EP3143652A2 - Batterieeinheit mit einer mehrzahl von elektrochemischen zellen sowie batteriemodul mit einer mehrzahl von batterieeinheiten - Google Patents

Batterieeinheit mit einer mehrzahl von elektrochemischen zellen sowie batteriemodul mit einer mehrzahl von batterieeinheiten

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EP3143652A2
EP3143652A2 EP15719464.8A EP15719464A EP3143652A2 EP 3143652 A2 EP3143652 A2 EP 3143652A2 EP 15719464 A EP15719464 A EP 15719464A EP 3143652 A2 EP3143652 A2 EP 3143652A2
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EP
European Patent Office
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electrochemical cells
battery unit
battery
outer shell
barrier
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15719464.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Silvan Poller
Holger Reinshagen
Rudi Kaiser
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Battery module with a plurality of battery units
  • the invention relates to a battery unit comprising a plurality of electrically interconnected electrochemical cells, each having an electrode assembly having a KathordenCount réelleselement and a AnodenCAM istselement, and an arrangement space enclosing outer shell, in which the electrochemical cells are arranged.
  • the invention relates to a battery module with a plurality of electrically interconnected battery units.
  • Battery cells with a plurality of electrically interconnected electrochemical cells are known in different configurations in the prior art.
  • battery modules are known which a
  • Lithium-ion cells can be designed in particular as so-called round cells, as prismatic cells or as so-called pouch cells.
  • the lithium-ion cells have an electrode arrangement with a cathode contact element and an anode contact element.
  • cylindrical cell coils for round cells, prismatic flat coils for prismatic cells and so-called Cell stack known.
  • Such an electrode arrangement comprises a cathode material, an anode material, a separator and an electrolyte.
  • a battery unit is to be provided, which has a higher energy density, that is, with the same capacity and power as a conventional battery unit has smaller dimensions and thus takes up less space.
  • a battery unit comprising a plurality of electrically interconnected electrochemical cells, each having an electrode assembly with a KathordenCount réelleselement and a AnodenCAM istselement, and an arrangement space enclosing outer shell, in which the electrochemical cells are arranged, proposed, wherein the outer shell as Moisture barrier and is designed as a chemical barrier and the individual electrochemical cells each comprise an electrically insulating insulating sheath surrounding the respective electrode assembly.
  • the electrode assemblies are lithium-based electrode assemblies.
  • the electrode assemblies of the electrochemical cells advantageously electrically isolated from each other.
  • the insulating sheath itself does not assume the function of a moisture barrier and / or a chemical barrier, but advantageously serves for ionic isolation, so that the electrode arrangements are not unintentionally short-circuited.
  • the interconnection of the electrochemical cells advantageously takes place via the cathode contacting elements as well as the anode contacting elements of the electrode arrangements.
  • the battery unit itself has led out of the outer shell contacting elements for contacting the battery unit.
  • electrochemical cells battery cells according to the invention in particular secondary battery cells, particularly preferably lithium-ion cells are provided, wherein the electrochemical cells with the surrounding outer shell have a common moisture barrier and chemical barrier and not each electrochemical cell itself each such a moisture barrier and / or has chemical barrier.
  • the weight of a battery unit according to the invention is advantageously reduced, which advantageously contributes to a higher energy density.
  • an essential aspect of the present invention is that the electrode assembly itself is not surrounded by a metal-based shell, wherein the insulation shell itself is not a moisture barrier and no chemical barrier, so moisture and / or an electrolyte can diffuse through the insulation shell.
  • the insulating sheath surrounding an electrochemical cell is advantageously a plastic film, in particular a polyethylene (PE) or polyetheretherketone (PEEK) film.
  • the moisture barrier and the chemical barrier is advantageously provided in the battery unit according to the invention exclusively by the outer shell. Because not all of the insulation sheaths are metal-based, weight can advantageously be saved here. In addition, advantageously, a higher energy density can be achieved.
  • the outer shell of the battery unit has a metallization providing the moisture barrier and the chemical barrier; in particular, a plastic foil metallized from the outside is provided as the outer shell as the embodiment.
  • the outer shell according to an advantageous embodiment, a metal foil.
  • the outer shell is formed from two half-shells, wherein the half shells are preferably each made by means of a deep-drawing method of a metal foil, preferably a half-shell of an aluminum-based metal foil and the other half shell of a copper or steel -based half shell.
