EP4370323A1 - Thermische isolationsmatte für batteriesysteme - Google Patents

Thermische isolationsmatte für batteriesysteme

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Publication number
EP4370323A1
EP4370323A1 EP22751318.1A EP22751318A EP4370323A1 EP 4370323 A1 EP4370323 A1 EP 4370323A1 EP 22751318 A EP22751318 A EP 22751318A EP 4370323 A1 EP4370323 A1 EP 4370323A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ribs
thermal insulation
base plate
insulation mat
elastomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22751318.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heribert Walter
Michael Maag
Tobias Fritz
Alex Thomaschpolski
Jessica UHLEMANN
Thomas ÜBLER
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Friction Systems Germany GmbH filed Critical Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Publication of EP4370323A1 publication Critical patent/EP4370323A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a thermal insulation mat for battery systems, in particular lithium-ion battery systems, the thermal insulation mat being arranged between the individual cells of the battery system in order, in the event of a battery cell failure, for example as a result of overheating of the battery cell, to prevent the overheating from progressing to prevent adjacent battery cells.
  • the thermal insulation mat according to the invention can advantageously be used for battery systems such as are used in the field of electromobility.
  • Battery systems are usually made up of a number of individual cells in order to be able to obtain the required high energy densities.
  • a defined number of individual cells are combined to form a module and individual modules to form a stack and are electrically connected to one another.
  • the battery systems received are housed in a hermetically sealed housing to protect them from external influences.
  • Prismatic cells have a cuboid shape with a rigid housing (also known as cell cups), while pouch cells, also known as coffee bag cells, have a flexible film shell.
  • the present invention relates in particular to battery systems with rechargeable batteries, so-called secondary cells, also referred to as accumulators.
  • a battery system that is frequently used, for example in the field of electromobility, is one based on lithium ion batteries
  • the determining factors for this critical temperature value in lithium-ion cells are in particular the electrolyte or its composition and the triggering range of the shutdown separator.
  • Liquid electrolytes are used for lithium-ion cells that contain components that have a boiling point of around 100 °C and are highly flammable.
  • the cell temperature must therefore be kept below the boiling point in order to avoid an increase in pressure in the hermetically sealed cells. If the internal cell pressure is too high, a safety valve opens, the gas that has formed escapes and the electrolyte, which is highly reactive under these conditions, usually ignites immediately.
  • Shutdown separators are a safety measure to prevent ion transport and interrupt the flow of electricity by closing the micropores of the separator when a critical temperature is exceeded.
  • Shutdown separators are known which are made up of a laminate of two polymer films, the polymers having different melting points.
  • frequently used shutdown separators are constructed from a polyethylene/polypropylene laminate with a melting point of polyethylene of 120°C and polypropylene of 170°C. If the melting point of the polymer film with the lower melting point, here polyethylene, is exceeded, it melts and closes the pores of the polymer film with the higher melting point, here polypropylene.
  • the cell temperatures must be kept below 150° C., in particular below 120° C. and preferably below 100° C., in order to avoid overheating of the cell and the associated safety risks. It is known to provide a thermal insulating device between adjacent cells in order to prevent adjacent cells from being heated above the critical temperature and thus triggering a cell fire.
  • Thermal insulation should also have the function of an electrical insulator to electrically insulate the cells or the potential differences between the cells of a module that are present on the cell housing.
  • This system-immanent volume change must be taken into account in particular in the manufacture of battery systems based on prismatic cells due to their solid cell housing.
  • the increase in volume of the cell components leads to a bulging in the central area of the large main surfaces.
  • the edge area is mechanically stabilized via the corners to the adjacent surfaces.
  • the main surfaces can bulge by 0.2 mm to less than 1 mm when loading an aged prismatic cell, which can result in a total expansion of 2 mm to less than 10 mm for a module with usually 10 to 14 individual cells.
  • both the cyclic volume change in the can compensate for the course of loading and unloading as well as the continuous increase in volume over the service life of a cell.
  • the thermal insulation mat should have the lowest possible weight, be installed in a space-saving manner and be inexpensive.
  • Thermal insulation means that in the event of a cell fire with a heat development of 600 °C and more within just 30 seconds, the heat transfer to a neighboring cell should advantageously be limited to below 100 °C.
  • Ensuring compensation for cell volume change over lifetime requires that the material be elastically deformable and have a sufficiently low compression set so that it does not settle under pressure and temperature variations.
  • a desired number of individual cells typically 12 to 14 pieces, are combined into a stack, pressed with a defined prestressing force of 5 to 19 kN, for example, and fixed under this prestressing force in order to achieve a defined to obtain stack geometry.
  • a thermal insulation mat must be able to maintain this preload over its entire lifetime in order to ensure the dimensional stability of the module.
  • a thermal insulation mat with an elastically deformable base plate made of a fiber-elastomer composite, with a number of ribs being provided on the two main surfaces of the base plate, which ribs extend parallel to one another and at a distance from one another across the main surfaces of the base plate , wherein the ribs of the two main surfaces are arranged offset to one another, and the base plate with rib structure is surrounded by a peripheral frame, the ribs being decoupled from the frame.
  • the frame is also formed from an elastomeric material. "Staggered arrangement" of the ribs means that the ribs of one major surface of the base plate extend within the distance between two ribs of the other major surface of the base plate.
  • the spacing between the ribs should be wider than the width of the ribs across them to allow deflection of the rib into the spacing.
  • Decoupled means that the ribs are not connected to the frame, i.e. neither the end faces of the ribs nor the outer side surfaces of the outermost ribs are in contact with the frame.
  • the dimensioning of the thermal insulation mat according to the invention depends on the respective application.
  • the frame or the edge of the frame can protrude beyond the circumference of the battery cells, for example with the long sides or short sides or with both.
  • the elastically deformable base plate has a flat rectangular shape with two main surfaces. On each of the major faces are a number of ribs which are parallel and spaced apart and extend across the major faces, the ribs of the two major faces being offset from one another.
  • the base plate with rib arrangement is surrounded by a surrounding frame.
  • the thermal insulation mat according to the invention is arranged face to face between adjacent prismatic battery cells.
  • the free upper side of the frame rests against the adjacent battery cell or battery cells.
  • the frame of the insulating mat thus runs along the dimensionally rigid edges of the battery cells and can be supported against the edges.
  • the prestressing pressure that is exerted on the battery cells and the frame of the thermal insulation mats during module assembly can be intercepted and compensated by the surrounding frame.
  • the frame should at most deform only slightly as a result of the prestressing pressure and have a correspondingly low compressibility.
  • the compressive strength of the frame can be influenced and adjusted in various ways through the elasticity of the material, the frame width and the frame structure.
  • the frame height can be selected such that a desired frame thickness is obtained after bracing during module assembly.
  • the ribs deviate due to deformation of the base plate into the space below the respective rib between the ribs arranged on the other side of the base plate.
  • the pressure is relieved, e.g. when the bulge swells due to discharge, the ribs can return to their original state due to the elasticity of the base plate.
