EP3963645A1 - Druckmodul, insbesondere für lithiumionen-batteriezellen - Google Patents

Druckmodul, insbesondere für lithiumionen-batteriezellen

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Publication number
EP3963645A1
EP3963645A1 EP20723363.6A EP20723363A EP3963645A1 EP 3963645 A1 EP3963645 A1 EP 3963645A1 EP 20723363 A EP20723363 A EP 20723363A EP 3963645 A1 EP3963645 A1 EP 3963645A1
Authority
EP
European Patent Office
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printing module
shaped
pressure
module
channel
Prior art date
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Pending
Application number
EP20723363.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Maag
Jessica UHLEMANN
Markus GRÄDLER
Tobias Fritz
Thomas ÜBLER
Heribert Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Original Assignee
Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Print module especially for lithium ion battery cells
  • the present invention relates to a printing module for rechargeable batteries, in particular for lithium (Li) ion batteries (LIBs).
  • the pressure module is used to compensate for mechanical loads in the event of a change in volume of the battery cell during operation (charging and discharging) and at the same time for cooling or heating / temperature control.
  • LIBs have a high power and energy density with comparatively low weight and space requirements. They are therefore widely used in numerous areas of application for effective energy storage.
  • a particularly prominent application example is electromobility, for example as an energy source in electric vehicles or so-called hybrid vehicles.
  • a defined number of battery cells are combined to form a battery module and two or more battery modules are combined to form a battery pack or stack.
  • the cells and / or modules can be electrically connected in series and / or in series.
  • the individual modules are braced with one another in order, for example, to ensure a defined dimension of the overall module and to counteract any impairment of the mechanical integrity due to vibrations.
  • a typical structure of a LIB is as follows, starting from the anode side:
  • anode with a current collector (usually copper), which is coated with active material (usually graphite) at least on the side facing the cathode,
  • a cathode with a current collector (usually aluminum), which is coated at least on the anode side with an active material (often a transition metal oxide with cobalt, manganese or nickel) that serves as a Li-ion source when the cell is charged, and
  • an electrolyte (usually liquid or solid) that acts as a mediator between the reactions on the electrodes and ensures the transport of Li ions.
  • Suitable materials for the active materials for the cathode or anode, the separator and electrolyte are state of the art.
  • Li-ions migrate from the cathode to the anode and are stored there in the host lattice (intercalation), while the opposite process occurs during discharge, with Li-ions migrating from the anode to the cathode (deintercalation).
  • a surface film (“solid electrolyte-interphase (SEI)) forms on both the anode and the cathode, which is permeable to ions.
  • SEI solid electrolyte-interphase
  • the formation of the SEI also leads to an increase in cell thickness, which can be up to 2 - 10% of the original cell thickness at the start of commissioning.
  • the LIBs expand perpendicular to their layer structure during the charging process and contract again during the discharging process.
  • the intercalation and deintercalation of lithium ions results in a change in volume of the electrode coating that is up to 10% of the Cell thickness can be. This particularly leads to swelling of the host lattice, for example graphite lattice, of the anode.
  • the anode coating has good mechanical and thus also electrical contact with the current conductor.
  • the mechanical stress as a result of the swelling and swelling of the cells causes a partial detachment of the layer of active material of the anode from the current conductor, a loss of contact between the particles of active material and a breakdown of the individual particles into smaller grains.
  • LIBs should ideally be operated in a temperature range between 15 to 35 ° C in order to avoid premature aging, even with high charging cycles. Mechanical and / or thermal stress on the battery cells can lead to serious damage up to and including a fire in the battery cell and, in the worst case, to a so-called "thermal runaway" with the uncontrolled spread of a fire and even an explosion.
  • a suitable printing module should therefore combine various properties:
  • a heatable heat transfer medium can flow through it to warm the battery cells
  • a pressure module for a battery cell having an outer shell that surrounds a cavity with a channel structure, the outer shell having two opposing main surfaces that are connected to one another via their edges, with structural elements on the inner surfaces of the main surfaces are provided, which are arranged to correspond to each other and in interaction the channel structure for define and stabilize the passage of a heat transfer medium, and connections for the inlet and outlet of the heat transfer medium are provided on the outer shell.
  • connections can be connected to line ducts which can be provided along opposite edge regions of the main surfaces and extend from one end to the opposite end of the main surfaces.
  • the printing module according to the invention combines various important aspects for trouble-free operation of a rechargeable battery cell such as an LIB.
  • a rechargeable battery cell such as an LIB.
  • the mechanical stress caused by swelling during charging / discharging is counteracted and, on the other hand, efficient temperature control of the battery cell is made possible at the same time, so that the battery cell can be operated in the optimal temperature range.
  • effective cooling is made possible even at high charge / discharge rates.
  • Swelling compensation can be supported by passing a liquid medium through the pressure module.
  • the liquid medium is used simultaneously for heat transfer.
  • the printing module according to the invention has an outer shell with two opposing main surfaces which are connected to one another along their edges.
  • the main surfaces can also be connected via side surfaces.
  • the shape of the pressure module according to the invention usually depends on the shape of the battery cells. For example, it can have a flat rectangular shape if it is to be used in conjunction with rectangular battery cells such as prismatic cells or pouch cells. However, other shapes are also conceivable and possible.
  • the printing module according to the invention have a square, circular or other shape, depending on the shape of the corresponding battery cell to which the print module is to be coupled.
  • the printing module according to the invention can be a curved or undulating plate, e.g. for use in cylindrical battery cells.
  • the dimensions of the main areas are determined by the shape of the pressure module.
  • the longest dimensions for example for rectangular or square basic shapes, are the length and width, and for round basic shapes, the diameter.
  • the thickness of the printing module according to the invention is advantageously thin compared to the dimensions of the main surfaces.
  • the thickness of the printing module can e.g. B. 0.7 to 1.2 mm and in particular 0.8 to 1.0 mm. However, depending on the requirements of the application, the thickness can also be selected to be smaller or larger.
  • the outer shell is formed from an at least partially flexible elastomer material such as. B. a silicone elastomer or polyurethane elastomer.
  • the partially flexible elastomer materials preferably have a Shore hardness A of A 20 to A 60 or a Shore hardness 00 of 0020 to 0080.
  • the outer shell can be produced by means of a conventional casting process, as is known for elastomer materials, with structures such as ducts, connections to a heating / cooling system and / or duct-forming structural elements also being cast on as required.
  • the partially flexible elastomer material gives the outer shell the desired elastic deformability for better coupling, even to uneven surfaces.
  • the outer shell is also used for homogeneous pressure transmission to the battery cell. This means that pressures of 0.3 to 0.6 MPa can be safely transmitted with complete reset when the pressure is released.
  • softer polymer materials can be used for the outer shell, which can adapt to the surface structures more easily, so that good contact between the pressure module and the surface of the battery cell can be ensured.
  • the pressure module to the battery cells should also have a sufficiently high thermal conductivity of at least 0.5 W / mK, and preferably of at least 1 W / mK.
  • the outer shell surrounds a cavity with a channel structure for the passage of a heat transfer medium.
  • the inner sides of the main surfaces have raised structural elements which protrude into the cavity and have a mutually corresponding arrangement.
  • the structural elements work together to define the channel routing for the heat transfer medium and stabilize the channel routing so that a free cross-sectional volume is kept open and the medium can flow through it even when there is pressure from the outside.
  • the structural elements have a series of web-shaped sections which are arranged at a distance from one another along the length of the inner surfaces. Between adjacent sections there is a trough-shaped depression which defines a flow channel that is connected to the line channels.
  • the width of the sections is less than the cross-sectional width of the channel-shaped depressions.
  • the height of the sections can correspond to the depth of the channel-shaped depressions, but can also be smaller or larger if necessary.
  • the web-shaped sections of the opposite inner surfaces are arranged offset to one another, so that in the arrangement a section on one inner surface comes to lie above a depression, that is to say a flow channel, of the other inner surface. This results in an alternating sequence of web-shaped sections and flow channels along the length of the inner surfaces.
  • the width of the web-shaped sections is less than the cross-sectional width of the flow channels, lateral cross-sectional areas of the flow channels remain open even when subjected to pressure and can ensure free flow.
  • the channel-shaped depressions or flow channels can run parallel to the transverse axis over the module surface. But you can also have a different shape, z. B. serpentine or meander-shaped.
  • the number and width of the sections, i.e. the flow channels, can be selected as required.
  • the cross-sectional width of the flow channels can vary between 0.1 -> 10 mm, preferably between 0.5 mm - 3 mm.
