 stellt eine Querschnittsansicht (A-A') einer alternativen Ausführungsform eines Pouch-Batteriezellen-Laminatfilms 500 dar. Der Pouch-Batteriezellen-Laminatfilm 500 besteht aus einer inneren Polymerschicht 510, einer Isolierschicht 540, einer verformbaren Schicht 520 und einer äußeren Polymerschicht 530. Wie in 5 dargestellt, steht die innere Polymerschicht 510 mit den Batteriezellenkomponenten 204 in Kontakt. Die Isolierschicht 540 steht mit der inneren Polymerschicht in Kontakt. Die verformbare Schicht 520, die ein verformbares Material umfasst, steht mit der Isolierschicht in Kontakt. Die äußere Polymerschicht 530 steht mit der verformbaren Schicht in Kontakt. Die Isolierschicht 540 ist zwischen der inneren Polymerschicht 510 und der verformbaren Schicht 520 positioniert. Die verformbare Schicht 520 ist zwischen der Isolierschicht 540 und der äußeren Polymerschicht 530 positioniert. Das Platzieren einer verformbaren Schicht in der Einkapselungsschicht kann als Träger wirken, der es ermöglicht, die Pouch-Batteriezelle während der Herstellung leichter zu manipulieren. Verformbare Schichten können auch zusätzliche Wärme und mechanischen Schutz bieten, wenn sie im Einkapselungsmaterial einer Batteriezelle verwendet werden. Bei einem thermischen Durchgehereignis können sich die Batteriezellen erhitzen, wodurch heiße Partikel und Gase aus der Batteriezelle ausgestoßen werden. Diese ausgestoßenen Materialien können dazu führen, dass das Einkapselungsmaterial von sich in der Nähe befindlichen Pouch-Batteriezellen beeinträchtigt wird, was manchmal dazu führt, dass die sich in der Nähe befindlichen Batteriezellen in einen Durchgehzustand übergehen. Eine verformbare Schicht kann abschwächen oder verhindern, dass Partikel und Gase die Batteriezelle beschädigen. Die verformbare Schicht kann der Batteriezelle auch zusätzlichen Schutz vor Feuchtigkeit und Luft bieten.
In einem Gesichtspunkt umfasst eine verformbare Schicht ein verformbares Polymer oder eine verformbare Metallfolie. Aluminium ist das gebräuchlichste Metall für eine laminierte Einkapselungsschicht, es können jedoch auch andere verformbare Metallfolien wie Edelstahl- und Kupferfolien verwendet werden.
Die Verwendung von Metallfolien kann dem Einkapselungsmaterial, das die Batteriezellenkomponenten 204 umgibt, zusätzliche Wärmeübertragungseigenschaften verleihen. Wenn ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle auftritt, erwärmt sich die Batteriezelle auf eine sehr hohe Temperatur. Diese Wärme kann an benachbarte Batteriezellen abgestrahlt werden, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die benachbarten Batteriezellen in einen Durchgehzustand geraten. Die Verwendung einer Metallfolie kann die Wärmeeigenschaften der Batteriezellen verbessern, indem eine wärmeleitfähige Metallfolie in das Einkapselungsmaterial bereitgestellt wird. Die von einer benachbarten durchgegangenen Batteriezelle oder von der betroffenen Batteriezelle erzeugte Wärme kann auf die Metallfolienschicht übertragen werden. Die Metallfolienschicht kann mit einem Teil des Gehäuses des Batteriemoduls (z. B. einer Kühlplatte) verbunden werden, sodass die Wärme durch die Metallfolie von den Batteriezellen abgeleitet werden kann.
6 stellt eine Querschnittsansicht (A-A') einer alternativen Ausführungsform eines Pouch-Batteriezellen-Laminatfilms 600 dar. Der Pouch-Batteriezellen-Laminatfilm 600 besteht aus einer inneren Polymerschicht 610, einer verformbaren Schicht 620, einer Isolierschicht 640 und einer äußeren Polymerschicht 630. Wie in 6 dargestellt, steht die innere Polymerschicht 610 mit den Batteriezellenkomponenten 204 in Kontakt. Die verformbare Schicht 620, die ein verformbares Material umfasst, steht mit der inneren Polymerschicht in Kontakt. Die Isolierschicht 640 steht mit der verformbaren Schicht in Kontakt. Die äußere Polymerschicht 630 steht mit der Isolierschicht in Kontakt. Die verformbare Schicht 620 ist zwischen der inneren Polymerschicht 610 und Isolierschicht 640 positioniert. Die Isolierschicht 640 ist zwischen der verformbaren Schicht 620 und der äußeren Polymerschicht 630 positioniert.