  • the elastically deformable base plate with ribs arranged on it acts as a spring element, with compression occurring under pressure and rebounding back into the initial state under pressure relief.
  • an adjustable pressure can also be exerted on the cell surfaces via the base plate acting as a spring element with ribs arranged thereon, so that the cell stack is slightly compressed in addition to the prestressing pressure. It has been shown that an additional pressure that can be achieved in this way can have a positive effect on the cycle stability of the cells in the stack.
  • the amount of deflection can be controlled by a number of different measures, which can be used individually or in combination of two or more of them.
  • the amount of deflection can be geometrically controlled by the spacing between the ribs, which should be at least 1.5 to 2 times the rib width.
  • the amount of deflection is further determined by the design and material of the base plate.
  • the base plate is formed from a fiber-elastomer composite with a matrix of an elastomeric plastic (elastomer) and embedded therein at least one intermediate layer of fibers (also referred to as fiber intermediate layer).
  • the elastomer In addition to the required elasticity, the elastomer must have sufficient temperature resistance in order to be able to withstand the high temperatures in the event of a cell fire.
  • Suitable high temperature resistant elastomers are silicone elastomers such as methyl phenyl silicone rubber (PMQ), methyl phenyl vinyl silicone rubber (PVMQ), methyl silicone rubber, methyl vinyl silicone rubber (VMQ), fluorovinyl methyl silicone rubber (FVMQ ), ethylene propylene diene rubber (EPDM), styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), butyl rubber, isobutene isoprene rubber (IIR), and isoprene Rubber (IR) and polyurethane (PUR).
  • silicone elastomers such as methyl phenyl silicone rubber (PMQ), methyl phenyl vinyl silicone rubber (PVMQ), methyl silicone rubber, methyl vinyl silicone rubber (VMQ), fluorovinyl methyl silicone rubber (FVMQ ), ethylene propylene diene rubber (EPDM), styrene butadiene rubber (SBR
  • the elasticity of the elastomer should preferably be in a Shore A hardness range of 20 to 80, in particular 45 to 75 and particularly preferably 50 to 60.
  • mineral fibers are used for the intermediate layer of fibers, such as glass fibers, basalt fibers, silicate fibers and oxide-ceramic fibers.
  • the mineral fibers can be in the form of a fabric such as a woven fabric or scrim, and the fabric itself can be made from rovings or yarns made from these fibers.
  • the fibers are typically used with basis weights of 20 g/m 2 to 200 g/m 2 . If, for example, two or more intermediate fiber layers are provided, the basis weights of the individual layers can be in the lower range or even below.
  • the fibers are embedded in the elastomer matrix as a reinforcing intermediate layer.
  • a thin layer of elastomer can be provided as a binder between the individual intermediate fiber layers.
  • a preferred combination of materials for the base plate is a silicone elastomer with one or two intermediate layers of glass fiber fabric.
  • the deformability and thus the extent of deflection of the base plate is determined by the orientation of the fibers.
  • the lowest deformability shows a 0° / 90° orientation, so that there is no or at most only a slight deflection.
  • the fibers show maximum displaceability of the fibers with maximum mutual deflection of the ribs.
  • An example of a suitable orientation lying between these values is a 307120° orientation.
  • the base plate stretches longitudinally, reducing the angle between the fibers, i.e. there is an interaction between the matrix and fibers.
  • the elasticity can also be modified by adding inorganic fillers to the elastomer matrix.
  • the fillers can take on a purely mechanical function. When the elastomer deforms, the distance between the filler particles decreases until they touch, which blocks further deformation of the elastomer.
  • the extent of the blocking effect can be influenced by a number of parameters, such as degree of filling, particle size and shape, particle size distribution (mono-, bi- or trimodal).
  • particle shape for example round or sharp-edged, influences the sliding behavior and the blocking behavior of the particles in relation to one another and in the matrix.
  • the fillers can be of a ceramic, carbon-based or metallic nature.
  • their thermal and electrical properties must be taken into account with regard to the basic thermal and electrical insulation function of the thermal insulation mat according to the invention.
  • Fillers which have the lowest possible electrical conductivity, such as ceramic fillers, are therefore preferred.
  • fillers can also be added to improve the thermal behavior of the elastomer.
  • fillers that reduce heat conduction can be used.
  • These can be materials that create insulating air or gas cushions, such as hollow bodies, for example hollow glass spheres, or materials with high porosity, such as aerogels, aerosils or expanded materials.
  • fillers which react endothermally at fire temperature and withdraw thermal energy from the system. These are, for example, at fire temperature, ceramizing, vitrifying or charring, cooling and oxygen-removing materials, such as are known in principle as flame retardants for plastics.
  • Suitable examples are metal hydroxides or metal oxyhydroxides, which split off water when heated and form a protective ceramic layer, such as for example aluminum hydroxide (aluminium trihydrate (ATH)), which reacts from approx. 200 °C to form Al2O3 and water, or magnesium hydroxide, which reacts from approx. 300 °C to form MgO and water.
  • a protective ceramic layer such as for example aluminum hydroxide (aluminium trihydrate (ATH)), which reacts from approx. 200 °C to form Al2O3 and water, or magnesium hydroxide, which reacts from approx. 300 °C to form MgO and water.
  • suitable heat-withdrawing fillers are based on polyphosphates, such as melamine or ammonium polyphosphate, which have an intumescent (bloating) effect with the release of ammonia (NH3) and, through the reaction of the ammonia to form nitrogen and water, have an oxygen-removing effect.
  • polyphosphates such as melamine or ammonium polyphosphate, which have an intumescent (bloating) effect with the release of ammonia (NH3) and, through the reaction of the ammonia to form nitrogen and water, have an oxygen-removing effect.
  • the material properties can advantageously be set and adapted in a targeted manner by varying the fillers and the degree of filling.
  • the degree of filling to be achieved depends heavily on the grain size distribution, the grain size and the surface reactivity of the filler particles.
  • the degree of filling for particles with a main proportion of particles with a size between 10 and 100 ⁇ m can be up to 60 percent by weight and for nanoscale particles well over 100 percent by volume.
  • a prerequisite for all fillers is that they do not adversely affect the elasticity behavior of the elastomer.
  • passages can be provided in the thermal insulation mat according to the invention, if required, for discharging gases that form as a result of the reaction of the fillers and thermal decomposition of the elastomer. These passages can be used to counteract the creation of an overpressure in the area between the wall of the battery cells and the thermal insulation mat in a module that is essentially hermetically sealed by the preload pressure.
  • interruptions running transversely in the ribs and/or outlet openings in the surrounding frame can be provided.
  • Reaction gases that may have formed can then be distributed over the surface of the base plate along the interruptions and escape through the outlet openings.
  • interruptions have a continuous arrangement. Interruptions in adjacent ribs are provided in extension of each other to form a continuous channel which is interrupted by the spaces between the ribs. Due to the continuous arrangement of the interruptions, the gases can escape in a directed manner.
