EP2569817A1 - Batteriezellattrappe für die sichere testung von batteriesystemen - Google Patents

Batteriezellattrappe für die sichere testung von batteriesystemen

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Publication number
EP2569817A1
EP2569817A1 EP11708852A EP11708852A EP2569817A1 EP 2569817 A1 EP2569817 A1 EP 2569817A1 EP 11708852 A EP11708852 A EP 11708852A EP 11708852 A EP11708852 A EP 11708852A EP 2569817 A1 EP2569817 A1 EP 2569817A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery cell
battery
dummy
filler
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11708852A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Reitzle
Ulrich Zimmermann
Rainer Kern
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SB LiMotive Germany GmbH, SB LiMotive Co Ltd filed Critical SB LiMotive Germany GmbH
Publication of EP2569817A1 publication Critical patent/EP2569817A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4285—Testing apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/50—Methods or arrangements for servicing or maintenance, e.g. for maintaining operating temperature
    • H01M6/5027—Dummy cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a dummy battery cell comprising a housing, electrodes disposed within the housing and terminals electrically connected to the electrodes, wherein the
  • Batteriezellattrappe is designed such that in the housing, an electrolyte is receivable, characterized in that the battery cell dummy instead of an electrolyte having a filler. Furthermore, the invention relates to a battery, a battery module and a battery system which contains at least one such battery cell dummy.
  • the cells, the battery management system (BMS) and all other control devices must be coordinated so that safe working without risk guaranteed by human and / or material.
  • BMS battery management system
  • Especially at the beginning of a new development activity at the BMS systemic tests can lead to hazards, as in early stages of development there may still be errors in the software and in the hardware or the software does not yet provide all the necessary functionalities.
  • low-level cells are used to check the system-level interaction of cells, BMS, and all other components to minimize human and environmental hazards in the event of a thermal runaway.
  • thermal runaway means thermal runaway of the battery cell due to excessive and self-reinforcing heat production in the cell and / or deficient heat
  • Heat dissipation opening up the cell can occur, it being too
  • Smoke, fire or explosion events may occur.
  • a battery cell dummy which comprises
  • Housing disposed within the housing electrodes as well as with the electrodes electrically conductively connected terminals, wherein the
  • Batteriezellattrappe is designed such that in the housing, an electrolyte is receivable, characterized in that the battery cell dummy instead of an electrolyte having a filler.
  • the filler contains no effective for the battery cell type electrolyte.
  • the battery cell dummies according to the invention are characterized in that they are substantially identical in construction to the original battery cells to be tested of the corresponding battery cell type or can be carried out, wherein only instead of the electrolyte, a filler is included, which does not act as an effective electrolyte for the corresponding battery cell system , In the invention, the electrochemical function of the battery cell is disabled.
  • the battery cell dummies according to the invention can therefore store and release electrical energy and thus can not be driven into a "thermal runaway".
  • the present invention thus provides battery cell dummies which have the same properties as the original battery cells which may have to be used later in the application, in particular with regard to the thermal behavior, the mechanical excitation behavior, and the like
  • Battery cell dummies can not store any electrical energy and thus they can not be forced to charge. This is especially at the beginning of development activities on components that monitor and control the electrical behavior of the cells, a safe and cost-effective approach possible because the battery cell dummies can not be driven into the "Thermal Runaway" and possibly can be reused.
  • Batteries, battery modules or entire battery systems are constructed and the interaction and functional behavior of the individual components under typical automotive loads, such as vibration,
  • the construction of a battery cell dummy according to the invention can be based on a cell of each battery cell type or battery cell technology.
  • the prerequisite is that the battery cell dummy has electrodes, preferably at least one anode and at least one cathode.
  • the electrodes are arranged in a housing.
  • the housing may be configured to separate the electrodes from the environment and to provide a space into which an electrolyte can be received.
  • the electrodes are electrically connected to terminals.
  • the terminals or poles can be designed and arranged such that the battery cell dummy can be electrically conductively connected to a voltage source and / or a power network via these terminals.
  • the battery cell dummy according to the invention is designed such that an electrolyte can be accommodated in the housing.
  • the dummy battery cell is designed so that the electrodes are at least partially in direct contact with the electrolyte after absorption of electrolyte.
  • the construction of the battery cell dummy according to the invention preferably follows the typical structure of a battery cell of the type of the original battery cell to be tested and is known to the person skilled in the art. Ideally, the structure is identical to the structure of the original battery cell to be tested with the proviso that the battery cell dummy according to the invention has no suitable electrolyte for this battery cell type.