  • the first half-shell serves as a first contacting element of the battery unit and the second half-shell as a second contacting element of the battery unit, via which the battery unit can advantageously be connected by arranging with other battery units.
  • Another particularly preferred embodiment of the battery unit according to the invention provides that a solvent is introduced into the arrangement space enclosed by the outer shell, preferably a solvent free of conductive salt.
  • a solvent is introduced into the arrangement space enclosed by the outer shell, preferably a solvent free of conductive salt.
  • Electrolyte does not diffuse out of the electrochemical cells without solvents would diffuse into the electrochemical cells. This advantageously prevents the electrochemical cells from drying out.
  • the outer shell has a closable filling opening, via which a solvent in the
  • an inert gas is introduced into the space enclosed by the outer shell arrangement space.
  • the inert gas is advantageously a
  • the outer shell is also designed as a mechanical barrier.
  • the outer shell is preferably designed as a hardcase, in particular as a metallic housing.
  • the outer shell hereby protects the electrochemical cells against mechanical action, in particular against deformations and / or impacts.
  • Battery unit provides that the outer shell has at least one first electrically conductive connecting element and at least one second electrically conductive connecting element, wherein at least some of the electrochemical cells are interconnected via the connecting elements.
  • a first number of electrochemical cells is electrically connected in parallel and a second number of electrochemical cells is electrically connected in parallel.
  • the first number of electrochemical cells is advantageously connected electrically in series with the second number of electrochemical cells.
  • the cathode contacting elements and the anode contacting elements of the first number or the second number of electrochemical cells are contacted with one another.
  • Cells are advantageously connected to the second connection element and the cathode contact elements of the second plurality of electrochemical cells are likewise connected to the second connection element, so that the first number of electrochemical cells is electrically connected in series with the second number of electrochemical cells.
  • the type of interconnection advantageously determines the capacity and / or the performance of the battery unit.
  • the battery unit according to the invention is in the arrangement space at least one safety barrier between at least a first number of electrochemical cells and at least a second number of electrochemical cells, wherein the safety barrier is configured to prevent a thermal chain reaction between the first number of electrochemical cells and the second number of electrochemical cells.
  • the safety barrier prevents a thermal chain reaction in the case of a thermal runaway of one of the electrochemical cells.
  • the safety barrier advantageously comprises a thermally poorly conducting filling material which largely reduces a heat exchange between the electrochemical cells.
  • the filling material is preferably formed as a temperature absorber, preferably by means of so-called phase change materials (pcm).
  • a further advantageous embodiment of the battery unit according to the invention provides that at least one cooling device is arranged in the arrangement space, wherein at least one electrochemical cell is thermally contacted with the at least one cooling device.
  • the cooling device is designed as a cooling plate.
  • the cooling plate advantageously comprises at least one coolant conduit, through which a coolant for controlling the temperature of the electrochemical cells can flow.
  • a coolant conduit through which a coolant for controlling the temperature of the electrochemical cells can flow.
  • a certain number of electrochemical cells is surrounded by two cooling devices, so that advantageously a uniform temperature of the electrochemical cells is made possible.
  • Safety barrier also designed as a cooling device.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the electrode arrangements of the electrochemical cells of the battery unit are designed as cell rolls (English: Jelly Roll).
  • a solid electrolyte is provided as the electrolyte.
  • a further advantageous embodiment of the battery unit according to the invention provides that the outer shell comprises at least one safety valve for reducing an overpressure within the outer shell.
  • the safety valve is included advantageously designed to open at a predetermined pressure within the outer shell.
  • the safety valve is thus advantageously designed to prevent bursting of the battery unit, in particular if the internal pressure in the arrangement space enclosed by the outer shell increases, for example because of a strong heating of an electrochemical cell of the battery unit.
  • the solvent is introduced into the arrangement space and, if appropriate, the inert gas into the arrangement space via the safety valve or via the opening which is closed by the safety valve during production of the battery unit.
  • the safety valve is designed as a bursting membrane or as a check valve.
  • a battery module with a plurality of electrically interconnected
  • a battery module has a high energy density.
  • an energy storage unit is further better adaptable.
  • Battery management system includes, which is designed in particular for controlling the operation and / or monitoring of the operation of the battery units of the battery module. Further advantageous details, features and design details of
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a battery unit according to the invention.
  • the battery unit 1 illustrated in FIG. 1 comprises a total of eight electrochemical cells 2.
  • the electrochemical cells 2 are rechargeable lithium-ion cells.