  • the dimensions of the thermal insulation mat according to the invention and its structures are determined by the requirements of the specific use.
  • thermal intermediate insulation in battery systems made of prismatic battery cells, for example in modules it should have the smallest possible overall thickness.
  • the thickness in the unloaded state should not be more than 3 mm with a rib height of 0.4 to 0.5 mm, a rib width in a range of 1.0 mm to 3.0 mm and a distance between the ribs in a range 1.5 to 3 times the rib width and a frame thickness of 5 to 10 mm.
  • the total thickness of the insulation mat is 1.5 mm or less, in particular 1 mm or less, under a preload pressure of the battery module of 5 kN.
  • an intermediate layer made of a metal foil which reflects infrared radiation for example an aluminum foil, can also be provided in the base plate.
  • the foil should be as thin as possible, for example about 0.1 mm.
  • a thermal insulation mat is provided that can meet all desirable requirements for practical use:
  • the base plate made of a fiber-elastomer composite can be compressed by at least 0.4 mm in order to be able to compensate for the bulging of the battery cells due to cell aging and charging cycles;
  • the breakdown voltage resistance can advantageously be set to at least 3 kV
  • thermal cell insulation mat according to the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying figures, which schematically show an embodiment of the thermal insulation mat according to the invention, as is suitable for prismatic battery cells. It shows:
  • FIG. 1 shows a top view of an arrangement of four prismatic battery cells with a thermal insulation mat according to the invention arranged between them,
  • FIG. 2 shows a side view of a prismatic battery cell in the expanded state
  • FIG. 3 shows a view from above of a thermal insulation mat according to the invention
  • FIG. 4 shows a side view from above of the thermal insulation mat according to the invention according to FIG. 3,
  • FIG. 5a shows a longitudinal section through a rib and frame of the thermal insulation mat according to the invention according to FIG. 4 in the unloaded state
  • FIG. 5b shows the representation according to FIG. 5a in the pressure-loaded state
  • FIG. 6 shows a schematic exploded view of the thermal insulation mat according to the invention without a frame
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the base plate with staggered ribs in the loaded (compressed) state
  • FIG. 8a shows a view from above of the basic structure of a base plate according to the invention made of fiber-elastomer composite in the unloaded state
  • FIG. 8b shows the structure according to FIG. 8a in the loaded (compressed) state
  • FIG. 9a shows a schematic of an embodiment for the basic structure of a base plate made of a fiber-elastomer composite that is filled with filler material in the unloaded state
  • FIG. 9b shows a schematic of the structure according to FIG. 9a in the loaded (compressed) state
  • FIG. 10 shows a schematic top view of the thermal insulation mat according to the invention with an embodiment for channel structures for gas discharge
  • FIG. 11 shows a diagram with the results of a heat transfer measurement on a sample produced according to the invention
  • FIG. 12 shows a diagram with the spring characteristics of samples produced according to the invention as a function of the rib spacing
  • FIG. 13 shows a diagram with the spring characteristics of samples produced according to the invention as a function of the hardness (Shore A) of the silicone elastomer
  • FIG. 14 shows a diagram with a comparison of the deformation behavior of samples produced according to the invention as a function of the rib spacing.
  • FIG. 1 shows a battery arrangement with four prismatic battery cells 2 according to the prior art, a thermal insulation mat 1 according to the invention being provided between two adjacent cells 2 in each case.
  • the internal structure of the battery cell 2 is hermetically enclosed by a solid cuboid or prismatic cell housing, which has two connection terminals 3, 4 and a safety valve 5 on a narrow side surface.
  • the safety valve 5 opens when the internal cell pressure rises above a critical value due to reaction gases formed as a result of a temperature increase, so that the gases can escape and an explosion of the cell is prevented.
  • FIG. 2 shows a prismatic battery cell 2 with bulging main surfaces 6 of the cell housing. The deformation occurs essentially only in the central area of the main surfaces 6, since the edges of the cell housing are mechanically stable over the corners to the adjacent smaller side surfaces and do not deform during normal operation.
  • Figure 3 is a top plan view of the thermal insulation mat 1 of the invention clearly showing the rib arrangement of the insulation mat of the invention with base plate 7 and a series of ribs 8 extending parallel to one another and spaced 9 apart across base plate 7. The distance 9 is wider than the ribs 8.
  • the rib arrangement is surrounded by a peripheral frame 10, the ribs 8 being decoupled from the frame 10, i.e. the ribs 8 have no contact with the frame 10. Neither the end faces of the ribs 8 nor the side faces of the outer ribs are in contact with the Frame 10 connected so that there is a gap 11 between the end faces of the ribs 10 and the frame 8 .
  • the frame 10 here has a flat, free upper side with which the frame 10 rests against a peripheral edge of a battery cell when installed. Also, in the embodiment shown, the frame 10 is wider than the ribs 8 so that it has a higher resistance to deformation than the ribs. When installed under load, the frame 10 can accommodate the preload pressure without the preload pressure affecting the ribs.
  • 4 shows a representation of the thermal insulation mat 1 according to the invention with a view obliquely from the front. The arrangement of the ribs 8 on the upper main surface of the base plate 7 in the figure as well as the peripheral frame 10, which extends around the upper and lower rib arrangement, can be clearly seen with base plate 7 interposed therebetween.
  • the base plate 7 has an intermediate layer 12 made of fiber material.
  • FIGS. 5a and 5b show a longitudinal section along a rib 8 and through the surrounding frame 10 in an unloaded state (FIG. 5a) and in the loaded state when pressure is applied to the frame 10 by the prestressing pressure when assembling
  • the height of the frame 10 is higher than that of the ribs 8. Between the face of the ribs 8 and the frame 10 there is a gap 11 which continues around the entire rib arrangement.
  • FIG. 5b shows the state when the battery module is subjected to a pressure load due to the preload pressure during assembly.
  • the height of the frame 10 is compressed by the prestressing pressure, with the height of the frame 10 and the ribs 8 adapting.
  • the gap 11 remains even when the frame 10 is subjected to a compressive load, so that the ribs 8 are decoupled from the surrounding frame 10 even when the frame 10 is subjected to a compressive load.
  • the desired deformation resistance can be adjusted over the width of the frame, with the deformation resistance increasing with the width. Furthermore, the deformation resistance can be adjusted through the selection of the material, the degree of cross-linking of the elastomer, the compression modulus, etc.
  • the frame 10 is loaded by the preload pressure, but the ribs 8 remain essentially unloaded.
  • FIG. 6 shows an exploded view of an embodiment of the thermal insulation mat 1 according to the invention, with the surrounding frame 10 being omitted to clarify the structures.
  • the arrangement of the ribs 8 on the major faces of the base plate 7 can be seen, the ribs 8 on each major face being parallel to one another and spaced a distance 9 from one another and the ribs 8 extending transversely across the major face.