  • Suitable battery cell types include electrochemical energy stores, in particular battery cells or accumulator cells of all common accumulator technologies.
  • the following battery cell types are suitable: Battery or accumulator cells of the type Pb - lead acid battery, NiCd - nickel-cadmium battery, NiH2 - nickel-hydrogen accumulator, NiMH - nickel-metal hydride accumulator, Li-ion - lithium-ion battery, LiPo - Lithium Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium Manganese Battery, LiFeP0 4 - Lithium Iron Phosphate Battery, LiTi - Lithium Titanium Battery, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese , Ni-Fe - Nickel-Iron Battery, Na / NiCI - High Temperature Nickel Nickel Chloride Battery, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silver Zinc Battery, Silicone Battery, Vanadium Redox Accumulator and / or Zinc Bromine Battery to be used.
  • the structure of the battery cell dummy according to the invention is based
  • An electrolyte is understood to mean a composition which, when a voltage is applied, is influenced by the resulting
  • Conductivity and charge transport is caused by the directed movement of ions.
  • the composition of the electrolyte is so on the matched to each battery cell type that the electrolyte is a directed
  • the electrolyte may be, for example, a solid or a liquid
  • electrolytes contain conductive agents like
  • electrolytes may include one or more other compounds or substances, such as
  • Solvents or stabilizers Suitable electrolytes for the mentioned battery cell types are known to the person skilled in the art. Under one for one
  • an electrolyte is used in lithium-ion cells, which contains organic carbonates, such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylene carbonate and / or propylene carbonate, or mixtures thereof as a solvent and therein dissolved conductive salts, such as. B. LiPF 6 or LiBF 4 .
  • the battery cell dummy according to the invention is characterized in that the dummy battery cell instead of an electrolyte has a filler which does not contain an electrolyte effective for the battery cell type. Because the battery cell dummy is not effective for the selected battery cell type
  • Terminals of Batteriezellattrappe substantially not come to a directed ion movement between the electrodes, which allows a charge and / or discharge process or allowed to a significant extent.
  • the filler of the battery cell dummy may be selected and constructed such that when applying a charging voltage to the terminals, insufficient ions be provided to ensure a charging process in the battery cell dummy.
  • the filler may be present, for example, in solid form or in liquid form, preferably the filler is present in the same state of aggregation, in which the electrolyte in the corresponding original battery cell
  • Inventive battery cell dummy behaves as similar as the corresponding original battery cell.
  • Battery cell dummy contain a filler which substantially corresponds to the composition of the electrolyte commonly used for the selected battery cell type.
  • the prerequisite is that the filler then the corresponding ion carrier, the corresponding acid, base or the corresponding conductive agent, eg. As conductive salt, not or in a concentration that does not allow a charge in the battery cell dummy dummy substantially or not guaranteed to any appreciable extent.
  • the battery cell dummy may include a filler containing or consisting of one or more solvents present in the electrolyte commonly used for the battery cell type.
  • the filler of the battery cell dummy according to the invention can, in particular if it is a cell of the lithium-ion cell type, preferably contain or consist of one or more organic carbonates or mixtures thereof. These organic carbonates may in particular be dimethylene carbonate, diethylene carbonate, ethylene carbonate,
  • the filler of the battery cell dummy according to the invention may contain or consist of silicones, silicone-containing compounds or substituted or unsubstituted polysiloxane-containing polymers. This can be used to ensure that in case of
  • Filler deviates by not more than 10 wt .-% of the total weight of the electrolyte used in the selected original battery cell type, preferably not more than 5 wt .-%, more preferably not more than 2 wt .-%, most preferably in not more than 1% by weight. This ensures that the replacement of the electrolyte by the filler does not lead to a significant or relevant weight difference between the
  • Battery cell dummy and the corresponding original battery cell leads.
  • the battery cell dummy according to the invention then behaves in terms of the total weight as the corresponding original battery cell.
  • the present invention also relates to a battery, a battery module and / or a battery system, characterized in that one, several or all cells of the battery, the battery module or the battery system
  • a battery is understood to be an electrochemical energy store which has at least one
  • a battery module has battery cell or battery cell dummy.
  • several battery cells or battery cell dummies are combined to form an optionally functional unit, wherein a battery system is understood to be higher-organized arrangements which have a plurality of battery cells or
  • the battery cell dummy according to the invention or batteries containing such battery cell dummies, battery modules and / or battery systems can be used in particular to test the behavior of the battery cell dummy or the corresponding original battery cell for environmental influences or for tuning various other system components such as For example, battery management systems on a battery cell dummy or the corresponding original battery cell.