  • the depth of the flow-through channel structures can also be selected as required and can typically be between 0.1-0.3 mm and in particular 0.1 mm-0.3 mm.
  • the knobs on one inner surface are arranged offset from the knobs on the opposite inner surface.
  • the inner surfaces of the main surfaces, which are provided with the knobs lie opposite one another, the knobs on one side coming to lie above the free cross-sectional areas between the knobs on the opposite side.
  • the knobs on one side are pressed into the free cross-sectional areas of the other side, but the knobs do not occupy the entire free intermediate volume, but free areas between the knobs remain as open cross-sectional areas through which a flow can flow.
  • the shape of the knobs can be chosen as desired.
  • the knobs can have a cylindrical shape, a truncated cone shape or a shape with a polygonal cross-sectional area. They preferably have a flat end face which in the pressure module rest on a free cross-sectional area on the opposite side when there is pressure load and can support the main surfaces of the pressure module against one another.
  • knobs can vary as required, but should be chosen sufficiently so that they can stabilize the cross-sectional area through which the flow can flow even under pressure load and the cross-sectional area through which the heat transfer medium can flow is kept passable.
  • conduits can be dispensed with, since the flow of the heat transfer medium through the pressure module from the inlet to the outlet is ensured by the free cross-sectional area between the knobs.
  • compressible materials can be provided in selected areas of the outer shell, for example foams, such as foams based on elastomers.
  • areas made of foam can be provided along the side edges of the outer shell between the main surfaces.
  • An intermediate layer of foam may run along the side edges between the major surfaces.
  • the channel-forming raised structural elements such as the web-shaped sections and knobs can be applied directly to the inside of the main surfaces of the printing module.
  • they can be molded onto the inner surfaces and form an integral unit with the outer shell.
  • a reinforcement plate can be provided between the inner surface and the cavity, the structural elements in this case being provided on the side of the reinforcement plate which faces the cavity.
  • Reinforcement plates made from a fiber composite are particularly suitable.
  • the choice of plastic for the polymer matrix depends on the application requirements. An elastomer, thermoset or thermoplastic can be used.
  • the fiber material can also be selected depending on the application requirements. Suitable examples are ceramic fibers, but also carbon fibers.
  • fiber materials are woven or non-woven fabrics with multiaxial fiber orientation.
  • Two or more unidirectional fiber layers with different fiber orientations can also be used.
  • fillers for mechanical stabilization can be added to the polymer material for the matrix.
  • suitable fillers for mechanical stabilization are ceramic fillers, such as. B.
  • a Os particles, ceramic fillers in bimodal mixtures have proven to be particularly favorable, which the filler in different grains from a coarse grain and added to a fine grain. In this way, particularly tight packings can be achieved, since the small grains can be embedded in the cavities or gaps formed by the coarse grains.
  • a thin layer of a compressible material can be provided on the free area between the raised structural elements.
  • the compressible material can be a compressible plastic, in particular a foam.
  • an intermediate layer made of foam can run along the edge area of the pressure module around the cavity between the main surfaces.
  • the foam for the thin layer on the free surfaces and / or intermediate layer can be made of an elastomer, thermoset or thermoplastic. With regard to the deformability, a foam made of an elastomer is preferred.
  • the structural elements can be made of any polymer material, e.g. B. an elastomer, thermoplastic or thermosetting plastic.
  • the selection of a suitable material for the structural elements depends on the configuration of the printing module on the one hand and the function of the structural elements on the other.
  • the structural elements serve as spacers to stabilize the channel structure and, on the other hand, can also help relieve pressure.
  • thermoplastics or thermosets can also be used.
  • the pressure relief can be effected by compressing the foam, so that easily deformable structural elements can be used, such.
  • FIG. 1 is a plan view of a printing module according to the invention in rectangular form
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the pressure module according to FIG. 1 with an adjacent pouch cell without pressure load
  • FIG. 3 shows the longitudinal section through a printing module according to FIG.
  • FIG. 4 shows a cross section through the printing module according to FIG.
  • FIG. 5a shows a reinforcement plate with a channel structure made of web-shaped
  • FIG. 5b shows a reinforcement plate with a corresponding channel structure for
  • FIG. 6 shows a cross section through a rectangular printing module
  • FIGS. 5a and 5b with a channel structure of channels through which a flow can flow
  • FIG. 7 shows a pair of corresponding reinforcement plates with knob-shaped structural elements for a further embodiment of a printing module according to the invention
  • FIG. 8 shows a cross section through a pressure module with the reinforcement plates according to FIG. 7 with knob-shaped structural elements under pressure load;
  • FIG. 9 shows a longitudinal section through a printing module according to FIG. 8 without
  • FIG. 10 shows a longitudinal section through a printing module according to FIG.
  • Figure 11 shows a section parallel to the short sides through a
  • FIG. 12 shows a longitudinal section through a printing module according to another
  • FIG. 13 shows a longitudinal section through the printing module according to FIG. 13
  • FIG. 1 A top view of an embodiment for a rectangular printing module 1 is shown in FIG. 1.
  • the printing module 1 is surrounded by an outer shell 2.
  • connections 4, 5 are provided for the inlet or outlet of a heat transfer medium, here on the opposite short sides 6, 7.
  • the connections 4, 5 are molded directly onto the outer shell 2 here.
  • a longitudinal section through the printing module 1 along the line AA in FIG. 1 is shown in FIG.
  • the outer shell 2 surrounds a cavity 9 with the structural elements on the inner surfaces 7, 8.
  • the structural elements are web-shaped sections 10a, 10b which extend along the
  • Length of the inner surface 7, 8 are arranged at intervals, and intermediate channel-shaped depressions 1 1a, 1 1 b which are defined by the distances between adjacent sections 10a, 10b of an inner surface 7, 8.
  • the sections 10a, 10b of each inner surface 7, 8 are each arranged opposite a channel-shaped recess 1 1a, 1 1 b on the other inner surface, the width of the spaces 10a, 10b being less than the cross-sectional area of the recesses 1 1a, 1 1 b .
  • the web-shaped sections 10a and the channel-shaped depressions 1 1a as well as the web-shaped sections 10b and channel-shaped depressions 1 1b form corresponding pairs of structural elements which define the channel guide and the volume through which the heat transfer medium can flow.
  • a pouch cell is also shown, which rests on one of the main surfaces of the printing module 1.
  • FIG. 3 Section 10a, 10b comes to rest on the bottom of the opposite channel-shaped depressions 11a, 11b.
  • the web-shaped sections 10a, 10b lying alternately next to one another can be seen with the free cross-sectional volumes 14 that can flow through them.
  • a line channel 15, 16 which can communicate with one another via the trough-shaped depressions 11 a, 11 b or, in the pressurized state, via the remaining cross-sectional volumes that can be passed through.
  • one line channel 15 is connected to the connection for the medium inlet 5 and the other line channel 16 is connected to the connection for the medium outlet 6.
  • both line channels 15, 16 can each be provided with an inlet and outlet or inlet or outlet on the same side of the pressure module.
  • the heat transfer medium is of course based on the requirements of the specific application.
  • carrier plates 17, 18 on which the structural elements are applied can be used in the printing module 1.
  • the carrier plates 17, 18 can serve to reinforce the printing module 1.
  • FIG. 5 is a plan view of an ensemble of two carrier plates 17, 18 with correspondingly arranged structural elements, wherein web-shaped sections 10a, 10b are applied at intervals for the formation of the channel structure on the carrier plates 17, 18, the channel-shaped depressions through the distances 11a, 11b can be defined.
  • the structural elements interact to form the channel guide for the passage of the heat transfer medium.
  • FIG. 6 shows a cross section through a pressure module 1 with structured carrier plates 17, 18 for forming the channel guide under pressure.
  • the web-shaped sections 10a, 10b of the two carrier plates 17, 18 lie alternately at a distance from one another along the length of the printing module 1, the heat transfer medium being able to flow unhindered through the free cross-sectional volume 14 of the channel-shaped recesses 11a, 11b, and thus the permeability remains guaranteed by the printing module 1.
  • the channel-shaped depressions 1 1a, 11b are connected to line ducts 15, 16, which in turn are connected to an inlet 5 or outlet 6 for the heat transfer medium.
  • FIG. 1 Another embodiment of the structural elements for forming a channel guide in a printing module according to the invention is shown in FIG.
  • the structural elements here are knobs 19 which are arranged over the module surface.
  • FIG. 7 an ensemble of two support plates 17, 18 is shown, with mutually corresponding arrangement of knobs 19 with a circular cross-section.