  • the distance 9 between the ribs 8 of a main surface is greater than the width of the ribs 8, preferably the distance 9 is at least 1.5 to 2 times the width of the ribs 8.
  • the ribs of the two main surfaces are offset from one another , wherein a rib 8 of one main surface runs along a distance 9 of the other main surface.
  • the base plate 7 is formed from an elastomeric material which has an intermediate layer of mineral fibers 12 .
  • additional elastomer material can be provided as a binding agent between two intermediate layers made of fiber material.
  • the same elastomeric material can be used for the manufacture of the base plate 7 with interposed fiber material 12 and for the ribs 8, whereby the ribs 8 can be molded as an integral part of the base plate 7.
  • the frame 10 can also be formed from the same elastomeric material and molded as an integral part together with the base plate 7.
  • the base plate 7 forms a zigzag course with bulges protruding alternately upwards and downwards into the respective spacings 9 .
  • the pressure load decreases, for example during the course of discharging the battery cells, these deformations recede accordingly due to the elasticity of the base plate 7 .
  • the extent of the deformation is essentially determined by the width of the distance 9 and the deformability of the base plate 7, the is influenced in particular by the hardness (elasticity) of the elastomer and the orientation of the fibers, and as illustrated by way of example in FIGS. 8a, b and 9a, b.
  • Figures 8a, b and 9a, b each show a top view of the base plate 7 with fiber intermediate layer 12 with a schematic representation of the internal structure in the unloaded state ( Figures 9a and 10a) and in the compressed state ( Figures 9b and 10b).
  • the fibers of the intermediate fiber layer 12 each have a ⁇ 45° orientation, so that fibers with different signs intersect at a 90° angle 14a.
  • the elastomer matrix 13 in which the fibers are embedded is indicated as a gray area. Also shown are ribs 8 extending across the surface. The edge running left and right along the ribs 8 indicates the underlying distance 9 between the staggered ribs 8 provided on the underside of the base plate 7 .
  • the fibers with different signs intersect at a 90° angle 14a. If pressure is exerted on the thermal insulation mat 1 and the ribs 8 deflect, the fiber matrix composite of the base plate 7 lengthens (indicated by the arrows pointing to the left or right) while reducing the width (indicated by the arrows at the top and bottom edge in of the figure), as shown in Figure 8b. As a result, the crossing angle 14b between the fibers is reduced, here to 60°.
  • the deformation occurs analogously when pressure is exerted and the ribs 8 deflect in a base plate whose elastomer material has filler particles 15 added to it, as shown in FIG. 9a in the unloaded state and FIG. 9b in the deflected state.
  • Filler particles 15 of different sizes were used for this example.
  • the base plate 7 lengthens (left and right arrows) and the width of the base plate 7 decreases (upper and lower arrows).
  • the crossing angle 14b of fibers with different signs is reduced to 60°.
  • the extent of the deformation is additionally controlled by the filler particles 15, since the distance between the particles 15 is reduced by the compression. As soon as the distance is reduced to such an extent that the particles 15 touch and interlock with one another, further deformation is blocked since the fibers can no longer shift relative to one another.
  • FIG. 10 is a top view of a thermal insulation mat 1 according to the invention with parallel ribs 8, peripheral frames 10 and gap 11 between ribs 8 and peripheral frames 10, the ribs 8 having a structure of interruptions 16 extending essentially transversely across the ribs 8 .
  • These interruptions 16 and outlet openings 17, 18 are used to discharge reaction gases that can form as a result of phase change and decomposition, in particular of fillers, when overheated.
  • the resulting gas phase together with the gas phase that results from the thermal decomposition of the elastomer, can lead to very high gas pressures in the area between the cell wall and the base plate 7 that is sealed off by the frame 10 .
  • the interruptions 16 are formed here in successive ribs 8 as a continuous structure.
  • the interruptions 16 in the rib arranged to the left or right next to a rib 8 form the continuation of the interruption 16 in the rib 8 lying in between.
  • a continuous channel for gas discharge is obtained.
  • the interruptions 16 each extend in a diagonal line starting from the center of the base plate in the direction of the four corners and result in the shape of a wide X in the overall picture.
  • outlet openings 17 , 18 for discharging the reaction gases from the intermediate space area between the cell wall and the thermal insulation mat 1 are also provided in the short sides of the peripheral frame 8 .
  • the results of a heat transfer measurement on an exemplary cell insulation mat are shown in FIG.
  • the investigation was carried out on a heat transfer measuring stand at a pressure of 1.9 bar to simulate the swelling process.
  • the test piece was made from a silicone elastomer SK85L7 from ELANTAS with Shore A 45 with two layers of E-glass fiber fabric, each with a weight per unit area of 163 g/m 2 .
  • the dimensions of the specimen were 235mm x 113.5mm x 2.0mm, corresponding to the dimensions of a typical prismatic cell.
  • the rib height was 0.4 mm
  • the rib width was 1.0 mm
  • the rib spacing was 2.0 mm.
  • the sample was first held at 50° C. for 5 minutes to ensure a homogeneous temperature distribution, with the pressure being regulated during this time.
  • FIGS. 12 and 13 show stress-strain diagrams with the spring characteristics of typical material samples for the cell insulation mat according to the invention.
  • the dimension of the specimens was 40 mm x 40 mm, with a rib height of 0.4 mm, rib width of 2 mm and a total sample thickness of 2 mm.
  • the thickness of the intermediate fiber layer was between 0.8 and 0.9 mm.
  • FIG. 12 shows the spring behavior as a function of the rib spacing under otherwise identical conditions
  • FIG. 13 shows the change in spring behavior as a function of the hardness of the silicone elastomer with glass fiber fabric under otherwise identical conditions.
  • specimens made of silicone elastomer ADDV-42 with a Shore A hardness of 45 and an intermediate fiber layer made of an E-glass fiber fabric with a canvas weave with a basis weight of 25 g/m 2 and an orientation of +/- 45° were used.
  • the rib spacing of the material samples was a uniform 2 mm.
  • the intermediate fiber layer was in each case an E-glass fiber fabric of the canvas weave with a basis weight of 80 g/m 2 and an orientation of 0790°.
  • FIG. 14 shows the deformation behavior of samples of different overall thicknesses as a function of the rib spacing under preload and full load.
  • the dimensions of the specimens were as described above for the tests of Figures 12 and 13, but with a variation in the rib spacing.
  • the silicone elastomer SK85 L7-45 was used according to Table 1 with two intermediate fiber layers made of an E-glass fiber fabric with a canvas weave with a weight per unit area of 80 g/m 2 and an orientation of +/- 45°.
  • the initial uncompressed thickness of each sample varied from 1.860 mm to 1.530 mm.
  • the samples were subjected to a prestressing load of 0.186 N/mm 2 and a maximum surface pressure of 1.115 N/mm 2 and the extent of the deformation was measured.
  • the prestressing strength corresponded to the usually used prestressing strength of 5 kN.