  • the electrochemical cells 2 each have an electrode arrangement 3, which in the present case is designed as a cell winding.
  • the electrode arrangement 3 of an electrochemical cell 2 furthermore has a cathode contact element 4 and an anode contact element 5.
  • the four electrochemical cells 2 shown on the left in FIG. 1 are electrically connected in parallel by the electrochemical cells 2 with their
  • An electrochemical cell 2 of the battery unit 1 further comprises an electrically insulating insulating sleeve 8, which surrounds the electrode assembly 3.
  • the electrode arrangements 3 of the electrochemical cells 2 are electrically insulated from each other by the insulation sheaths 8.
  • the insulation sheath 8 is in the embodiment, a plastic film.
  • the insulation sheath 8 is not metal-based, that is to say the insulation sheath 8 is permeable to moisture and also permits diffusion of the solvent of the electrolyte of an electrochemical cell 2 surrounding the insulation sheath 8.
  • the eight electrochemical cells 2 of the battery unit 1 shown in FIG. 1 are surrounded by an outer shell 7.
  • the outer shell 7 encloses an arrangement space 6, in which the electrochemical cells 2 are arranged.
  • the outer shell 8 is designed as a moisture barrier and as a chemical barrier and thus prevents in particular a penetration of moisture into the arrangement space 6 and thus a moisture entry into the electrochemical cells 2 and leakage of solvents from the arrangement space 6.
  • the outer shell 7 is to plastic housing formed with an applied metallization.
  • a conductive salt-free solvent in Fig. 1 is not explicitly shown
  • This solvent prevents Advantageously, the electrochemical cells 2 dry out.
  • an inert gas (not explicitly shown in FIG. 1) is advantageously introduced into the arrangement space. The inert gas advantageously serves as explosion protection.
  • the outer shell 7 of the battery unit 1 shown in FIG. 1 has a first electrically conductive connecting element 9 and a second electrically conductive connecting element 10.
  • the electrochemical cells 2 are contacted via the cathode contacting elements 4 and the anode contacting elements 5 with the first connecting element 9 and the second connecting element 10 such that the first four parallel-connected electrochemical cells 2 are electrically connected in series with the second four parallel-connected electrochemical cells 2 ,
  • the battery unit 1 can advantageously be contacted via the first connection element 9 and the second connection element 10, in particular such that an electrical load device or a charging device can be connected to the battery unit 1.
  • the battery unit 1 is advantageously electrically connected via the connecting elements 9, 10 with further battery units, in particular to a battery module. For this purpose, it is provided in particular that the battery units are arranged with the corresponding connecting elements to each other.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electrochemical cell 2 for a battery unit according to the invention.
  • the electrochemical cell 2 comprises an electrode arrangement 3 with a cathode contact element 4 and an anode contact element 5.
  • the electrode arrangement 3 is in the form of a cell coil or cell stack or
  • Electrode stack formed with a solid electrolyte.
  • the electrode assembly 3 is surrounded by an insulating sheath 8, which electrically isolates the electrode assembly 3 to the outside.
  • the insulating sheath 8 thus advantageously represents an ionic insulation.
  • the chemical partitioning of the electrochemical cell 2 takes place advantageously only at the level of
  • Embodiments serve to illustrate the invention and are not limiting for these.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinheit (1) umfassend eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen (2), welche jeweils eine Elektrodenanordnung (3), insbesondere eine Lithium-basierte Elektrodenanordnung (3), mit einem Kathodenkontaktierungselement (4) und einem Anodenkontaktierungselement (5) aufweisen, und eine einen Anordnungsraum (6) umschließende Außenhülle (7), in welchem die elektrochemischen Zellen (2) angeordnet sind. Die Außenhülle (7) ist dabei als Feuchtigkeitsbarriere sowie als chemische Barriere ausgebildet. Die einzelnen elektrochemischen Zellen (2) der Batterieeinheit (1) umfassen jeweils eine elektrisch isolierende Isolationshülle (8), welc e die jeweilige Elektrodenanordnung (3) umgibt. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten erfindungsgemäß ausgebildeten Batterieeinheiten (1).

Description

Beschreibung
Titel
Batterieeinheit mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen sowie
Batteriemodul mit einer Mehrzahl von Batterieeinheiten
Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit umfassend eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen, welche jeweils eine Elektrodenanordnung mit einem Kathodenkontaktierungselement und einem Anodenkontaktierungselement aufweisen, und eine einen Anordnungsraum umschließende Außenhülle, in welchem die elektrochemischen Zellen angeordnet sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batterieeinheiten.
