EP2666205A1 - Exothermes bauelement, elektrodenaufbau, elektroenergiezelle und zellenanordnung, sowie verfahren zur herstellung und verfahren zur ansteuerung - Google Patents

Exothermes bauelement, elektrodenaufbau, elektroenergiezelle und zellenanordnung, sowie verfahren zur herstellung und verfahren zur ansteuerung

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EP2666205A1
EP2666205A1 EP12700303.6A EP12700303A EP2666205A1 EP 2666205 A1 EP2666205 A1 EP 2666205A1 EP 12700303 A EP12700303 A EP 12700303A EP 2666205 A1 EP2666205 A1 EP 2666205A1
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EP
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layer
arrangement
cell
electrode
reactive
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Withdrawn
Application number
EP12700303.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schaefer
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Li Tec Battery GmbH
Original Assignee
Li Tec Battery GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making

Definitions

  • the present invention relates to an exothermic component, a
  • Electrode assembly an electric power cell and a cell assembly, a method for producing an exothermic device and a method for driving an electric power cell or a cell assembly.
  • electrical energy cells are understood as devices which are also able to deliver electrical energy.
  • electric power cells for example, but not only, primary and secondary battery cells (galvanic cells), fuel cells,
  • Capacitor cells such as supercaps and the like to understand.
  • a cell whose electrode structure has defects can, for. B., but not only, become unusable due to excessive temperature winding or unreliable function over time or affect other cells, so that they can be exposed to only a limited load, must be taken out of a cell composite or even needs to be replaced. There is a need to have a lifetime of cells whose
  • Electrode structure has defects, extend or at least partially maintain their performance by the defects is specifically taken into account.
  • the cover comprises a first layer of thermally conductive material shaped to conform to an outer surface of the electrical energy storage cell and to distribute heat from the overheat point over a surface area greater than the overheat point.
  • the cover also includes a second layer of heat-insulating material shaped to conform to an outer surface of the first layer and retarding heat flow to an outer surface of the second layer. Thereby, the maximum surface temperature of the cell can be reduced and the surface temperature of the second layer can be kept below a predetermined limit. From WO 03/038924 A2 a fuel cell is known with a
  • Gas diffusion layer is arranged.
  • the membrane electrode assembly is activated by supplying reagents thereto.
  • Gas diffusion layer functions to selectively limit the amount of reagents reaching certain areas of the membrane electrode assembly to reduce hot spots.
  • a porous layer of Z-axis electrically conductive positive temperature coefficient material (such a layer will hereinafter be abbreviated to "PTC conductor layer") is provided, wherein the porous PTC conductor layer acts to selectively limit the amount of electrons picked up (collected) from certain areas of the membrane electrode assembly to reduce hot spots.
  • a liquid coolant flows through a fuel cell arrangement, wherein the pressure of the coolant after passing through the fuel cell arrangement is monitored for reaching or falling below a predetermined limit value, wherein the limit value is greater than the boiling equilibrium pressure of the coolant. Since reaching or falling below the boiling equilibrium pressure the risk of
  • nanometer reactive multilayers As energy storage, which is used for joining heat-sensitive components are used.
  • Such nanometer reactive multilayers (hereinafter also abbreviated to "RMS") consist of several hundred to several thousand individual layers, each of 10-100 nm thickness, of at least two different materials, with whose chemical compound energy is released (exothermic reaction).
  • the RMS thus stores a defined amount of chemical energy, which can be used as a local heat source.
  • an external energy source such.
  • an electrical spark or a laser pulse an atomic interdiffusion of the multilayer materials with the release of energy is excited. It comes to the training of a progressive one
  • the RMS are used with total thicknesses up to 100 pm, for example by physical
  • Gas phase deposition methods such as magnetron and ion beam sputter deposition (dt in about "deposition") produced and can be coated directly on corresponding components or produced as free-standing films.
  • material combinations such as Ni / Al or Ti / Al
  • locally accessible temperatures of up to 2000 ° C and propagation speeds of 2 - 20 m / s called.
  • the invention is based on the consideration that it would be desirable to target defects in an electrode assembly of an electric power cell
  • the invention uses reactive multilayers (RMS).
  • RMS reactive multilayers
  • an exothermic component with a reactive multilayer is proposed, wherein the reactive ultlayer is arranged discontinuously, in particular in a grid-like manner, on a carrier.
  • a reactive multilayer is understood as meaning an arrangement of at least two, preferably several hundred or several thousand individual layers of at least two different materials which react exothermically with each other on an ignition pulse, the thickness of a single layer preferably being less than 1 ⁇ m, in particular a few 10 to 100 nm and the total thickness of the multilayer is preferably up to 100 [im. Under a discontinuous arrangement is in the sense of
  • a raster-shaped arrangement is understood to mean at least a substantially regular arrangement in one or two directions, in particular in the form of stripes, spots, dots (pixels) or the like, a pitch of the rastering depending on the application, for example, but not only , a few centimeters or decimeters, a few millimeters, or may be in the submillimeter range.
  • the screening can, for example, but not only, by rasterized forming the
  • Reactive multilayer subsequent introduction of trenches by etching, or by mechanical removal or the like in a continuous
  • a carrier is understood to mean any structure which is also capable of supporting the multilayer, for example a film provided specially for this purpose, another functional layer or a component. Due to the discontinuity, in particular rasterization of the reactive multilayer, the application of an ignition pulse to one or several areas of the reactive multilayer can limit the exothermic reaction to the same area or regions what makes it possible to realize locally limited, intensive heat production.
  • the exothermic component preferably has a functional layer for controlling the reactive multilayer.
  • the functional layer has a matrix-like arrangement of switching elements, in particular thin-film transistors, wherein the matrix-shaped arrangement of switching elements with the grid-shaped arrangement of the reactive
  • Multilayer correlates. With the matrix-like arrangement of
  • thin film transistors may be capable of selectively selecting selected regions of the reactive multilayer with an ignition pulse (e.g.
  • an electrode structure is proposed with a sequence of a first electrode layer, one
  • Electrode layer is in communication with a first current collecting layer and wherein the second electrode layer is in communication with a second current collecting layer, wherein the separator layer between the first
  • Electrode layer and the second electrode layer is arranged, and wherein the electrode assembly comprises an exothermic device as described above.
  • the electrode assembly having the exothermic device with the grid-like arrangement of the reactive multilayer, selected areas of the electrode structure that have defects can be intentionally and selectively destroyed or isolated by igniting the corresponding areas of the reactive multilayer without adjacent, healthy areas of the Excessively affected electrode structure. The healthy areas of the electrode structure can therefore continue to receive,
  • the electrode structure has a second functional layer with a matrix-like arrangement of sensor elements, wherein the
  • Sensor elements are designed to sense operating parameters of the electrode assembly. As an operating parameter in the meaning of the invention, for example, but not only, the temperature into consideration.
  • the second functional layer may be integrated in the functional layer of the exothermic component.
  • the matrix-like arrangement of sensor elements may, but need not, be with the matrix-like arrangement of switching elements or the grid-shaped ones
  • Arrangement of sensor elements makes it possible to detect the operating parameters of the electrode structure directly and as a two-dimensional value field (parameter field, for example temperature field). It is possible to draw conclusions about the position and criticality of defects from the parameter field, possibly also over time. From this, in turn, a decision can be made as to whether and, if so, which regions of the reactive multilayer are to be ignited in order to selectively and selectively destroy affected regions of the electrode structure.
  • parameter field for example temperature field
  • the invention is also directed to an electric power cell with a
  • the electric power cell can be an evaluation logic for evaluating the sensor outputs and / or a control logic for
  • the cell arrangement may have a control logic that is compatible with the evaluation logics and / or the
  • Control logic of all cells of the cell assembly is in communication.
  • the control logic may be part of a battery management system, and the
  • Evaluation logic and / or the control logic of the electric power cells can be realized at least partially in the control logic of the cell arrangement or of the battery management system.
  • logic means a device which is also able to perform logic operations.
  • an electric power cell is understood to mean a device which is also designed and set up to emit electrical energy. It may, in particular, but not only, be one
  • electrochemical storage cell of primary or secondary type (battery or accumulator cell), a fuel cell or a capacitor cell act.
  • An active part of the cell in particular an electrochemical
  • a (Galvanic) cell in which also take place electrochemical charging, discharging and possibly conversion processes of electrical energy, has an electrode assembly with layers, each embodied by films themselves or arranged on films (deposited or the like).
  • a film is understood to be a thin semifinished product which is produced from a metal and / or a plastic.
  • the film can serve as a carrier (substrate) for a material having desired electrical and / or chemical properties or be made of the material with the properties mentioned itself.
  • the layers comprise electrochemically active materials (electrode layers), electrically conductive materials (current collecting or collector layers) and separating materials (separator layer).
  • a collector or current collecting layer is understood to mean a layer which is also designed and set up for collecting and conducting electrical charges.
  • a collector layer can
  • a conductor foil in particular metal foil, or one with a conductor material, in particular metal, carbon or
  • an electrochemically active material is understood as meaning materials which also participate in an electrochemical reaction in the active part.
  • An electric power cell according to the invention also has, for example, an enclosure and pole contact areas. Under an enclosure is in the sense
  • the invention also means a gas-tight, vapor-tight and liquid-tight casing which receives at least the active part (the electrode arrangement or the galvanic element) and surrounds it on all sides.
  • the enclosure can be a possibly multilayer film, a possibly multi-part frame or an optionally
  • Pole contact areas may be, for example, but not limited to, so-called drainers that communicate with the active part inside the enclosure and are routed out of the enclosure through a wall, seam, or gap in the enclosure, or may be electrically conductive Parts or sections of the enclosure itself be formed.
  • the method comprises the steps of providing a
  • the method comprises the steps of: providing a carrier; Applying a reactive multilayer to the support; and forming trenches in the reactive multilayer to form the reactive multilayer in discontinuous,
  • a method for driving an electric power cell or a cell arrangement in particular as described above, comprises the steps of: judging whether there is a defect in an electrode structure of the electric power cell; Determining a location of the flaw expressed in two-dimensional coordinates; and activating at least one switching element to one
  • the judging step comprises the step of processing output signals from sensor elements.
  • Fig. 1 is a perspective view of an RMS arrangement
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the RMS arrangement of FIG. 1 in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a RMS arrangement according to one
  • FIG. 8A to 8D are cross-sectional views of a layer structure in FIG.
  • Embodiment of the invention are Fign.
  • 9A to 9E are cross-sectional views at various stages of a
  • FIG. 10 is a perspective view of an electrode assembly according to
  • FIG. 11 is a sectional view of a surface of a sensor assembly in the cell of FIG. 10 taken along a dot-dash line.
  • FIG. 12 is a plan view of a terminal side of the electrode assembly of Fig. 10 looking in the direction of an arrow "XII” in Fig. 10;
  • Fig. 13 is a plan view, cut along a plane indicated by a dot-dash line "XIII" in Fig. 10, of a surface of a sensor assembly in the cell of Fig. 10, looking in the direction of an associated arrow; and
  • Fig. 14 is a schematic illustration of a battery pack having a plurality
  • FIG. 1 is a perspective view of an RMS assembly 10 and FIG. 2 is an enlarged view
  • RMS reactive multilayer
  • the RMS assembly 10 includes a carrier sheet 20 and a reactive multi-layer (RMS) 30. From one corner of the carrier foil 20, which is selected as the zero point without restricting generality, two location coordinate directions x, y are defined.
  • RMS reactive multi-layer
  • the carrier film 20 is made in this embodiment - without limiting the generality - made of a polyimide material.
  • the reactive multilayer 30 is disposed on the carrier film 20 in stripes (RMS stripes) 32 extending along the y-coordinate direction. Trenches 33 are formed between the strips 32 and also extend along the y-coordinate direction. Each strip 32 is z. B. by the x-coordinate of its center line clearly identifiable.
  • the reactive multilayer 30 has a
  • first single layers 34 and second single layers 35 Plurality of first single layers 34 and second single layers 35.
  • the individual layers 34, 35 are in this embodiment - without
  • the reactive multilayer 30 has several hundred to several thousand individual layers of the order of 10-100 nm in thickness.
  • the reactive multilayer 30 thus consists of two different materials, in the chemical compound energy is released (exothermic
  • Heat source can be used. After ignition by an external
  • Energy source such. As an electrical spark or a laser pulse atomic interdiffusion of the multilayer materials is stimulated to release energy. It comes to the training of a progressive one
  • Reaction front from which a large amount of heat is released in a spatially limited area in a very short time.
  • the width of an RMS strip 32 is in the range of a few centimeters without limiting the general public. Depending on the application, the RMS strips 32 may also be wider, about a few decimeters, or less, about a few millimeters or even finer, for example in the submillimeter range.
  • the width of the trenches 33 corresponds to the distance between two strips 32 of the
  • Reactive multi-layer 30 This distance is such that when a strip is ignited 32 adjacent strips 32 do not fire. Thus, the exothermic reaction of the reactive multilayer remains limited to the ignited strip 32.
  • the strips 32 are formed with regular widths and distances. They thus form a one-dimensional grid, with each strip 32 being uniquely identifiable, for example, by the spatial coordinate x of its centroid. Another embodiment of the invention will be described below with reference to the illustration in FIGS. 3 and 4 described.
  • 3 is a perspective view of an RMS assembly 10 and
  • FIG. 4 is an enlarged view
  • the RMS arrangement 10 has a carrier foil 20, a reactive multilayer 30 and a functional layer 40. From one corner of the carrier foil 20, which is selected as the zero point without restricting generality, two location coordinate directions x, y are defined.
  • the reactive multilayer 30 is not arranged in strips, but in rectangular, in particular substantially square spots (RMS spots) or points (RMS points) 32 'on the carrier film 20 and are trenches between the spots 32' 33, which extend not only in the y-coordinate direction but additionally in the x-coordinate direction to form a mesh pattern.
  • the edge length of an RMS patch 32 ' is in the range of a few centimeters without loss of generality.
  • the RMS spots 32 ' can also be wider, about a few decimeters, or less, about a few millimeters or even finer, about in the submillimeter range.
  • the patches 32 are of regular edge lengths and spacings
  • the functional layer 40 has a plurality of switching elements 42, which are connected to a respective terminal 44 via a respective conductor arrangement 43.
  • Reactive multi-layer 30 is associated with a switching element 42.
  • the switching elements 42 are designed and configured to output a firing pulse capable of firing its associated patch 32 'of the reactive multilayer 30.
  • the functional layer 40 is thus formed in a circuit layer or semiconductor layer which has an integrated circuit network (transistor network, etc.) corresponding to the arrangement of the RMS spots 32 '.
  • a filler material 50 is placed between the patches 32 'and covering them.
  • the filling material 50 serves to electrically separate the spots 32 ', the filling of the space between them, the structural
  • each switching element 42 has a switching network 42a, a switching transistor 42b, and an operational amplifier 42c.
  • the switching network 42a includes a proper auxiliary or
  • the illustration with a switching transistor 42b and an operational amplifier 42c is primarily for illustration of the function. This is to switch an applied voltage and to reinforce so that a voltage pulse applied to the foot 46 is suitable to ignite the associated patch 32 'of the reactive multilayer 30.
  • the functional layer 40 remote from the end of each patch 32 'of the reactive multi-layer 30 is connected to the ground layer 60.
  • Fig. 6 is an enlarged view of a detail VI in Fig. 5 in an activation state of a switching element 42 of the functional layer 40. Of the switching element 42 is only the output end of
  • Fig. 6 shows the state in which between the foot 46 and the
  • Ground layer 60 is provided by the switching element 42
  • Ignition voltage U applied. It comes to the formation of an arc A, through which a current I flows. By the current pulse I, the first react
  • a reaction front or reaction zone 36 is formed which is delimited by boundary surfaces 36a, 36b and moves away from the location of the arc at a speed v until the (Not shown in the figure) opposite end of the patch 32 'is reached. Beyond the first interface 36a of the reaction front 36 are the
  • Reaction zone 36 generates heat, which flows off as heat flow Q.
  • Shielding layer 48 shields the functional layer 40 from that in FIG.
  • Reactive multi-layer 30 generated heat to maintain the functionality of the circuitry in the functional layer 40; she is
  • Reflectance for heat radiation has.
  • the foot 46 is tapered towards the RMS layer 30.
  • Each laser diode 42 d is aligned so that it irradiates through a gap in the shielding layer 48 an end face of an RMS patch 32 'of the reactive multilayer 30.
  • the radiation intensity, radiant energy and wavelength of the laser diode 42d are designed to be capable of firing the RMS patch 32 'with a pulse.
  • RMS stripes or RMS spots are associated with switching elements or parts of the switching elements in a single layer.