  • the aim was to determine the variation in deformation by a target thickness of 1.4 mm under preload, which is typically the case today for applications with prismatic battery cells.
  • the present invention relates to a thermal insulation mat 1 for the insulation of adjacent battery cells 2, in particular prismatic battery cells, in battery systems from an elastically deformable base plate 7 made of a fiber-elastomer composite, wherein on the two main surfaces of
  • Base plate 7 is provided with a defined number of ribs 8, which extend parallel to one another and at a distance from one another across the main surfaces of the base plate 7, the rib arrangement of the two main surfaces being surrounded by a peripheral frame 10, and located between the ribs (8) and Frame 10 is a gap 11, wherein the fiber-elastomer composite of
  • Base plate 7 is formed from an elastomer matrix with at least one intermediate layer of mineral fibers embedded therein, and the thermal insulation mat at the same time compensating for the system-inherent change in volume of the battery cells as a result of chemical aging of the cell components and the cyclical swelling and swelling of the cells during charging and discharging can.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Isolationsmatte (1) für die Isolierung von benachbarten Batteriezellen (2), insbesondere prismatischen Batteriezellen, in Batteriesystemen aus einer elastisch verformbaren Grundplatte (7) aus einem Faser-Elastomerverbund, wobei auf den beiden Hauptflächen der Grundplatte (7) eine definierte Anzahl von Rippen (8) vorgesehen ist, die sich parallel zueinander und voneinander beabstandet quer über die Hauptflächen der Grundplatte (7) erstrecken, wobei die Rippenanordnung der beiden Hauptflächen von einem umlaufenden Rahmen (10) umgeben ist, und sich zwischen den Rippen (8) und Rahmen (10) ein Spalt (11) befindet, wobei der Faser-Elastomerverbund der Grundplatte (7) aus einer Elastomermatrix mit darin eingebettet mindestens einer Zwischenlage aus mineralischen Fasern gebildet ist, und wobei die thermische Isolationsmatte zugleich die systemimmanente Volumenänderung der Batteriezellen infolge der chemischen Alterung der Zellkomponenten und des zyklischen An- und Abschwellens der Zellen bei der Beladung und Entladung zu kompensieren vermag.

Description

Thermische Isolationsmatte für Batteriesysteme
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Isolationsmatte für Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme, wobei die thermische Isolationsmatte zwischen den Einzelzellen des Batteriesystems angeordnet wird, um im Falle des Versagens einer Batteriezelle, zum Beispiel in Folge einer Überhitzung der Batteriezelle, ein Fortschreiten der Überhitzung auf benachbarte Batteriezellen zu verhindern. Die erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte kann vorteilhafterweise für Batteriesysteme verwendet werden, wie sie im Bereich der Elektromobilität eingesetzt werden.
Batteriesysteme sind üblicherweise aus einer Mehrzahl von Einzelzellen aufgebaut, um die erforderlichen hohen Energiedichten erhalten zu können. Dabei wird eine definierte Anzahl von Einzelzellen zu einem Modul und einzelne Module zu einem Stapel zusammen gefasst und elektrisch miteinander verbunden. Die erhaltenen Batteriesysteme werden zum Schutz vor äußeren Einwirkungen in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht.
Prinzipiell werden Batterietypen unterschieden in zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen. Prismatische Zellen haben eine Quaderform mit starrem Gehäuse (auch als Zellbecher bezeichnet), Pouch-Zellen, auch Coffee-Bag-Zellen genannt, haben dagegen ein flexible Hülle aus einer Folie.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Batteriesysteme mit wieder aufladbaren Batterien, so genannte sekundäre Zellen, auch als Akkumulatoren bezeichnet. Ein häufig, zum Beispiel im Bereich der Elektromobilität, eingesetztes Batteriesystem sind solche auf Basis von Lithium- lonenbatterien
Für die Gewährleistung der Betriebssicherheit eines Batteriesystems aus einer Mehrzahl von Einzelzellen ist es unbedingt erforderlich im Falle eines Zellbrandes einer Batteriezelle zum Beispiel in Folge einer Überhitzung, ein Übergreifen des Zellbrandes auf benachbarte Zellen bis hin zum Abbrand des gesamten Batteriesystems (Thermal Runaway) zu verhindern. Bei einem Zellbrand entstehen innerhalb von nur wenigen Sekunden hohe Temperaturen von 600 °C und mehr. Um eine Überhitzung und Übergreifen des Brandes auf die Nachbarzellen zu verhindern, müssen Maßnahmen ergriffen werden, die verhindern, dass die Temperatur der Nachbarzellen über einen kritischen Wert ansteigt.
Bestimmende Faktoren für diesen kritischen Temperaturwert bei Lithium-Ionen- Zellen sind insbesondere der Elektrolyt bzw. dessen Zusammensetzung und der Auslösebereich des Shutdown-Separators.
Für Lithium-Ionen-Zellen werden flüssige Elektrolyte eingesetzt, die Komponenten enthalten, die einen Siedepunkt um 100 °C aufweisen und leicht entzündlich sind. Die Zelltemperatur muss daher unterhalb des Siedepunktes gehalten werden, um einen Druckanstieg in den hermetisch geschlossenen Zellen zu vermeiden. Ist der Zellinnendruck zu hoch, öffnet ein Sicherheitsventil, das gebildete Gas entweicht, und der unter diesen Bedingungen hochreaktive Elektrolyt entzündet sich in der Regel sofort.
Shutdown-Separatoren sind eine Sicherheitsmaßnahme zur Unterbindung des lonentransportes und Unterbrechung des Stromflusses, indem bei Übersteigen einer kritischen Temperatur die Mikroporen des Separators verschlossen werden. Bekannt sind Shutdown-Separatoren, die aus einem Laminat aus zwei Polymerfolien aufgebaut sind, wobei die Polymere unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen.
Beispielsweise sind häufig verwendete Shutdown-Separatoren aus einem Polyethylen-/Polypropylenlaminat aufgebaut mit einem Schmelzpunkt von Polyethylen von 120 °C und Polypropylen von 170 °C. Wird der Schmelzpunkt der Polymerfolie mit niedrigeren Schmelzpunkt, hier Polyethylen, überschritten, schmilzt diese und verschließt die Poren der höher schmelzenden Polymerfolie, hier Polypropylen.
Aus den vorgehenden ist ersichtlich, dass die Zelltemperaturen zwingend unterhalb von 150 °C, insbesondere unterhalb von 120 °C und vorzugsweise möglichst unter 100 °C zu halten sind, um eine Überhitzung der Zelle und die damit verbundenen Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Es ist bekannt zwischen benachbarten Zellen eine thermische Isoliervorrichtung vorzusehen, um eine Erwärmung benachbarter Zellen über die kritische Temperatur und damit das Auslösen eines Zellbrandes zu verhindern.
Neben der thermischen Isolation sind für einen sicheren Betrieb eines Batteriesystems noch weitere Aspekte zu berücksichtigen.