Stand der Technik
Batteriezellen mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt. Darüber hinaus sind Batteriemodule bekannt, welche eine
Mehrzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen als elektrochemische Zellen aufweisen. Insbesondere aufgrund der hohen Energiedichte werden als Batteriezellen vorzugsweise Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt. Lithium-Ionen-Zellen können insbesondere als sogenannte Rundzellen, als prismatische Zellen oder als sogenannte Pouch-Zellen ausgebildet sein. Dabei weisen die Lithium-Ionen-Zellen eine Elektrodenanordnung mit einem Kathodenkontaktierungselement und einem Anodenkontaktierungselement auf. Als Elektrodenanordnung sind dabei insbesondere zylindrische Zellwickel für Rundzellen, prismatische Flachwickel für prismatische Zellen und sogenannte Zellstapel (cell Stack) bekannt. Eine solche Elektrodenanordnung umfasst dabei ein Kathodenmaterial, ein Anodenmaterial, einen Separator und einen Elektrolyten.
Nachteile bei im Stand der Technik bekannten Batterieeinheiten und Batteriemodulen bestehen insbesondere in Bezug auf das Verschalten der elektrochemischen Zellen, in Bezug auf die Größe der Batterieeinheiten und Batteriemodule, vor allem im Hinblick auf in Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen einzusetzende Batterieeinheiten beziehungsweise Batteriemodule, und in Bezug auf die Variabilität von Batterieeinheiten und Batteriemodulen im Hinblick auf eine Anpassung an unterschiedliche Erfordernisse, die an eine Batterieeinheit beziehungsweise ein Batteriemodul beispielsweise hinsichtlich der bereitzustellenden Kapazität und/oder Leistung zu stellen sind.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine im Hinblick auf die vorgenannten Nachteile verbesserte Batterieeinheit sowie ein verbessertes Batteriemodul bereitzustellen. Insbesondere soll eine Batterieeinheit bereitgestellt werden, welche eine höhere Energiedichte aufweist, das heißt, bei gleicher Kapazität und Leistung wie eine herkömmliche Batterieeinheit kleinere Abmessungen aufweist und somit weniger Raum einnimmt.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Batterieeinheit umfassend eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen, welche jeweils eine Elektrodenanordnung mit einem Kathodenkontaktierungselement und einem Anodenkontaktierungselement aufweisen, und eine einen Anordnungsraum umschließende Außenhülle, in welchem die elektrochemischen Zellen angeordnet sind, vorgeschlagen, wobei die Außenhülle als Feuchtigkeitsbarriere sowie als chemische Barriere ausgebildet ist und die einzelnen elektrochemischen Zellen jeweils eine elektrisch isolierende Isolationshülle umfassen, welche die jeweilige Elektrodenanordnung umgibt. Vorzugsweise sind die Elektrodenanordnungen Lithium-basierte Elektrodenanordnungen. Durch die Isolationshüllen sind die Elektrodenanordnungen der elektrochemischen Zellen vorteilhafterweise elektrisch gegeneinander isoliert. Die Isolationshülle selbst übernimmt dabei insbesondere nicht die Funktion einer Feuchtigkeitsbarriere und/oder einer chemischen Barriere sondern dient vorteilhafterweise der ionischen Isolation, sodass die Elektrodenanordnungen nicht ungewollt kurzgeschlossen werden.
Die Verschaltung der elektrochemischen Zellen erfolgt vorteilhafterweise über die Kathodenkontaktierungselemente sowie die Anodenkontaktierungselemente der Elektrodenanordnungen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Batterieeinheit selbst aus der Außenhülle herausgeführte Kontaktierungselemente zur Kontaktierung der Batterieeinheit aufweist.
Als elektrochemische Zellen sind bei der erfindungsgemäßen Batterieeinheit insbesondere sekundäre Batteriezellen, besonders bevorzugt Lithium-Ionen- Zellen vorgesehen, wobei die elektrochemischen Zellen mit der diese umgebenden Außenhülle eine gemeinsame Feuchtigkeitsbarriere und chemische Barriere aufweisen und nicht jede elektrochemische Zelle jeweils selbst eine solche Feuchtigkeitsbarriere und/oder chemische Barriere aufweist. Hierdurch ist vorteilhafterweise das Gewicht einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit reduziert, was vorteilhafterweise zu einer höheren Energiedichte beiträgt.