  • Figure 1 is a schematic representation of an original battery cell of the type of lithium-ion cell
  • Figure 2 is a schematic representation of an inventive
  • Battery cell dummy based on an original battery cell of the lithium ion cell type
  • FIG. 1 shows an original battery cell of the lithium-ion cell type.
  • the original battery cell has a cathode 2 and an anode 4, which are arranged in a housing 1.
  • the cathode 2 is electrically conductively connected to the cathode terminal 3, while the anode 4 is electrically connected to the anode terminal 5 is present.
  • Both cathode 2 and anode 4 are in direct contact with a likewise arranged in the housing electrolyte 6.
  • the cathode terminal 3 and the anode terminal 5 are connected via lines with a line resistance 7 with a voltage source 8, which provides a suitable charging voltage, for example, from 3 6V.
  • the material of the anode 4 consists essentially of graphite and the cathode 2 contains LiCo0 2 or blends with lithium-manganese oxide, lithium-nickel oxide or Al-based-stabilized oxides.
  • the electrolyte 6 may contain, for example, mixtures of organic carbonates as a solvent, for. For example, diethyl carbonate, dimethyl carbonate,
  • LiPF 6 or LiBF 4 LiPF 6 or LiBF 4
  • 4 lithium ions are stored in the graphite of the anode. These lithium ions originate from the material of the cathode 2 and must migrate from the cathode 2 through the electrolyte 6 to the anode 4. This migration takes place as an ion pair (eg LiPF 6 ) from the lithium cation and the counteranion of the electrolyte. Arrived at the anode 4 they are in the
  • FIG. 2 shows an embodiment of a device according to the invention
  • Battery cell dummy illustrated. Here, the battery cell dummy is shown as
  • the same active materials are used for the electrodes, for.
  • Lithium was purged from the cathode material and no lithium is incorporated in the graphite.
  • the filler 9 is used in the battery cell dummy instead of the electrolyte 6, which may have a mixture of organic carbonates.
  • the filler 9 is dispensed with any effective for the original battery cell type conductive agent or conductive salt. This results in a calculable mass error between the
  • the battery cell dummies physically behave like the corresponding original battery cells. There can be no "thermal runaway" in the battery cell dummy.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezellattrappe, welche ein Gehäuse (1), innerhalb des Gehäuses (1) angeordnete Elektroden (2, 4) sowie mit den Elektroden (2, 4) elektrisch leitfähig verbundene Terminals (3, 5) aufweist, wobei die Batteriezellattrappe derart ausgebildet ist, dass in das Gehäuse (1) ein Elektrolyt aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellattrappe anstelle eines Elektrolyten ein Füllmittel (9) aufweist, welches keinen für den Batteriezelltyp wirksamen Elektrolyten enthält. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Batterie, ein Batteriemodul und ein Batteriesystem, welches mindestens eine solche Batteriezellattrappe enthält.

Description

Beschreibung Titel
Batteriezellattrappe für die sichere Testung von Batteriesvstemen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezellattrappe, welche ein Gehäuse, innerhalb des Gehäuses angeordnete Elektroden sowie mit den Elektroden elektrisch leitfähig verbundene Terminals aufweist, wobei die
Batteriezellattrappe derart ausgebildet ist, dass in das Gehäuse ein Elektrolyt aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellattrappe anstelle eines Elektrolyten ein Füllmittel aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Batterie, ein Batteriemodul und ein Batteriesystem welches mindestens eine solche Batteriezellattrappe enthält.
Stand der Technik
Bei der Entwicklung von Batteriesystemen, insbesondere für den Automobilmarkt (derzeit basierend z. B. auf einer Lithium-Ionen-Technologie), müssen die Zellen, das Batteriemanagementsystem (BMS) und alle sonstigen Steuergeräte derart aufeinander abgestimmt sein, dass ein sicheres Arbeiten ohne Gefährdung von Mensch und/oder Material gewährleistet ist. Vor allem zu Beginn einer neuen Entwicklungstätigkeit beim BMS kann es bei Systemtests zu Gefährdungen kommen, da in frühen Entwicklungsstadien noch Fehler in der Software und in der Hardware vorhanden sein können bzw. die Software noch nicht alle notwendigen Funktionalitäten bereitstellt. Momentan werden, zum Überprüfen des Zusammenspiels auf Systemebene von Zellen, BMS und aller anderen Komponenten, Zellen mit geringem Ladezustand verwendet, um im Falle eines "Thermal Runaways" die Gefahren für Mensch und Umwelt zu minimieren.