7 stellt eine Querschnittsansicht (A-A') einer alternativen Ausführungsform eines Pouch-Batteriezellen-Laminatfilms 700 dar. Der Pouch-Batteriezellen-Laminatfilm 700 besteht aus einer inneren Polymerschicht 710, einer verformbaren Schicht 720, einer äußeren Polymerschicht 730 und einer Isolierschicht 740. Wie in 7 dargestellt, steht die innere Polymerschicht 710 mit den Batteriezellenkomponenten 204 in Kontakt. Die verformbare Schicht 720, die ein verformbares Material umfasst, steht mit der inneren Polymerschicht in Kontakt. Die äußere Polymerschicht 730 steht mit der verformbaren Schicht in Kontakt. Die Isolierschicht 740 steht mit der äußeren Polymerschicht in Kontakt. Die verformbare Schicht 720 ist zwischen der inneren Polymerschicht 710 und der äußeren Polymerschicht 730 positioniert. Die äußere Polymerschicht 730 ist zwischen der verformbaren Schicht 720 und der Isolierschicht 740 positioniert.
Der als Einkapselungsmaterial verwendete Laminatfilm kann ein einheitlicher Film sein, der aus mehreren Schichten zusammengesetzt ist, wie hierin beschrieben. In einem Gesichtspunkt kann der Laminatfilm gebildet werden, indem die verformbare Schicht und die Isolierschicht zwischen die beiden Polymerschichten (innere Polymerschicht und äußere Polymerschicht) platziert wird und Hitze und/oder Druck verwendet werden, um die innere und äußere Polymerschicht miteinander zu verschmelzen. In einem anderen Gesichtspunkt kann ein Klebstoff oder ein Klebeband verwendet werden, um die Schichten zusammenzuhalten. Zum Beispiel können Klebstoffe zwischen benachbarten Schichten aufgebracht werden, um den Laminatfilm zu bilden.
Die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung, z. B. eine Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, kann die Wärmeleitfähigkeit (üblicherweise in mW/m-k gemessen) unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa beibehalten oder unbedeutend erhöhen. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung unter einer Last von bis zu etwa 5 MPa eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von etwa 50 mW/mK oder weniger, etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte bei 25 °C auf. Die Dicke der Aerogel-Isolierschicht kann aufgrund der Last, die der Aerogel-Isolierschicht ausgesetzt ist, reduziert werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Aerogel-Isolierschicht um 50 % oder weniger, 40 % oder weniger, 30 % oder weniger, 25 % oder weniger, 20 % oder weniger, 15 % oder weniger, 10 % oder weniger, 5 % oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte unter einer Last im Bereich von etwa 0,50 MPa bis 5 MPa reduziert werden. Obwohl der Wärmewiderstand der Isolierschicht, die ein Aerogel einschließt, mit abnehmender Dicke abnehmen kann, kann die Wärmeleitfähigkeit beibehalten oder unbedeutend erhöht werden.
Wie in dieser Patentschrift und den beigefügten Ansprüchen verwendet, schließen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ die Pluralbezüge ein, sofern der Inhalt nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Wie in dieser Patentschrift und den beigefügten Ansprüchen verwendet, wird der Begriff „oder“ im Allgemeinen in seinem Sinne einschließlich „und/oder“ verwendet, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Wie hierin verwendet, bedeutet „etwa“ ungefähr oder nahezu und bedeutet im Zusammenhang mit einem dargelegten numerischen Wert oder Bereich ±5 % des numerischen Werts. In einer Ausführungsform kann der Begriff „etwa“ eine herkömmliche Rundung gemäß aussagekräftigen Kennzahlen des numerischen Werts einschließen. Außerdem schließt der Ausdruck „etwa x bis y“ „etwa x bis etwa y“ ein.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Aerogel“, „Aerogel-Material“ oder „Aerogel-Matrix“ auf ein Gel, das ein Gerüst miteinander verbundener Strukturen aufweist, wobei ein entsprechendes Netzwerk miteinander verbundener Poren innerhalb des Gerüsts integriert ist, das Gase, wie etwa Luft, als dispergiertes interstitielles Medium enthält; und das durch folgende physikalische und strukturelle Eigenschaften gekennzeichnet ist (gemäß Stickstoffporosimetrieprüfungen), die Aerogel zuschreibbar sind: (a) einen durchschnittlichen Porendurchmesser im Bereich von etwa 2 nm bis etwa 100 nm, (b) eine Porosität von mindestens 80 % oder mehr und (c) eine Oberfläche von etwa 100 m²/g oder mehr.