  • a foot or other element for igniting the RMS region may be arranged in the area of the RMS region, that is, surrounded by the RMS region. In another, not shown
  • Modification switching elements and line structures with the RMS areas are integrated in one layer.
  • raster structures of RMS areas possibly in segments, may be surrounded by switching elements and line structures.
  • Raster structures of RMS areas with switching elements can be constructed and manufactured analogously to TFT screens (liquid crystal with thin-film transistors) and can be controlled in a corresponding manner.
  • TFT screens liquid crystal with thin-film transistors
  • Functional layer 40 as a support for the reactive multilayer 30, so that can be dispensed with an additional carrier film 20. Based on in Fig. Fign. 8A to 8B
  • a carrier foil 20 is provided.
  • a first reactive material 72 for example, is applied to the surface 22 of the carrier film 20 through a mask 70.
  • aluminum to form a second single layer 35, then again a first
  • a filling material 74 is deposited on the exposed surfaces of the carrier film 20 and the reactive multi-layer 30.
  • the deposited filling material 74 forms the filling material 50 in the RMS arrangement.
  • Filler material 50 is removed to obtain a smooth surface 52. Further method steps for forming functional layers, in particular by forming semiconductor layers, conductor layers, etc., are well known in the art and will not be further described here. Thus, an RMS assembly 10 is completed.
  • vapor deposition method for example, but not limited to, magnetron and ion beam sputter deposition may be used. Based on in Fig. Fign. 9A to 9B
  • a carrier foil 20 is provided.
  • a first reactive material 72 for forming a first individual layer 34 and a second reactive material 73 for forming a second individual layer 35 by a physical one are alternately formed on the surface 22 of the carrier film 20
  • a mask 78 is applied to the surface of the reactive multilayer 30.
  • the mask 78 may be formed by method steps not shown or only be launched.
  • the surface of the reactive multi-layer 30 is etched through the mask 78 by means of an etchant 78 in order to form trenches 33.
  • the mask 78 is removed to expose the surface of the reactive multilayer 30 and the surface of the support film 20 forming the bottom of the trenches 33.
  • Functional layer are formed to form thereon, the reactive multi-layer 30, or the functional layer 40 itself serves as a support for the
  • a reactive multilayer is initially deposited as a continuous surface on a carrier film and then formed in a mechanical manner, by photolithographic-chemical means or by other trenching processes to separate regions of the reactive multilayer.
  • the reactive multilayer is formed self-supporting, then on a carrier film or a
  • Reactive multi-layer can be used.
  • the reactive multilayer can be considered as individual regions, which may correspond, for example, but not only, to strip 32 in FIG. 1 or spots 32 'in FIG
  • Loading procedure filed This can be accomplished by layered, screened deposition (depositing) of the individual layers or by placing and connecting precut individual pieces of a prefabricated reactive multilayer or by optionally repeated halftone printing or the like.
  • the method steps described above are at least partially the
  • FIG. 10 is a perspective view of an electrode assembly 100.
  • a location coordinate x extends substantially to the right, one
  • Thickness direction z of the electrode assembly 100 extends substantially into the plane of the drawing.
  • a zero point (0, 0, 0) is defined without restriction of generality in the lower left corner facing the viewer.
  • only a part of the electrode assembly 100 is shown, which continues in the direction of the spatial coordinate x on.
  • the electrode arrangement 100 has a layer arrangement 102 as well as a plurality of negative contacts 104 and a plurality of positive ones
  • the layer arrangement 102 has a galvanic arrangement 110, which is sandwiched between a reactive arrangement 120 and a sensor arrangement 130.
  • the galvanic arrangement 110 is a galvanic secondary element which, in a discharge reaction, can convert and release chemical energy into electrical energy and in a charging reaction absorb electrical energy and convert it into chemical energy and store it as such. It has a plurality of layers: On a first collector layer 1 1 1 followed by a first electrode layer 1 12, a
  • the first electrode layer 1 12 is in the sense of the conventions with respect to a galvanic element an anode, that is negatively charged, while the second electrode layer 15 1, a cathode, that is positively charged.
  • the first electrode layer 1 12 (anode) comprises a lithium-intercalatable material, such as graphite, nanocrystalline, amorphous silicon, lithium titanate, tin dioxide or the like.
  • the second electrode layer 115 (anode) comprises a lithium-intercalatable material, such as graphite, nanocrystalline, amorphous silicon, lithium titanate, tin dioxide or the like.
  • (Cathode) a lithium compound, for. B. one or more lithium metal oxides, such as by a molecular formula LiCOnNi m MgiXkAI 1- ( n + m + i + k ) O2 writable (where X is any metal, where 0 - ⁇ (n, m, I, k) ⁇ 1, and where (n + m + l + k) £ 1), a lithium metal phosphate such as lithium iron phosphate, or a lithium intercalatable material.
  • LiCOnNi m MgiXkAI 1- ( n + m + i + k ) O2 writable where X is any metal, where 0 - ⁇ (n, m, I, k) ⁇ 1, and where (n + m + l + k) £ 1
  • a lithium metal phosphate such as lithium iron phosphate, or a lithium intercalatable material.
  • Separator layer 1 13 separates the anode 1 12 from the cathode 1 14 spatially and electrically, that is, in particular for electrons non-conductive, but conductive for lithium ions.
  • the separator layer 1 13 an organic, especially polymeric, at least partially permeable to material Base material such as PET, preferably in the form of a nonwoven web, and an inorganic, especially ceramic material such as zirconia, preferably in particles whose maximum diameter preferably does not exceed 100 nm.
  • Base material such as PET, preferably in the form of a nonwoven web
  • inorganic, especially ceramic material such as zirconia, preferably in particles whose maximum diameter preferably does not exceed 100 nm.
  • EP 1 017 476 B1 describes such a separator and a method for its production. A separator with the above
  • the inorganic material may also be another suitable ceramic in preferred modifications
  • the separator material may be any lithium ion conducting electrolyte and may comprise one or more microporous plastics, a nonwoven Have fiberglass or polyethylene.
  • the collector layers 1 1 1, 1 15 have, for example, a conductor foil, in particular metal foil, or a plastic foil coated with a conductor material, in particular metal. Without loss of generality, the collector layers include 1 1 1, 1 15 copper, aluminum, zinc, gold, silver or an alloy thereof, a conductive ceramic material, carbon nanotubes or other conductive nanomaterial.
  • the first collector layer 1 1 1 has a plurality of tab-like, rectangular Ableitfahen (first or negative Ableitfahen) 1 1 1 a, which protrude from the top of the galvanic assembly 1 10.
  • the second collector layer 1 15 has a plurality of tab-like, rectangular Ableitfahen (second or positive Ableitfahen) 115 a, which protrude at the top of the galvanic assembly 110.
  • In the direction of the spatial coordinate x alternate negative and positive Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a.
  • the negative Ableitfahnen 1 1 1 a are each connected to a negative contact 104
  • the positive Ableitfahen 1 15a are each connected to a positive contact 106.
  • the negative contacts 104 are connected together, and the positive contacts 106 are also connected to each other, which is symbolized in the figure with dotted lines.
  • Each of the layers 1 1 1 1 to 1 16 may be an independent film. Alternatively, only some layers may be formed as discrete films, while the other layers are formed on these films.
  • the collector layers 1 1 1, 1 15 and the separator 1 13 are formed as separate films in this embodiment, which can therefore also be referred to as collector foils 1 1 1, 115 and 13 as Separatorfolie, is on the first collector foil 1 1 1, the first electrode layer (anode layer) 1 12 formed and on the second collector foil 12, the second electrode layer (cathode layer) 1 14 is formed.
  • a positive Ableitfahne 115a and a negative Ableitfahne 1 1 1 a define a segment of the galvanic assembly 1 10, which extends in the direction of the spatial coordinate x over a common width of the two Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a.
  • the segmentation can be realized materially by corresponding gaps in the collector layers 11 1, 115, possibly also in the electrode layers 112, 14.
  • the reactive assembly 120 corresponds to the RMS assembly 10 of the first embodiment.
  • the figure shows a carrier foil 20, some strips 32 of a reactive multilayer oriented in the direction of the location coordinate y, with intervening trenches 33 and a filling material 50.
  • a functional layer and corresponding connection contacts are not shown in detail in the figure; the functional layer is formed in or on the carrier film 20 without restricting generality.
  • the sensor arrangement 30 is shown in greater detail in FIG. 1. According to the
  • FIG. 11 is a top view of the sensor arrangement 130, a plurality of area sensors 134 are arranged on a carrier foil 132.
  • the surface sensors 134 cover at least approximately the area of a segment of the galvanic arrangement 1 10 (FIG. 10).
  • the surface sensors 134 are temperature sensors which can sense the temperature in their surroundings and output signals corresponding to the sensing result via connections 134a, 134b.
  • a trained for this purpose conductor layer is not shown in detail in the figure. Without limiting the generality, this conductor layer is formed in or on the carrier layer 132.
  • the rightmost outermost surface sensor 134 is shown partially broken away in FIG.
  • Several photodiodes 134c are arranged as a matrix or array.
  • the photodiodes 134c are for long-wavelength light, in particular in
  • the area sensor thus has the structure of a CCD array (matrix of a charge-coupled device).
  • the area sensor 134 can be called an infrared CCD sensor.
  • the construction and driving of CCD sensors is well known in the art, such as in "Digital Camera Fundamentals", ANDOR Technology,
  • the area sensors 134 may include part of their drive logic; also in the conductor layer, parts of the control logic for the
  • Surface sensors 134 may be included.
  • Temperature state of the galvanic arrangement 1 10, in particular from the temperature profile in spatial (direction of the spatial coordinate x) and temporal dimension can be drawn conclusions about the state of the galvanic assembly 1 10.
  • a resistance sensor is provided as a temperature sensor instead of a CCD sensor.
  • a selectively sensing temperature sensor is provided, the z.
  • Fig. 12 shows a schematic plan view of the top of the
  • Electrode arrangement 100 with lines, connections and a control unit 150. Limits of the segments of the electrode arrangement 100 are as
  • Sensor port 136a ends, connected.
  • the conductor arrangement 136 is part of a bus system or can be integrated in a bus system.
  • the terminals 134a, 134b of the area sensors are not connected to one another via a bus system or to each other, but the conductor arrangement 136 has a plurality of wires, which are each assigned to a terminal 134a, 134b.
  • the negative terminals 104 of the negative Ableitfahen 1 1 1 a are connected to each other via an anode connection line 1 18, which ends in an anode terminal 1 18a.
  • the positive terminals 106 of the positive Ableitfahnen 1 15 a via a cathode connection line 1 19, which ends in a cathode terminal 1 19 a, connected to each other.
  • Reactive assembly 120 are connected to a conductor assembly 122 terminating in an RMS terminal 122a.
  • the conductor arrangement 122 is part of a bus system or can be integrated in a bus system.
  • the terminals 44a, 44b, 44c of the area sensors are not connected to one another via a bus system, but instead the conductor arrangement 122 has a plurality of wires, which are each assigned to a terminal 44a, 44b, 44c.
  • the connections 118a, 119a, 122a, 136a can be connected via a cable harness 140 to connections 150a of an electronic control unit (CTR) 150.
  • CTR electronic control unit
  • the control unit 150 is designed to evaluate the outputs of the area sensors 134, to determine therefrom a temperature profile of the electrode arrangement 100, the temperature profile, for example, with normal values,
  • the evaluation is done segment by segment and can also include temporal courses. If the condition prognosis indicates that a predetermined ignition condition is met, the
  • Control unit 150 a signal to those RMS strip 32 of
  • the predetermined ignition condition is to be determined depending on the application and the control strategy.
  • An ignition condition can z. B., but not only, that a segment of the galvanic assembly is defective in such a way that the entire galvanic arrangement thereof can be affected by the exothermic reaction of the RMS strip 32, the defective segment is destroyed.
  • the thermal energy generated by the reaction of the RMS strip 32 is designed so that either the flow of current into or out of the segment is interrupted or the conversion of chemical into electrical or electrical energy into chemical energy is disabled or the energy storage capacity of the segment except Force is set without creating a short circuit between the collector layers of the segment.
  • the thermal energy of the reaction of the RMS strip 32 is designed so that in the corresponding segment - the ion conductivity of the separator 1 13 lost (under
  • microporous material or
  • the layer structure of a reactive assembly 120 in the electrode assembly 100 may be any of those shown in FIGS. 1 to 7, described above, embodiments can correspond with their modifications.
  • the application of the invention is not limited to segment width RMS strips.
  • the reactive assembly 120 may comprise a plurality of strips per segment, it may have a possibly very finely screened, two-dimensional matrix arrangement of RMS areas. Thus, even small areas of the galvanic arrangement 1 10 can be selectively destroyed, while surrounding areas remain functional.
  • Fig. 13 is a partially cutaway plan view of a modified electrode assembly 100 as another embodiment of the present invention.
  • the electrode assembly 100 is a modification of the previous embodiment; it will be the same reference numerals for the same or used corresponding components.
  • the cutting plane is a horizontal, ie plane parallel to a plane xz, which is above the Galvanic
  • the structure of the electrode assembly 100 substantially corresponds to that in the previous embodiment. That is, a Galvanic
  • Arrangement 110 is between a reactive assembly 120 and a
  • the reactive assembly 120 is an RMS arrangement as shown in FIGS. 1 and 2 with a
  • Carrier layer 20 which contains a functional layer 40 here, and a
  • Reactive multilayer which is formed in the form of separate strips 32 on the carrier layer 20.
  • the sensor arrangement 130 has a carrier layer 132 and a plurality of area sensors 132, which lie approximately opposite the RMS strip 32 of the reactive arrangement 130 and cover approximately the same area area.
  • the surface area covered by the RMS strips 32 and the area sensors 132 marks the segments of the electrode array, so that segment boundaries B are respectively defined between these areas.
  • the galvanic arrangement 110 has a first collector layer 111 with first discharge lugs 111 a, a first one
  • Electrode layer 112 a separator 113, a second electrode layer 114 and a second collector layer 115 with second Ableitfahen 115 a.
  • the first electrode layer 112 may be an anode layer and the second electrode layer 114 may be an anode layer
  • Cathode layer can be described; For function and material selection, what is said there applies accordingly.
  • a final insulation layer is not shown in this embodiment and may also be omitted.
  • the Surface sensors 132 of the sensor arrangement 130 may be provided with a
  • Insulator material to be coated.
  • the separator layer 1 13 is formed continuously in the direction of the location coordinates x.
  • the collector layers 1 1 1, 1 15 and the electrode layers 1 12, 1 4, however, are formed discontinuous such that either the electrode layers 1 12, 1 14 in the region of a
  • Segment boundary B are interrupted and the first collector layer 1 1 1 and the second collector layer 1 15 alternately in the field of
  • Segment limitation are interrupted.
  • the gaps in the discontinuous areas may be filled with separator material or electrolyte material.
  • the material gaps in the region of the segment boundaries B facilitate a folding or winding of the electrode arrangement 100 of this exemplary embodiment.
  • the finished folding or the finished winding are all the first Ableitfahnen 1 1 1a at one corner and all the second Ableitfahen 1 15a in alignment with the thickness z.
  • the connection of Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a, symbolized in the previous embodiments by connections 104, 106 and lines 1 18, 1 19, by simply pressing together, clamps, brackets, soldering, riveting or the like of the aligned Ableitfahen 1 1 1 a, 1 15a take place. If, in the region of the segment boundaries B, at which the electrode structure is to be bent in each case by 180 °, in the respective outer
  • Layers run lines excessive stretching of the lines can be avoided by suitable shaping, such as by oblique or meandering training.
  • Electrode assembly 100 as described above includes one of the features shown in FIGS. 8A et seq. And 9A et seq., For an exothermic element forming a reactive assembly 120 of the electrode assembly 100, or a modification thereof. Further method steps for the production of other parts of the electrode assembly 100, in particular the galvanic Arrangement 10 or the sensor arrangement 130 are generally known and will not be explained in detail here. In this case, the galvanic arrangement 110 can serve as a carrier layer or carrier foil for the reactive arrangement. 14 is a schematic view of a battery pack 200 including a battery management system 250 as another embodiment of the present invention.
  • the battery block 200 has a plurality of flat cells 210, each of which has a positive cell pole terminal 212, a negative cell pole terminal 214, and a cell signal terminal 216 on its upper side.
  • the flat cells 210 are arranged with alternating pole position (+, -) in the battery block 200 and via cell connectors 218, each one positive
  • the flat cells 210 although not shown in detail in the figure, have an active part and a cell housing.