So sollte eine thermische Isolierung zugleich die Funktion eines elektrischen Isolators besitzen zur elektrischen Isolierung der Zellen bzw. der am Zellgehäuse anliegenden Potentialunterschiede zwischen den Zellen eines Moduls.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Gestaltung von Lithium-Ionen- Batteriesystemen ist die systembedingte Volumenänderung der Batteriezellen (auch als Swelling bekannt). Die Ursache hierfür ist zum einen die kontinuierliche Zellausdehnung aufgrund der chemischen Alterung der Zellkomponenten, und zum anderen das zyklische An- und Abschwellen der Zellen bei der Be- und Entladung.
Diese systemimmanente Volumenänderung ist insbesondere bei der Fertigung von Batteriesystemen auf Basis von prismatischen Zellen aufgrund von deren festen Zellgehäuse zu berücksichtigen. Hier führt die Volumenzunahme der Zellkomponenten zu einer Ausbauchung im mittleren Bereich der großen Hauptflächen. Der Randbereich ist dagegen über die Ecken zu den angrenzenden Flächen mechanisch stabilisiert.
Bei einer typischen Abmessung einer prismatischen Zelle für den automotiven Einsatzbereich mit einer Länge von 236 mm, einer Höhe von 115 mm und einer Dicke von 32 mm können beim Laden einer gealterten prismatischen Zelle die Hauptflächen um 0,2 mm bis zu kleiner 1 mm ausbauchen, womit sich für ein Modul mit üblicherweise 10 bis 14 Einzelzellen eine Gesamtausdehnung von 2 mm bis zu kleiner 10 mm ergeben kann.
Vorteilhafterweise sollte daher eine thermische Isolationsmatte zusätzlich zur thermischen und elektrischen Isolierung benachbarter Batteriezellen die Volumenausdehnung der Zellen, sowohl der zyklischen Volumenänderung im Verlauf des Be- und Entladens als auch der kontinuierlichen Volumenzunahme, über die Lebensdauer einer Zelle kompensieren können.
Darüber hinaus sollte die thermische Isolationsmatte ein möglichst geringes Gewicht haben, platzsparend zu montieren und kostengünstig sein.
Thermische Isolierung bedeutet, dass im Falle eines Zellbrandes mit einer Hitzeentwicklung von 600 °C und mehr innerhalb von nur 30 Sekunden der Wärmeübergang auf eine benachbarte Zelle vorteilhafterweise auf unter 100 °C begrenzt werden sollte.
Die Gewährleistung der Kompensation der Volumenänderung der Zellen über die Lebenszeit erfordert, dass das Material elastisch verformbar ist, und einen ausreichend geringen Druckverformungsrest besitzt, so dass es sich unter Druckbelastung und Temperaturschwankungen nicht setzt.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass für den Zusammenbau eines Moduls eine gewünschte Anzahl von Einzelzellen, typischerweise 12 bis 14 Stück, zu einem Stapel zusammengefasst, mit einer definierten Vorspannkraft von zum Beispiel 5 bis 19 kN verpresst und unter dieser Vorspannkraft fixiert wird, um eine definierte Stapelgeometrie zu erhalten.
Eine thermische Isolationsmatte muss diese Vorlast über die gesamte Lebenszeit beibehalten können, um die Dimensionsstabilität des Moduls zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß werden die vorstehend aufgezeigten Probleme durch eine thermische Isolationsmatte gelöst mit einer elastisch verformbaren Grundplatte aus einem Faser-Elastomerverbund, wobei auf den beiden Hauptflächen der Grundplatte eine Anzahl von Rippen vorgesehen ist, die sich parallel zueinander und voneinander beabstandet quer über die Hauptflächen der Grundplatte erstrecken, wobei die Rippen der beiden Hauptflächen zueinander versetzt angeordnet sind, und die Grundplatte mit Rippenstruktur von einem umlaufenden Rahmen umgeben ist, wobei die Rippen von dem Rahmen entkoppelt sind. Vorzugsweise ist der Rahmen gleichfalls aus einem Elastomermaterial gebildet. „Versetzte Anordnung“ der Rippen bedeutet, dass sich die Rippen einer Hauptfläche der Grundplatte innerhalb des Abstandes zwischen zwei Rippen der anderen Hauptfläche der Grundplatte erstrecken.
Der Abstand zwischen den Rippen sollte breiter als die Breite der darüber verlaufenden Rippen sein, um ein Einfedern der Rippe in den Abstand hinein zu erlauben.
„Entkoppelt“ bedeutet, dass die Rippen nicht mit dem Rahmen verbunden sind, das heißt weder die Stirnflächen der Rippen noch die außenliegenden Seitenflächen der jeweils äußersten Rippen sind in Kontakt mit dem Rahmen.
Die Dimensionierung der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck.
In der hier beschriebenen Form ist sie insbesondere zum Einsatz zwischen prismatischen Zellen ausgelegt. Sie kann jedoch ohne weiteres für den Einsatz mit anderen Batterietypen angepasst werden.
Für die Verwendung als Zwischenisolierung von prismatischen Batteriezellen hat sie eine im wesentlichen rechteckige Grundform. Ihr Umfang kann im eingebauten Zustand mit dem Umfang der Batteriezellen fluchten. Alternativ kann der Rahmen beziehungsweise der Rand des Rahmens, zum Beispiel mit den Längsseiten oder Kurzseiten oder mit beiden, über den Umfang der Batteriezellen hinausragen.
Die elastisch verformbare Grundplatte hat eine flächige Rechtecksform mit zwei Hauptflächen. Auf jeder der Hauptflächen befindet sich eine Anzahl von Rippen, die parallel zueinander und beabstandet voneinander angeordnet sind, und sich quer über die Hauptflächen erstrecken, wobei die Rippen der beiden Hauptflächen versetzt zueinander angeordnet sind. Die Grundplatte mit Rippenanordnung ist von einem umlaufenden Rahmen umgeben.
Die erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte wird Hauptfläche an Hauptfläche zwischen angrenzende prismatische Batteriezellen angeordnet. Die freie Oberseite des Rahmens liegt im eingebauten Zustand an der benachbarten Batteriezelle oder Batteriezellen an. Im zusammengesetzten Zustand verläuft der Rahmen der Isolationsmatte somit entlang der dimensional steifen Kanten der Batteriezellen und kann sich gegen die Kanten abstützen.
Der Vorspanndruck, der beim Modulaufbau auf die Batteriezellen und den Rahmen der thermischen Isolationsmatten ausgeübt wird, kann so über den umlaufenden Rahmen abgefangen und kompensiert werden.
Der Rahmen sollte sich durch den Vorspanndruck allenfalls nur geringfügig verformen und eine entsprechend geringe Komprimierbarkeit aufweisen .
Die Druckfestigkeit des Rahmens kann auf verschiedene Art und Weise durch die Elastizität des Materials, die Rahmenbreite und Rahmenstruktur beeinflusst und eingestellt werden.