Aerogel-Materialien der vorliegenden Offenbarung schließen somit beliebige Aerogele oder andere offenzellige Materialien ein, welche die in den vorhergehenden Absätzen angegebenen definierenden Elemente erfüllen; einschließlich Materialien, die anderweitig als Xerogele, Kryogele, Ambigele, mikroporöse Materialien und dergleichen kategorisiert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich Verweise auf „thermisches Durchgehen“ im Allgemeinen auf die plötzliche, schnelle Erhöhung der Zelltemperatur und des -drucks aufgrund verschiedener Betriebsfaktoren, die wiederum zu einer Propagation einer übermäßigen Temperatur in einem zugehörigen Modul hinweg führen können. Mögliche Ursachen für thermisches Durchgehen in solchen Systemen können beispielsweise einschließen: Zelldefekte und/oder Kurzschlüsse (sowohl intern als auch extern), Überladung, Zellpunktion oder -bruch, wie im Falle eines Unfalls, und übermäßige Umgebungstemperaturen (z. B. Temperaturen üblicherweise größer als 55 °C). Im Normalbetrieb erwärmen sich die Zellen aufgrund des inneren Widerstands. Unter normalen Leistungs-/Stromlasten und Umgebungsbetriebsbedingungen kann die Temperatur innerhalb der meisten Li-Ionen-Zellen relativ einfach gesteuert werden, um in einem Bereich von 20 °C bis 55 °C zu bleiben. Belastungsbedingungen, wie eine hohe Leistungsaufnahme bei hohen Zell-/Umgebungstemperaturen, sowie Defekte in einzelnen Zellen können jedoch die lokale Wärmeerzeugung stark erhöhen. Insbesondere werden oberhalb der kritischen Temperatur exotherme chemische Reaktionen innerhalb der Zelle aktiviert. Darüber hinaus erhöht sich die chemische Wärmeerzeugung üblicherweise exponentiell mit der Temperatur. Infolgedessen wird die Wärmeerzeugung viel größer als die verfügbare Wärmeableitung. Thermisches Durchgehen kann zu Zellentlüftung und inneren Temperaturen von über 200 °C führen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Wärmeleitfähigkeit“ und „TC“ auf eine Messung der Fähigkeit eines Materials oder einer Zusammensetzung, Wärme zwischen zwei Oberflächen auf beiden Seiten des Materials oder der Zusammensetzung mit einer Temperaturdifferenz zwischen den zwei Oberflächen zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit wird spezifisch als die pro Zeiteinheit und pro Oberflächeneinheit übertragene Wärmeenergie, geteilt durch die Temperaturdifferenz, gemessen. Sie wird üblicherweise in SI-Einheiten als mW/m*K (Milliwatt pro Meter * Kelvin) aufgezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials kann durch Prüfverfahren bestimmt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Prüfverfahren für stationäre thermische Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung (ASTM C518, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeflussmessungen und thermische Übertragungseigenschaften mittels der Einrichtung von geschützten Heizplatten (ASTM C177, ASTM International, West Conshohocken, PA); ein Prüfverfahren für stationäre Wärmeübertragungseigenschaften von Rohrisolierungen (ASTM C335, ASTM International, West Conshohocken, PA); einen Test thermischer Leitfähigkeit für ein dünnes Heizelement (ASTM C1114, ASTM International, West Conshohocken, PA); Standard-Prüfverfahren für thermische Übertragungseigenschaften von wärmeleitfähigen elektrischen Isoliermaterialien (ASTM D5470, ASTM International, West Conshohocken, PA); Bestimmung des Wärmewiderstands durch Verfahren mit geschützten Heizplatten und Wärmeflussmessern (EN 12667, British Standards Institution, Großbritannien); oder Bestimmung des stationären Wärmewiderstandes und verwandten Eigenschaften - Einrichtung von geschützten Heizplatten (ISO 8203, Internationale Organisation für Normung, Schweiz). Aufgrund unterschiedlicher Verfahren, die möglicherweise zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, versteht es sich, dass innerhalb des Zusammenhangs der vorliegenden Offenbarung und sofern nicht ausdrücklich anderweitig angegeben, Wärmeleitfähigkeitsmessungen gemäß ASTM C518-Standard (Prüfverfahren für stationäre thermische Übertragungseigenschaften mittels der Wärmeflussmesseinrichtung) bei einer Temperatur von etwa 37,5 °C bei Atmosphärendruck in Umgebung und unter einer Kompressionslast von etwa 2 psi erfasst werden. Die gemäß ASTM C518 angegebenen Messungen korrelieren üblicherweise gut mit allen Messungen, die gemäß EN 12667 durchgeführt wurden, mit beliebigen relevanten Anpassungen an die Kompressionslast.