  • the active part of the flat cells 210 each has an electrode arrangement which, as described above in connection with FIGS. 10 ff., And in particular a galvanic arrangement in a wound, folded or stacked foil construction, a screened reactive arrangement (exothermic component) and a
  • the positive Ableitfahen the electrode assembly are connected to the positive cell terminal 212 of the flat cell 210, and the negative Ableitfahen the
  • Electrode arrangements are connected to the negative cell terminal 214 of the flat cell 210. Furthermore, a conductor arrangement for controlling switching elements of the reactive arrangement and a conductor arrangement for controlling the sensor arrangement with a non-illustrated
  • the cell logic having an integrated circuit is connected to the cell signal terminal 216 and to the
  • the flat cells 210 are held by a block frame, of which only a lower part 220 is shown in the figure.
  • the block frame lower part 220 also has a coolant distribution for tempering the flat cells 210.
  • a coolant supply port 222 and a coolant return port 224 of the coolant distribution are connected to a coolant pump 226.
  • a block control unit (CTR) 230 is arranged at the right in the figure right outermost flat cell 210.
  • the block control unit 230 has means for identifying the battery block 200, for buffering and transmitting signal data, for balancing between the flat cells 210, for controlling the cooling circuit and for generating a
  • the cell logic includes an integrated circuit, an internal signal port 232, an external signal port 234, and a pump signal port 236.
  • the internal signal port 232 is connected via a block bus 238 to the
  • Pump signal port 236 is connected to coolant pump 226 via a pump signal line 228.
  • a dot-dash line 240 in the figure symbolizes a system boundary of the battery block 200. At the system boundary 240 are a positive
  • Block pole terminal 242 a negative block pole terminal 244 and a
  • Block signal connection 246 arranged.
  • the positive block pole terminal 242 is connected to the positive cell pole terminal 212 of the rightmost outmost flat cell 210, the negative block pole terminal 244 is connected to the negative
  • All block ports 232, 234, 236 may be, for example, but not limited to, multipolar
  • Block system connector be embodied.
  • the battery block 200 is connected to a battery management system (BMS) 250.
  • the battery management system 250 includes a plurality of positive inputs 252, a plurality of negative inputs 254 and a plurality of signal inputs / outputs 256; In each case a positive input 252, a negative input 254 and a signal input / output 256 can be combined to form a multi-pole system connection. Furthermore, the
  • Battery management system 250 a total negative output 261, which is grounded, a first positive output 263, the first
  • Voltage potential Ui provides, a second positive output 265, which provides a second voltage potential U 2 , and a signal output 267 on.
  • the positive block pole terminal 242 of the battery block 200 is connected to a positive input 252 of the battery management system 250
  • the negative block terminal 244 of the battery block 200 is connected to a negative input 254 of the battery management system 250
  • the block signal terminal 246 of the battery block 200 is connected to a signal input / output 256 of the battery management system 250 connected.
  • the battery management system 250 is as electronic computer or
  • Control unit constructed. It has facilities for the conversion of
  • a method for monitoring the battery block 210 is distributed across the levels of the battery management system 250, the block controller 230, and the individual cell logic (not shown). In the context of this application is only on the processing of sensor data from sensor arrays in the flat cells 210 and for driving reactive devices in the
  • Output signals of the CCD sensors of the flat cells 210 are in the
  • the output signals of the CCD sensors are stored as a data record with a cell identifier of the individual
  • voltage values can be normalized before transmission and / or averaged over a coarser grid.
  • the voltage values can also be integrated or summed over a predetermined period of time and then normalized. It can also be for each sensor of the sensor arrangement only an average of the
  • Output signals are formed, buffered and transmitted. if the
  • Sensor arrangement of a flat cell has only a single sensor, the sensor identifier can be omitted. Instead of location coordinates, a counter for each photodiode can be used, which can later be converted into Ortskoodinaten.
  • the outputs of the CCD sensors are buffered in the block controller 230 and transmitted to and retrieved from the battery management system 250.
  • a data block transmitted to the battery management system 250 has the buffered output signals of the CCD sensors of all the flat cells 210 of the battery block 200 with a predetermined time stamp and a block identifier of the battery block 200. Also at this level, the sensor signals can be averaged and / or temporally integrated or summed and / or normalized before transmission.
  • the evaluation of the output signals of the CCD sensors takes place in the
  • the output signals are stored for a predetermined period of time, possibly over the life of each flat cell 210, related to load or charge cycles, compared to setpoints, etc.
  • the output signals of the CCD sensors indicate that a particular area of an electrode assembly of a flat cell 210 is faulty, the battery management 250 judges, based on predetermined scenarios, whether the fault is permanent and whether the fault is critical. For example, but not only, the presence of an error may be due to the temporal temperature history and the
  • Temperature distribution in the two-dimensional matrix of the sensor array are judged; In addition, further criteria such as a load state, a cell voltage and the like can be used. In particular, but not only, the error can be considered critical if the
  • Output signals from the CCD sensors indicate that it extends to adjacent areas of the electrode structure.
  • the criticality of the error can be divided into levels: a high criticality can be characterized, for example, but not only, by the fact that the error propagates rapidly or that the nature of the error causes a timely "runaway" or short circuit of the cell.
  • the durability of a fault may be assessed, for example, but not limited to, by selectively driving the flat cell 210, by driving recovery cycles with reduced load or the like; if necessary, the battery management 250 may determine that the area has recovered.
  • the battery management system 250 determines that a fault is critical and persistent, or that an error is not permanent but highly critical, then the battery management system 250 sends a command signal to
  • Block controller 230 one or more areas of one or more segments of the electrode assembly of the affected flat cell 210 to destroy.
  • the block controller 230 decides on the basis of the Battery Management System 250 received command signal, which areas (stripes or pixels) are to ignite which segment of the associated reactive device, and sends a command set, the cell identifier of the affected flat cell 210, the segment identifier (s) of the affected segment (s) and the location coordinates (x, y) contains the regions of the reactive device to be ignited, via the block bus 238.
  • the areas of the reactive device to be ignited may, in addition to the fault location itself, also include a certain safety distance around the fault location.
  • Cell logic of the affected flat cell 210 recognizes that it is affected by the cell identifier and generates switching signals for the switching elements of the affected regions of the reactive assembly with the corresponding ones
  • the switching elements controlled by a switching signal each generate an ignition pulse to the associated area of
  • the fired areas of the reactive assembly are exothermic and destroy the associated areas of the electrode assembly without attacking adjacent areas.
  • the unaffected areas of the electrode assembly remain intact and can continue to perform their function.
  • the affected flat cell 210 remains, depending on the extent of the error and depending on the coarseness or fineness of
  • Reactive multi-layer is designed so that the RMS areas react automatically in the presence of a predetermined ignition condition.
  • ignition condition is z. B., but not only, the presence of a predetermined temperature or a predetermined potential on a collector foil.
  • the carrier film 20 is made of the embodiments of a polyimide material. In modifications of the invention, other suitable materials may also be used as the carrier film.
  • the invention is not limited to the use of a dedicated carrier film. Rather, a screened reactive multilayer can be applied as an exothermic component directly onto a component; the component is then a carrier in the context of the invention.
  • Another known material combination for an exothermic reactive multilayer which is also suitable for a nano-scale application, comprises titanium and aluminum.
  • the invention is not limited to these special material pairings.
  • the invention is not limited in its applicability to lithium-ion secondary cells. Rather, the invention can be applied to any other electric power cell, for example, but not limited to, as already mentioned in the introduction to this specification.
  • the invention is not limited to electrode arrangements with discharge lugs arranged on one side, as shown in the figures. Rather, the invention can be applied, for example, but not only, to electrode arrangements in which the Ableitfahen a first kind (eg positive Ableitfahen) protrude from one side and Ableitfahen the other kind (eg., Negative Ableitfahen) from the opposite side protrude.
  • Such electrode arrangements can be designed such that the discharge lugs are formed as continuous edges, since then, when the Electrode assembly is wound or folded, always only Ableitfahen a kind are present on one side.
  • the invention is not limited to wound or folded electrode assemblies. Rather, the invention may be applied to, for example, but not limited to, stacked electrode arrangements. For example, but not limited to, an electrode assembly as shown in FIGS. 10 ff. Are cut at the segment boundaries, so that cut sheets of the same width are formed, of which each sheet is a
  • Electrode assembly in the context of the invention and these sheets can then be stacked, housed and assembled.
  • a leaf may have multiple segments.
  • the battery management system 250 may only provide a voltage potential or may provide more than two different voltage potentials.
  • the distribution of control levels between battery management system 250, block controller (s) 230, and cell logic may vary from the illustrated hierarchy, both toward greater centralization and toward greater decentralization.
  • an exothermic device has a reactive multilayer which is arranged in a grid pattern on a carrier.
  • Component may be incorporated in an electrode assembly of a galvanic cell having electrode layers, a separator layer and current collecting layers.
  • a matrix-like sensor arrangement can be provided in the electrode structure. Based on output signals of
  • Sensor arrangement fault points can be detected in the electrode assembly. By firing selected areas of the RMS grid that react exothermically, the fault locations can be intentionally destroyed.
  • the invention thus provides an effective hot-spot fuse for galvanic cells.
  • the RMS assembly 10 and the reactive assembly 120 are exothermic
  • the carrier layer 20 is a carrier in the sense of the invention. Also a functional layer or the Galvanic
  • Arrangement 110 may be a carrier according to the invention.
  • Switching elements 42 with their individual parts 42a, 42d are switching elements in the context of the invention.
  • the electrode arrangement 100 is an electrode construction in the sense of the invention.
  • Collector layers 111, 115 are current collection layers in the sense of
  • the sensor arrangement 130 is a second functional layer in the sense of the invention.
  • Photodiodes 134c are sensor elements in the sense of the invention.
  • the flat cells 210 are electric energy cells in the sense of the invention.
  • the battery block 200 is a cell arrangement in the sense of the invention.
  • Battery management system 250 may include a drive logic and a
  • Block controller 230 or may be a cell logic (not shown) a Control logic and evaluation logic in the context of the invention
  • Block control device 230 is a control logic in the context of the invention.

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Description

Exothermes Bauelement, Elektrodenaufbau, Elektroenergiezelle und Zellenanordnung, sowie Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur
Ansteuerung
B e s c h r e i b u n g
Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 008 706.0 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein exothermes Bauelement, einen
Elektrodenaufbau, eine Elektroenergiezelle und eine Zellenanordnung, ein Verfahren zum Herstellen eines exothermen Bauelements und ein Verfahren zum Ansteuern einer Elektroenergiezelle bzw. einer Zellenanordnung.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden als Elektroenergiezellen Einrichtungen verstanden, welche auch in der Lage sind, elektrische Energie abzugeben. Als Elektroenergiezellen sind beispielsweise, aber nicht nur, primäre und sekundäre Batteriezellen (galvanische Zellen), Brennstoffzellen,
Kondensatorzellen, Superkondensatoren wie etwa Supercaps und dergleichen zu verstehen.
In der Batterietechnik ist eine Entwicklung zu Primär- und (insbesondere) Sekundärbatterien (Akkumulatoren) mit wachsender Energiedichte zu
beobachten. Dabei werden auch Materialkombinationen mit Lithium verwendet. Fehlstellen im Aufbau von Elektrodenstrukturen können zu Fehlfunktionen der Zelle oder zu anderen unerwünschten Erscheinungen wie etwa einem
Leistungsabfall, einem Temperaturanstieg oder dergleichen führen. Solche Fehlstellen können von Anfang an in der Elektrodenstruktur vorhanden sein, etwa durch Kristallfehler, oder im Laufe der Zeit entstehen, etwa durch Alterung oder mechanische Schäden, bzw. anfängliche Kristallfehler können sich im Laufe der Zeit erst bemerkbar machen bzw. verschlechtern. Eine Zelle, deren Elektrodenaufbau Fehlstellen aufweist, kann z. B., aber nicht nur, durch übermäßige Temperaturenwicklung oder unzuverlässige Funktion im Laufe der Zeit unbrauchbar werden oder andere Zellen beeinflussen, sodass sie nur einer begrenzten Last ausgesetzt werden kann, elektrisch aus einem Zellverbund herausgenommen werden muss oder gar ausgetauscht werden muss. Es besteht ein Bedürfnis daran, eine Lebensdauer von Zellen, deren
Elektrodenaufbau Fehlstellen aufweist, zu verlängern bzw. deren Leistung wenigstens teilweise zu erhalten, indem den Fehlstellen gezielt Rechnung getragen wird.
Aus der DE 11 2004 000 385 T5 ist eine wärmefluss-regulierende Abdeckung für eine elektrische Speicherzelle bekannt, die Wärme an einem
Überhitzungspunkt während eines Kurzschlusszustandes erzeugen kann. Die Abdeckung umfasst eine erste Schicht aus einem wärmeleitenden Material, das so geformt ist, dass es mit einer Außenoberfläche der Speicherzelle für elektrische Energie übereinstimmt und die Wärme aus dem Überhitzungspunkt über einen Oberflächenbereich verteilt, der größer als der Überhitzungspunkt ist. Die Abdeckung umfasst auch eine zweite Schicht aus einem wärmeisolierenden Material, das so geformt ist, dass es mit einer Außenoberfläche der ersten Schicht übereinstimmt, und das den Wärmefluss zu einer Außenoberfläche der zweiten Schicht verzögert. Dadurch kann die maximale Oberflächentemperatur der Zelle reduziert werden und die Oberflächentemperatur der zweiten Schicht unterhalb einer vorgegebenen Grenze gehalten werden. Aus WO 03/038924 A2 ist eine Brennstoffzelle bekannt mit einem
Membranelektrodenaufbau, der angrenzend an eine poröse
Gasdiffusionsschicht angeordnet ist. Der Membranelektrodenaufbau wird durch Zuführen von Reagenzien an denselben aktiviert. Die poröse
Gasdiffusionsschicht wirkt so, dass sie die Menge an Reagenzien, die bestimmte Bereiche des Membranelektrodenaufbaus erreichen, selektiv begrenzt, um heiße Stellen zu verringern. Bei der ähnlichen WO 03/038936 A1 des gleichen Anmelders ist anstelle der porösen Gasdiffusionsschicht eine poröse Schicht aus einem in Z-Achsenrichtung elektrisch leitfähigen Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (eine solche Schicht wird nachstehend abgekürzt als "PTC-Leiterschicht") vorgesehen, wobei die poröse PTC- Leiterschicht so wirkt, dass sie die Menge an Elektronen, die von bestimmten Bereichen des Membranelektrodenaufbaus aufgenommen (gesammelt) werden, selektiv begrenzt, um heiße Stellen zu verringern.
Gemäß DE 2007 046 939 A1 wird eine Brennstoffzellenanordnung von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt, wobei der Druck des Kühlmittels nach dem Durchströmen der Brennstoffzellenanordnung auf Erreichen oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes überwacht wird, wobei der Grenzwert größer als der Siedegleichgewichtsdruck des Kühlmittels ist. Da bei Erreichen oder Unterschreiten des Siedegleichgewichtsdruckes die Gefahr einer
Dampffilmbildung und somit einer lokalen Überhitzung in den Brennstoffzellen besteht, können durch eine Überwachung des Drucks des Kühlmittels Schäden in der Brennstoffzellenanordnung aufgrund derartiger lokaler Überhitzungen vermieden werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau nach dem Stand der Technik insbesondere (aber nicht nur) im Hinblick auf die vorstehend genannten Gesichtspunkte zu verbessern.
Aus "Fraunhofer IWS Jahresbericht 2008", S. 76 ist es bekannt, Nanometer- Reaktivmultischichten als Energiespeicher einzusetzen, welche zum Fügen von wärmeempfindlichen Bauteilen verwendet werden. Solche Nanometer- Reaktivmultischichten (nachstehend auch abgekürzt mit "RMS") bestehen aus mehreren hundert bis zu einigen tausend Einzelschichten von jeweils 10 - 100 nm Dicke aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien, bei deren chemischer Verbindung Energie freigesetzt wird (exotherme Reaktion). In der RMS ist somit eine definierte Menge chemischer Energie gespeichert, welche als lokale Wärmequelle genutzt werden kann. Nach Zündung durch eine externe Energiequelle, wie z. B. einen elektrischen Funken oder einen Laserimpuls, wird eine atomare Interdiffusion der Multischichtmaterialien unter Freisetzung von Energie angeregt. Es kommt zur Ausbildung einer fortschreitenden
Reaktionsfront, aus der in sehr kurzer Zeit eine hohe Wärmemenge in einem räumlich eng begrenzten Gebiet freigesetzt wird. In sog. exothermen Lötfolien werden schnell reagierende Multischichtfolien als lokale Wärmequelle zur Herstellung von Lötverbindungen verwendet; dabei können Wärme- und
Spannungseintrag in angrenzende Bauteile minimiert werden. Die RMS werden mit Gesamtdicken bis zu 100 pm beispielsweise durch physikalische
Gasphasenabscheideverfahren wie Magnetron- und lonenstrahl-Sputter- Deposition (dt. in etwa "Ablagerung") hergestellt und können direkt auf entsprechende Bauteile beschichtet oder als freistehende Folien erzeugt werden. Mit Materialkombinationen wie etwa Ni/Al oder Ti/Al werden
beispielsweise lokal erreichbare Temperaturen von bis zu 2000 °C sowie Ausbreitungsgeschwindigkeiten von 2 - 20 m/s genannt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der
Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung auf, dass es wünschenswert wäre, Fehlstellen in einem Elektrodenaufbau einer Elektroenergiezelle gezielt
"auszuschalten", aber an die Fehlstelle angrenzende "gesunde" Abschnitte des Elektrodenaufbaus wenigstens weitgehend funktionsfähig zu halten. Zu diesem Zweck nutzt die Erfindung reaktive Multischichten (RMS). Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein exothermes Bauelement mit einer reaktiven Multischicht vorgeschlagen, wobei die reaktive ultischicht diskontinuierlich, insbesondere rasterförmig auf einem Träger angeordnet ist.