  • the knobs 19 are offset from one another and, in interaction, form the flow-through channel structures, with a free surface volume remaining between the knobs 19 under pressure load, which enables the pressure module 1 to flow freely through the pressure module 1 even under pressure, as can be seen from FIG.
  • FIG. 8 shows a printing module 1 with structured carrier plates 17, 18 with knobs 19 arranged offset to one another under pressure loading.
  • the free area between the knobs 19 can be
  • Heat transfer medium can flow unhindered from inlet 5 to outlet 6.
  • FIG. 9 A section through the line DD according to FIG. 8 is shown in FIG. 9.
  • the knobs 19a, 19b have the shape of a truncated cone.
  • the channel structure is in a state where the end faces of the knobs 19a, 19b do not yet rest on the opposite carrier plate 17, 18.
  • the printing module 1 is arranged on a pouch cell, shown.
  • a strip-shaped intermediate layer 22 made of a foam made of an elastomer can be provided along the edge regions of the outer shell 2 between the two module halves.
  • FIG. 11 Such an embodiment is shown in cross section in FIG. 11, the pressure module 1 not being pressure-loaded. Under pressure, not only the end faces 13a, b of the raised structural elements, here knobs 19, are pressed against the opposite surface, but also the foam strips of the intermediate layer 22 are pressed together along the edge.
  • FIG. 11 An application of the printing module 1 according to the invention according to FIGS. 8 to 10 is shown in FIG. 11.
  • a prismatic cell 20 is held between two printing modules 1 according to the invention.
  • the main surfaces of the pressure module 1, on which the prismatic cell 20 comes to rest have a depression or trough 21 between the areas with the conduits, which the prismatic cell 22 can securely hold.
  • the order of the inventive printing module 1 / cell etc. can be continued as required.
  • Production was carried out by means of a casting process, a negative mold with the respective structures for the inner surfaces of the main surfaces being used for each half of the printing module.
  • the cast polymer was an addition-crosslinking cell component silicone elastomer with Shore A 20-40 at room temperature.
  • the two halves obtained were glued with a joining elastomer.
  • the two halves of the printing module that were glued to one another were then vulcanized at 120 ° C. for 7 hours in order to obtain the finished printing module.
  • a ceramic highly filled epoxy resin was used as the matrix.
  • the ceramic filler was Al 2 O 3 in a bimodal mixture with a mixing ratio of 60% coarse grain with D50 ⁇ 15 ⁇ m and 40% fine grain with a D50 value that was a factor of 10 smaller than that of the coarse grain.
  • This mixture was painted in a correspondingly structured negative mold made of steel.
  • the fiberglass layers were coated with the unfilled epoxy resin before being laid down.
  • the mold was closed and pressed in a hot press at pressures between 10 - 50 bar and temperatures of around 80 ° C - 100 ° C for 30 minutes.
  • the structure consisted exclusively of the highly filled epoxy resin and had an intimate connection with the underlying fiber composite.
  • the structured plates obtained were tempered in a heating cabinet up to the maximum strength of the resin matrix.
  • Two fiber composite panels with a corresponding structure were then encapsulated with an elastomer to complete the printing module.
  • the fiber composite plate had a thickness of 0.1 mm and was still flexible. 3) Production of a pressure module with a compressible intermediate layer:
  • the corresponding halves of a pressure module obtained according to 1) or 2a) were connected to one another with a foam elastomer as a joining elastomer. When there is pressure, the foam is compressed, thus causing pressure compensation.

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Abstract

Druckmodul (1) für eine Batteriezelle, wobei das Druckmodul ein elastomeres Bauteil zur Swelling-Kompensation mit gleichzeitiger Kühl- oder Heizfunktion für wiederaufladbare Batterien ist, und das Druckmodul (1) eine Außenhülle (2) aus einem Polymermaterial aufweist, die einen Hohlraum (9) mit einer Kanalstruktur umgibt und in der Außenhülle (2) Anschlüsse für den Einlass (5) und Auslass (6) für das Wärmeübertragungsmedium vorgesehen sind, wobei die Außenhülle (2) zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die über ihre Kanten miteinander verbunden sind, wobei an den Innenflächen (7, 8) Strukturelemente (10a, 10b; 19a, 19b) vorgesehen sind, die zueinander korrespondierend angeordnet sind und im Zusammenspiel die Kanalstruktur für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums definieren und stabilisieren.

Description

Druckmodul, insbesondere für Lithiumionen-Batteriezellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckmodul für wiederaufladbare Batterien, insbesondere für Lithium (Li) -lonenbatterien (LIBs). Das Druckmodul dient zur Kompensation von mechanischen Belastungen im Falle einer Volumenänderung der Batteriezelle im Betrieb (Laden und Entladen) und zugleich zur Kühlung bzw. Heizung/Temperierung. LIBs verfügen über eine hohe Leistungs- und Energiedichte bei vergleichsweise geringen Gewicht und Raumanspruch. Sie sind daher in zahlreichen Anwendungsbereichen für die effektive Energiespeicherung weit verbreitet. Ein besonders prominentes Anwendungsbeispiel ist die Elektromobilität, zum Beispiel als Energiequelle in Elektrofahrzeugen oder sogenannten Hybridfahrzeugen.
Typischerweise werden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen eine definierte Anzahl von Batteriezellen zu einem Batteriemodul und zwei oder mehrere Batteriemodule zu einem Batteriepack oder -Stapel zusammengefasst.
Die Zellen und/oder Module können elektrisch in Reihe und/oder Serie geschaltet sein.
Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind die einzelnen Module miteinander verspannt, um zum Beispiel eine definierte Dimension des Gesamtmoduls zu gewährleisten und einer Beeinträchtigung der mechanischen Integrität durch Erschütterungen entgegen zu wirken.
Es gibt Batteriezellen in verschiedenen Größen und Gestalten, zum Beispiel Zylinderzellen oder flache Zellen, wie prismatische Zellen oder sogenannten Pouch-Zellen (Coffeebag-Zelle). Pouch-Zellen haben ein flexibles Gehäuse, das in der Regel aus beidseitig kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie besteht. Flache Zellen, wie Pouch-Zellen oder prismatische Zellen sind im Hinblick auf eine bessere Wärmeableitung und Stapelbarkeit bevorzugt. Ein typischer Aufbau einer LIB ist wie folgt, beginnend von der Anodenseite:
- eine Anode mit Stromableiter (in der Regel Kupfer), der zumindest auf der der Kathode zugewandten Seite mit aktiven Material (in der Regel Graphit) beschichtet ist,
- ein Separator für die elektronische Trennung der Elektroden, der aber für Li- lonen durchlässig ist, und
- eine Kathode mit Stromableiter (in der Regel Aluminium), der zumindest anodenseitig mit einem aktiven Material (häufig ein Übergangsmetalloxid mit Kobalt, Mangan oder Nickel) beschichtet ist, das bei der Ladung der Zelle als Li-Ionenquelle dient, und
- ein Elektrolyt (in der Regel flüssig oder fest), der als Vermittler zwischen den Reaktionen an den Elektroden fungiert und den Li-Ionentransport gewährleistet.
Geeignete Materialien für die Aktivmaterialien für die Kathode bzw. Anode, den Separator und Elektrolyt sind Stand der Technik.
Während des Ladevorgangs wandern Li-Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort in das Wirtsgitter ein (Interkalation), während der Entladung erfolgt der umgekehrte Vorgang, wobei Li-Ionen von der Anode zur Kathode wandern (Deinterkalation).
Im Betrieb bildet sich sowohl auf der Anode als auch Kathode ein Oberflächenfilm („solid electrolyte-interphase (SEI)), der für Ionen durchlässig ist. Dieser Oberflächenfilm dient als Passivierungsschicht und verhindert ungewollte Reaktionen des aktiven Elektrodenmaterials mit Elektrolyt.
Allerdings führt die Bildung der SEI auch zu einer Dickenzunahme der Zelle, die bis zu 2 - 10 % der ursprünglichen Zelldicke zu Beginn der Inbetriebnahme betragen kann.
Die LIBs dehnen sich während des Ladevorgangs senkrecht zu ihrem Schichtaufbau aus und ziehen sich während des Entladevorgangs wieder zusammen. Die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen hat eine Volumenänderung der Elektrodenbeschichtung zur Folge, die bis zu 10% der Zelldicke betragen kann. Hierbei kommt es insbesondere zu einem Anschwellen (swelling) des Wirtsgitters, z.B. Graphitgitters, der Anode.