Wärmeleitfähigkeitsmessungen können auch bei einer Temperatur von etwa 10 °C bei Atmosphärendruck unter Kompression erfasst werden. Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 10 °C betragen im Allgemeinen 0,5-0,7 mW/mK weniger als entsprechende Wärmeleitfähigkeitsmessungen bei 37,5 °C. In bestimmten Ausführungsformen weist die Isolierschicht der vorliegenden Offenbarung eine Wärmeleitfähigkeit bei 10 °C von etwa 40 mW/mK oder weniger, etwa 30 mW/mK oder weniger, etwa 25 mW/mK oder weniger, etwa 20 mW/mK oder weniger, etwa 18 mW/mK oder weniger, etwa 16 mW/mK oder weniger, etwa 14 mW/mK oder weniger, etwa 12 mW/mK oder weniger, etwa 10 mW/mK oder weniger, etwa 5 mW/mK oder weniger oder in einem Bereich zwischen zwei dieser Werte auf.
Verwendung der Isolierbarrieren innerhalb des Batteriemoduls oder des Batteriepacks
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung, niedrigen Speichereffekten und hoher Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Batterien als eine der wichtigsten Energiespeichertechnologien betrachtet. Sicherheitsbedenken sind jedoch ein signifikantes Hindernis, das Anwendungen in großem Maßstab von LIBs behindert. Unter Missbrauchsbedingungen können exotherme Reaktionen zur Freisetzung von Wärme führen, die nachfolgende unsichere Reaktionen auslösen können. Die Situation verschlechtert sich, da die freigesetzte Wärme aus einer missbrauchten Zelle eine Kette von Reaktionen auslösen kann, die zu einem katastrophalen thermischen Durchgehen führen.
Mit der kontinuierlichen Verbesserung von LIBs im Hinblick auf die Energiedichte wird die Sicherheit bei der Entwicklung von elektrischen Vorrichtungen, z. B. Elektrofahrzeugen, ein immer dringenderes Anliegen. Die Mechanismen, die unter Sicherheitsproblemen leiden, variieren für jede andere Batteriechemie. Die vorliegende Technologie konzentriert sich auf die Anpassung der Isolierbarriere und entsprechende Konfigurationen dieser maßgeschneiderten Barrieren, um günstige thermische und mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die Isolierbarrieren der vorliegenden Technologie bieten effektive Wärmeableitungsstrategien unter normalen Bedingungen sowie unter Bedingungen des thermischen Durchgehens, während die Stabilität der LIB unter normalen Betriebsarten sichergestellt wird (z. B. Standhalten von angelegten Druckspannungen).
Die hierin offenbarten Isolierbarrieren eignen sich zum Trennen, Isolieren und Schützen von Batteriezellen oder Batteriekomponenten von Batterien jeder Konfiguration, z. B. Pouch-Zellen, zylindrischen Zellen, quaderförmigen Zellen sowie Packs und Modulen, die solche Zellen enthalten oder einschließen. Die hierin offenbarten Isolierbarrieren eignen sich in wiederaufladbaren Batterien, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Festkörper-Batterien und beliebigen anderen Energiespeichervorrichtungen oder -technologien, bei denen Trennung, Isolierung und Schutz erforderlich sind.
Passive Vorrichtungen wie Kühlsysteme können in Verbindung mit den Isolierbarrieren der vorliegenden Offenbarung innerhalb des Batteriemoduls oder Batteriepacks verwendet werden.