Unter einer reaktiven Multischicht wird im Sinne der Erfindung eine Anordnung mindestens zweier, vorzugsweise mehrerer hundert oder mehrerer tausend Einzelschichten mindestens zweier unterschiedlicher Materialien, die auf einen Zündimpuls hin exotherm miteinander reagieren, verstanden, wobei die Dicke einer Einzelschicht vorzugsweise weniger als 1 μητι, insbesondere einige 10 bis 100 nm beträgt und die Gesamtdicke der Multischicht vorzugsweise bis zu 100 [im beträgt. Unter einer diskontinuierlichen Anordnung wird im Sinne der
Erfindung eine Anordnung von voneinander abgegrenzten Gebieten verstanden, wobei unter einer Abgrenzung zu verstehen ist, dass eine gezündete Reaktion eines Gebiets nicht auf ein benachbartes Gebiet übergreifen kann. Unter einer rasterförmigen Anordnung wird im Sinne der Erfindung eine wenigstens im Wesentlichen regelmäßige Anordnung in einer oder zwei Richtungen, insbesondere in Form von Streifen, Flecken, Punkten (Pixeln) oder dergleichen verstanden, wobei ein Teilungsabstand der Rasterung je nach Anwendung beispielsweise, aber nicht nur, einige Zenti- oder Dezimeter, einige Millimeter betragen oder im Submillimeterbereich liegen kann. Die Rasterung kann beispielsweise, aber nicht nur, durch gerastertes Ausbilden der
Reaktivmultischicht, nachträgliches Einbringen von Gräben durch Ätzen, oder durch mechanisches Abtragen oder dergleichen in einer kontinuierlich
ausgebildeten Reaktivmultischicht verwirklicht werden, wobei die Gräben
(Begrenzungen) durch nicht reaktive Materialien aufgefüllt sein können. Unter einem Träger wird im Sinne der Erfindung jede Struktur verstanden, die auch in der Lage ist, die Multischicht zu tragen, etwa eine eigens dafür bereitgestellte Folie, eine andere Funktionsschicht oder ein Bauteil. Durch die Diskontinuität, insbesondere Rasterung der reaktiven Multischicht kann bei Aufbringen eines Zündimpulses auf ein Gebiet oder einige Gebiete der reaktiven Multischicht die exotherme Reaktion auf ebendieses Gebiet oder ebendiese Gebiete beschränkt werden, was es erlaubt, eine lokal begrenzte, intensive Wärmeerzeugung zu verwirklichen.
Vorzugsweise weist das exotherme Bauelement eine Funktionsschicht zur Ansteuerung der reaktiven Multischicht auf. Besonders bevorzugt weist die Funktionsschicht eine matrixförmige Anordnung von Schaltelementen, insbesondere Dünnschichttransistoren auf, wobei die matrixförmige Anordnung von Schaltelementen mit der rasterförmigen Anordnung der reaktiven
Multischicht korreliert. Mit der matrixförmigen Anordnung von
Dünnschichttransistoren ist es beispielsweise möglich, ausgewählte Gebiete der reaktiven Multischicht gezielt mit einem Zündimpuls (z.B. einem
Spannungsimpuls) zu beaufschlagen und somit die ausgewählten Gebiete gezielt zu zünden. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Elektrodenaufbau vorgeschlagen mit einer Abfolge einer ersten Elektrodenschicht, einer
Separatorschicht und einer zweiten Elektrodenschicht, wobei die erste
Elektrodenschicht mit einer ersten Stromsammeischicht in Verbindung steht und wobei die zweite Elektrodenschicht mit einer zweiten Stromsammeischicht in Verbindung steht, wobei die Separatorschicht zwischen der ersten
Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und wobei der Elektrodenaufbau ein exothermes Bauelement wie vorstehend beschrieben aufweist. Mit einem solchen Elektrodenaufbau, der das exotherme Bauelement mit der rasterförmigen Anordnung der reaktiven Multischicht aufweist, können ausgewählte Bereiche des Elektrodenaufbaus, die Fehlstellen aufweisen, durch Zünden der entsprechenden Gebiete der reaktiven Multischicht gezielt und punktuell zerstört oder isoliert werden, ohne angrenzende, gesunde Bereiche des Elektrodenaufbaus übermäßig in Mitleidenschaft zu ziehen. Die gesunden Bereiche des Elektrodenaufbaus können daher weiter zur Aufnahme,
Umwandlung, Speicherung und Abgabe von Energie genutzt werden. Vorzugsweise weist der Elektrodenaufbau eine zweite Funktionsschicht auf mit einer matrixförmigen Anordnung von Sensorelementen, wobei die
Sensorelemente ausgelegt sind, Betriebsparameter des Elektrodenaufbaus zu sensieren. Als Betriebsparameter kommt im Sinne der Erfindung beispielsweise, aber nicht nur, die Temperatur in Betracht. Die zweite Funktionsschicht kann in der Funktionsschicht des exothermen Bauelements integriert sein. Die matrixförmige Anordnung von Sensorelemente kann, muss aber nicht, mit der matrixförmigen Anordnung von Schaltelementen oder der rasterförmigen
Anordnung der reaktiven Multischicht korrelieren. Mit der matrixförmigen
Anordnung von Sensorelementen ist es möglich, die Betriebsparameter des Elektrodenaufbaus direkt und als zweidimensionales Wertefeld (Parameterfeld, z.B. Temperaturfeld) zu erfassen. Aus dem Parameterfeld, ggf. auch im zeitlichen Verlauf, können Rückschlüsse auf die Position und Kritizität von Fehlstellen gezogen werden. Daraus kann wiederum eine Entscheidung getroffen werden, ob und wenn ja, welche Gebiete der reaktiven Multischicht zu zünden sind, um betroffene Bereiche des Elektrodenaufbaus gezielt und punktuell zu zerstören.
Die Erfindung richtet sich auch auf eine Elektroenergiezelle mit einem
Elektrodenaufbau wie vorstehend beschrieben sowie eine Zellenanordnung mit einer Mehrzahl solcher Zellen, die in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Die Elektroenergiezelle kann eine Auswertungslogik zur Auswertung der Sensorausgänge und/oder eine Ansteuerungslogik zur
Ansteuerung der Schaltelemente aufweisen. Die Zellenanordnung kann eine Steuerlogik aufweisen, die mit den Auswertungslogiken und/oder den
Ansteuerungslogiken aller Zellen der Zellenanordnung in Verbindung steht. Die Steuerlogik kann Teil eines Batteriemanagementsystems sein, und die
Auswertungslogiken und/oder die Ansteuerungslogiken der Elektroenergiezellen können wenigstens teilweise in der Steuerlogik der Zellenanordnung bzw. des Batteriemanagementsystems verwirklicht sein. Unter einer Logik wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die auch in der Lage ist, logische Verknüpfungen vorzunehmen. Insbesondere, aber nicht nur, kann eine Logik in einer integrierten oder nicht integrierten Schaltung, einer elektronischen
Steuereinheit, einem elektronischen Steuergerät, einem Mikrocomputer oder dergleichen verkörpert sein. Unter einer Elektroenergiezelle wird im Sinne der Erfindung eine Vorrichtung verstanden, welche auch zur Abgabe elektrischer Energie ausgelegt und eingerichtet ist. Es kann sich insbesondere, aber nicht nur, um eine
elektrochemische Speicherzelle vom primären oder sekundären Typ (Batterieoder Akkumulatorzelle), eine Brennstoffzelle oder eine Kondensatorzelle handeln. Ein aktiver Teil der Zelle, insbesondere einer elektrochemischen
(galvanischen) Zelle, innerhalb dessen auch elektrochemische Lade-, Entlade- und ggf. Umwandlungsvorgänge elektrischer Energie stattfinden, weist einen Elektrodenaufbau mit Schichten auf, die jeweils durch Folien selbst verkörpert oder auf Folien angeordnet (abgelagert oder dergleichen) sind. Unter einer Folie wird im Sinne der Erfindung ein dünnes Halbzeug verstanden, das aus einem Metall und/oder einem Kunststoff hergestellt ist. Dabei kann die Folie als Träger (Substrat) für ein Material mit gewünschten elektrischen und/oder chemischen Eigenschaften dienen oder aus dem Material mit den genannten Eigenschaften selbst hergestellt sein. Die Schichten weisen elektrochemisch aktive Materialien (Elektrodenschichten), elektrisch leitende Materialien (Stromsammei- oder Kollektorschichten) und trennenden Materialien (Separatorschicht) auf. Unter einer Kollektor- oder Stromsammeischicht wird im Sinne der Erfindung eine Schicht verstanden, welche auch zur Sammeln und Leiten von elektrischen Ladungen ausgelegt und eingerichtet ist. Eine Kollektorschicht kann
beispielsweise, aber nicht nur, eine Leiterfolie, insbesondere Metallfolie, oder eine mit einem Leitermaterial, insbesondere Metall, Kohlenstoff oder
dergleichen, beschichtete Kunststofffolie sein. Unter einem elektrochemisch aktiven Material werden im Sinne der Erfindung Materialien verstanden, die auch an einer elektrochemischen Reaktion in dem aktiven Teil teilnehmen.
Eine Elektroenergiezelle im Sinne der Erfindung weist auch beispielsweise eine Einhausung und Polkontaktbereiche auf. Unter einer Einhausung wird im Sinne der Erfindung auch eine gas-, dampf- und flüssigkeitsdichte Hülle verstanden, welche wenigstens den aktiven Teil (die Elektrodenanordnung oder das galvanische Element) aufnimmt und allseitig umgibt. Die Einhausung kann eine ggf. mehrschichtige Folie, einen ggf. mehrteiligen Rahmen oder ein ggf.
mehrteiliges Gehäuse aufweisen. Unter Polkontaktbereichen werden im Sinne der Erfindung von außerhalb der Einhausung zugängliche Bereiche verstanden, welche einen Austausch elektrischer Energie mit dem aktiven Teil ermöglichen. Polkontaktbereiche können beispielsweise, aber nicht nur, sogenannte Abieiter sein, die mit dem aktiven Teil im Inneren der Einhausung in Verbindung stehen und durch eine Wand, eine Naht oder eine Lücke in der Einhausung nach außerhalb der Einhausung geführt sind, oder sie können durch elektrisch leitende Teile bzw. Abschnitte der Einhausung selbst gebildet sein.
Nach weiteren Gesichtspunkten der Erfindung wird ein Verfahren zum
Herstellen eines exothermen Bauelements, insbesondere wie oben beschrieben, vorgeschlagen. Das Verfahren weist die Schritte auf: Bereitstellen eines
Trägers; und Aufbringen einer Reaktivmultischicht auf dem Träger in
diskontinuierlichen, insbesondere rasterförmig definierten Gebieten. Alternativ weist das Verfahren die Schritte auf: Bereitstellen eines Trägers; Aufbringen einer Reaktivmultischicht auf dem Träger; und Ausbilden von Gräben in der Reaktivmultischicht, um die Reaktivmultischicht in diskontinuierlichen,
insbesondere rasterförmig definierten Gebieten zu belassen.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Elektroenergiezelle oder einer Zellenanordnung, insbesondere wie oben beschrieben, vorgeschlagen. Das Verfahren weist die Schritte auf: Beurteilen, ob eine Fehlstelle in einem Elektrodenaufbau der Elektroenergiezelle vorliegt; Feststellen eines Orts der Fehlstelle, ausgedrückt in zweidimensionalen Koordinaten; und Aktivieren wenigstens eines Schaltelements, um einen
Zündimpuls an ein Gebiet oder mehrere Gebiete der Reaktivmultischicht zu leiten, das oder die den Koordinaten des Orts der Fehlstelle entspricht oder entsprechen. Besonders bevorzugt weist der Beurteilungsschritt den Schritt Verarbeiten von Ausgangssignalen von Sensorelementen auf.
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde.
In den Zeichnungen: ist Fig. 1 eine räumliche Ansicht einer RMS-Anordnung nach
Ausführungsbeispiel der Erfindung; ist Fig. 2 eine Querschnittsansicht der RMS-Anordnung von Fig. 1 im
Bereich einer Einzelheit II; eine räumliche Ansicht einer RMS-Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; eine Querschnittsansicht der RMS-Anordnung von Fig. 3 in einer Darstellung entsprechend Fig. 2; eine Querschnittsansicht einer RMS-Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung entsprechend Fig. 2; eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit VI in Fig. 5 in einem Aktivierungszustand; ist Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer RMS-Anordnung nach einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung entsprechend Fig. 2; sind Fign. 8A bis 8D Querschnittsansichten eines Schichtaufbaus in
verschiedenen Stadien eines Herstellungsverfahrens zum
Herstellen einer RMS-Anordnung nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung; sind Fign. 9A bis 9E Querschnittsansichten in verschiedenen Stadien eines
Herstellungsverfahrens nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; ist Fig. 10 eine räumliche Darstellung einer Elektrodenanordnung nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; ist Fig. 1 1 eine Schnittansicht auf eine Oberfläche einer Sensoranordnung in der Zelle von Fig. 10 entlang einer durch eine strichpunktierte
Linie "XI" in Fig. 10 angedeutete Ebene in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils; ist Fig. 12 eine Aufsicht auf eine Anschluss-Seite der Elektrodenanordnung von Fig. 10 in Blickrichtung eines Pfeils "XII" in Fig. 10; ist Fig. 13 eine entlang einer durch eine strichpunktierte Linie "XIII" in Fig. 10 angedeutete Ebene geschnittene Aufsicht auf eine Oberfläche einer Sensoranordnung in der Zelle von Fig. 10 in Blickrichtung eines zugehörigen Pfeils; und ist Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Batterieblocks mit mehreren
Flachzellen und einem Batteriemanagementsystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis der Erfindung nützlichen Merkmale beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen und Größenverhältnisse im
Wesentlichen der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind, es sei denn, aus der Beschreibung ergäbe sich etwas anderes.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Darstellung in Fign. 1 und 2 beschrieben. Dabei ist Fig. 1 eine räumliche Ansicht einer RMS-Anordnung 10 und ist Fig. 2 eine vergrößerte
Querschnittsdarstellung einer Einzelheit II der RMS-Anordnung 10 von Fig. 1 . Unter einer RMS-Anordnung ist in dieser Anmeldung eine Anordnung mit einer reaktiven Multischicht (RMS) zu verstehen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist die RMS-Anordnung 10 eine Trägerfolie 20 und eine Reaktivmultischicht (RMS) 30 auf. Von einer Ecke der Trägerfolie 20 aus, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Nullpunkt ausgewählt ist, sind zwei Ortskoordinatenrichtungen x, y definiert.
Die Trägerfolie 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - aus einem Polyimidmaterial hergestellt.
Die Reaktivmultischicht 30 ist auf der Trägerfolie 20 in Streifen (RMS-Streifen) 32 angeordnet, die sich entlang der y-Koordinatenrichtung erstrecken. Zwischen den Streifen 32 sind Gräben 33 ausgebildet, die sich ebenfalls entlang der y- Koordinatenrichtung erstrecken. Jeder Streifen 32 ist z. B. durch die x- Koordinate seiner Mittellinie eindeutig identifizierbar.
Wie in Fig. 2 deutlicher dargestellt, weist die Reaktivmultischicht 30 eine
Mehrzahl von ersten Einzelschichten 34 und zweiten Einzelschichten 35 auf. Die Einzelschichten 34, 35 sind in diesem Ausführungsbeispiel - ohne
Beschränkung der Allgemeinheit - aus Nickel und Aluminium im Wechsel hergestellt. Es ist zu verstehen, dass die in der Figur gewählte Anzahl von sechs Einzelschichten, insbesondere drei erste Einzelschichten 34 aus Nickel und drei zweite Einzelschichten 35 aus Aluminium, allein der zeichnerischen
Darstellbarkeit geschuldet ist. In dem tatsächlichen Schichtaufbau weist die Reaktivmultischicht 30 mehrere hundert bis zu einigen tausend Einzelschichten in der Größenordnung von jeweils 10 - 100 nm Dicke auf.