Allerdings kann dadurch eine mögliche Gefährdung nicht ausgeschlossen werden. Kommt es zu einem solchen„Thermal Runaway", so sind aufwendige
Maßnahmen zur Brandbekämpfung und zur Vermeidung einer Kontamination der Umgebung erforderlich. Der Begriff„Thermal Runaway" bedeutet ein thermisches Durchgehen der Batteriezelle, wobei durch übermäßige und sich selbst verstärkende Wärmeproduktion in der Zelle und/oder mangelhafte
Wärmeabführung ein Eröffnen der Zelle auftreten kann, wobei es zu
Rauchentwicklung, Feuer- oder Explosionsereignissen kommen kann.
Erläuterungen über die Abläufe im Falle eines„Thermal Runaways" bei Lithium- Ionen-Zellen sind beispielsweise beschrieben in R. Kern; R. Bindel, R.
Uhlenbrock, ATZelektronik 0512009 Jahrgang 4, S. 22-29.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung eines "Thermal Runaways" besteht in der Verwendung von Platzhaltern anstatt von Batteriezellen, wie beispielsweise Metallkörpern, welche das gleiche Volumen wie die Original-Batteriezellen besitzen. Ein Nachteil dieser Platzhalter oder Attrappen ist jedoch, dass diese nicht die physikalischen Eigenschaften der Original-Batteriezellen aufweisen, so ergeben sich meist Unterschiede in Gewicht, Wärmekapazität,
Wärmeleitfähigkeit, mechanischem Schwerpunkt, Schwingungseigenschaften bei Anregung, usw.. Diese Unterschiede können die Aussagekraft der Tests oder Abstimmungen beeinträchtigen, so dass ggf. weitere Tests notwendig sind oder eine Restunsicherheit verbleibt.
Es besteht ein Bedarf an einer Lösung, die ein Höchstmaß an Sicherheit garantiert, während gleichzeitig Test- und Abstimmungsergebnisse erhalten werden können, die möglichst aussagekräftig sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezellattrappe bereitgestellt, welche ein
Gehäuse, innerhalb des Gehäuses angeordnete Elektroden sowie mit den Elektroden elektrisch leitfähig verbundene Terminals aufweist, wobei die
Batteriezellattrappe derart ausgebildet ist, dass in das Gehäuse ein Elektrolyt aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellattrappe anstelle eines Elektrolyten ein Füllmittel aufweist. Das Füllmittel enthält dabei keinen für den Batteriezelltyp wirksamen Elektrolyten. Die erfindungsgemäßen Batteriezellattrappen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Wesentlichen baugleich mit den zu testenden Original-Batteriezellen des entsprechenden Batteriezelltyps ausgeführt sind oder ausgeführt werden können, wobei lediglich anstatt des Elektrolyten ein Füllmittel enthalten ist, welches nicht als wirksamer Elektrolyt für das entsprechende Batteriezellsystem wirkt. Bei der Erfindung wird die elektrochemische Funktion der Batteriezelle außer Funktion gesetzt. Die erfindungsgemäßen Batteriezellattrappen können also keine elektrische Energie speichern und wieder abgeben und können somit auch nicht in einen "Thermal Runaway" getrieben werden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden also Batteriezellattrappen zur Verfügung gestellt, welche die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die ggf. später in der Anwendung einzusetzenden Original-Batteriezellen, insbesondere in Bezug auf das thermische Verhalten, das Verhalten bei mechanischer Anregung, das
Verhalten bei korrosiver Belastung usw.. Die erfindungsgemäßen
Batteriezellattrappen können jedoch keine elektrische Energie speichern und es kann ihnen somit auch kein Ladevorgang aufgezwungen werden. Hiermit wird vor allem zu Beginn von Entwicklungstätigkeiten an Komponenten, welche das elektrische Verhalten der Zellen überwachen und steuern, ein sicheres und auch kostengünstiges Vorgehen ermöglicht, da die Batteriezellattrappen nicht in den "Thermal Runaway" getrieben werden können und ggf. wieder verwendet werden können. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappen können
Batterien, Batteriemodule oder ganze Batteriesysteme aufgebaut werden und das Zusammenspiel und Funktionsverhalten der einzelnen Komponenten unter typischen Automotive-Belastungen, wie beispielsweise Schwingung,
Temperaturwechsel, Feuchtigkeitswechsel, Streusalz usw., geprüft werden, ohne dass hierbei die Gefahr von Gasaustritt, Brand oder Explosion während der
Versuchsdurchführung besteht.