Das heißt, ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die Elektrodenanordnung selbst nicht von einer metallbasierten Hülle umgeben sind, wobei die Isolationshülle selbst keine Feuchtigkeitsbarriere und keine chemische Barriere darstellt, durch die Isolationshülle also Feuchtigkeit und/oder ein Elektrolyt diffundieren kann. Die eine elektrochemische Zelle umgebende Isolationshülle ist vorteilhafterweise eine Kunststofffolie, insbesondere eine Folie aus Polyethylen (PE) oder aus Polyetheretherketon (PEEK). Die Feuchtigkeitsbarriere und die chemische Barriere wird bei der erfindungsgemäßen Batterieeinheit vorteilhafterweise ausschließlich durch die Außenhülle bereitgestellt. Dadurch, dass nicht jede der Isolationshüllen metallbasiert ist, ist hierbei vorteilhafterweise Gewicht einsparbar. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise eine höhere Energiedichte erzielbar. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Außenhülle der Batterieeinheit eine die Feuchtigkeitsbarriere und die chemische Barriere bereitstellende Metallisierung aufweist, insbesondere ist als Ausgestaltung eine von außen metallisierte Kunststofffolie als Außenhülle vorgesehen. Darüber hinaus ist die Außenhülle gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Metallfolie. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Außenhülle aus zwei Halbschalen gebildet ist, wobei die Halbschalen vorzugsweise jeweils mittels eines Tief zieh Verfahrens aus einer Metallfolie hergestellt sind, vorzugsweise die eine Halbschale aus einer Aluminium-basierten Metallfolie und die andere Halbschale aus einer Kupfer- oder Stahl-basierten Halbschale. Dabei dient vorzugsweise die erste Halbschale als ein erstes Kontaktierungselement der Batterieeinheit und die zweite Halbschale als ein zweites Kontaktierungselement der Batterieeinheit, über welche die Batterieeinheit vorteilhafterweise durch ein aneinander Anordnen mit weiteren Batterieeinheiten verschaltet werden kann.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass in den von der Außenhülle umschlossenen Anordnungsraum ein Lösemittel eingebracht ist, vorzugsweise ein leitsalzfreies Lösemittel. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Elektrolytkonzentration der einzelnen elektrochemischen Zellen konstant gehalten, insbesondere da der
Elektrolyt nicht aus den elektrochemischen Zellen heraus diffundiert, ohne dass Lösemittel in die elektrochemischen Zellen eindiffundieren würden. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine Austrocknen der elektrochemischen Zellen verhindert. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Außenhülle eine verschließbare Befüllöffnung aufweist, über welche ein Lösemittel in den
Anordnungsraum eingebracht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist in den von der Außenhülle umschlossenen Anordnungsraum ein Inertgas eingebracht. Durch das Inertgas ist vorteilhafterweise ein
Explosionsschutz bereitgestellt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist die Außenhülle zudem als mechanische Barriere ausgebildet. Dabei ist die Außenhülle vorzugsweise als Hardcase ausgebildet, insbesondere als metallisches Gehäuse. Vorteilhafterweise schützt die Außenhülle hierbei die elektrochemischen Zellen vor mechanischer Einwirkung, insbesondere vor Verformungen und/oder Stößen. Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Batterieeinheit sieht vor, dass die Außenhülle wenigstens ein erstes elektrisch leitfähiges Verbindungselement und wenigstens ein zweites elektrisch leitfähiges Verbindungselement aufweist, wobei zumindest einige der elektrochemischen Zellen über die Verbindungselemente miteinander verschaltet sind. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Anzahl von elektrochemischen Zellen elektrisch parallel verschaltet ist und eine zweite Anzahl von elektrochemischen Zellen elektrisch parallel verschaltet ist. Die erste Anzahl von elektrochemischen Zellen ist dabei vorteilhafterweise mit der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen elektrisch in Reihe geschaltet. Zum parallel Schalten der elektrochemischen Zellen ist dabei vorgesehen, dass jeweils die Kathodenkontaktierungselemente und die Anodenkontaktierungselemente der ersten Anzahl beziehungsweise der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen miteinander kontaktiert sind. Für die Reihenschaltung der ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen mit der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen ist insbesondere vorgesehen, dass die miteinander verschalteten Kathodenkontaktierungselemente der ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen mit dem ersten Verbindungselement verbunden sind und die Anodenkontaktierungselemente der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen mit dem ersten Verbindungselement verbunden sind. Die Anodenkontaktierungselemente der ersten Anzahl von elektrochemischen
Zellen sind dabei vorteilhafterweise mit dem zweiten Verbindungselement verbunden und die Kathodenkontaktierungselemente der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen sind ebenfalls mit dem zweiten Verbindungselement verbunden, sodass die erste Anzahl von elektrochemischen Zellen mit der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen elektrisch in Reihe geschaltet ist.