Die Reaktivmultischicht 30 besteht somit aus zwei unterschiedlichen Materialien, bei deren chemischer Verbindung Energie freigesetzt wird (exotherme
Reaktion). In der Reaktivmultischicht 30 bzw. in jedem Streifen 32 ist somit eine definierte Menge chemischer Energie gespeichert, welche als lokale
Wärmequelle genutzt werden kann. Nach Zündung durch eine externe
Energiequelle, wie z. B. einen elektrischen Funken oder einen Laserimpuls wird eine atomare Interdiffusion der Multischichtmaterialien unter Freisetzung von Energie angeregt. Es kommt zur Ausbildung einer fortschreitenden
Reaktionsfront, aus der in sehr kurzer Zeit eine hohe Wärmemenge in einem räumlich eng begrenzten Gebiet freigesetzt wird.
Die Breite eines RMS-Streifens 32 liegt ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Bereich einiger Zentimeter. Je nach Anwendungsfall können die RMS- Streifen 32 auch breiter, etwa einige Dezimeter, oder geringer, etwa einige Millimeter sein oder noch feiner sein, etwa im Submillimeterbereich. Die Breite der Gräben 33 entspricht dem Abstand zwischen zwei Streifen 32 der
Reaktivmultischicht 30. Dieser Abstand ist so bemessen, dass bei Zündung eines Streifens 32 benachbarte Streifen 32 nicht zünden. Damit bleibt die exotherme Reaktion der Reaktivmultischicht auf den gezündeten Streifen 32 beschränkt.
Die Streifen 32 sind mit regelmäßigen Breiten und Abständen ausgebildet. Sie bilden somit ein eindimensionales Raster, wobei jeder Streifen 32 beispielsweise durch die Ortskoordinate x seines Flächenschwerpunkts eindeutig identifizierbar ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Darstellung in Fign. 3 und 4 beschrieben. Dabei ist Fig. 3 eine räumliche Ansicht einer RMS-Anordnung 10 und ist Fig. 4 eine vergrößerte
Querschnittsdarstellung einer Einzelheit IV der RMS-Anordnung von Fig. 3.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 weist die RMS-Anordnung 10 eine Trägerfolie 20, eine Reaktivmultischicht 30 und eine Funktionsschicht 40 auf. Von einer Ecke der Trägerfolie 20 aus, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Nullpunkt ausgewählt ist, sind zwei Ortskoordinatenrichtungen x, y definiert.
Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist die Reaktivmultischicht 30 nicht in Streifen, sondern in rechteckigen, insbesondere im Wesentlichen quadratischen Flecken (RMS-Flecken) bzw. Punkten (RMS-Punkte) 32' auf der Trägerfolie 20 angeordnet und sind zwischen den Flecken 32' Gräben 33 angeordnet, die sich nicht nur in y-Koordinatenrichtung, sondern zusätzlich in x- Koordinatenrichtung erstrecken, um ein Netz- bzw. gitterförmiges Muster auszubilden. Die Kantenlänge eines RMS-Fleckens 32' liegt ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Bereich einiger Zentimeter. Je nach Anwendungsfall können die RMS-Flecken 32' auch breiter, etwa einige Dezimeter, oder geringer, etwa einige Millimeter oder noch feiner sein, etwa im Submillimeterbereich.
Die Flecken 32' sind mit regelmäßigen Kantenlängen und Abständen
ausgebildet. Sie bilden somit ein zweidimensionales Raster, wobei jeder Fleck 32' durch die Ortskoordinaten x, y seines Flächenschwerpunkts eindeutig identifizierbar ist. Im Übrigen sind für den grundsätzlichen Aufbau der Trägerfolie 20 und der Reaktivmultischicht 30 mit ihren Einzelschichten 34, 35 sinngemäß die Ausführungen für das vorherige Ausführungsbeispiel anwendbar.
Wie in Fig. 4 deutlicher dargestellt, weist die Funktionsschicht 40 eine Mehrzahl von Schaltelementen 42 auf, die über eine jeweilige Leiteranordnung 43 mit einem jeweiligen Anschluss 44 verbunden sind. Jedem Flecken 32' der
Reaktivmultischicht 30 ist ein Schaltelement 42 zugeordnet. Die Schaltelemente 42 sind ausgelegt und eingerichtet, einen Zündimpuls auszugeben, der geeignet ist, den ihm zugeordneten Flecken 32' der Reaktivmultischicht 30 zu zünden. Die Funktionsschicht 40 ist also in Schaltungsschicht bzw. Halbleiterschicht ausgebildet, die über ein integriertes, der Anordnung der RMS-Flecken 32' entsprechendes Schaltungnetz (Transistornetz etc.) verfügt.
Ein Füllmaterial 50 ist zwischen den Flecken 32' und diese bedeckend angeordnet. Das Füllmaterial 50 dient der elektrischen Trennung der Flecken 32', der Ausfüllung des freien Raums dazwischen, der strukturellen
Stabilisierung der RMS-Anordnung 10 und dem Schutz der Reaktivmultischicht 30 vor äußeren mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Einflüssen.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als spezielle Ausgestaltung des vorherigen Ausführungsbeispiels in einer Querschnittsansicht entsprechend Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jedes Schaltelement 42 ein Schaltnetz 42a, einen Schalttransistor 42b und einen Operationsverstärker 42c auf. Das Schaltnetz 42a beinhaltet eine sachgerechte Hilfs- oder
Begleitschaltung und ist über Anschlüsse 44a, 44b, 44c beispielsweise mit einer Versorgungsspannung, einer Ansteuerungsspannung (Signalspannung) und einem Massepotential verbindbar. Der Ausgang des Operationsverstärkers 42c führt über eine Stichleitung zu einem Fuß 46 in der Nähe eines Endes eines Fleckens 32' der Reaktivmultischicht 30. An der der Reaktivmultischicht 30 zugewandten Fläche der Funktionsschicht 40 ist eine Schirmungsschicht 48 ausgebildet. Das der Funktionsschicht 40 abgewandte Ende jedes Fleckens 32' der Reaktivmultischicht 30 ist mit einer Erdungsschicht 60 verbunden, die über einen Anschluss 64 an Masse liegt.
Es ist zu verstehen, dass die Darstellung mit einem Schalttransistor 42b und einem Operationsverstärker 42c vorrangig der Illustration der Funktion dient. Diese besteht darin, eine anliegende Spannung zu schalten und so zu verstärken, dass ein an dem Fuß 46 anliegender Spannungsimpuls geeignet ist, den zugeordneten Flecken 32' der Reaktivmultischicht 30 zu zünden. Als Gegenpol für einen an dem Fuß 46 anliegende Spannung und zur Ableitung eines ggf. übertragenen Ladungsimpulses ist das der Funktionsschicht 40 abgewandte Ende jedes Fleckens 32' der Reaktivmultischicht 30 mit der Erdungsschicht 60 verbunden.
Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung wird anhand von Fig. 6 erläutert. Fig. 6 ist eine vergrößerte Darstellung einer Einzelheit VI in Fig. 5 in einem Aktivierungszustand eines Schaltelements 42 der Funktionsschicht 40. Von dem Schaltelement 42 ist nur das Ausgangsende des
Operationsverstärkers 42c dargestellt.
Fig. 6 zeigt den Zustand, in welchem zwischen dem Fuß 46 und der
Erdungsschicht 60 eine von dem Schaltelement 42 bereitgestellte
Zündspannung U, anliegt. Es kommt zur Ausbildung eines Lichtbogens A, durch welchen ein Strom I fließt. Durch den Stromimpuls I reagieren die ersten
Einzelschichten 34 mit den jeweils benachbarten zweiten Einzelschichten 35, beginnend am Ort des Lichtbogens A. Es bildet sich eine Reaktionsfront bzw. Reaktionszone 36, die durch Grenzflächen 36a, 36b begrenzt ist und sich mit einer Geschwindigkeit v von dem Ort des Lichtbogens entfernt, bis das (in der Figur nicht dargestellte) gegenüberliegende Ende des Fleckens 32' erreicht ist. Jenseits der ersten Grenzfläche 36a der Reaktionsfront 36 liegen die
Einzelschichten 34, 35 des Fleckens 32' unbeeinflusst vor, während jenseits der zweiten Grenzfläche 36b der Reaktionsfront 36 die Einzelschichten 34, 35 vollständig ausreagiert und ein Mischmaterial 38 gebildet haben. In der
Reaktionszone 36 entsteht Wärme, die als Wärmestrom Q abfließt. Die
Schirmungsschicht 48 schirmt die Funktionsschicht 40 von der in der
Reaktivmultischicht 30 erzeugten Wärme ab, um die Funktionsfähigkeit der Schaltungsanordnung in der Funktionsschicht 40 zu erhalten; sie ist
insbesondere auch als Spiegelschicht ausgebildet, die ein hohes
Reflexionsvermögen für Wärmestrahlung aufweist. Zur Ladungskonzentration ist der Fuß 46 zur RMS-Schicht 30 hin verjüngt ausgebildet.
In Fig. 7 ist eine RMS-Anordnung 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung entsprechend Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Funktionsschicht 40 zwischen der Trägerfolie 20 und der Reaktivmultischicht 30 angeordnet. Schaltnetze 42 der Funktionsschicht 40 sind mit einer Leiterschicht 49 verbunden, die auf der Seite der Trägerfolie 20 ausgebildet ist. Die Schaltnetze 42 weisen jeweils eine Laserdiode 42d
(Halbleiterlaser) auf, der durch das Schaltnetz 42 einschaltbar ist. (Ein hierzu vorgesehener Schalttransistor ist in der Figur nicht näher dargestellt.)
Jede Laserdiode 42d ist so ausgerichtet, dass sie durch eine Lücke in der Schirmungsschicht 48 hindurch eine Stirnseite eines RMS-Fleckens 32' der Reaktivmultischicht 30 bestrahlt. Die Strahlungsintensität, Strahlungsenergie und Wellenlänge der Laserdiode 42d sind so ausgelegt, dass sie in der Lage ist, den RMS-Flecken 32' mit einem Impuls zu zünden.
In einer nicht näher dargestellten Abwandlung sind RMS-Streifen oder RMS- Flecken (allgemein als RMS-Gebiet bezeichnet) mit Schaltelementen oder Teilen der Schaltelemente in einer einzigen Schicht miteinander vereinigt.
Beispielsweise kann ein Fuß oder sonstiges Element zur Zündung des RMS- Gebiets in der Fläche des RMS-Gebiets, das heißt, von dem RMS-Gebiet umgeben, angeordnet sein. In einer weiteren, nicht näher dargestellten
Abwandlung sind Schaltelemente und Leitungsstrukturen mit den RMS-Gebieten in einer Schicht integriert. Z. B. können Rasterstrukturen von RMS-Gebieten, ggf. segmentweise, von Schaltelementen und Leitungsstrukturen umgeben sein. Rasterstrukturen von RMS-Gebieten mit Schaltelementen können analog zu TFT-Bildschirmen (Flüssigkristall mit Dünnschichttransistoren) aufgebaut und hergestellt sein und in entsprechender Weise ansteuerbar sein. ln einer weiteren, nicht näher dargestellten Abwandlung dient die
Funktionsschicht 40 als Träger für die Reaktivmultischicht 30, sodass auf eine zusätzliche Trägerfolie 20 verzichtet werden kann. Anhand von in Fign. 8A bis 8B dargestellten Verfahrensschritte wird
nachstehend ein Verfahren zur Herstellung einer RMS-Anordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In einem in Fig. 8A dargestellten Verfahrensschritt wird eine Trägerfolie 20 bereitgestellt.
In mehreren in Fig. 8B von rechts nach links dargestellten Verfahrensschritten wird auf der Oberfläche 22 der Trägerfolie 20 durch eine Maske 70 hindurch zunächst ein erstes Reaktivmaterial 72, z. B. Nickel, zur Ausbildung einer ersten Einzelschicht 34, dann ein zweites Reaktivmaterial 73, z. B. Aluminium, zur Ausbildung einer zweiten Einzelschicht 35, dann wieder ein erstes
Reaktivmaterial 72 zur Ausbildung einer weiteren ersten Einzelschicht 34, u. s. w. im Wechsel durch ein physikalisches Gasphasenabscheideverfahren abgelegt, bis die gewünschte Anzahl von Einzelschichten 34, 35 erreicht ist. Die Maske 70 schirmt dabei diejenigen Bereiche auf der Oberfläche 22 der
Trägerfolie 20 ab, die den Gräben 33 der Reaktivmultischicht 30 entsprechen.
In einem in Fig. 8C dargestellten Verfahrensschritt wird ein Füllmaterial 74 auf den freiliegenden Oberflächen der Trägerfolie 20 und der Reaktivmultischicht 30 abgelegt. Das abgelegte Füllmaterial 74 bildet das Füllmaterial 50 in der RMS- Anordnung.
In einem in Fig. 8D dargestellten Verfahrensschritt wird überschüssiges
Füllmaterial 50 abgetragen, um eine glatte Oberfläche 52 zu erhalten. Weitere Verfahrensschritte zur Ausbildung von Funktionsschichten wie insbesondere durch Ausbilden von Halbleiterschichten, Leiterschichten u. s. w. sind in der Technik wohlbekannt und werden hier nicht weiter beschrieben. Somit ist eine RMS-Anordnung 10 fertiggestellt.
Als Gasphasenabscheideverfahren können beispielsweise, aber nicht nur, Magnetron- und lonenstrahl-Sputter-Deposition angewendet werden. Anhand von in Fign. 9A bis 9B dargestellten Verfahrensschritten wird
nachstehend ein Verfahren zur Herstellung einer RMS-Anordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
In einem in Fig. 9A dargestellten Verfahrensschritt wird eine Trägerfolie 20 bereitgestellt.
In mehreren in Fig. 9B gemeinsam dargestellten Verfahrensschritten werden auf der Oberfläche 22 der Trägerfolie 20 abwechselnd ein erstes Reaktivmaterial 72 zur Ausbildung einer ersten Einzelschicht 34 und ein zweites Reaktivmaterial 73 zur Ausbildung einer zweiten Einzelschicht 35 durch ein physikalisches
Gasphasenabscheideverfahren abgelegt, bis die gewünschte Anzahl von Einzelschichten 34, 35 erreicht ist, um eine Reaktivmultischicht 30 auszubilden.
In einem in Fig. 9C dargestellten Verfahrensschritt wird eine Maske 78 auf der Oberfläche der Reaktivmultischicht 30 aufgebracht. Die Maske 78 kann durch nicht näher dargestellte Verfahrensschritte ausgebildet oder nur aufgelegt werden.
In einem in Fig. 9D dargestellten Verfahrensschritt wird durch die Maske 78 hindurch die Oberfläche der Reaktivmultischicht 30 mittels eines Ätzmittels 78 geätzt, um Gräben 33 auszubilden. ln einem in Fig. 9E dargestellten Verfahrensschritt wird die Maske 78 entfernt, um die Oberfläche der Reaktivmultischicht 30 und die Oberfläche der Trägerfolie 20, welche den Grund der Gräben 33 bildet, freizulegen. In weiteren, nicht näher dargestellten Verfahrensschritten wird entsprechend der Darstellung in Fign. 8C, 8D des vorherigen Ausführungsbeispiels ein
Füllmaterial aufgebracht und geglättet.
Weitere Verfahrensschritte zur Ausbildung von Funktionsschichten wie insbesondere durch Ausbilden von Halbleiterschichten, Leiterschichten u. s. w. sind in der Technik wohlbekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
Somit ist eine RMS-Anordnung 10 fertiggestellt. In nicht näher dargestellen Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren kann auf der Trägerfolie 20 zunächst eine
Funktionsschicht ausgebildet werden, um darauf die Reaktivmultischicht 30 auszubilden, oder die Funktionsschicht 40 selbst dient als Träger für die
Reaktivmultischicht 30.