Beispielsweise kann in Abhängigkeit des Kompressionsmoduls des für die Herstellung des Rahmens verwendeten Elastomermaterials die Rahmenhöhe so gewählt werden, dass nach dem Verspannen während des Modulaufbaus eine gewünschte Rahmendicke erhalten wird.
Die Ausbauchung der Hauptflächen der Zellen infolge der Volumenzunahme durch Alterung und durch den Ladevorgang wird über die Rippen in Verbindung mit der elastisch verformbaren Grundplatte kompensiert wie nachstehend im Einzelnen beschrieben ist.
Wird durch die Ausbauchung einer Hauptfläche einer Batteriezelle Druck auf die Rippen einer benachbart anliegenden erfindungsgemäßen Isolationsmatte ausgeübt, weichen die Rippen durch Verformung der Grundplatte in den unter der jeweiligen Rippe liegenden Abstand zwischen den auf der anderen Seite der Grundplatte angeordneten Rippen aus. Bei Druckentlastung, z.B. bei Abschwellen der Ausbauchung infolge Entladung, können die Rippen infolge der Elastizität der Grundplatte wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren.
Die elastisch verformbare Grundplatte mit darauf angeordneten Rippen wirkt als Federelement, wobei bei Druckbelastung ein Einfedern und bei Druckentlastung ein Ausfedern zurück in den Ausgangszustand erfolgt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann über die als Federelement wirkende Grundplatte mit darauf angeordneten Rippen zusätzlich ein einstellbarer Druck auf die Zelloberflächen ausgeübt werden, so dass der Zellstapel zusätzlich zum Vorspanndruck leicht komprimiert wird. Es hat sich gezeigt, dass sich ein so erzielbarer zusätzlicher Druck positiv auf die Zyklenstabilität der Zellen des Stapels auswirken kann.
Das Ausmaß des Einfederns kann durch eine Reihe verschiedener Maßnahmen kontrolliert werden, die einzeln oder auch in Kombination von zwei oder mehreren davon eingesetzt werden können.
So kann das Ausmaß des Einfederns geometrisch durch den Abstand zwischen den Rippen kontrolliert werden, der mindestens das 1,5 bis 2-fache der Rippenbreite betragen sollte.
Je breiter der Abstand im Verhältnis zur Rippenbreite ist, um so verformbarer ist die Struktur aus Grundplatte und Rippen, das heißt umso tiefer lässt sich die Rippe mit Grundplatte in den Abstand hineindrücken.
Weiter wird das Ausmaß des Einfederns durch die Konstruktion und das Material für die Grundplatte bestimmt.
Die Grundplatte ist aus einem Faser-Elastomerverbund gebildet mit einer Matrix aus einem elastomeren Kunststoff (Elastomer) und darin eingebettet mindestens eine Zwischenlage aus Fasern (auch als Faserzwischenlage bezeichnet).
Das Elastomer muss neben der erforderlichen Elastizität eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweisen, um den hohen Temperaturen im Falle eines Zellbrandes standhalten zu können.
Beispiele für geeignete hochtemperaturbeständige Elastomere sind Silikonelastomere z.B. Methyl-Phenyl-Silikonkautschuk (PMQ), Methyl-Phenyl- Vinyl-Silikonkautschuk (PVMQ), Methyl-Silikonkautschuk, Methyl-Vinyl- Silikonkautschuk (VMQ), Fluor-Vinyl-Methyl-Silikonkautschuk (FVMQ), Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril- Butadien-Kautschuk (NBR), Naturkautschuk (NR), Butylkautschuk, Isobuten- Isopren-Kautschuk (IIR), und Isopren-Kautschuk (IR) sowie Polyurethane (PUR). Die Elastizität des Elastomers sollte vorzugsweise in einem Bereich der Shore A Härte von 20 bis 80, insbesondere 45 bis 75 und besonders bevorzugt 50 bis 60 liegen. Im Hinblick auf die gewünschte Temperaturbeständigkeit werden für die Zwischenlage aus Fasern Mineralfasern eingesetzt, wie zum Beispiel Glasfasern, Basaltfasern, Silicatfasern und oxidkeramische Fasern.
Die Mineralfasern können in Form eines Flächengebildes wie einem Gewebe oder Gelege vorliegen, wobei die Flächengebilde selbst aus Rovings oder Garnen aus diesen Fasern hergestellt sein können.
Die Fasern werden typischerweise mit Flächengewichten von 20 g/m2 bis 200 g/m2 eingesetzt. Werden zum Beispiel zwei oder mehr Faserzwischenlagen vorgesehen, können die Flächengewichte der einzelnen Lagen im unteren Bereich oder sogar darunter liegen.
Die Fasern sind als verstärkende Zwischenlage in die Elastomermatrix eingebettet. Bei zwei oder mehr Faserzwischenlagen kann zwischen den einzelnen Faserzwischenlagen eine dünne Schicht aus Elastomer als Bindemittel vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Materialkombination für die Grundplatte ist ein Silikonelastomer mit einer oder zwei Zwischenlagen aus einem Glasfasergewebe.
Neben der Art des Elastomers wird die Verformbarkeit und damit das Ausmaß des Einfederns der Grundplatte durch die Orientierung der Fasern bestimmt.
Die geringste Verformbarkeit zeigt eine 0° / 90° Orientierung, so dass hier kein oder allenfalls nur ein geringfügiges Einfedern erfolgt. Dagegen zeigen die Fasern bei einer ± 45° Orientierung eine maximale Verschiebbarkeit der Fasern mit maximaler gegenseitiger Einfederung der Rippen. Ein Beispiel für eine geeignete, zwischen diesen Werten liegende Orientierung ist eine 307120° Ausrichtung.
Beim Einfedern dehnt sich die Grundplatte in Längsrichtung, wobei sich der Winkel zwischen den Fasern verringert, das heißt, es besteht eine Wechselwirkung zwischen Matrix und Fasern. Weiter lässt sich die Elastizität durch Zugabe von anorganischen Füllstoffen zu der Elastomermatrix modifizieren. Dabei können die Füllstoffe eine rein mechanische Funktion übernehmen. Bei Deformation des Elastomers verringert sich der Abstand zwischen den Füffstoffpartikeln bis diese sich berühren, wodurch eine weitergehende Deformation des Elastomers blockiert wird.
Die Ausprägung des Blockadeeffekts kann über eine Reihe von Parameter beeinflusst werden, wie Füllgrad, Partikelgröße und -form, Korngrößenverteilung (mono-, bi- oder auch trimodal). Beispielsweise beeinflusst die Partikelform, zum Beispiel rund oder scharfkantig, das Gleitverhalten und das Verblockungsverhalten der Partikel zueinander und in der Matrix.
Die Füllstoffe können grundsätzlich keramischer, kohlenstoffbasierter oder metallischer Natur sein. Jedoch sind bei der Auswahl der Füllstoffe deren thermische und elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf die grundsätzliche thermische und elektrische Isolationsfunktion der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte zu berücksichtigen.