Durch die Art der Verschaltung wird dabei vorteilhafterweise die Kapazität und/oder die Leistung der Batterieeinheit bestimmt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit ist in dem Anordnungsraum wenigstens eine Sicherheitsbarriere zwischen wenigstens einer ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen und wenigstens einer zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen angeordnet, wobei die Sicherheitsbarriere ausgebildet ist, eine thermische Kettenreaktion zwischen der ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen und der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen zu verhindern. Die Sicherheitsbarriere verhindert dabei insbesondere eine thermische Kettenreaktion im Falle eines thermischen Durchgehens (engl.: thermal runaway) einer der elektrochemischen Zellen. Die Sicherheitsbarriere umfasst dabei vorteilhafterweise ein thermisch schlecht leitendes Füllmaterial, welches einen Wärmeaustausch zwischen den elektrochemischen Zellen weitestgehend reduziert. Das Füllmaterial ist vorzugsweise als Temperaturabsorber ausgebildet, vorzugsweise mittels sogenannter phase change materials (pcm).
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass in den Anordnungsraum wenigstens eine Kühlvorrichtung angeordnet ist, wobei wenigstens eine elektrochemische Zelle mit der wenigstens einen Kühlvorrichtung thermisch kontaktiert ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung als Kühlplatte ausgebildet ist. Die Kühlplatte umfasst dabei vorteilhafterweise wenigstens einen Kühlmittelleitungskanal, welcher von einem Kühlmittel zur Temperierung der elektrochemischen Zellen durchströmt werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeweils eine bestimmte Anzahl von elektrochemischen Zellen von zwei Kühlvorrichtungen umgeben ist, sodass vorteilhafterweise eine gleichmäßige Temperierung der elektrochemischen Zellen ermöglicht ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Sicherheitsbarriere zudem als Kühlvorrichtung ausgebildet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenanordnungen der elektrochemischen Zellen der Batterieeinheit als Zellwickel (engl.: Jelly Roll) ausgebildet sind. Als Elektrolyt ist dabei insbesondere ein Festkörperelektrolyt vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Batterieeinheit sieht vor, dass die Außenhülle wenigstens ein Sicherheitsventil zum Abbau eines Überdrucks innerhalb der Außenhülle umfasst. Das Sicherheitsventil ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet, bei einem vorbestimmten Überdruck innerhalb der Außenhülle zu öffnen. Das Sicherheitsventil ist somit vorteilhafterweise ausgebildet, ein Platzen der Batterieeinheit zu verhindern, insbesondere wenn sich der Innendruck in dem von der Außenhülle umschlossenen Anordnungsraum, beispielsweise aufgrund einer starken Erwärmung einer elektrochemischen Zelle der Batterieeinheit, erhöht. Insbesondere ist vorgesehen, dass über das Sicherheitsventil beziehungsweise über die von dem Sicherheitsventil verschlossene Öffnung im Rahmen der Herstellung der Batterieeinheit das Lösemittel in den Anordnungsraum sowie gegebenenfalls das Inertgas in den Anordnungsraum eingebracht wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Sicherheitsventil als Berstmembran oder als Rückschlagventil ausgebildet ist.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird des Weiteren ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten
Batterieeinheiten vorgeschlagen, wobei die Batterieeinheiten als erfindungsgemäße Batterieeinheiten ausgebildet sind. Vorteilhafterweise weist ein solches Batteriemodul eine hohe Energiedichte auf. Darüber hinaus ist hierdurch vorteilhafterweise eine Energiespeichereinheit weiter besser anpassbar. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Batteriemodul ein
Batteriemanagementsystem umfasst, welches insbesondere zur Regelung des Betriebs und/oder zur Überwachung des Betriebs der Batterieeinheiten des Batteriemoduls ausgebildet ist. Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der
Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Batterieeinheit; und
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine elektrochemische Zelle einer erfindungsgemäßen Batterieeinheit. Die in Fig. 1 dargestellte Batterieeinheit 1 umfasst insgesamt acht elektrochemische Zellen 2. Die elektrochemischen Zellen 2 sind dabei nachladbare Lithium-Ionen-Zellen. Die elektrochemischen Zellen 2 weisen jeweils eine Elektrodenanordnung 3 auf, welche vorliegend als Zellwickel ausgebildet ist. Die Elektrodenanordnung 3 einer elektrochemischen Zelle 2 weist darüber hinaus ein Kathodenkontaktierungselement 4 und ein Anodenkontaktierungselement 5 auf.