Das wiederholte An- und Abschwellen der Elektroden, insbesondere der Anode, sowie die alterungsbedingte Dickenzunahme der Zellen können in vorgespannten Modulen zu einem starken Anstieg der auf die Zellen wirkenden mechanischen Kräften führen, die wiederum zu einer vorzeitigen Alterung der Zellen führen. Zur Verhinderung eines vorzeitigen Ausfalls der Zellen müssen daher diese Kräfte kompensiert werden.
Für einen reibungslosen Betrieb der Batteriezelle ist es wichtig, dass die Anodenbeschichtung einen guten mechanischen und somit auch elektrischen Kontakt zu dem Stromableiter hat. Die mechanische Belastung infolge des An- und Abschwellens der Zellen verursacht eine partielle Ablösung der Schicht aus aktiven Material der Anode von dem Stromableiter, einen Kontaktverlust der Partikel aus aktiven Material untereinander sowie Zerlegung der einzelnen Partikel zu kleineren Körnern.
Dieser zunächst mechanisch ausgelöste Alterungsprozess führt zu Rissbildungen in und zwischen den Partikeln aus aktiven Material der Anodenbeschichtung, wodurch frische Oberflächen entstehen. Diese frischen Bruchflächen besitzen noch nicht den dünnen schützenden Oberflächenfilm (SEI), der erst durch chemische Reaktion zwischen dem Elektrolyten und den aus den Kathode kommenden Lithium-Ionen gebildet wird. Die an den frischen Oberflächen stattfindende Neubildung der SEI entzieht dem System Li-Ionen, die dann nicht mehr für den Lade-Entladezyklus zur Verfügung stehen und führt als Folge davon zu einer Verringerung der Ladekapazität.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt beim Betrieb einer Batteriezelle betrifft die Temperierung (Kühlung/Heizen) der Batteriezelle. LIBs sollten idealerweise in einem Temperaturbereich zwischen 15 bis 35 °C betrieben werden, um eine vorzeitige Alterung auch bei hohen Ladezyklen zu vermeiden. Mechanische und/oder thermische Belastung der Batteriezellen kann zu schweren Schäden bis hin zum Brand der Batteriezelle führen und im schlimmsten Fall zu einem sogenannten „Thermal Runaway“ mit unkontrollierter Ausbreitung eines Brandes bis hin zur Explosion.
Ein geeignetes Druckmodul sollte daher verschiedene Eigenschaften in sich vereinigen:
- es sollte mechanisch selbsttragend sein, aber eine gewisse Flexibilität hinsichtlich Verdrehen, Biegen und Ausdehnen zulassen,
- es sollte mit einem flüssigen Medium durchströmbar sein,
- es sollte idealerweise zur Kühlung und Heizung über die Batteriezellfläche anpassbar sein, beispielsweise zum Anwärmen der Batteriezellen mit einem heizbaren Wärmeübertragungsmedium durchströmt werden können,
- es sollte zu den Zellen hin eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und
- es sollte eine elastisch verformbare Oberflächenschicht zur besseren Ankopplung an unebene Flächen einer Batteriezelle und zur Verteilung der Druckbelastung auf die Anodenschichten eines Batteriestapels aufweisen, um einer mechanischen Deformation der Batteriezellen entgegenzuwirken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Druckmodul für wiederaufladbare Batterien, insbesondere LIBs, bereitzustellen, dass die vorstehend genannten gewünschten Eigenschaften in sich vereinigt, d.h., dass die mechanische Belastung aufgrund des Swellings im Betrieb kompensieren oder zumindest effektiv reduzieren kann, und zugleich eine Temperierung der Zelle ermöglicht, womit im Betrieb ein gewünschter Temperaturbereich eingehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Druckmodul für eine Batteriezelle, wobei das Druckmodul eine Außenhülle aufweist, die einen Hohlraum mit einer Kanalstruktur umgibt, wobei die Außenhülle zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die über ihre Kanten miteinander verbunden sind, wobei an den Innenflächen der Hauptflächen Strukturelemente vorgesehen sind, die zueinander korrespondierend angeordnet sind und im Zusammenspiel die Kanalstruktur für die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmediums definieren und stabilisieren, und an der Außenhülle Anschlüsse für den Einlass und Auslass des Wärmeübertragungsmedium vorgesehen sind.
Die Anschlüsse können mit Leitungskanälen verbunden sein, die entlang gegenüberliegender Randbereiche der Hauptflächen vorgesehen sein können und sich von einem Ende zum gegenüberliegenden Ende der Hauptflächen erstrecken.
Das erfindungsgemäße Druckmodul vereinigt in sich verschiedene wichtige Aspekte für einen störungsfreien Betrieb einer wiederaufladbaren Batteriezelle wie einer LIB. Zum einem wird der mechanischen Belastung in Folge des„Swellings“ beim Laden/Entladen entgegen gewirkt und zum anderen wird gleichzeitig eine effiziente Temperierung der Batteriezelle ermöglicht, so dass die Batteriezelle im optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann. Weiter wird eine effektive Kühlung auch bei hohen Lade-/Entladeraten ermöglicht. Durch diese Maßnahmen werden die Belastungen erheblich reduziert, denen die Batteriezelle im Betrieb ausgesetzt ist, und als Folge davon die Lebensdauer bzw. Leistungsfähigkeit und Sicherheit signifikant verlängert bzw. erhöht.
Die Swellingkompensation kann durch die Durchleitung eines flüssigen Mediums durch das Druckmodul unterstützt werden. Erfindungsgemäß wird das flüssige Medium gleichzeitig zur Wärmeübertragung eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Druckmodul hat eine Außenhülle mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen, die entlang ihrer Kanten miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Hauptflächen kann auch über Seitenflächen erfolgen.
Die Form des erfindungsgemäßen Druckmoduls richtet sich üblicherweise nach der Form der Batteriezellen. Beispielsweise kann es eine flache rechteckige Form haben, wenn es in Verbindung mit rechteckigen Batteriezellen verwendet werden soll wie prismatische Zellen oder Pouch-Zellen. Jedoch sind auch andere Formen vorstellbar und möglich. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Druckmodul eine quadratische, kreisförmige oder andere Form haben, abhängig von der Form der entsprechenden Batteriezelle, an die das Druckmodul ankoppeln soll.
Das erfindungsgemäße Druckmodul kann eine gekrümmte oder wellenförmige Platte sein, z.B. für die Anwendung für zylindrische Batteriezellen.
Die Dimensionen der Hauptflächen werden durch die Form des Druckmoduls bestimmt. In der Regel sind die längsten Abmessungen wie zum Beispiel bei rechteckigen oder quadratischen Grundformen, die Länge und Breite, bei runder Grundform der Durchmesser. Beispielsweise haben rechteckige Pouch-Zellen eine typische Abmessung von L= 350 mm und B= 100 mm und prismatische Zellen von z. B. 230 mm x 1 15 mm.
Im Hinblick auf eine kompakte Anordnung des Batteriesystems und dem gewünschten möglichst geringen Raumbedarf ist die Dicke des erfindungsgemäßen Druckmoduls vorteilhaft im Vergleich zu den Dimensionen der Hauptflächen dünn.
Die Dicke des Druckmoduls kann z. B. bei 0,7 bis 1 ,2 mm und insbesondere bei 0,8 bis 1 ,0 mm liegen. Je nach Anforderungen des Anwendungsfalls kann die Dicke aber auch geringer oder größer gewählt werden.
Die Außenhülle ist aus einem zumindest teilweise flexiblen Elastomermaterial gebildet wie z. B. einem Silikonelastomer oder Polyurethanelastomer. Die teilweise flexiblen Elastomermaterialien haben vorzugsweise eine Shorehärte A von A 20 bis A 60 bzw. eine Shorehärte 00 von 0020 bis 0080.
Die Außenhülle kann mittels eines herkömmlichen Gießverfahrens, wie sie für Elastomermaterialien bekannt sind, hergestellt werden, wobei Strukturen wie Leitungskanäle, Anschlüsse an ein Heiz-/Kühl-System und / oder kanalbildende Strukturelemente je nach Bedarf gleichfalls mit angegossen werden können.
Das teilweise flexible Elastomermaterial verleiht der Außenhülle die gewünschte elastische Verformbarkeit für eine bessere Ankopplung auch an unebene Flächen. Weiter dient die Außenhülle zur homogenen Druckübertragung auf die Batteriezelle. Es lassen sich damit Drücke von 0,3 bis 0,6 MPa sicher übertragen mit vollständiger Rückstellung bei Druckentlastung.