In einem Verfahren nach einem alternativen, zeichnerisch nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Reaktivmultischicht zunächst als kontinuierliche Fläche auf einer Trägerfolie abgelegt und werden sodann auf mechanische Weise, auf photolithographisch-chemischem Weg oder durch andere Verfahren Gräben ausgebildet, um Gebiete der Reaktivmultischicht voneinander zu trennen. In einer Abwandlung wird die Reaktivmultischicht selbsttragend ausgebildet, danach auf einer Trägerfolie oder einer
Funktionsschicht abgelegt und mit dieser z. B. durch Kleben oder dergleichen verbunden; es kann auch eine aus anderer Quelle beschaffte
Reaktivmultischicht verwendet werden. In einem Verfahren nach einem weiteren alternativen, zeichnerisch nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Reaktivmultischicht als Einzelgebiete, die beispielsweise, aber nicht nur, den Streifen 32 in Fig. 1 oder den Flecken 32' in Fig. 3 entsprechen können, etwa durch ein robotisches
Beschickungsverfahren abgelegt. Das kann durch schichtweises, gerastertes Auftragen (Ablagern) der Einzelschichten oder durch Ablegen und Verbinden vorgeschnittener Einzelstücke einer vorgefertigen Reaktivmultischicht oder durch ggf. mehrmaligen Rasterdruck oder dergleichen bewerkstelligt werden. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte sind zumindest teilweise der
Halbleitertechnologie entlehnt bzw. vergleichbar. Es sind sowohl großflächige Strukturen von mehreren Zenti- oder Dezimetern Kantenlänge wie auch kleinformatige Strukturen im Millimeter- oder Submillimeterbereich sowie kleinste Strukturen, wie sie im integrierten Schaltungsbau üblich sind, möglich. Das gilt sowohl für RMS-Gebiete als auch für zugeordnete Schaltungselemente.
Anhand der Darstellung in Fig. 10 wird nachstehend eine Elektrodenanordnung als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 10 ist eine räumliche Darstellung einer Elektrodenanordnung 100. Eine Ortskoordinate x erstreckt sich im Wesentlichen nach rechts, eine
Ortskoordinate y senkrecht nach oben in der Zeichnungsebene. Eine
Dickenrichtung z der Elektrodenanordnung 100 erstreckt sich im Wesentlichen in die Zeichnungsebene hinein. Ein Nullpunkt (0, 0, 0) ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit in der linken unteren zum Betrachter weisenden Ecke definiert. In der Figur ist nur ein Teil der Elektrodenanordnung 100 dargestellt, die sich in Richtung der Ortskoordinate x weiter fortsetzt.
Die Elektrodenanordnung 100 weist eine Schichtanordnung 102 sowie eine Mehrzahl von negativen Kontakten 104 und eine Mehrzahl von positiven
Kontakten 106 auf. Die Kontakte 104, 106 sind nur schematisch dargestellt. Die Schichtanordnung 102 weist eine Galvanische Anordnung 1 10 auf, die zwischen einer Reaktivanordnung 120 und einer Sensoranordnung 130 sandwichartig aufgenommen ist. Die Galvanische Anordnung 1 10 ist ein Galvanisches Sekundärelement, das in einer Entladungsreaktion chemische Energie in elektrische Energie umwandeln und als solche abgeben kann und in einer Aufladungsreaktion elektrische Energie aufnehmen und in chemische Energie umwandeln und als solche speichern kann. Sie weist eine Mehrzahl von Schichten auf: Auf eine erste Kollektorschicht 1 1 1 folgen eine erste Elektrodenschicht 1 12, eine
Separatorschicht 1 13, eine zweite Elektrodenschicht 1 14, eine zweite
Kollektorschicht 1 15 und eine Isolationsschicht 1 16. Die erste Elektrodenschicht 1 12 ist im Sinne der Konventionen in Bezug auf ein galvanisches Element eine Anode, also negativ geladen, während die zweite Elektrodenschicht 1 15 eine Kathode, also positiv geladen ist.
Der Aufbau derartiger Galvanischer Anordnungen ist an sich bekannt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit weist die erste Elektrodenschicht 1 12 (Anode) ein Lithium-interkalierbares Material wie etwa Graphit, nanokristallines, amorphes Silizium, Lithiumtitanat, Zinndioxid oder dergleichen auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit weist die zweite Elektrodenschicht 115
(Kathode) eine Lithiumverbindung, z. B. ein oder mehrere Lithium-Metalloxide, wie beispielsweise durch eine Summenformel LiCOnNimMgiXkAI1-(n+m+i+k)O2 beschreibbar (wobei X ein beliebiges Metall ist, wobei 0 -Ξ (n, m, I, k) < 1 , und wobei (n+m+l+k) £ 1 ), ein Lithium-Metallphosphat wie beispielsweise Lithium- Eisenphosphat, oder ein Lithium-interkalierbares Material auf. Die
Separatorschicht 1 13 trennt die Anode 1 12 von der Kathode 1 14 räumlich und elektrisch, ist also insbesondere für Elektronen nichtleitend, jedoch für Lithium- Ionen leitend.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit weist die Separatorschicht 1 13 ein organischen, insbesondere polymeren, zumindest teilweise stoffdurchlässigen Grundwerkstoff wie etwa PET, vorzugsweise in Form eines nicht verwebten Vlieses, und ein anorganisches, insbesondere keramisches Material wie etwa Zirkonoxid, vorzugsweise in Partikeln, deren größter Durchmesser vorzugsweise 100 nm nicht übersteigt. EP 1 017 476 B1 beschreibt einen derartigen Separator und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein Separator mit den oben
genannten Eigenschaften ist derzeit unter der Bezeichnung "Separion" von der Evonik AG, Deutschland, erhältlich. Das anorganische Material kann in bevorzugten Abwandlungen auch eine andere geeignete keramische
Verbindung sein, insbesondere aus der Gruppe der Oxide, Phosphate, Sulfate, Titanate, Silikate, Aluminosilikate, wenigstens eines der Elemente Zr, AI, Li. Allgemein kann das Separatormaterial ein beliebiger lithiumionenleitender Elektrolyt sein und kann einen oder mehrere mikroporöse Kunststoffe, ein Vlies aus Glasfaser oder Polethylen aufweisen. Die Kollektorschichten 1 1 1 , 1 15 weisen beispielsweise eine Leiterfolie, insbesondere Metallfolie, oder eine mit einem Leitermaterial, insbesondere Metall, beschichtete Kunststofffolie auf. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit weisen die Kollektorschichten 1 1 1 , 1 15 Kupfer, Aluminium, Zink, Gold, Silber oder eine Legierung davon, ein leitfähiges Keramikmaterial, Kohlenstoff- Nanoröhren oder ein sonstiges leitfähigkes Nanomaterial auf.
Die erste Kollektorschicht 1 1 1 weist eine Mehrzahl von laschenartigen, rechteckigen Ableitfahnen (erste oder negative Ableitfahnen) 1 1 1 a auf, die von der Oberseite der Galvanischen Anordnung 1 10 abragen. Gleichermaßen weist die zweite Kollektorschicht 1 15 eine Mehrzahl von laschenartigen, rechteckigen Ableitfahnen (zweite oder positive Ableitfahnen) 115a auf, die an der Oberseite der Galvanischen Anordnung 110 abragen. In Richtung der Ortskoordinate x wechseln sich negative und positive Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a ab. Die negativen Ableitfahnen 1 1 1 a sind jeweils mit einem negativen Kontakt 104 verbunden, und die positiven Ableitfahnen 1 15a sind jeweils mit einem positiven Kontakt 106 verbunden. Die negativen Kontakte 104 sind miteinander verbunden, und die positiven Kontakte 106 sind ebenfalls miteinander verbunden, was in der Figur mit strichpunktierten Linien symbolisiert ist.
Jede der Schichten 1 1 1 bis 1 16 kann eine eigenständige Folie sein. Alternativ können nur einige Schichten als eigenständige Folien ausgebildet sein, während die anderen Schichten auf diesen Folien ausgebildet sind. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind in diesem Ausführungsbeispiel die Kollektorschichten 1 1 1 , 1 15 und die Separatorschicht 1 13 als eigenständige Folien ausgebildet, die daher auch als Kollektorfolien 1 1 1 , 115 und als Separatorfolie 1 13 bezeichnet werden können, ist auf der ersten Kollektorfolie 1 1 1 die erste Elektrodenschicht (Anodenschicht) 1 12 ausgebildet und ist auf der zweiten Kollektorfolie 12 die zweite Elektrodenschicht (Kathodenschicht) 1 14 ausgebildet.
Jeweils eine positive Ableitfahne 115a und eine negative Ableitfahne 1 1 1 a definieren ein Segment der Galvanischen Anordnung 1 10, das sich in Richtung der Ortskoordinate x über eine gemeinsame Breite der beiden Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a erstreckt. In einer Abwandlung kann die Segmentierung durch entsprechende Lücken in den Kollektorschichten 1 1 1 , 115, ggf. auch in den Elektrodenschichten 112, 1 14 materiell verwirklicht sein.
Die Reaktivanordnung 120 entspricht der RMS-Anordnung 10 des ersten Ausführungsbeispiels. In der Figur sind eine Trägerfolie 20, einige in Richtung der Ortskoordinate y orientierte Streifen 32 einer Reaktivmultischicht mit dazwischen liegenden Gräben 33 und ein Füllmaterial 50 dargestellt. Eine Funktionsschicht und entsprechende Anschlusskontakte sind in der Figur nicht näher dargestellt; die Funktionsschicht ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit in oder auf der Trägerfolie 20 ausgebildet.
Die Sensoranordnung 30 ist in Fig. 1 genauer dargestellt. Gemäß der
Darstellung in Fig. 11 , die eine Draufsicht der Sensoranordnung 130 ist, sind auf einer Trägerfolie 132 eine Mehrzahl von Flächensensoren 134 angeordnet. Die Flächensensoren 134 decken wenigstens in etwa den Bereich eines Segments der Galvanischen Anordnung 1 10 (Fig. 10) ab. Die Flächensensoren 134 sind Temperatursensoren, welche die Temperatur in ihrer Umgebung sensieren und dem Sensierungsergebnis entsprechende Signale über Anschlüsse 134a, 134b ausgeben können. Eine zu diesem Zweck ausgebildete Leiterschicht ist in der Figur nicht näher dargestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist diese Leiterschicht in oder auf der Trägerschicht 132 ausgebildet.
Der rechts äußerste Flächensensor 134 ist in Fig. 1 1 teilweise aufgebrochen dargestellt. Es sind mehrere Fotodioden 134c als Matrix oder Array angeordnet. Die Fotodioden 134c sind für langwelliges Licht, insbesondere im
Infrarotbereich, besonders empfindlich. Der Flächensensor weist somit den Aufbau eines CCD-Arrays (Matrix eines ladungsgekoppelten Bauelements). Man kann den Flächensensor 134 somit als Infrarot-CCD-Sensor bezeichnen. Der Aufbau und die Ansteuerung von CCD-Sensoren ist in der Technik wohlbekannt, wie etwa in "Digital Camera Fundamentals", ANDOR Technology,
www.andor.com, oder in den Einträgen "Charge-coupled device" bzw. "CCD- Sensor" in der Internet-Enzyklopädie Wikipedia (www.wikipedia.com)
beschrieben. Die Flächensensoren 134 können einen Teil ihrer Ansteuerungslogik enthalten; auch in der Leiterschicht können Teile der Ansteuerungslogik für die
Flächensensoren 134 enthalten sein.
Über die Flächensensoren 134 ist es möglich, den Temperaturzustand der Galvanischen Anordnung 1 10 segmentweise zu erfassen. Aus dem
Temperaturzustand der Galvanischen Anordnung 1 10, insbesondere aus dem Temperaturverlauf in räumlicher (Richtung der Ortskoordinate x) und zeitlicher Dimension können Rückschlüsse auf den Zustand der Galvanischen Anordnung 1 10 gezogen werden.
In einer nicht näher dargestellten Abwandlung ist anstelle eines CCD-Sensors ein Widerstandssensor als Temperatursensor vorgesehen. In einer weiteren nicht näher dargestellten Abwandlungen ist anstelle eines Flächensensor ein punktuell sensierender Temperatursensor vorgesehen, der z. B. im
Flächenschwerpunkt eines Segments angeordnet ist. Fig. 12 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Oberseite der
Elektrodenanordnung 100 mit Leitungen, Anschlüssen und einem Steuergerät 150. Grenzen der Segmente der Elektrodenanordnung 100 sind als
strichpunktierte Segmentbegrenzungslinien "B" symbolisiert. Gemäß der Darstellung in Fig. 12 sind die Anschlüsse 134a, 134b der
Flächensensoren 134 mit einer Leiteranordnung 136, der in einem
Sensoranschluss 136a endet, verbunden. Die Leiteranordnung 136 ist Teil eines Bussystems bzw. in ein Bussystem einbindbar. In einer Abwandlung sind die Anschlüsse 134a, 134b der Flächensensoren nicht über ein Bussystem mit- bzw. untereinander verbunden, sondern weist die Leiteranordnung 136 eine Vielzahl von Adern auf, die jeweils einem Anschluss 134a, 134b zugeordnet sind.
Die negativen Anschlüsse 104 der negativen Ableitfahnen 1 1 1 a sind über eine Anodenverbindungsleitung 1 18, der in einem Anodenanschluss 1 18a endet, miteinander verbunden. Gleichermaßen sind die positiven Anschlüsse 106 der positiven Ableitfahnen 1 15a über eine Kathodenverbindungsleitung 1 19, der in einem Kathodenanschluss 1 19a endet, miteinander verbunden. Die Anschlüsse 44a, 44b, 44c der Streifen 32 der Reaktivmultischicht
(Reaktivanordnung 120) sind mit einer Leiteranordnung 122, der in einem RMS- Anschluss 122a endet, verbunden. Die Leiteranordnung 122 ist Teil eines Bussystems bzw. in ein Bussystem einbindbar. In einer Abwandlung sind die Anschlüsse 44a, 44b, 44c der Flächensensoren nicht über ein Bussystem mit- bzw. untereinander verbunden, sondern weist die Leiteranordnung 122 eine Vielzahl von Adern auf, die jeweils einem Anschluss 44a, 44b, 44c zugeordnet sind. Die Anschlüsse 118a, 1 19a, 122a, 136a sind über einen Kabelstrang 140 mit Anschlüssen 150a einer elektronischen Steuereinheit (CTR) 150 verbindbar. Die Steuereinheit 150 ist ausgelegt, die Ausgänge der Flächensensoren 134 auszuwerten, daraus ein Temperaturprofil der Elektrodenanordnung 100 zu ermitteln, das Temperaturprofil beispielsweise mit Normalwerten,
Schwellenwerten und Alarmkriterien zu vergleichen und hieraus eine
Zustandsprognose zu gewinnen. Die Auswertung erfolgt segmentweise und kann dabei auch zeitliche Verläufe mit einbeziehen. Falls die Zustandsprognose ergibt, dass eine vorbestimmte Zündbedingung erfüllt ist, sendet die
Steuereinheit 150 ein Signal an denjenigen RMS-Streifen 32 der
Reaktivanordnung 120, der dem defekten Segment zugeordnet ist, woraufhin das zugeordnete Schaltelement 44 (Fig. 4, 5 oder 7) einen Zündimpuls erzeugt, der den RMS-Streifen 32 zündet. Es versteht sich, dass die vorgegebene Zündbedingung je nach Anwendungsfall und Steuerungsstrategie festzulegen ist. Eine Zündbedingung kann z. B., aber nicht nur, sein, dass ein Segment der Galvanischen Anordnung in der Weise defekt ist, dass die gesamte Galvanische Anordnung davon in Mitleidenschaft gezogen werden kann Durch die exotherme Reaktion des RMS-Streifens 32 wird das defekte Segment zerstört. Die durch Reaktion des RMS-Streifens 32 erzeugte thermische Energie ist dabei so ausgelegt, dass entweder der Stromfluss in das bzw. aus dem Segment unterbrochen wird oder die Umwandlung chemischer in elektrische oder elektrischer in chemische Energie außer Funktion gesetzt wird oder das Energiespeichervermögen des Segments außer Kraft gesetzt wird, ohne einen Kurzschluss zwischen den Kollektorschichten des Segments zu erzeugen.
Insbesondere, aber nicht nur, ist die thermische Energie der Reaktion des RMS- Streifens 32 so ausgelegt, dass in dem entsprechenden Segment - die lonenleitfähigkeit der Separatorschicht 1 13 verloren geht (unter
Beibehaltung ihrer elektrischen Nichtleitereigenschaft), etwa durch Ver- oder Anschmelzen und demzufolge Zusetzen von Poren eines
mikroporösen Werkstoffs, oder
- die lonen-lnterkalationsfähigkeit bzw. die loneneinlagerungsfähigkeit bzw. die lonenbindungskraft der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht verloren geht, oder
- die dem RMS-Streifen 32 nähere Kollektorschicht verdampft oder zu
einem Nichtleiter reagiert (ggf. mit einem zu diesem Zweck
vorzusehenden Reaktionspartner in einer der Kollektorschicht
benachbarten Schicht), oder
- der gesamte Aufbau der Galvanischen Anordnung 1 10 verdampft oder durchgeschmolzen wird, sodass die Schadstelle quasi aus dem
Schichtaufbau herausgeschmolzen wird. wobei die erzielte Wirkung jeweils auf das betroffene Segment beschränkt bleibt.