Die in Fig. 1 links dargestellten vier elektrochemischen Zellen 2 sind dabei elektrisch parallel verschaltet, indem die elektrochemischen Zellen 2 mit deren
Kathodenkontaktierungselementen 4 und deren Anodenkontaktierungselementen 5 miteinander kontaktiert sind. Gleiches gilt für die rechts dargestellten weiteren vier elektrochemischen Zellen 2.
Eine elektrochemische Zelle 2 der Batterieeinheit 1 umfasst dabei des Weiteren eine elektrisch isolierende Isolationshülle 8, welche die Elektrodenanordnung 3 umgibt. Die Elektrodenanordnungen 3 der elektrochemischen Zellen 2 sind durch die Isolationshüllen 8 elektrisch gegeneinander isoliert. Die Isolationshülle 8 ist in dem Ausführungsbeispiel eine Kunststofffolie. Die Isolationshülle 8 ist dabei nicht metallbasiert, das heißt die Isolationshülle 8 ist feuchtigkeitsdurchlässig und erlaubt auch ein Diffundieren des von der Isolationshülle 8 umgebenden Lösungsmittel des Elektrolyten einer elektrochemischen Zelle 2.
Die acht elektrochemischen Zellen 2 der in Fig. 1 dargestellten Batterieeinheit 1 sind von einer Außenhülle 7 umgeben. Die Außenhülle 7 umschließt dabei einen Anordnungsraum 6, in welchem die elektrochemischen Zellen 2 angeordnet sind. Die Außenhülle 8 ist dabei als Feuchtigkeitsbarriere und als chemische Barriere ausgebildet und verhindert somit insbesondere ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Anordnungsraum 6 und somit einen Feuchtigkeitseintrag in die elektrochemischen Zellen 2 sowie ein Austreten von Lösungsmitteln aus dem Anordnungsraum 6. Die Außenhülle 7 ist dazu als Kunststoffgehäuse mit einer aufgebrachten Metallisierung ausgebildet.
In den Anordnungsraum 6 der Batterieeinheit 1 ist ein leitsalzfreies Lösemittel (in Fig. 1 nicht explizit dargestellt) eingebracht. Dieses Lösemittel verhindert vorteilhafterweise ein Austrocknen der elektrochemischen Zellen 2. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise ein Inertgas (in Fig. 1 nicht explizit dargestellt) in den Anordnungsraum eingebracht. Das Inertgas dient dabei vorteilhafterweise als Explosionsschutz.
Ferner weist die Außenhülle 7 der in Fig. 1 dargestellten Batterieeinheit 1 ein erstes elektrisch leitfähiges Verbindungselement 9 und ein zweites elektrisch leitfähiges Verbindungselement 10 auf. Die elektrochemischen Zellen 2 sind dabei über die Kathodenkontaktierungselemente 4 und die Anodenkontaktierungselemente 5 mit dem ersten Verbindungselement 9 und dem zweiten Verbindungselement 10 derart kontaktiert, dass die ersten vier parallel geschalteten elektrochemischen Zellen 2 mit den zweiten vier parallel geschalteten elektrochemischen Zellen 2 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Über das erste Verbindungselement 9 und das zweite Verbindungselement 10 ist die Batterieeinheit 1 darüber hinaus vorteilhafterweise kontaktierbar, insbesondere derart, dass eine elektrische Verbrauchereinrichtung oder eine Ladeeinrichtung an die Batterieeinheit 1 angeschlossen werden kann. Darüber hinaus ist die Batterieeinheit 1 vorteilhafterweise über die Verbindungselemente 9, 10 mit weiteren Batterieeinheiten elektrisch verschaltbar, insbesondere zu einem Batteriemodul. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die Batterieeinheiten mit den entsprechenden Verbindungselementen aneinander angeordnet werden.