Für Batteriezellen oder Batteriezellstapel mit strukturierter unebener Oberfläche können weichere Polymermaterialien für die Außenhülle verwendet werden, die sich den Oberflächenstrukturen leichter anpassen können, so dass ein guter Kontakt zwischen dem Druckmodul und der Oberfläche der Batteriezelle gewährleistet werden kann.
Ein guter Kontakt zwischen Druckmodul und Oberfläche der Batteriezelle ist Voraussetzung für eine gute Wärmeübertragung. Auch sollte das Druckmodul zu den Batteriezellen eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/mK aufweisen, und vorzugsweise von mindestens 1 W/mK.
Die Außenhülle umgibt einen Hohlraum mit einer Kanalstruktur für die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmediums. Die Innenseiten der Hauptflächen weisen erhabene Strukturelemente auf, die in den Hohlraum hineinragen und eine zueinander korrespondierende Anordnung haben.
Die Strukturelemente definieren im Zusammenspiel die Kanalführung für das Wärmeübertragungsmedium und stabilisieren die Kanalführung, so dass auch bei Druckbelastung von außen ein freies Querschnittsvolumen offengehalten wird und für das Medium durchströmbar bleibt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform weisen die Strukturelemente eine Reihe von stegförmigen Abschnitten auf, die im Abstand voneinander entlang der Längenerstreckung der Innenflächen angeordnet sind. Zwischen benachbarten Abschnitten befindet sich jeweils eine rinnenförmige Vertiefung, die einen Fließkanal definiert, der mit den Leitungskanälen verbunden ist.
Die Breite der Abschnitte ist geringer als die Querschnittsbreite der rinnenförmigen Vertiefungen. Die Höhe der Abschnitte kann der Tiefe der rinnenförmigen Vertiefungen entsprechen, kann jedoch bei Bedarf auch geringer oder größer sein. Die stegförmigen Abschnitte der gegenüberliegenden Innenflächen sind versetzt zueinander angeordnet, so dass in der Anordnung ein Abschnitt auf der einen Innenfläche oberhalb einer Vertiefung, das heißt eines Fließkanals, der anderen Innenfläche zu liegen kommt. Es ergibt sich eine alternierende Abfolge von stegförmigen Abschnitten und Fließkanälen entlang der Längenerstreckung der Innenflächen.
Bei Druckbelastung werden die Abschnitte der Innenflächen in die Vertiefungen der gegenüberliegenden Innenfläche hineingedrückt. Eine maximale Annäherung ist erreicht, sobald die Stirnflächen der Abschnitte den Boden der jeweils gegenüberliegenden Vertiefung berühren und sich darauf stützen.
Da die Breite der stegförmigen Abschnitte geringer als die Querschnittsbreite der Fließkanäle ist, bleiben auch bei Druckbelastung seitliche Querschnittbereiche der Fließkanäle offen und können den freien Durchfluss gewährleisten.
Sobald die Stirnflächen der Abschnitte den Boden der jeweils gegenüberliegenden Vertiefung erreicht haben und sich darauf abstützen, ist eine weitergehende Druckkompensation nur noch über Deformation der Kanalstrukturen, und/oder der Außenhülle möglich.
Die rinnenförmigen Vertiefungen bzw. Fließkanäle können parallel zur Querachse über die Modulfläche verlaufen. Sie können aber auch eine andere Verlaufsform aufweisen, z. B. Schlangenlinien- oder mäanderförmig. Die Anzahl und Breite der Abschnitte, das heißt der Fließkanäle, können je nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise kann die Querschnittsbreite der Fließkanäle zwischen 0, 1 - > 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm - 3 mm, variieren.
Auch die Tiefe der durchströmbaren Kanalstrukturen kann je nach Bedarf gewählt werden und kann typischerweise zwischen 0, 1 - 0,3 mm und insbesondere 0, 1 mm - 0,3 mm liegen.
Anstelle der stegförmigen Abschnitte mit dazwischenliegenden rinnenförmigen Vertiefungen können auch weitere Formen von Strukturelementen verwendet werden, die im Zusammenspiel eine durchströmbare Kanalstruktur ausbilden. Weitere Strukturelemente können beliebig geformte Erhebungen, z. B. Noppen, sein, die an den Innenflächen vorgesehen sind und in den Hohlraum ragen.
Analog zur Fließkanalstruktur der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit Abschnitten und Fließkanälen sind die Noppen der einen Innenfläche versetzt zu den Noppen an der gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet. Im Druckmodul liegen sich die mit den Noppen versehenen Innenflächen der Hauptflächen einander gegenüber, wobei die Noppen auf der einen Seite oberhalb der freien Querschnittsflächen zwischen den Noppen auf der gegenüberliegenden Seite zu liegen kommen. Bei Druckbelastung werden die Noppen der einen Seite in die freien Querschnittsflächen der anderen Seite hineingedrückt, wobei jedoch die Noppen nicht das gesamte freie Zwischenvolumen besetzen, sondern freie Bereiche zwischen den Noppen als offene durchströmbare Querschnittsflächen verbleiben.
Die Form der Noppen kann beliebig gewählt werden. Die Noppen können eine Zylinderform, Kegelstumpfform oder eine Form mit mehreckiger Querschnittsfläche aufweisen. Vorzugsweise haben sie eine ebene Stirnfläche, die im Druckmodul bei Druckbelastung an einer freien Querschnittsfläche der gegenüberliegenden Seite aufliegen und die Hauptflächen des Druckmoduls gegeneinander abstützen können.
Die Anordnung und Zahl der Noppen kann je nach Bedarf variieren, ist jedoch so ausreichend zu wählen, dass sie die durchströmbare Querschnittsfläche auch bei Druckbelastung stabilisieren können und die durchströmbare Querschnittsfläche für das Wärmeübertragungsmedium passierbar gehalten wird.
In dieser Ausgestaltung mit noppenförmigen Erhebungen kann auf Leitungskanäle verzichtet werden, da der Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums durch das Druckmodul vom Einlass bis zum Auslass durch die freie Querschnittsfläche zwischen den Noppen gewährleistet ist.
Sobald ab einer bestimmten Druckbelastung die Stirnflächen der stegförmigen Abschnitte bzw. Noppen an der einen Innenfläche den Boden der freien Querschnittflächen an der anderen Innenfläche berühren, kann weiterer Druck nur noch mittels elastischer Verformung der Außenhülle kompensiert werden. Hierzu können in ausgewählten Bereichen der Außenhülle komprimierbare Materialien vorgesehen sein, z.B. Schaumstoffe, wie Schaumstoffe auf Elastomerbasis.
So können entlang der Seitenränder der Außenhülle zwischen den Hauptflächen Bereiche aus Schaumstoff vorgesehen sein. Es kann eine Zwischenlage aus Schaumstoff entlang der Seitenränder zwischen den Hauptflächen verlaufen.
Bei Druckbelastung werden die komprimierbaren Bereiche zusammengepresst und nehmen den Druck auf.
Die kanalbildenden erhabenen Strukturelemente wie die stegförmigen Abschnitte und Noppen können unmittelbar auf den Innenseiten der Hauptflächen des Druckmoduls aufgebracht sein. Beispielsweise können sie an die Innenflächen angeformt sein und mit der Außenhülle eine integrale Einheit bilden.
Es kann eine Verstärkungsplatte zwischen Innenfläche und Hohlraum vorgesehen sein, wobei die Strukturelemente in diesem Fall auf der Seite der Verstärkungsplatte vorgesehen sind, die dem Hohlraum zugewandt ist.
Besonders geeignet sind Verstärkungsplatten aus einem Faserverbundkunststoff. Die Wahl des Kunststoffs für die Polymermatrix richtet sich nach dem Anwendungserfordernissen. Es kann ein Elastomer, Duroplast oder Thermoplast verwendet werden.
Auch das Fasermaterial kann in Abhängigkeit der Anwendungsanforderungen gewählt werden. Geeignete Beispiele sind keramische Faser, aber auch Kohlenstoffasern.
Es ist günstig, Fasermaterialien als Gewebe oder Gelege mit multiaxialer Faserorientierung anzuordnen. Es können auch zwei oder mehr unidirektionale Faserlagen mit unterschiedlicher Faserorientierung eingesetzt werden.