Es versteht sich, dass der Schichtaufbau einer Reaktivanordnung 120 in der Elektrodenanordnung 100 jedem beliebigen der in Fign. 1 bis 7 dargestellten, oben beschriebenen Ausführungsbeispiele mit ihren Abwandlungen entsprechen kann. Insbesondere ist die Anwendung der Erfindung nicht auf RMS-Streifen in Segmentbreite beschränkt. Die Reaktivanordnung 120 kann mehrere Streifen je Segment aufweisen, sie kann eine ggf. sehr fein gerasterte, zweidimensionale Matrixanordnung von RMS-Gebieten aufweisen. So können auch kleine Flächen der Galvanischen Anordnung 1 10 gezielt zerstört werden, während umgebende Flächen funktionsfähig bleiben.
Fig. 13 zeigt in einer teilweise geschnittenen Draufsicht eine abgewandelte Elektrodenanordnung 100 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Elektrodenanordnung 100 ist eine Abwandlung des vorherigen Ausführungsbeispiels; es werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche bzw. entsprechende Bauelemente verwendet. Die Schnittebene ist eine horizontale, d. i. zu einer Ebene x-z parallele Ebene, die oberhalb der Galvanischen
Anordnung 110 durch Ableitfahnen 111a, 115a hindurch verläuft. (Die
Ableitfahnen 111a, 115a werden, obschon aus Verlängerungen der
Kollektorfolien 111 , 115 ausgebildet, hier begrifflich nicht Teil der Galvanischen Anordnung 110 selbst behandelt, da sie an der Reaktion der Galvanischen Anordnung 110 nicht teilhaben.)
Der Aufbau der Elektrodenanordnung 100 entspricht im Wesentlichen demjenigen im vorherigen Ausführungsbeispiel. D. h., eine Galvanische
Anordnung 110 ist zwischen einer Reaktivanordnung 120 und einer
Sensoranordnung 130 angeordnet. Die Reaktivanordnung 120 ist eine RMS- Anordnung entsprechend der Darstellung in Fign. 1 und 2 mit einer
Trägerschicht 20, die hier eine Funktionsschicht 40 enthält, und einer
Reaktivmultischicht (RMS), die in Form von voneinander getrennten Streifen 32 auf der Trägerschicht 20 ausgebildet ist. Die Sensoranordnung 130 weist eine Trägerschicht 132 sowie eine Mehrzahl von Flächensensoren 132 auf, die in etwa den RMS-Streifen 32 der Reaktivanordnung 130 gegenüberliegen und in etwa den gleichen Flächenbereich abdecken. Der von den RMS-Streifen 32 und den Flächensensoren 132 abgedeckte Flächenbereich markiert die Segmente der Elektrodenanordnung, sodass Segmentbegrenzungen B jeweils zwischen diesen Flächenbereichen definiert sind.
Die Galvanische Anordnung 110 weist in der angegebenen Reihenfolge eine erste Kollektorschicht 111 mit ersten Ableitfahnen 111a, eine erste
Elektrodenschicht 112, eine Separatorschicht 113, ein zweite Elektrodenschicht 114 und eine zweite Kollektorschicht 115 mit zweiten Ableitfahnen 115a auf. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann die erste Elektrodenschicht 112 als Anodenschicht und kann die zweite Elektrodenschicht 114 als
Kathodenschicht beschrieben werden; für Funktion und Materialauswahl gilt das dort Gesagte entsprechend. Eine abschließende Isolationsschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt und kann auch wegfallen. Die Flächensensoren 132 der Sensoranordnung 130 können mit einem
Isolatormaterial beschichtet sein.
Die Separatorschicht 1 13 ist in Richtung der Ortskoordinaten x durchgehend ausgebildet. Die Kollektorschichten 1 1 1 , 1 15 und die Elektrodenschichten 1 12, 1 4 sind dagegen dergestalt diskontinuierlich ausgebildet, dass jeweils entweder die Elektrodenschichten 1 12, 1 14 im Bereich einer
Segmentbegrenzung B unterbrochen sind und erste Kollektorschicht 1 1 1 und die zweite Kollektorschicht 1 15 abwechselnd im Bereich der
Segmentbegrenzung unterbrochen sind. Die Lücken in den unterbrochenen Bereichen können mit Separatormaterial oder Elektrolytmaterial aufgefüllt sein.
Die Materiallücken im Bereich der Segmentgrenzen B erleichtern eine Faltung bzw. Wicklung der Elektrodenanordnung 100 dieses Ausführungsbeispiels. In der fertigen Faltung oder dem fertigen Wickel liegen alle ersten Ableitfahnen 1 1 1a an einer Ecke und alle zweiten Ableitfahnen 1 15a in einer Flucht in Richtung der Dicke z. Die Verbindung der Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a, in den vorherigen Ausführungsbeispielen durch Anschlüsse 104, 106 und Leitungen 1 18, 1 19 symbolisiert, kann durch einfaches Aufeinanderpressen, Klemmen, Klammern, Verlöten, Vernieten oder dergleichen der fluchtenden Ableitfahnen 1 1 1 a, 1 15a erfolgen. Falls im Bereich der Segmentgrenzen B, an denen der Elektrodenaufbau jeweils um 180° zu biegen ist, in den jeweils äußeren
Schichten Leitungen verlaufen, kann eine übermäßige Streckung der Leitungen durch geeignete Formgebung, etwa durch schräge oder mäanderförmige Ausbildung, vermieden werden.
Ein nicht näher dargestelltes Herstellungsverfahren für eine
Elektrodenanordnung 100 gemäß vorstehender Beschreibung enthält eines der in Fign. 8A ff. und 9A ff. dargestellten Herstellungsverfahren für ein exothermes Element, das eine Reaktivanordnung 120 der Elektrodenanordnung 100 bildet, oder eine Abwandlung davon. Weitere Verfahrensschritte zur Herstellung sonstiger Teile der Elektrodenanordnung 100, insbesondere der Galvanischen Anordnung 10 oder der Sensoranordnung 130, sind allgemein bekannt und werden hier nicht näher erläutert. Dabei kann die Galvanische Anordnung 110 als Trägerschicht bzw. Trägerfolie für die Reaktivanordnung dienen. Fig. 14 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Batterieblock 200 mit einem Batteriemanagementsystem 250 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Batterieblock 200 weist eine Mehrzahl von Flachzellen 210 auf, die an ihrer Oberseite jeweils einen positiven Zellenpolanschluss 212, einen negativen Zellenpolanschluss 214 und einen Zellensignalanschluss 216 aufweisen. Die Flachzellen 210 sind mit abwechselnder Pollage (+, -) in dem Batterieblock 200 angeordnet und über Zellverbinder 218, die jeweils einen positiven
Zellenpolanschluss 212 einer Flachzelle 210 mit einem negativen
Zellenpolanschluss 214 einer benachbarten Flachzelle 210 verbinden, in Reihe miteinander verbunden.
Die Flachzellen 210 weisen, obschon in der Figur nicht näher dargestellt, einen aktiven Teil und eine Zelleinhausung auf. Der aktive Teil der Flachzellen 210 weist jeweils eine Elektrodenanordnung auf, die wie oben im Zusammenhang mit Fign. 10 ff. beschrieben aufgebaut ist und insbesondere eine galvanische Anordnung in gewickelter, gefalteter oder gestapelter Folienbauweise, eine gerasterte Reaktivanordnung (exothermes Bauelement) und eine
Sensoranordnung (Infrarot-CCD-Sensor) aufweist. Die positiven Ableitfahnen der Elektrodenanordnung sind mit dem positiven Zellenpolanschluss 212 der Flachzelle 210 verbunden, und die negativen Ableitfahnen der
Elektrodenanordnung sind mit dem negativen Zellenpolanschluss 214 der Flachzelle 210 verbunden. Ferner sind eine Leiteranordnung zur Ansteuerung von Schaltelementen der Reaktivanordnung und eine Leiteranordnung zur Ansteuerung der Sensoranordnung mit einer nicht näher dargestellten
Zellenlogik verbunden, die über Einrichtungen zur Identifikation der Flachzelle 210, zur Pufferung und Übertragung von Signaldaten, zur Erzeugung eines Zündbefehlssignals und zur Übertragung des Zündbefehlssignals an ein
Schaltelement der Reaktivanordnung verfügt. Die Zellenlogik, die eine integrierte Schaltung aufweist, ist mit dem Zellensignalanschluss 216 und mit den
Zellenpolanschlüssen 212, 214 verbunden.
Die Flachzellen 210 werden durch einen Blockrahmen gehalten, von welchem in der Figur nur ein Unterteil 220 dargestellt ist. Das Blockrahmen-Unterteil 220 weist auch eine Kühlmittelverteilung zur Temperierung der Flachzellen 210 auf. Ein Kühlmittelvorlaufanschluss 222 und ein Kühlmittelrücklaufanschluss 224 der Kühlmittelverteilung sind mit einer Kühlmittelpumpe 226 verbunden.
An der in der Figur rechts äußersten Flachzelle 210 ist ein Blocksteuergerät (CTR) 230 angeordnet. Das Blocksteuergerät 230 verfügt über Einrichtungen zur Identifikation des Batterieblocks 200, zur Pufferung und Übertragung von Signaldaten, zum Ladungsausgleich (Balancing) zwischen den Flachzellen 210, zur Steuerung des Kühlkreislaufs und zur Erzeugung einer
Versorgungsspannung für die Zellen log iken. Die Zellenlogik weist eine integrierte Schaltung, einen internen Signalanschluss 232, einen externen Signalanschluss 234 und einen Pumpensignalanschluss 236 auf. Der interne Signalanschluss 232 ist über einen Blockbus 238 mit den
Zellensignalanschlüssen 216 der Flachzellen 210 verbunden. Der
Pumpensignalanschluss 236 ist über eine Pumpensignalleitung 228 mit der Kühlmittelpumpe 226 verbunden. Eine strichpunktierte Linie 240 in der Figur symbolisiert eine Systemgrenze des Batterieblocks 200. An der Systemgrenze 240 sind ein positiver
Blockpolanschluss 242, ein negativer Blockpolanschluss 244 und ein
Blocksignalanschluss 246 angeordnet. Der positive Blockpolanschluss 242 ist mit dem positiven Zellenpolanschluss 212 der rechts äußersten Flachzelle 210 verbunden, der negative Blockpolanschluss 244 ist mit dem negativen
Zellenpolanschluss 214 der links äußersten Flachzelle 210 verbunden, und der Blocksignalanschluss 246 ist mit dem Signalanschluss 234 des Blocksteuergeräts 230 verbunden. Alle Blockanschlüsse 232, 234, 236 können beispielsweise, aber nicht nur, durch eine vielpolige
Blocksystemanschlussbuchse verkörpert sein. Der Batterieblock 200 ist mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) 250 verbunden. Das Batteriemanagementsystem 250 weist mehrere positive Eingänge 252, mehrere negative Eingänge 254 und mehrere Signalein- /ausgänge 256 auf; dabei können jeweils ein positiver Eingang 252, ein negativer Eingang 254 und ein Signalein-/ausgang 256 zu einem vielpoligen Systemanschluss zusammengefasst sein. Ferner weist das
Batteriemanagementsystem 250 einen negativen Gesamtausgang 261 , der an Masse liegt, einen ersten positiven Ausgang 263, der ein erstes
Spannungspotential Ui bereitstellt, einen zweiten positiven Ausgang 265, der ein zweites Spannungspotential U2 bereitstellt, und einen Signalausgang 267 auf.
Der positive Blockpolanschluss 242 des Batterieblocks 200 ist mit einem positiven Eingang 252 des Batteriemanagementsystems 250 verbunden, der negative Blockpolanschluss 244 des Batterieblocks 200 ist mit einem negativen Eingang 254 des Batteriemanagementsystems 250 verbunden, und der Blocksignalanschluss 246 des Batterieblocks 200 ist mit einem Signalein- /ausgang 256 des Batteriemanagementsystems 250 verbunden.
Das Batteriemanagementsystem 250 ist als elektronische Rechner- bzw.
Steuereinheit aufgebaut. Es weist Einrichtungen zur Umwandlung von
Spannungen, zur Pufferung, Speicherung und Übertragung von Signaldaten, zum Auswerten von Signaldaten, zur Erzeugung von Anzeigesignalen und zur Erzeugung von Befehlssignalen auf. Ein Verfahren zum Überwachen des Batterieblocks 210 ist über die Ebenen des Batteriemanagementsystem 250, des Blocksteuergeräts 230 und der einzelnen Zellenlogiken (nicht näher dargestellt) verteilt. Im Rahmen dieser Anmeldung ist nur auf die Verarbeitung von Sensordaten von Sensoranordnungen in den Flachzellen 210 und zur Ansteuerung von Reaktivanordnungen in den
Flachzellen 210 einzugehen. Verfahren zum Batteriemanagement allgemein einschließlich Alterungsmanagement, Zellenbalancing, Temperierung etc., die ebenfalls über die genannten Ebenen verteilt sein können, sind nicht
Gegenstand dieser Anmeldung und werden hier nicht näher erläutert.
Ausgangssignale der CCD-Sensoren der Flachzellen 210 werden in den
Zellenlogiken gepuffert und über den Blockbus 238 an das Blocksteuergerät 230 übertragen bzw. von diesem abgerufen. Die Ausgangssignale der CCD- Sensoren liegen als Datensatz mit einer Zellenkennung der individuellen
Flachzelle 210, einem Zeitstempel, sowie für jeden einzelnen CCD-Sensor der Sensoranordnung einer Sensorkennung, gefolgt von Ortskoordinaten und einem Spannungswert für jede in dem Sensor vorhandene Fotodiode. Die
Spannungswerte können ggf. vor der Übertragung normiert und/oder auf ein gröberes Raster gemittelt werden. Die Spannungswerte können auch über einen vorbestimmten Zeitraum integriert bzw. summiert und dann normiert werden. Es kann auch für jeden Sensor der Sensoranordnung nur ein Mittelwert der
Ausgangssignale gebildet, gepuffert und übertragen werden. Falls die
Sensoranordnung einer Flachzelle nur einen einzigen Sensor aufweist, kann die Sensorkennung wegfallen. Anstelle von Ortskoordinaten kann auch ein Zähler für jede Fotodiode verwendet werden, die später in Ortskoodinaten umgerechnet werden kann. Die Ausgangssignale der CCD-Sensoren werden in dem Blocksteuergerät 230 gepuffert und an das Batteriemanagementsystem 250 übertragen bzw. von diesem abgerufen. Ein an das Batteriemanagementsystem 250 übertragener Datenblock weist die gepufferten Ausgangssignale der CCD-Sensoren aller Flachzellen 210 des Batterieblocks 200 mit einem vorbestimmten Zeitstempel und einer Blockkennung des Batterieblocks 200 auf. Auch auf dieser Ebene können die Sensorsignale vor der Übertragung gemittelt und/oder zeitlich integriert bzw. summiert und/oder normiert werden. Die Auswertung der Ausgangssignale der CCD-Sensoren erfolgt in dem
Batteriemanagementsystem 250. Dort werden die Ausgangssignale über einen vorbestimmten Zeitraum, ggf. über die Lebensdauer jeder Flachzelle 210, gespeichert, mit Last- oder Ladezyklen in Beziehung gesetzt, mit Sollwerten bzw. Sollbereichen verglichen etc. Zeigen die Ausgangssignale der CCD- Sensoren an, dass ein bestimmtes Gebiet eines Elektrodenaufbaus einer Flachzelle 210 fehlerhaft ist, beurteilt das Batteriemanagement 250 anhand vorbestimmter Szenarien, ob der Fehler dauerhaft ist und ob der Fehler kritisch ist. Das Vorhandensein eines Fehlers kann beispielsweise, aber nicht nur, anhand des Temperaturverlaufs in zeitlicher Hinsicht und der
Temperaturverteilung in der zweidimensionalen Matrix der Sensoranordnung beurteilt werden; ergänzend können weitere Kriterien wie etwa ein Lastzustand, eine Zellenspannung und dergleichen herangezogen werden. Der Fehler kann insbesondere, aber nicht nur, als kritisch beurteilt werden, wenn die
Ausgangssignale der CCD-Sensoren erkennen lassen, dass er sich auf angrenzende Gebiete des Elektrodenaufbaus ausweitet. Die Kritizität des Fehlers kann in Stufen eingeteilt sein: eine hohe Kritizität kann beispielsweise, aber nicht nur, dadurch gekennzeichnet sein, dass sich der Fehler schnell ausbreitet oder dass die Art des Fehlers ein zeitnahes "Durchgehen" oder einen Kurzschluss der Zelle befürchten läßt. Die Dauerhaftigkeit eines Fehlers kann beispielsweise, aber nicht nur, durch gezielte Ansteuerung der Flachzelle 210, durch Fahren von Erholungszyklen mit verringerter Last oder dergleichen, beurteilt werden; ggf. kann das Batteriemanagement 250 feststellen, dass sich das Gebiet wieder erholt hat.