Die Isolierbarriere gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in einem Batteriepack schließt eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen oder von Modulen von Batteriezellen ein, um die einzelnen Batteriezellen oder Module von Batteriezellen thermisch voneinander zu trennen. Ein Batteriemodul besteht aus mehreren Batteriezellen, die in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind. Ein Batteriepack besteht aus mehreren Batteriemodulen. 8 stellt eine Ausführungsform eines Batteriemoduls 800 dar, das mehrere Batteriezellen 850 aufweist. Die eingekapselten Batteriezellen 850 schließen ein in das Einkapselungsmaterial eingebautes Isoliermaterial ein. Die Isolierschicht in dem Einkapselungsmaterial kann die Beschädigung benachbarter Batteriezellen hemmen oder verhindern, wenn eine Batteriezelle thermisches Durchgehen oder einen anderen katastrophalen Batteriezellenausfall erleidet. Durch die Einarbeitung einer Isolierschicht in das Einkapselungsmaterial kann ein Batteriemodul zusammengesetzt werden, ohne dass eine Isolierbarriere zwischen den Batteriezellen erforderlich ist. Alternativ können Isolierbarrieren zwischen Batteriezellen platziert werden, die ein Isoliermaterial in dem Einkapselungsmaterial einschließen.
Batteriemodule und Batteriepacks können zur Versorgung einer Vorrichtung oder eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie verwendet werden. Vorrichtung, die Batteriemodule oder Batteriepacks verwendet, schließt ein, ohne darauf beschränkt zu sein: einen Laptop-Computer, einen PDA, ein Mobiltelefon, einen Tag-Scanner, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, ein Anzeigefeld, eine Videokamera, eine Digitalkamera, einen Desktop-Computer, militärischen tragbaren Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, eine digitale Kommunikationsvorrichtung, einen Informationserfassungssensor, elektronisch integrierte Kleidung, eine Nachtsichtausrüstung, ein Elektrowerkzeug, einen Taschenrechner, ein Radio, eine ferngesteuerte Vorrichtung, eine GPS-Vorrichtung, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, eine tragbare Heizvorrichtung, einen tragbaren Staubsauger oder ein tragbares medizinisches Werkzeug. Bei Verwendung in einem Fahrzeug kann ein Batteriepack für ein reines Elektrofahrzeug oder für ein Hybridfahrzeug verwendet werden.
In diesem Patent wurden bestimmte US-Patente, US-Patentanmeldungen und andere Materialien (z. B. Artikel) durch Bezugnahme aufgenommen. Der Text solcher US-Patente, US-Patentanmeldungen und anderer Materialien wird jedoch nur durch Bezug in dem Maße aufgenommen, dass kein Konflikt zwischen einem solchen Text und den anderen hierin dargelegten Aussagen und Zeichnungen besteht. Im Falle eines solchen Konflikts wird dann jeglicher widersprüchliche Text in solchen durch Bezugnahme aufgenommenen US-Patenten, US-Patentanmeldungen und anderen Materialien ausdrücklich nicht in dieses Patent durch Bezugnahme aufgenommen.
Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen verschiedener Gesichtspunkte der Erfindung werden dem Fachmann angesichts dieser Beschreibung ersichtlich. Dementsprechend ist diese Beschreibung nur als veranschaulichend zu verstehen und dient dazu, Fachleuten die allgemeine Art und Weise der Durchführung der Erfindung zu lehren. Es versteht sich, dass die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als Beispiele von Ausführungsformen zu verstehen sind. Elemente und Materialien können durch die hierin veranschaulichten und beschriebenen ersetzt werden, Teile und Prozesse können umgekehrt werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig verwendet werden, wobei all dies für den Fachmann ersichtlich wäre, der den Nutzen dieser Beschreibung der Erfindung hat. Änderungen können in den hierin beschriebenen Elementen vorgenommen werden, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen.
Die Erfindung kann durch einen der folgenden Aspekte definiert werden:

1. Batteriezelle, umfassend:
- Batteriezellenkomponenten, wobei die Batteriezellenkomponenten Folgendes umfassen:
  - eine oder mehrere Kathoden;
  - eine oder mehrere Anoden;
  - einen oder mehrere Separatoren, die zwischen der einen oder den mehreren
  - Kathoden und der einen oder den mehreren Anoden positioniert sind;
- ein Einkapselungsmaterial, das die Batteriezellenkomponenten umgibt, wobei die Einkapselungsschicht eine Isolierschicht umfasst.