Bei Bedarf können dem Polymermaterial für die Matrix Füllstoffe zur mechanischen Stabilisierung zugesetzt werden. Beispiele für geeignete Füllstoffe für die mechanische Stabilisierung sind keramische Füllstoffe, wie z. B. A Os-Partikel, besonders günstig haben sich keramische Füllstoffe in bimodalen Mischungen erwiesen, denen der Füllstoff in unterschiedlicher Körnung aus einen Grobkorn und einem Feinkorn zugesetzt wird. Hierdurch lassen sich besonders dichte Packungen erzielen, da die kleinen Körner in die durch die Grobkörner gebildeten Hohlräume oder Lücken einlagern können.
Auf der freien Fläche zwischen den erhabenen Strukturelementen kann eine dünne Schicht aus einem komprimierbaren Material vorgesehen sein.
Das komprimierbare Material kann ein komprimierbarer Kunststoff, insbesondere ein Schaumstoff, sein.
Zur Steigerung der Druckkompensation kann entlang des Randbereichs des Druckmoduls rund um den Hohlraum zwischen den Hauptflächen herum eine Zwischenlage aus Schaumstoff verlaufen.
Der Schaumstoff für die dünne Schicht auf den freien Flächen und/oder Zwischenlage kann aus einem Elastomer, Duroplast oder Thermoplast hergestellt sein. Bevorzugt ist im Hinblick auf die Verformbarkeit ein Schaumstoff aus einem Elastomer.
Prinzipiell können die Strukturelemente aus einem beliebigen Polymermaterial gefertigt sein, z. B. einem Elastomer, Thermoplasten oder Duroplasten. Die Auswahl eines geeigneten Materials für die Strukturelemente richtet sich nach der Konfiguration des Druckmoduls einerseits und der Funktion der Strukturelemente andererseits. So dienen die Strukturelemente einerseits als Abstandshalter der Stabilisierung der Kanalstruktur und können andererseits auch zur Druckentlastung beitragen.
Im Hinblick auf diese beiden Funktionen sind Strukturelemente aus einem Elastomer besonders zweckmäßig.
Es können aber auch Strukturelemente aus Thermoplasten oder Duroplasten verwendet werden.
Für Ausführungsformen mit komprimierbaren Zwischenlagen, wie z. B. einen Randstreifen zwischen den Hauptflächen aus einem Schaumstoff etc., kann die Druckentlastung durch Komprimierung des Schaumstoffes bewirkt werden, so dass ohne weiteres auch wenig verformbare Strukturelemente einsetzbar sind, wie z. B. Strukturelemente aus einem Thermoplasten oder Duroplasten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert. In den Figuren 1 bis 13 sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckmoduls für die Anwendung an flachen Zellen wie zum Beispiel prismatischen Zellen oder Pouch- Zellen dargestellt. Selbstverständlich kann das Druckmodul auch ohne weiteres für andere Batteriezellformen angepasst und eingesetzt werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Druckmodul in rechteckiger Form;
Figur 2 einen Längsschnitt durch das Druckmodul nach Figur 1 mit anliegender Pouch-Zelle ohne Druckbelastung;
Figur 3 den Längsschnitt durch ein Druckmodul nach Figur 1 unter
Druckbelastung; Figur 4 einen Querschnitt durch das Druckmodul gemäß Figur 1 unter
Druckbelastung;
Figur 5a eine Verstärkungsplatte mit Kanalstruktur aus stegförmigen
Abschnitten und dazwischenliegende rinnenförmige Vertiefungen;
Figur 5b eine Verstärkungsplatte mit korrespondierender Kanalstruktur zur
Verstärkungsplatte gemäß Figur 5a;
Figur 6 einen Querschnitt durch ein rechteckiges Druckmodul mit
Verstärkungsplatten gemäß Figuren 5a und 5b mit einer Kanalstruktur aus durchströmbaren Kanälen; Figur 7 ein Paar korrespondierende Verstärkungsplatten mit noppenförmigen Strukturelementen für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckmoduls; Figur 8 einen Querschnitt durch ein Druckmodul mit den Verstärkungsplatten gemäß Figur 7 mit noppenförmigen Strukturelementen unter Druckbelastung;
Figur 9 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß Figur 8 ohne
Druckbelastung mit anliegender Pouch-Zelle;
Figur 10 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß Figur 9 unter
Druckbelastung;
Figur 11 einen Schnitt parallel zu den Kurzseiten durch eine
Druckmodulanordnung aus zwei Druckmodulen gemäß Figur 9;
Figur 12 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß einer weiteren
Ausführungsform mit Schaumstoffeinlage ohne Druckbelastung; und
Figur 13 einen Längsschnitt durch das Druckmodul gemäß Figur 12 unter
Druckbelastung.
Eine Draufsicht auf eine Ausführungsform für ein rechteckiges Druckmodul 1 zeigt Figur 1. Das Druckmodul 1 ist von einer Außenhülle 2 umgeben. Weiter sind Anschlüsse 4, 5 für den Einlass bzw. Auslass eines Wärmeübertragungsmediums, hier an den gegenüberliegenden Kurzseiten 6, 7, vorgesehen. Die Anschlüsse 4, 5 sind hier unmittelbar an die Außenhülle 2 angeformt. Ein Längsschnitt durch das Druckmodul 1 entlang der Linie AA in Figur 1 ist in Figur 2 gezeigt. Die Außenhülle 2 umgibt einen Hohlraum 9 mit den Strukturelementen an den Innenflächen 7, 8. Die Strukturelemente sind in dieser Ausführungsform stegförmige Abschnitte 10a, 10b, die entlang der
Längenerstreckung der Innenfläche 7, 8 in Abständen angeordnet sind, und dazwischenliegende rinnenförmige Vertiefungen 1 1a, 1 1 b, die durch die Abstände zwischen benachbarten Abschnitten 10a, 10b einer Innenfläche 7, 8 definiert werden. Die Abschnitte 10a, 10b einer jeden Innenfläche 7, 8 sind jeweils einer rinnenförmigen Vertiefung 1 1a, 1 1 b auf der anderen Innenfläche gegenüberliegend angeordnet, wobei die Breite der Abstände 10a, 10b geringer ist als die Querschnittsfläche der Vertiefungen 1 1a, 1 1 b. Im Ergebnis bilden die stegförmigen Abschnitte 10a und die rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a sowie die stegförmigen Abschnitte 10b und rinnenförmigen Vertiefungen 1 1 b miteinander korrespondierende Paare von Strukturelementen, die die Kanalführung und durchströmbare Volumen für das Wärmeübertragungsmedium definieren.
Weiter ist eine Pouch-Zelle gezeigt, die auf einer der Hauptflächen des Druckmoduls 1 anliegt.
Der Längsschnitt durch das Druckmodul 1 gemäß Figuren 1 und 2 unter Druckbelastung zeigt Figur 3. Durch die Druckbelastung werden die stegförmigen Abschnitte 10a, 10b in die jeweils gegenüber angeordneten rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a, 1 1 b hineingedrückt, bis die Stirnfläche 13a, 13b jedes stegförmigen Abschnitts 10a, 10b auf dem Boden der gegenüberliegenden rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11 b zu liegen kommt. Eine weitere
Druckkompensation ist dann nunmehr durch Verformung der Strukturelemente sowie des Druckmoduls 1 möglich.
Da die Breite der stegförmigen Abschnitte 10a, 10b geringer ist, als die Querschnittsbreite der Vertiefungen 11 a, 1 1 b verbleibt auch unter Druckbelastung ein freies Querschnittsvolumen 14, das die Durchströmbarkeit für das Wärmeübertragungsmedium ermöglicht.
In dem Querschnitt durch das druckbelastete Druckmodul 1 in Figur 4 sind die alternierend nebeneinanderliegenden stegförmigen Abschnitte 10a, 10b mit den dazwischenliegenden freien durchströmbaren Querschnittsvolumen 14 zu sehen. Entlang der Randbereiche an den Längsseiten des Druckmoduls 1 erstreckt sich jeweils ein Leitungskanal 15, 16, die über die rinnenförmigen Vertiefungen 11 a, 1 1 b bzw. im druckbelasteten Zustand über die verbleibenden durchströmbaren Querschnittsvolumen miteinander kommunizieren können. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist ein Leitungskanal 15 mit dem Anschluss für den Mediumeinlass 5 und der andere Leitungskanal 16 mit dem Anschluss für den Mediumauslass 6 verbunden.