Grundsätzlich kann der Aufbau einer erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe auf einer Zelle eines jeden Batteriezelltyps oder jeder Batteriezelltechnologie basieren. Voraussetzung ist, dass die Batteriezellattrappe Elektroden aufweist, bevorzugt mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode. Die Elektroden sind in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse kann derart ausgestaltet sein, dass es die Elektroden von der Umwelt abgrenzt und einen Raum bereitstellt, in den ein Elektrolyt aufnehmbar ist. Die Elektroden sind elektrisch leitfähig mit Terminals verbunden. Die Terminals oder Pole können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass die Batteriezellattrappe über diese Terminals elektrisch leitend mit einer Spannungsquelle und/oder einem Stromnetz verbindbar ist. Die erfindungsgemäße Batteriezellattrappe ist derart ausgebildet, dass in das Gehäuse ein Elektrolyt aufnehmbar ist. Bevorzugt ist die Batteriezellattrappe so ausgebildet, dass die Elektroden nach erfolgter Aufnahme von Elektrolyt mindestens teilweise mit dem Elektrolyten direkt in Kontakt stehen.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe folgt bevorzugt dem typischen Aufbau einer Batteriezelle des Typs der zu testenden Original- Batteriezelle und ist dem Fachmann bekannt. Idealerweise ist der Aufbau identisch mit dem Aufbau der zu testenden Original-Batteriezelle mit der Maßgabe, dass die erfindungsgemäße Batteriezellattrappe kein für diesen Batteriezelltyp geeignetes Elektrolyt aufweist. Geeignete Batteriezelltypen umfassen elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Batteriezellen oder Akkumulatorzellen aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien. Insbesondere sind folgende Batteriezelltypen geeignet: Batterie- oder Akkumulatorzellen vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff- Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen- Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium- Mangan-Akku, LiFeP04 - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium- Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen- Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox- Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku verwendet werden. Besonders bevorzugt basiert der Aufbau der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappen auf
Batteriezellen vom Typ der Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Unter einem Elektrolyten wird eine Zusammensetzung verstanden, die beim Anlegen einer Spannung unter dem Einfluss des dabei entstehenden
elektrischen Feldes elektrischen Strom leitet, wobei seine elektrische
Leitfähigkeit und der Ladungstransport durch die gerichtete Bewegung von Ionen bewirkt wird. Dabei ist die Zusammensetzung des Elektrolyten derart auf den jeweiligen Batteriezelltyp abgestimmt, dass der Elektrolyt eine gerichtete
Wanderung von Ionen zwischen den Elektroden erlaubt und somit einen Lade- und/oder Entladevorgang der Batteriezelle gewährleistet. Bei dem Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine feste oder um eine flüssige
Zusammensetzung handeln. Meist enthalten Elektrolyte Leitmittel wie
beispielsweise Säuren, Basen oder Salze (Leitsalze), die beim Anlegen einer Spannung als Ionen vorliegen können. Daneben können Elektrolyte ein oder mehrere andere Verbindungen oder Stoffe aufweisen, wie beispielsweise
Lösungsmittel oder Stabilisatoren. Geeignete Elektrolyte für die genannten Batteriezelltypen sind dem Fachmann bekannt. Unter einem für einen
bestimmten Batteriezelltyp geeigneten Elektrolyten wird ein Elektrolyt
verstanden, der in der Lage ist, für den gewählten Batteriezelltyp einen Lade- und/oder Entladevorgang zu vermitteln. Im Falle einer Batteriezellattrappe für eine Batteriezelle vom Typ einer Lithium-
Ionen-Zelle enthält oder besteht die Anode aus Graphit und die Kathode enthält oder besteht aus einem Lithium-Übergangsmetalloxid, bevorzugt LiCo02, LiNi02, einem LiMn-Oxid, oder aus einem Al-basierten oder Al-stabilisierten Oxid oder Mischungen oder Blends enthaltend eine oder mehrere der genannten
Verbindungen. Typischerweise wird in Lithium-Ionen-Zellen ein Elektrolyt verwendet, welches organische Carbonate, wie beispielsweise Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylencarbonat und/oder Propylencarbonat, bzw. Mischungen davon als Lösungsmittel enthält und darin gelöste Leitsalze, wie z. B. LiPF6 oder LiBF4.