Zwischen den vier ersten elektrisch parallel verschalteten elektrochemischen Zellen 2 und den zweiten vier elektrisch parallel verschalteten elektrochemischen Zellen 2 ist in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Sicherheitsbarriere 11 angeordnet, welche vorteilhafterweise im Falle eines thermischen Durchgehens einer der elektrochemischen Zellen 2 eine thermische Kettenreaktion verhindert, die dazu führen würde, dass sämtliche in dem Anordnungsraum 6 angeordneten elektrochemischen Zellen 2 zerstört würden. Die Sicherheitsbarriere 11 ist dabei vorteilhafterweise ferner als Kühlvorrichtung 12 ausgebildet. Insbesondere als eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlvorrichtung. Hierzu weist die Kühlvorrichtung 12 vorteilhafterweise wenigstens einen Kühlmittelleitungskanal (in Fig. 1 nicht explizit dargestellt) auf. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine elektrochemische Zelle 2 für eine erfindungsgemäße Batterieeinheit dargestellt. Die elektrochemische Zelle 2 umfasst dabei eine Elektrodenanordnung 3 mit einem Kathodenkontaktierungselement 4 und einem Anodenkontaktierungselement 5. Die Elektrodenanordnung 3 ist dabei als Zellwickel oder Zellstapel bzw.
Elektrodenstapel mit einem Festkörperelektrolyten ausgebildet. Die Elektrodenanordnung 3 ist von einer Isolationshülle 8 umgeben, welche die Elektrodenanordnung 3 nach außen elektrisch isoliert. Die Isolationshülle 8 stellt somit vorteilhafterweise eine ionische Isolierung dar. Die chemische Abschottung der elektrochemischen Zelle 2 erfolgt dabei vorteilhafterweise erst auf Ebene der
Batterieeinheit durch eine Außenhülle. Diese Außenhülle umgibt dabei, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, welche vorteilhafterweise miteinander verschaltet sind. Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten
Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

Ansprüche
1. Batterieeinheit (1) umfassend eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen (2), welche jeweils eine Elektrodenanordnung (3) mit einem Kathodenkontaktierungselement (4) und einem Anodenkontaktierungselement (5) aufweisen, und eine einen Anordnungsraum (6) umschließende Außenhülle (7), in welchem die elektrochemischen Zellen (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (7) als Feuchtigkeitsbarriere sowie als chemische Barriere ausgebildet ist und die einzelnen elektrochemischen Zellen (2) jeweils eine elektrisch isolierende Isolationshülle (8) umfassen, welche die jeweilige Elektrodenanordnung (3) umgibt.
2. Batterieeinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (7) eine die Feuchtigkeitsbarriere und die chemische Barriere bereitstellende Metallisierung aufweist.
3. Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den von der Außenhülle (7) umschlossenen Anordnungsraum (6) ein leitsalzfreies Lösemittel eingebracht ist.
4. Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den von der Außenhülle (7) umschlossenen Anordnungsraum (6) ein Inertgas eingebracht ist.
5. Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (7) zudem als mechanische Barriere ausgebildet ist.
6. Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (7) wenigstens ein erstes elektrisch leitfähiges Verbindungselement (9) und wenigstens ein zweites elektrisch leitfähiges Verbindungselement (10) aufweist, wobei zumindest einige der elektrochemischen Zellen über die Verbindungselemente (9, 10) miteinander verschaltet sind.
Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anordnungsraum (6) wenigstens eine Sicherheitsbarriere (11) zwischen wenigstens einer ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen (2) und wenigstens einer zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen (2) angeordnet ist, wobei die Sicherheitsbarriere (11) ausgebildet ist, eine thermische Kettenreaktion zwischen der ersten Anzahl von elektrochemischen Zellen (2) und der zweiten Anzahl von elektrochemischen Zellen (2) zu verhindern.
Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anordnungsraum (6) wenigstens eine Kühlvorrichtung (12) angeordnet ist, wobei wenigstens eine elektrochemische Zelle (2) mit der wenigstens einen Kühlvorrichtung (12) thermisch kontaktiert ist.
Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnungen (3) als Zellwickel oder Zellstapel ausgebildet sind.
Batterieeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (7) wenigstens ein Sicherheitsventil zum Abbau eines Überdrucks innerhalb der Außenhülle (7) umfasst.
Batteriemodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batterieeinheiten (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheiten (1) als Batterieeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet sind.
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