Je nach Bedarf können jedoch auch beide Leitungskanäle 15, 16 jeweils mit einem Ein- und Auslass bzw. Ein- bzw. Auslass auf derselben Seite des Druckmoduls vorgesehen sein. Die Position für Ein- bzw. Auslass des
Wärmeübertragungsmediums richtet sich selbstverständlicherweise nach den Anforderungen des konkreten Einsatzzweckes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können in dem Druckmodul 1 Trägerplatten 17, 18 zum Einsatz kommen, an denen die Strukturelemente aufgebracht sind.
Die Trägerplatten 17, 18 können der Verstärkung des Druckmoduls 1 dienen.
In Figur 5 ist eine Draufsicht auf ein Ensemble aus zwei Trägerplatten 17, 18 mit korrespondierend zueinander angeordneten Strukturelementen, wobei für die Ausbildung der Kanalstruktur auf den Trägerplatten 17, 18 stegförmige Abschnitte 10a, 10b in Abständen aufgebracht sind, wobei durch die Abstände die rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11b definiert werden. Analog zu der Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4 bilden die Strukturelemente im Zusammenspiel die Kanalführung für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums aus. Das Zusammenspiel der Strukturelemente ist in Figur 6 dargestellt, die einen Querschnitt durch ein Druckmodul 1 mit strukturierten Trägerplatten 17, 18 zur Ausbildung der Kanalführung unter Druckbelastung zeigt.
Die stegförmigen Abschnitte 10a, 10b der beiden Trägerplatten 17, 18 liegen abwechselnd in einem Abstand voneinander entlang der Längenerstreckung des Druckmoduls 1 nebeneinander, wobei das Wärmeübertragungsmedium durch das freie Querschnittsvolumen 14 der rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11 b ungehindert fließen kann, und somit die Durchström barkeit durch das Druckmodul 1 gewährleistet bleibt. Die rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a, 11 b sind mit Leitungskanälen 15, 16 verbunden, die wiederum mit einem Einlass 5 bzw. Auslass 6 für das Wärmeübertragungsmedium verbunden sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Strukturelemente für die Ausbildung einer Kanalführung in einem erfindungsgemäßen Druckmodul ist in Figur 7 gezeigt.
Die Strukturelemente sind hier Noppen 19, die über die Modulfläche angeordnet sind.
In Figur 7 ist ein Ensemble aus zwei Trägerplatten 17, 18 gezeigt, mit zueinander korrespondierender Anordnung von Noppen 19 mit kreisförmigen Querschnitt. Die Noppen 19 sind zueinander versetzt angeordnet und bilden im Zusammenspiel die durchströmbaren Kanalstrukturen, wobei unter Druckbelastung zwischen den Noppen 19 ein freies Flächenvolumen verbleibt, das auch bei Druckbelastung für eine freie Durchströmbarkeit des Druckmoduls 1 ermöglicht, wie aus Figur 8 ersichtlich ist.
Figur 8 zeigt ein Druckmodul 1 mit strukturierten Trägerplatten 17, 18 mit zueinander versetzt angeordneten Noppen 19 unter Druckbelastung. Durch das freie Flächenvolumen zwischen den Noppen 19 kann das
Wärmeübertragungsmedium ungehindert vom Einlass 5 zum Auslass 6 strömen.
Ein Schnitt durch die Linie DD gemäß Figur 8 zeigt Figur 9. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, haben die Noppen 19a, 19b eine Kegelstumpfform. Die Kanalstruktur befindet sich in Figur 9 in einem Zustand, wo die Stirnflächen der Noppen 19a, 19b noch nicht auf der gegenüberliegenden Trägerplatte 17, 18 aufliegen. In Figur 9 ist das Druckmodul 1 an einer Pouch-Zelle angeordnet, dargestellt.
Unter voller Druckbelastung liegen die Stirnflächen auf der jeweils gegenüberliegenden Trägerplatte 17, 18 auf, wie in Figur 10 gezeigt. Eine weitere Druckkompensation ist nunmehr durch Verformung der Strukturelemente und/oder der Außenhülle möglich. Hierfür kann entlang der Randbereiche der Außenhülle 2 zwischen den zwei Modulhälften eine streifenförmige Zwischenlage 22 aus einem Schaumstoff aus einem Elastomer vorgesehen werden.
Eine derartige Ausführungsform ist in Figur 11 im Querschnitt gezeigt, wobei das Druckmodul 1 druckunbelastet ist. Unter Druckbelastung werden nicht nur die Stirnflächen 13a, b der erhabenen Strukturelemente, hier von Noppen 19, gegen die gegenüberliegende Fläche gedrückt, sondern zudem die Schaumstoffstreifen der Zwischenlage 22 entlang des Randes zusammengepresst.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Druckmoduls 1 gemäß Figuren 8 bis 10 zeigt Figur 1 1. In Figur 1 1 , wird eine prismatische Zelle 20, zwischen zwei erfindungsgemäßen Druckmodulen 1 gehalten. Zur besseren Ankopplung der prismatischen Zelle 20 weisen die Hauptflächen des Druckmoduls 1 , an denen die prismatische Zelle 20 zu liegen kommt, zwischen den Bereichen mit den Leitungskanälen eine Vertiefung oder Mulde 21 auf, die die prismatische Zelle 22 sicher halten kann. Die Anordnungsfolge aus erfindungsgemäßen Druckmodul 1 / Zelle usw. kann je nach Bedarf fortgeführt werden.
BEISPIELE:
1 ) Herstellung eines Druckmoduls auf Elastomer-Basis:
Die Herstellung erfolgte mittels eines Gießverfahrens, wobei für jede Hälfte des Druckmoduls eine Negativformen mit den jeweiligen Strukturen für die Innenflächen der Hauptflächen verwendet wurde.
Das Gießpolymer war ein bei Raumtemperatur additionsvernetzendes Zellkomponenten-Silikonelastomer mit Shore A 20-40. Die erhaltenen beiden Hälften wurden mit einem Fügeelastomer verklebt. Anschließend wurden die beiden miteinander verklebten Hälften des Druckmoduls bei 120 °C für 7 Stunden vulkanisiert, um so das fertige Druckmodul zu erhalten. 2a) Herstellung einer strukturierten Verstärkungsplatte:
Als Matrix wurde ein keramisch hochgefülltes Epoxidharz verwendet.
Der keramische Füllstoff war AI2O3 in bimodaler Mischung mit einem Mischungsverhältnis von 60 % Grobkorn mit D50 ~ 15 pm und 40 % Feinkorn mit einem D50-Wert, der um einen Faktor 10 kleiner war als der des Grobkorns.
Diese Mischung wurde in eine entsprechend strukturierte Negativform aus Stahl eingestrichen.
Anschließend wurden zwei Lagen aus Glasseide mit einem Flächengewicht von 25g/m2 mit 0/90 Orientierung darauf abgelegt und angedrückt.
Die Glasseidenlagen wurden vor Ablegen mit dem ungefüllten Epoxidharz eingestrichen.
Die Form wurde geschlossen und in einer Heißpresse bei Drücken zwischen 10 - 50 bar und Temperaturen von circa 80 °C - 100 °C für 30 Minuten verpresst.
Nach Erkalten wurde die Pressform geöffnet und die strukturierte Glasfaserkompositplatte entnommen. Die Struktur bestand ausschließlich aus dem hochgefüllten Epoxidharz und wies eine innige Verbindung mit dem darunterliegenden Faserkomposit auf.
Die erhaltenen strukturierten Platten wurden in einem Wärmeschrank bis zur maximalen Festigkeit der Harzmatrix getempert. Jeweils zwei Faserkompositplatte mit korrespondierender Struktur wurden anschließend mit einem Elastomer umgossen, um das Druckmodul fertiggestellt.
2b) Herstellung einer unstrukturierten Faserkompositplatte:
Die Herstellung erfolgt analog zu 2a), wobei jedoch eine Form ohne Strukturen eingesetzt wurde.
Die Faserkompositplatte hatte eine Dicke von 0,1 mm und war noch flexibel. 3) Herstellung eines Druckmoduls mit komprimierbarer Zwischenlage:
Die nach 1) oder 2a) erhaltenen korrespondierenden Hälften eines Druckmoduls wurden mit einem Schaumelastomer als Fügeelastomer miteinander verbunden. Bei Druckbelastung wird der Schaumstoff komprimiert und bewirkt so die Druckkompensation.