Die erfindungsgemäße Batteriezellattrappe ist dadurch charakterisiert, dass die Batteriezellattrappe anstelle eines Elektrolyten ein Füllmittel aufweist, welches keinen für den Batteriezelltyp wirksamen Elektrolyten enthält. Dadurch, dass die Batteriezellattrappe keinen für den gewählten Batteriezelltyp wirksamen
Elektrolyten enthält, kann es beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die
Terminals der Batteriezellattrappe im Wesentlichen nicht zu einer gerichteten lonenbewegung zwischen den Elektroden kommen, die einen Lade- und/oder Entladevorgang erlaubt oder in nennenswertem Umfang gestattet. Das Füllmittel der Batteriezellattrappe kann derart ausgewählt und beschaffen sein, dass beim Anlegen einer Ladespannung an die Terminals nicht ausreichend Ionen bereitgestellt werden, um einen Ladevorgang in der Batteriezellattrappe zu gewährleisten.
Das Füllmittel kann beispielsweise in fester Form oder in flüssiger Form vorliegen, bevorzugt liegt das Füllmittel in demselben Aggregatszustand vor, in dem sich das Elektrolyt in der entsprechenden Original-Batteriezelle
typischerweise befindet. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die
erfindungsgemäße Batteriezellattrappe möglichst ähnlich verhält, wie die entsprechende Original-Batteriezelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße
Batteriezellattrappe ein Füllmittel enthalten, welches im Wesentlichen der Zusammensetzung des üblicherweise für den gewählten Batteriezelltyp verwendeten Elektrolyten entspricht. Voraussetzung dafür ist, dass das Füllmittel dann den entsprechenden lonenträger, die entsprechende Säure, Base oder das entsprechende Leitmittel, z. B. Leitsalz, nicht oder in einer Konzentration enthält, die einen Ladevorgang in der Batteriezellattrappe im Wesentlichen nicht erlaubt oder nicht in nennenswertem Umfang gewährleistet. Der Vorteil dieser
Ausführungsform liegt darin, dass das Füllmittel die größtmögliche Ähnlichkeit mit dem in der Original-Batteriezelle vorhandenen Elektrolyten aufweist und so insgesamt erreicht wird, dass die Batteriezellattrappe die größtmögliche
Ähnlichkeit mit der entsprechenden Original-Batteriezelle aufweist. Je größer die Ähnlichkeit zwischen Batteriezellattrappe und entsprechender Original- Batteriezelle, desto aussagekräftiger sind die Messergebnisse, die mit der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe erzielt werden können.
Bevorzugt kann die Batteriezellattrappe ein Füllmittel enthalten, welches ein oder mehrere Lösungsmittel enthält oder daraus besteht, die im für den Batteriezelltyp üblicherweise verwendeten Elektrolyten vorhanden sind.
Das Füllmittel der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe kann, insbesondere dann, wenn es sich um eine Zelle vom Typ der Lithium-Ionen-Zelle handelt, bevorzugt ein oder mehrere organische Carbonate oder Mischungen daraus enthalten oder daraus bestehen. Bei diesen organischen Carbonaten kann es sich insbesondere um Dimethylencarbonat, Diethylencarbonat, Ethylencarbonat,
Propylencarbonat oder Mischungen daraus handeln. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Füllmittel der erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe Silikone, Silikon-haltige Verbindungen oder substituierte oder unsubstituierte Polysiloxan-haltige Polymere enthalten oder daraus bestehen. Hiermit kann sichergestellt werden, dass im Falle eines
Ablassens von Füllmittel aus der Batteriezellattrappe, z. B. durch Missbrauch oder Beschädigung, die austretenden Gase nur schwer entzündlich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße
Batteriezellattrappe das Füllmittel in einer Menge auf, so dass das Gewicht des
Füllmittels um nicht mehr als 10 Gew.-% vom Gesamtgewicht des im gewählten Original-Batteriezelltyp üblicherweise verwendeten Elektrolyten abweicht, bevorzugt um nicht mehr als 5 Gew.-%, besonders bevorzugt um nicht mehr als 2 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als 1 Gew.-%. Dadurch wird erreicht, dass das Ersetzen des Elektrolyten durch das Füllmittel nicht zu einem nennenswerten oder relevanten Gewichtsunterschied zwischen der
Batteriezellattrappe und der entsprechenden Original-Batteriezelle führt. Die erfindungsgemäße Batteriezellattrappe verhält sich dann auch bezüglich des Gesamtgewichts wie die entsprechende Original-Batteriezelle.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Batterie, ein Batteriemodul und/oder ein Batteriesystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle Zellen der Batterie, des Batteriemoduls oder des Batteriesystems
erfindungsgemäße Batteriezellattrappen sind. Unter einer Batterie wird dabei ein elektrochemischer Energiespeicher verstanden, der mindestens eine
Batteriezelle bzw. Batteriezellattrappe aufweist. Bei einem Batteriemodul sind mehrere Batteriezellen bzw. Batteriezellattrappen zu einer ggf. funktionalen Einheit zusammengefasst, wobei unter einem Batteriesystem höher organisierte Anordnungen verstanden werden, die mehrere Batteriezellen bzw.