2. Batteriezelle nach Aspekt 1, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht und eine auf der inneren Polymerschicht positionierte Isolierschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht in Kontakt mit den Batteriezellenkomponenten steht.
3. Batteriezelle nach Aspekt 1, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die Isolierschicht zwischen der inneren Polymerschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
4. Batteriezelle nach Aspekt 1, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der Isolierschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht und eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die Isolierschicht zwischen der inneren Polymerschicht und der verformbaren Schicht positioniert ist und wobei die verformbare Schicht zwischen der Isolierschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
5. Batteriezelle nach Aspekt 1, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die verformbare Schicht zwischen der inneren Polymerschicht und der Isolierschicht positioniert ist, und wobei die Isolierschicht zwischen der verformbaren Schicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
6. Batteriezelle nach Aspekt 1, wobei das Einkapselungsmaterial einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht und eine mit der äußeren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die verformbare Schicht zwischen der inneren Polymerschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist, und wobei die äußere Polymerschicht zwischen der verformbaren Schicht und der Isolierschicht positioniert ist.
7. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
8. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die äußere Polymerschicht aus einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyoxymethylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid-Imid, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polystyrol, Polysulfon, Polyimid und Terephthalat hergestellt ist.
9. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die innere Polymerschicht aus einem Polyolefin-Polymer besteht.
10. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die innere Polymerschicht aus einem Polymer besteht, das sich von dem Polymer in der äußeren Polymerschicht unterscheidet.
11. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die äußere Polymerschicht aus Polyethylenterephthalat („PET“) oder orientiertem Nylon („ONy“) besteht und wobei die innere Polymerschicht aus Polypropylen („PP“) besteht.
12. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die äußere Polymerschicht aus einem ersten Polymerfilm aus einem ersten Material und einem zweiten Polymerfilm aus einem zweiten Material besteht, wobei sich das erste Material von dem zweiten Material unterscheidet.
13. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die verformbare Schicht eine Metallfolie umfasst.
14. Batteriezelle nach einem der Aspekte 1 bis 12, wobei die verformbare Schicht ein verformbares Polymer umfasst.
15. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Einkapselungsschicht ferner einen Klebstoff umfasst, der zwischen benachbarten Schichten aufgebracht ist.
16. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die äußere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
17. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die verformbare Schicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
18. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die innere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
19. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
20. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Isolierschicht ein Aerogel umfasst.
21. Batteriezelle nach einem der vorstehenden Aspekte, wobei die Einkapselungsschicht aus zwei Laminatfilmen besteht, die miteinander heißverschweißt sind.
22. Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen nach einem der Aspekte 1 bis 21.
23. Elektrisches Leistungssystem, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, wie in Aspekt 22 beschrieben.
24. Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend ein Batteriemodul nach Aspekt 22 oder ein elektrisches Leistungssystem nach Aspekt 23.
25. Vorrichtung nach Aspekt 24, wobei es sich bei der Vorrichtung um Laptop-Computer, PDA, Mobiltelefone, Tag-Scanner, Audiovorrichtungen, Videovorrichtungen, Anzeigefelder, Videokameras, Digitalkameras, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtgeräte, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder tragbare medizinische Werkzeuge handelt.
26. Fahrzeug nach Aspekt 24, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.

ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Materialien und Systeme zur Bewältigung von Problemen des thermischen Durchgehens in Energiespeicherungssystemen. Beispielhafte Ausführungsformen schließen eine Isolierschicht ein, die in dem Einkapselungsmaterial platziert ist, das zum Einkapseln einer Pouch-Batteriezelle verwendet wird. Die Einkapselungsschicht für eine Pouch-Batteriezelle ist aus einem Laminatfilm hergestellt, der eine Isolierschicht umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/316497 [0001]
US 63304258 [0035]
US 2021/0167438 [0036]
US 63/218205 [0036]

Claims

Batteriezelle, umfassend: Batteriezellenkomponenten, wobei die Batteriezellenkomponenten Folgendes umfassen: eine oder mehrere Kathoden; eine oder mehrere Anoden; einen oder mehrere Separatoren, die zwischen der einen oder den mehreren Kathoden und der einen oder den mehreren Anoden positioniert sind; eine Einkapselungsschicht, das die Batteriezellenkomponenten umgibt, wobei die Einkapselungsschicht eine Isolierschicht umfasst.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Einkapselungsschicht einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht und eine auf der inneren Polymerschicht positionierte Isolierschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht in Kontakt mit den Batteriezellenkomponenten steht.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Einkapselungsschicht einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die Isolierschicht zwischen der inneren Polymerschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Einkapselungsschicht einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der Isolierschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht und eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die Isolierschicht zwischen der inneren Polymerschicht und der verformbaren Schicht positioniert ist und wobei die verformbare Schicht zwischen der Isolierschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Einkapselungsschicht einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende Isolierschicht und eine mit der Isolierschicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die verformbare Schicht zwischen der inneren Polymerschicht und der Isolierschicht positioniert ist, und wobei die Isolierschicht zwischen der verformbaren Schicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist.