Entscheidet das Batteriemanagementsystem 250, dass ein Fehler kritisch und dauerhaft ist oder dass ein Fehler zwar nicht dauerhaft, aber hoch kritisch ist, sendet das Batteriemanagementsystem 250 ein Befehlssignal an das
Blocksteuergerät 230, ein oder mehrere Gebiete eines oder mehrerer Segmente der Elektrodenanordnung der betroffenen Flachzelle 210 zu zerstören. Das Blocksteuergerät 230 entscheidet anhand des von dem Batteriemanagementsystem 250 empfangenen Befehlssignals, welche Gebiete (Streifen oder Pixel) welches Segment der zugehörigen Reaktivanordnung zu zünden sind, und sendet einen Befehlssatz, der die Zellenkennung der betroffenen Flachzelle 210, die Segmentkennung(-en) des/der betroffenen Segments/Segmente und die Ortskoordinaten (x, y) der zu zündenden Gebiete der Reaktivanordnung enthält, über den Blockbus 238. Die zu zündenden Gebiete der Reaktivanordnung können außer der Fehlerstelle selbst auch einen gewissen Sicherheitsabstand um die Fehlerstelle herum umfassen. Die
Zellenlogik der betroffenen Flachzelle 210 erkennt anhand der Zellenkennung, dass sie betroffen ist, und erzeugt Schaltsignale für die Schaltelemente der betroffenen Gebiete der Reaktivanordnung mit den entsprechenden
Ortskoordinaten x, y. Die durch ein Schaltsignal angesteuerten Schaltelemente erzeugen jeweils einen Zündimpuls, um das zugehörige Gebiet der
Reaktivanordnung zu zünden.
Die gezündeten Gebiete der Reaktivanordnung reagieren exotherm und zerstören die zugehörigen Gebiete der Elektrodenanordnung, ohne benachbarte Gebiete anzugreifen. Die nicht betroffenen Gebiete der Elektrodenanordnung bleiben intakt und können ihre Funktion weiter erfüllen. Die betroffene Flachzelle 210 bleibt, je nach Umfang des Fehlers und je nach Grob- bzw. Feinheit des
Rasters der Reaktivmultischicht in der Reaktivanordnung, mit mehr oder weniger verringerter Kapazität in Betrieb. Die Lebensdauer der Flachzelle 210 kann erheblich gesteigert werden. Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele und einige Abwandlungen in ihren wesentlichen
Merkmalen beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in dem durch die Patentansprüche definierten Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, wie es nachstehend angedeutet ist. Auf Schalt- und/oder Sensorelemente kann verzichtet werden, wenn die
Reaktivmultischicht so ausgelegt ist, dass die RMS-Gebiete bei Vorliegen einer vorbestimmten Zündbedingung selbsttätig reagieren. Als Zündbedingung eignet sich z. B., aber nicht nur, das Vorliegen einer vorbestimmten Temperatur oder eines vorbestimmten Potentials an einer Kollektorfolie.
Die Trägerfolie 20 ist den Ausführungsbeispielen aus einem Polyimidmaterial hergestellt. In Abwandlungen der Erfindung können auch andere geeignete Materialien als Trägerfolie verwendet werden. Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung einer dezidierten Trägerfolie beschränkt. Vielmehr kann eine gerasterte Reaktivmultischicht als exothermes Bauelement direkt auf ein Bauteil aufgebracht werden; das Bauteil ist dann ein Träger im Sinne der Erfindung.
Als Beispiel für eine Materialpaarung einer Reaktivmultischicht wurden in den Ausführungsbeispielen Nickel und Aluminium verwendet. Eine andere bekannte Materialpaarung für eine exotherme, reaktive Multischicht, die sich auch für eine Anwendung im Nanobereich eignet, weist Titan und Aluminium auf. Die
Erfindung ist nicht auf diese speziellen Materialpaarungen beschränkt. Die Erfindung ist in ihrer Anwendbarkeit nicht auf Lithium-Ionen-Sekundärzellen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auf jede andere Elektroenergiezelle angewendet werden, beispielweise, aber nicht nur, wie sie bereits in der Einleitung zu dieser Beschreibung erwähnt wurden. Die Erfindung ist nicht auf Elektrodenanordnungen mit einseitig angeordneten Ableitfahnen, wie in den Figuren dargestellt, beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung beispielsweise, aber nicht nur, auch auf Elektrodenanordnungen angewendet werden, bei denen die Ableitfahnen einer ersten Art (z.B. positive Ableitfahnen) von einer Seite abragen und die Ableitfahnen der anderen Art (z. B. negative Ableitfahnen) von der gegenüberliegenden Seite abragen. Solche Elektrodenanordnungen können derart ausgeführt sein, dass die Ableitfahnen als durchgehende Ränder ausgebildet sind, da dann, wenn die Elektrodenanordnung gewickelt oder gefaltet wird, stets nur Ableitfahnen einer Art an einer Seite vorhanden sind. Ein Ausklinken, um laschenartige
Ableitfahnen auszubilden, ist dann nicht erforderlich. Die Erfindung ist nicht auf gewickelte oder gefaltete Elektrodenanordnungen beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung beispielsweise, aber nicht nur, auch auf gestapelte Elektrodenanordnungen angewendet werden. Dazu kann beispielsweise, aber nicht nur, eine Elektrodenanordnung wie in Fign. 10 ff. dargestellt an den Segmentgrenzen geschnitten werden, sodass geschnittene Blätter gleicher Breite ausgebildet werden, von denen jedes Blatt eine
Elektrodenanordnung im Sinne der Erfindung ist, und können diese Blätter dann gestapelt, eingehaust und konfektioniert werden. In weiteren Abwandlungen kann ein Blatt mehrere Segmente aufweisen. Das Batteriemanagementsystem 250 kann nur ein Spannungspotential oder kann mehr als zwei verschiedene Spannungspotentiale bereitstellen. Die Verteilung der Steuerungsebenen zwischen Batteriemanagementsystem 250, Blocksteuergerät(-en) 230 und Zellenlogiken kann sowohl in Richtung stärkerer Zentralisierung als auch in Richtung stärkerer Dezentralisierung von der dargestellten Hierarchie abweichen.
Alternativ zu einer Reaktivmultischicht ist auch das direkte Durchbrennen der Galvanischen Anordnung durch Laser-Dioden, die in der Funktionsschicht (Schaltungschicht) angeordnet sind, denkbar.
Die Erfindung ist schließlich nicht auf die in den vorstehenden
Ausführungsbeispielen und Abwandlungen erläuterten und in den Figuren dargestellten Merkmalskombinationen beschränkt. Alle Merkmale aller
Ausführungsbeispiel und Abwandlungen sind untereinander kombinierbar, sofern sich aus vorstehender Beschreibung nichts Gegenteiliges ergibt. Zusammengefasst weist ein exothermes Bauelement eine Reaktivmultischicht auf, die rasterförmig auf einem Träger angeordnet ist. Das exotherme
Bauelement kann in einem Elektrodenaufbau einer Galvanischen Zelle mit Elektrodenschichten, einer Separatorschicht und Stromsammeischichten eingebunden sein. Zusätzlich kann eine matrixartige Sensoranordnung in dem Elektrodenaufbau vorgesehen sein. Anhand von Ausgangssignalen der
Sensoranordnung können Fehlerstellen im Elektrodenaufbau erkannt werden. Durch Zündung ausgewählter Gebiete des RMS-Rasters, die exotherm reagieren, können die Fehlerstellen gezielt zerstört werden. Die Erfindung stellt somit eine wirksame Hot-Spot-Sicherung für Galvanische Zellen zur Verfügung.
Die RMS-Anordnung 10 und die Reaktivanordnung 120 sind exotherme
Bauelemente im Sinne der Erfindung. Die Trägerschicht 20 ist ein Träger im Sinne der Erfindung. Auch eine Funktionsschicht oder die Galvanische
Anordnung 110 kann ein Träger im Sinne der Erfindung sein. Die Streifen 32 bzw. die Flecken 32' sind Gebiete im Sinne der Erfindung und bilden eine diskontinuierliche, rasterförmige Anordnung (eindimensionales bzw.
zweidimensionales Raster) einer Reaktivmultischicht im Sinne der Erfindung. Schaltelemente 42 mit ihren Einzelteilen 42a, 42d sind Schaltelemente im Sinne der Erfindung.
Die Elektrodenanordnung 100 ist ein Elektrodenaufbau im Sinne der Erfindung. Kollektorschichten 111 , 115 sind Stromsammeischichten im Sinne der
Erfindung. Die Sensoranordnung 130 ist eine zweite Funktionsschicht im Sinne der Erfindung. Fotodioden 134c sind Sensorelemente im Sinne der Erfindung.
Die Flachzellen 210 sind Elektroenergiezellen im Sinne der Erfindung. Der Batterieblock 200 ist eine Zellenanordnung im Sinne der Erfindung. Das
Batteriemanagementsystem 250 kann eine Ansteuerungslogik und eine
Auswertungslogik im Sinne der Erfindung sein. Ebenso kann das
Blocksteuergerät 230 oder kann eine Zellenlogik (nicht näher dargestellt) eine Ansteuerungslogik und eine Auswertungslogik im Sinne der Erfindung Blocksteuergerät 230 ist eine Steuerlogik im Sinne der Erfindung.
Liste der Bezugszeichen:
10 RMS-Anordnung
20 Trägerfolie
30 Reaktivmultischicht
32 Streifen
32' Flecken
33 Gräben
34 erste Einzelschicht
35 zweite Einzelschicht
36 Reaktionszone bzw. Reaktionsfront
36a, 36b Grenzflächen
38 Mischmaterial
40 Funktionsschicht
42 Schaltelement
42a Schaltnetz
42b Schalttransistor
42c Operationsverstärker
42d Laserdiode
43 Leitung
44 Anschluss
44a, 44b, 44cAnschlüsse
46 Fuß
48 Schirmungsschicht
49 Leiterschicht
50 Füllmaterial
52 Oberfläche
60 Erdungsschicht
64 Anschluss
70 Maske
72 erstes Reaktivmaterial
73 zweites Reaktivmaterial
74 Füllmaterial 76 Maske
78 Ätzmittel
100 Elektrodenanordnung
102 Schichtanordnung
104 Negativer Kontakt
106 Positiver Kontakt
1 10 Galvanische Anordnung
111 Erste (negative) Kollektorschicht (Stromsammeischicht)
1 1 1 a Erste (negative) Ableitfahne
1 12 Erste (negative) Elektrodenschicht
1 13 Separatorschicht
1 14 Zweite (positive) Elektrodenschicht
115 Zweite (positive) Kollektorschicht (Stromsammeischicht)
115a Zweite (positive) Ableitfahne
1 16 Elektrolytschicht
118 Anodenverbindungsleitung
1 18a Anodenanschluss
1 19 Kathodenverbindungsleitung
1 19a Kathodenanschluss
120 Reaktivanordnung
122 Leiteranordnung
122a RMS-Anschluss
130 Sensoranordnung
132 Trägerfolie
134 Flächensensor
134a, 134b Anschlüsse
134c (IR-)Fotodiode
136 Leiteranordnung
136 Sensoranschluss
140 Kabelstrang
150 Elektronische Steuereinheit
150a Anschlüsse
200 Batterieblock 210 Flachzelle
212, 214 Zellenpolanschlüsse
216 Zellensignalanschluss
218 Zellenverbinder
220 Blockrahmen
222 Kühlmittelvorlauf
224 Kühlmittelrücklauf
226 Kühlmittelpumpe
228 Pumpensignalleitung
230 Blocksteuergerät
232 interner Signalanschluss
234 externer Signalanschluss
236 Pumpensignalanschluss
238 Blockbus
240 Systemgrenze
242 positiver Blockpolanschluss
244 negativer Blockpolanschluss
246 Signalanschluss
250 Steuergerät
252 positiver Eingang
254 negativer Eingang
256 Signalein-/ausgang
A Lichtbogen
B Segmentbegrenzung
I Strom (Impulsstrom)
L Laserimpuls
Q Wärme(-strom)
Ui Zündspannung
Ui , U2 Spannungpotentiale
S Signal v Ausbreitungsgeschwindigkeit x, y Ortskoordinaten
z Dickenrichtung
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste integraler Bestandteil der Beschreibung ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Exothermes Bauelement mit einer Reaktivmultischicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivmultischicht rasterförmig auf einem Träger angeordnet ist.
Exothermes Bauelement gemäß Anspruch 1 , weiter gekennzeichnet durch eine Funktionsschicht zur Ansteuerung der reaktiven Multischicht, wobei die Funktionsschicht vorzugsweise eine matrixförmige Anordnung von Schaltelementen, insbesondere Dünnschichttransistoren aufweist, wobei die matrixförmige Anordnung von Schaltelementen mit der rasterförmigen Anordnung der reaktiven Multischicht korreliert.
Elektrodenaufbau mit einer Abfolge einer ersten Elektrodenschicht, einer Separatorschicht und einer zweiten Elektrodenschicht, wobei die erste Elektrodenschicht mit einer ersten Stromsammeischicht in Verbindung steht und wobei die zweite Elektrodenschicht mit einer zweiten
Stromsammeischicht in Verbindung steht, wobei die Separatorschicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenaufbau ein exothermes Bauelement gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch eine zweite Funktionsschicht mit einer matrixförmigen Anordnung von
Sensorelementen, wobei die Sensorelemente ausgelegt sind,
Betriebsparameter des Elektrodenaufbaus wie etwa eine Temperatur zu sensieren.
5. Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Funktionsschicht in eine Funktionsschicht des exothermen Bauelements integriert ist. 6. Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die matrixförmige Anordnung der Sensorelemente mit der matrixförmigen Anordnung der Schaltelementen oder der rasterförmigen Anordnung der reaktiven ultischicht korreliert. 7. Elektroenergiezelle, insbesondere galvanische Zelle, vorzugsweise
Sekundärzelle, gekennzeichnet durch einen Elektrodenaufbau gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6.
8. Elektroenergiezelle gemäß Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch eine Ansteuerungslogik zur Ansteuerung der Schaltelemente.
9. Elektroenergiezelle gemäß Anspruch 7 oder 8, weiter gekennzeichnet durch eine Auswertungslogik zur Auswertung der Sensorausgänge. 10. Zellenanordnung mit einer Mehrzahl von Elektroenergiezellen gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere mit einer Steuerlogik, die mit Auswertungslogiken und/oder Ansteuerungslogiken der
Elektroenergiezellen der Zellenanordnung in Verbindung steht. 11. Zellenanordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungslogiken und/oder die Ansteuerungslogiken der
Elektroenergiezellen wenigstens teilweise in der Steuerlogik der
Zellenanordnung verwirklicht sind. 12. Verfahren zum Herstellen eines exothermen Bauelements, insbesondere gemäß Anspruch 1 , mit den Schritten: - Bereitstellen eines Trägers; und
- Aufbringen einer Reaktivmultischicht auf dem Träger in rasterförmig
definierten Gebieten.
13. Verfahren zum Herstellen eines exothermen Bauelements, insbesondere gemäß Anspruch 1 , mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Trägers;
- Aufbringen einer Reaktivmultischicht auf dem Träger; und.
Ausbilden von Gräben in der Reaktivmultischicht, um die
Reaktivmultischicht in rasterförmig definierten Gebieten zu belassen.
14. Verfahren zum Ansteuern einer Elektroenergiezelle gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 oder einer Zellenanordnung gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , mit den Schritten: - Beurteilen, ob eine Fehlstelle in einem Elektrodenaufbau einer
Elektroenergiezelle vorliegt;
- Feststellen eines Orts der Fehlstelle, ausgedrückt vorzugsweise in
zweidimensionalen Koordinaten; und
- Aktivieren wenigstens eines Schaltelements, um einen Zündimpuls an ein Gebiet oder mehrere Gebiete der Reaktivmultischicht zu leiten, das oder die den Koordinaten des Orts der Fehlstelle entspricht oder entsprechen.
15. Verfahren zum Ansteuern einer Elektroenergiezelle gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beurteilungsschritt den Schritt aufweist: - Verarbeiten von Ausgangssignalen von Sensorelementen.
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