Bezugszeichenliste
1 Druckmodul
2 Außenhülle
3 Kurzseite (linke Bildseite)
4 Kurzseite (rechte Bildseite)
5 Anschluss für einen Einlass
6 Anschluss für einen Auslass
7, 8 Innenflächen der Hauptflächen des Druckmoduls
9 Hohlraum
10a, 10b stegförmiger Abschnitt
11a, 11 b rinnenförmige Vertiefung
12 Pouch-Zelle
13a, 13b Stirnflächen
14 Durchströmbares freies Volumen
15 Leitungskanal (in der Figur am Einlass 5)
16 Leitungskanal (in der Figur am Auslass 6)
17, 18 T rägerplatten
19a, 19b Noppen
20 Prismatische Batteriezelle
21 Vertiefung bzw. Mulde auf der Hauptfläche der Außenhülle 22 Zwischenlage
22 Zwischenlage 22 im komprimierten Zustand
23 Schaumstoffauflage auf freier Fläche
23‘ Schaumstoffauflage 23 im komprimierten Zustand

Claims

Ansprüche
1. Druckmodul (1) für eine Batteriezelle,
das ein zumindest teilweise elastomeres Bauteil zur Druckkompensation mit gleichzeitiger Kühl- bzw. Heizfunktion für Batterien ist,
wobei das Druckmodul (1) eine Außenhülle (2) aus einem Polymermaterial aufweist, die einen Hohlraum (9) mit einer Kanalstruktur umgibt, und in der Außenhülle (2) ein Anschluss für einen Einlass (5) und Auslass (6) für ein Wärmeübertragungsmedium vorgesehen ist,
wobei das Druckmodul (1) zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die über ihre Kanten miteinander verbunden sind,
wobei an den Innenflächen (7, 8) der Hauptflächen erhabene
Strukturelemente (10a, 10b; 19a, 19b) vorgesehen sind, die miteinander korrespondieren und im Zusammenspiel die Kanalstruktur für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums definieren und stabilisieren.
2. Druckmodul (1) nach Anspruch 1 ,
wobei entlang von zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen der Hauptflächen jeweils ein Leitungskanal (15, 16) verläuft, der sich entlang des Randbereichs von einer Seite (3) zur gegenüberliegenden Seite (4) des Druckmoduls (1) erstreckt, und die Leitungskanäle (15, 16) mit der Kanalstruktur in dem Hohlraum (9) verbunden sind.
3. Druckmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Strukturelemente (10a, 10b) stegförmige Abschnitte sind, die im Abstand voneinander entlang der Längenerstreckung an den Innenflächen (7, 8) angeordnet sind,
wobei rinnenförmigen Vertiefungen (11a, 11b) zwischen zwei benachbarten stegförmigen Abschnitten (10a, 10b) einen Fließkanal definieren,
wobei ein stegförmiger Abschnitt (10a, 10b) der einen Innenfläche (7, 8) jeweils einer rinnenförmigen Vertiefung (11a, 11 b) an der gegenüberliegenden Innenfläche (7, 8) gegenüberliegend angeordnet ist, und bei Druckbelastung die stegförmigen Abschnitte (10a, 10b) in die jeweils gegenüberliegende rinnenförmige Vertiefung (11a, 11b) eingreifen, und die Breite der stegförmigen Abschnitte (10a, 10b) so gewählt ist, dass beim Eingreifen in eine gegenüberliegende rinnenförmige Vertiefung (11a, 11b) freie
Querschnittsvolumen (14) verbleiben, die eine offene Kanalstruktur für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums bilden.
4. Druckmodul nach Anspruch 3,
wobei beim Eingreifen eines Abschnitts (10a, 10b) in eine gegenüberüberliegende rinnenförmige Vertiefung (11a, 11b) zumindest seitlich freie Querschnittsvolumen offen bleiben.
5. Druckmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
wobei an den Innenflächen (7, 8) noppenförmige Erhebungen (19a, 19b) vorgesehen sind, und sich zwischen den noppenförmigen Erhebungen (19a, 19b) freie Flächen für den Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums verlaufen,
wobei die noppenförmigen Erhebungen (19a, 19b) an der einen Innenfläche den freien Fläche an der gegenüberliegenden Innenfläche (7, 8) gegenüberliegend angeordnet sind.
6. Druckmodul (1) nach Anspruch 5,
wobei der Durchmesser der noppenförmigen Erhebungen (19a, 19b) so gewählt ist, dass bei Druckbelastung ein freies Zwischenvolumen für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums gebildet wird.
7. Druckmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
wobei die noppenförmigen Erhebungen (19a, 19b) eine Zylinderform, Kegelstumpfform oder eine Form mit mehreckiger Querschnittsfläche aufweisen.
8. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erhabenen Strukturelemente (10a, 10b; 19a, 19b) eine flache Stirnfläche haben.
9. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei entlang der Innenflächen (7, 8) jeweils eine Verstärkungsplatte (17, 18) vorgesehen ist und die Strukturelemente (10a, 10b; 19a, 19b; 11a, 11b) an den Flächen der Verstärkungsplatten (17, 18) angeordnet sind, die einander gegenüberliegen und dem Hohlraum (9) zugewandt sind.
10. Druckmodul (1) nach Anspruch 9,
wobei die Verstärkungsplatten (17, 18) aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
11. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen den Hauptflächen entlang des Randes der Außenhülle (2) eine Zwischenlage (22) aus einem komprimierbaren Material vorgesehen ist.
12. Druckmodul (1) nach Anspruch 11 ,
wobei die Zwischenlage (22) aus einem Polymerschaumstoff gebildet ist.
13. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Außenhülle (2) aus einem Elastomer gebildet ist.
14. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Strukturelemente (10a, 10b; 11a, 11b) aus einem Material ausgewählt unter einem Elastomer, Duroplast oder Thermoplast gebildet sind.
15. Druckmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Druckmodul (1) zumindest auf einer der Hauptflächen der Außenhülle (2) für die Halterung einer Batterie eine muldenförmige Vertiefung (21) aufweist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4415089A1 (de) 2023-02-10 2024-08-14 Newfrey LLC Batteriebaugruppe mit einem quellkompensator

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230056607A (ko) * 2021-10-20 2023-04-27 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지 충방전용 지그 장치
FR3131093B1 (fr) * 2021-12-20 2024-04-26 Renault Sas Module pour batterie comprenant un fluide appliquant une pression sur une cellule
DE102022201542A1 (de) * 2022-02-15 2023-08-17 Contitech Vibration Control Gmbh Festkörperakkumulatorsystem
EP4451443A1 (de) * 2022-02-21 2024-10-23 Contemporary Amperex Technology (Hong Kong) Limited Batterie und elektrische vorrichtung
DE102022110062A1 (de) 2022-04-26 2023-10-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Feststoffbatterie sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen
DE102022123454A1 (de) * 2022-09-14 2024-03-14 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Kraftfahrzeug-Traktionsbatteriemodul
JP7401626B1 (ja) 2022-10-07 2023-12-19 信越ポリマー株式会社 延焼防止シートおよびそれを備えるバッテリー
JP7474821B1 (ja) 2022-10-17 2024-04-25 信越ポリマー株式会社 延焼防止シートおよびそれを備えるバッテリー
WO2024108196A1 (en) * 2022-11-18 2024-05-23 Our Next Energy, Inc. Cell formation
DE102023106454A1 (de) 2023-03-15 2024-09-19 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Batteriemodul mit einem zwischen direkt gekühlten Batteriezellen angeordnetem Stützelement
DE102023108732A1 (de) 2023-04-05 2024-10-10 Audi Aktiengesellschaft Zwischenzellkühlelement, Batterieanordnung, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Zwischenzellkühlelements

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100648697B1 (ko) * 2005-03-11 2006-11-23 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지 모듈
US9759495B2 (en) * 2008-06-30 2017-09-12 Lg Chem, Ltd. Battery cell assembly having heat exchanger with serpentine flow path
KR20110024954A (ko) * 2009-09-03 2011-03-09 삼성전자주식회사 냉각용 유로를 갖는 이차 전지 모듈
KR101816974B1 (ko) * 2014-11-17 2018-02-21 주식회사 엘지화학 이차전지용 냉각 플레이트 및 이를 포함하는 이차전지 모듈
DE102017207911A1 (de) * 2017-05-10 2018-11-15 Robert Bosch Gmbh Batteriemodulgehäuse, Verfahren zur Herstellung eines solchen und Batteriemodul

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4415089A1 (de) 2023-02-10 2024-08-14 Newfrey LLC Batteriebaugruppe mit einem quellkompensator

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220003048A (ko) 2022-01-07
CN114207923A (zh) 2022-03-18
WO2020221856A1 (de) 2020-11-05
JP2022531359A (ja) 2022-07-06
US20220209281A1 (en) 2022-06-30

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