Batteriezelle nach Anspruch 1, wobei die Einkapselungsschicht einen Laminatfilm umfasst, der eine innere Polymerschicht, eine ein verformbares Material umfassende mit der inneren Polymerschicht in Kontakt stehende verformbare Schicht, eine mit der verformbaren Schicht in Kontakt stehende äußere Polymerschicht und eine mit der äußeren Polymerschicht in Kontakt stehende Isolierschicht umfasst, wobei die innere Polymerschicht mit den Batteriezellenkomponenten in Kontakt steht, und wobei die verformbare Schicht zwischen der inneren Polymerschicht und der äußeren Polymerschicht positioniert ist, und wobei die äußere Polymerschicht zwischen der verformbaren Schicht und der Isolierschicht positioniert ist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die äußere Polymerschicht aus einem Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyoxymethylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid-Imid, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polystyrol, Polysulfon, Polyimid und Terephthalat hergestellt ist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die innere Polymerschicht aus einem Polyolefin-Polymer besteht.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die innere Polymerschicht aus einem Polymer besteht, das sich von dem Polymer in der äußeren Polymerschicht unterscheidet.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die äußere Polymerschicht aus Polyethylenterephthalat („PET“) oder orientiertem Nylon („ONy“) besteht und wobei die innere Polymerschicht aus Polypropylen („PP“) besteht.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die äußere Polymerschicht aus einem ersten Polymerfilm aus einem ersten Material und einem zweiten Polymerfilm aus einem zweiten Material besteht, wobei sich das erste Material von dem zweiten Material unterscheidet.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verformbare Schicht eine Metallfolie umfasst.
Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die verformbare Schicht ein verformbares Polymer umfasst.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einkapselungsschicht ferner einen Klebstoff umfasst, der zwischen benachbarten Schichten aufgebracht ist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die äußere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verformbare Schicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die innere Polymerschicht eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 100 µm aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit durch ein Dickenmaß der Isolierschicht von weniger als etwa 50 mW/m-K bei 25 °C und weniger als etwa 60 mW/m-K bei 600 °C aufweist.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Isolierschicht ein Aerogel umfasst.
Batteriezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einkapselungsschicht aus zwei Laminatfilmen besteht, die miteinander heißverschweißt sind.
Batteriemodul, umfassend eine Vielzahl von Batteriezellen nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
Elektrisches Leistungssystem, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, wie in Anspruch 22 beschrieben.
Vorrichtung oder Fahrzeug, umfassend ein Batteriemodul nach Anspruch 22 oder ein elektrisches Leistungssystem nach Anspruch 23.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei es sich bei der Vorrichtung um Laptop-Computer, PDA, Mobiltelefone, Tag-Scanner, Audiovorrichtungen, Videovorrichtungen, Anzeigefelder, Videokameras, Digitalkameras, Desktop-Computer, militärische tragbare Computer, Militärtelefone, Laserentfernungsmesser, digitale Kommunikationsvorrichtungen, Informationserfassungssensoren, elektronisch integrierte Kleidung, Nachtsichtgeräte, Elektrowerkzeuge, Taschenrechner, Radios, ferngesteuerte Vorrichtungen, GPS-Vorrichtungen, Handheld- und tragbare Fernsehgeräte, Starthilfegeräte, Taschenlampen, akustische Vorrichtungen, tragbare Heizvorrichtungen, tragbare Staubsauger oder tragbare medizinische Werkzeuge handelt.
Fahrzeug nach Anspruch 24, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.