Batteriezellattrappen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Batteriezellattrappe oder solche Batteriezellattrappen enthaltende Batterien, Batteriemodule und/oder Batteriesysteme können insbesondere dazu verwendet werden, das Verhalten der Batteriezellattrappe bzw. der entsprechenden Original-Batteriezelle auf Umwelteinflüsse zu testen oder zur Abstimmung verschiedener weiterer Systemkomponenten wie beispielsweise Batteriemanagementsysteme auf eine Batteriezellattrappe bzw. die entsprechende Original-Batteriezelle.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Original-Batteriezelle vom Typ der Lithium-Ionen-Zelle;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Batteriezellattrappe basierend auf einer Original-Batteriezelle vom Typ der Lithium-Ionen-Zelle.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist eine Original-Batteriezelle vom Typ der Lithium-Ionen-Zelle gezeigt. Die Original-Batteriezelle weist eine Kathode 2 und eine Anode 4 auf, die in einem Gehäuse 1 angeordnet sind. Die Kathode 2 ist elektrisch leitend mit dem Kathodenterminal 3 verbunden, während die Anode 4 elektrisch leitend mit dem Anodenterminal 5 verbunden vorliegt. Sowohl Kathode 2 als auch Anode 4 stehen in direktem Kontakt mit einem ebenfalls im Gehäuse angeordneten Elektrolyten 6. Das Kathodenterminal 3 und das Anodenterminal 5 sind über Leitungen mit einem Leitungswiderstand 7 mit einer Spannungsquelle 8 verbunden, die eine geeignete Ladespannung bereitstellt, beispielsweise von 3,6V.
Bei einer derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Zelle besteht das Material der Anode 4 im Wesentlichen aus Graphit und die Kathode 2 enthält LiCo02 bzw. Blends mit Lithium-Manganoxid, Lithium-Nickeloxid oder Al-basiertet-stabilisierte Oxide. Der Elektrolyt 6 kann beispielsweise Mischungen organischer Carbonate als Lösungsmittel enthalten, z. B. Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat,
Ethylencarbonat, und/oder Proylencarbonat, während als Leitsalz beispielsweise LiPF6 oder LiBF4 verwendet wird. Während des Ladens werden in das Graphit der Anode 4 Lithium-Ionen eingelagert. Diese Lithium-Ionen stammen aus dem Material der Kathode 2 und müssen von der Kathode 2 durch den Elektrolyten 6 zur Anode 4 wandern. Diese Wanderung findet als lonenpaar (z. B. LiPF6) aus Lithiumkation und Gegenanion des Elektrolyten statt. An der Anode 4 angekommen werden sie in das
Anodenmaterial eingelagert. Dies ist in Figur 1 dargestellt.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Batteriezellattrappe dargestellt. Dabei ist die dargestellte Batteriezellattrappe als
Attrappe für die Original-Batteriezelle aus Figur 1 ausgestaltet. Damit möglichst viele physikalische Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Batteriezellattrappe mit den Eigenschaften der entsprechenden Original-Batteriezelle
übereinstimmen, werden die gleichen Aktivmaterialien für die Elektroden verwendet, z. B. Graphit für die Anode 4 und Lithium-Übergangsmetalloxide für die Kathode 2. Anstatt des Elektrolyten 6 weist die Batteriezellattrappe aus Figur 2 ein Füllmittel 9 auf, welches in der Zusammensetzung im Wesentlichen mit dem Elektrolyten 6 der Original-Batteriezelle aus Figur 1 übereinstimmt, wobei das Füllmittel 9 allerdings kein für den Original-Batteriezelltyp wirksames Leitsalz enthält.
Um die Gefahr einer elektrochemischen Lade- und/oder Entladereaktion in der Batteriezellattrappe zu verhindern, wird für die Anode 4 Graphit verwendet und für die Kathode 2 LiCo02 bzw. Blends mit LiNi02 und Li-Mn-Oxiden. Bei Verwendung dieser Verbindungen gilt die Zelle als vollständig entladen, da kein
Lithium aus dem Kathodenmaterial ausgelagert wurde und kein Lithium in das Graphit eingelagert ist.
Um eine mögliche Lade- und/oder Entladereaktion, z. B. durch zufällig angelegte äußere Spannung, vollständig zu unterbinden, wird in der Batteriezellattrappe anstatt des Elektrolyten 6 das Füllmittel 9 verwendet, welches eine Mischung organischer Carbonate aufweisen kann. Im Füllmittel 9 wird auf jegliches für den Original-Batteriezelltyp wirksames Leitmittel oder Leitsalz verzichtet. Hieraus ergibt sich zwar ein berechenbarer Massefehler zwischen der
Batteriezellattrappe und der entsprechenden Original-Batteriezelle von max. 1
Gew.-% (bei einem verwendeten Leitsalz LiPF6 und einer typischen Konzentration von 1 mol/l, entsprechend 152 g/l und einem max. Zellgewicht von ca. 1000 g), welcher sich auch im Fehler der Resonanzfrequenz wiederfindet (m ~ 1/Vv, bzw. aufgelöst nach dem Frequenzfehler beträgt dieser max. 5 %). Dieser Fehler geht üblicherweise in der in öffentlichen Normen der
Automobilindustrie vorgeschriebenen Messgenauigkeit der Messgeräte unter.
Eine elektrochemische Ladereaktion in der Batteriezellattrappe wird durch diesen Ansatz vermieden. Das mögliche Anlegen einer Ladespannung an eine solche Batteriezellattrappe bewirkt keine Wanderung von Lithium-Ionen aus dem Kathodenmaterial der Kathode 2 zum Graphit der Anode 4, da ein
entsprechendes Gegenanion zum Lithiumkation im Füllmittel 9 fehlt. Dies verhindert eine Lithiumwanderung durch das Füllmittel 9, siehe Figur 2.
Ansonsten verhalten sich die Batteriezellattrappen physikalisch wie die entsprechenden Original-Batteriezellen. Es kann in der Batteriezellattrappe lediglich kein "Thermal Runaway" stattfinden.

Claims

Ansprüche
1 . Batteriezellattrappe, welche ein Gehäuse (1 ), innerhalb des Gehäuses (1 ) angeordnete Elektroden (2, 4) sowie mit den Elektroden (2, 4) elektrisch leitfähig verbundene Terminals (3, 5) aufweist, wobei die Batteriezellattrappe derart ausgebildet ist, dass in das Gehäuse (1 ) ein Elektrolyt aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellattrappe anstelle eines Elektrolyten ein Füllmittel (9) aufweist, welches keinen für den Batteriezelltyp wirksamen Elektrolyten enthält.
2. Batteriezellattrappe gemäß Anspruch 1 , wobei das Füllmittel (9) beim
Anlegen einer Ladespannung an die Terminals (3, 5) nicht ausreichend Ionen bereitstellt, um einen Ladevorgang in der Batteriezellattrappe zu gewährleisten.
3. Batteriezellattrappe gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die
Batteriezellattrappe als Batteriezelle vom Typ einer Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt ist.
4. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gewicht des Füllmittels (9) um nicht mehr als 10 Gew.-% vom
Gesamtgewicht des für den Batteriezelltyp üblicherweise verwendeten Elektrolyten abweicht.
5. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmittel (9) im Wesentlichen der Zusammensetzung des üblicherweise für den Batteriezelltyp verwendeten Elektrolyten entspricht, mit der
Maßgabe, dass das Füllmittel (9) das entsprechende Leitmittel nicht oder in einer Konzentration enthält, die einen Ladevorgang in der
Batteriezellattrappe im Wesentlichen nicht erlaubt.
6. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmittel (9) ein im für den Batteriezelltyp üblicherweise verwendeten Elektrolyten vorhandenes Lösungsmittel enthält oder daraus besteht.
7. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmittel (9) ein oder mehrere organische Carbonate oder Mischungen daraus enthält oder daraus besteht.
8. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmittel (9) Dimethylencarbonat, Diethylencarbonat, Ethylencarbonat, Propylencarbonat oder Mischungen daraus enthält oder daraus besteht.
9. Batteriezellattrappe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmittel (9) Silikon, Silikon-haltige Verbindungen oder Polysiloxan- haltige Polymere enthält oder daraus besteht.
10. Batterie, Batteriemodul und/oder Batteriesystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle Zellen der Batterie, des Batteriemoduls oder des Batteriesystems Batteriezellattrappen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 sind.
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