Bevorzugt sind daher Füllstoffe, die eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie zum Beispiel keramische Füllstoffe.
Neben der Einstellung der mechanischen und elektrischen Eigenschaften können Füllstoffe auch zur Verbesserung des thermischen Verhalten des Elastomers zugesetzt werden.
Beispielsweise können Füllstoffe eingesetzt werden, die die Wärmeleitung reduzieren. Dies können Materialien sein, die isolierende Luft- oder Gaspolster schaffen, wie Hohlkörper, zum Beispiel Glashohlkugeln, oder Materialien mit hoher Porosität, wie Aerogele, Aerosile oder Blähstoffe.
Es können auch Füllstoffe eingesetzt werden, die bei Brandtemperatur endotherm reagieren und dem System Wärmeenergie entziehen. Dies sind zum Beispiel bei Brandtemperatur keramisierende, verglasende bzw. verkohlende, kühlend wirkende und sauerstoffentziehende Materialien, wie sie zum Beispiel grundsätzlich als Flammschutzmittel für Kunststoffe bekannt sind.
Geeignete Beispiele sind Metallhydroxide oder Metalloxyhydroxide, die bei Erwärmung Wasser abspalten und eine schützende Keramikschicht ausbilden, wie zum Beispiel Aluminiumhydoxid (Aluminiumtrihydrat (ATH)), das ab ca. 200 °C zu AI203 und Wasser reagiert, oder Magnesiumhydroxid, das ab ca. 300 °C zu MgO und Wasser reagiert.
Weitere Beispiele für geeignete wärmeentziehende Füllstoffe sind auf Basis von Polyphosphaten wie Melamin- oder Ammoniumpolyphosphat, die unter Ammoniak (NH3) -Abspaltung intumeszierend (blähend) und durch Reaktion des Ammoniaks zu Stickstoff und Wasser sauerstoffentziehend wirken.
Prinzipiell lassen sich durch Variation der Füllstoffe und des Füllgrads in vorteilhafterweise die Materialeigenschaften gezielt einstellen und anpassen. Die zu erreichenden Füllgrade hängen dabei stark von der Korngrößenverteilung, der Korngröße und der Oberflächenreaktivität der Füllstoffpartikel ab. Beispielsweise kann der Füllgrad für Partikel mit einem Hauptanteil an Partikeln mit einer Größe zwischen 10 bis 100 pm bis zu 60 Gewichtsprozent und bei nanoskaligen Partikeln bis weit über 100 Volumenprozent betragen.
Voraussetzung für alle Füllstoffe ist, dass sie das Elastizitätsverhalten des Elastomers nicht negativ beeinflussen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können bei Bedarf in der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte Passagen zur Ableitung von Gasen vorgesehen sein, die sich durch Reaktion der Füllstoffe und thermische Zersetzung des Elastomers bilden. Mittels dieser Passagen kann der Entstehung eines Überdrucks in dem durch den Vorspanndruck im wesentlichen hermetisch abgeschlossenen Bereich zwischen der Wandung der Batteriezellen und der thermischen Isolationsmatte in einem Modul entgegen gewirkt werden.
Dafür können in den Rippen quer verlaufende Unterbrechungen und/oder im umlaufenden Rahmen Austrittsöffnungen vorgesehen sein.
Gegebenenfalls gebildete Reaktionsgase können sich dann entlang der Unterbrechungen über die Fläche der Grundplatte verteilen und über die Austrittsöffnungen entweichen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Unterbrechungen eine fortlaufende Anordnung aufweisen. Dabei sind Unterbrechungen in benachbarten Rippen in Verlängerung zueinander vorgesehen und bilden so einen fortlaufenden Kanal, der durch die Abstände zwischen den Rippen unterbrochen ist. Auf Grund der fortlaufenden Anordnung der Unterbrechungen können die Gase gerichtet entweichen.
Wie bereits erwähnt sind die Abmessungen der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte und ihrer Strukturen durch die Anforderungen der konkreten Verwendung bestimmt. Für den Einsatz als thermische Zwischenisolierung in Batteriesystemen aus prismatischen Batteriezellen, zum Beispiel in Modulen, sollte sie eine möglichst geringe Gesamtdicke aufweisen.
Vorzugsweise sollte die Dicke im unbelasteten Zustand nicht mehr als 3 mm betragen mit einer Rippenhöhe von 0,4 bis 0,5 mm, einer Rippenbreite in einem Bereich von 1 ,0 mm bis 3,0 mm und einem Abstand zwischen den Rippen in einem Bereich des 1,5- bis 3-fachen der Rippenbreite sowie einer Rahmendicke von 5 bis 10 mm.
Vorteilhafterweise beträgt die Gesamtdicke der Isolationsmatte unter einem Vorspanndruck des Batteriemoduls von 5 kN 1,5 mm oder weniger, insbesondere 1 mm oder weniger.
Es versteht sich, dass diese Werte beispielhaft sind und in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen ohne Weiteres abgewandelt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in der Grundplatte zusätzlich eine Zwischenschicht aus einer Metallfolie vorgesehen sein, die Infrarotstrahlung reflektiert, zum Beispiel eine Aluminiumfolie. Im Hinblick auf das Erfordernis der Platzeinsparung sollte die Folie möglichst dünn sein, zum Beispiel ca. 0,1 mm.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Isolationsmatte können gängige Fertigungsverfahren eingesetzt werden, wie sie für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen bekannt sind. Ein Beispiel sind Gussverfahren oder Pressverfahren unter Verwendung von entsprechend der gewünschten Struktur der Bauteile gestalteten Formwerkzeugen. So kann beispielsweise in einer Form zunächst eine erste Elastomerschicht für die Ausbildung der Rippenstruktur und gegebenenfalls Struktur für den umlaufenden Rahmen vorgelegt werden, dann das Fasermaterial für die Faserzwischenlage eingelegt werden, und anschließend die Form mit weiterem Elastomermaterial für die Imprägnierung der Fasern sowie den Aufbau der weiteren Rippenstruktur und gegebenenfalls Rahmenstruktur verfällt werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird eine thermische Isolationsmatte bereitgestellt, die alle wünschenswerten Anforderungen für die praktische Anwendung erfüllen kann:
• Sie zeigt eine thermische Isolationsleistung, die bei einer Materialdicke von ca. 1,5 mm und einer Temperatur von 700° C auf der warmen Seite weniger als 100 °C auf der kalten Seite beträgt;
• die Grundplatte aus einem Faser-Elastomerverbund kann um mindestens 0,4 mm komprimiert werden, um das Ausbauchen der Batteriezellen auf Grund der Zellalterung und der Ladezyklen kompensieren zu können;
• der Druckverformungsrest ist nur gering, so dass über die gesamte Lebenszeit eines Batteriemoduls die Funktion der Wegkompensation unter Beibehaltung des Vorspannungsdruckes im Zellverbund gewährleistbar ist;
• im Hinblick auf die gewünschte elektrische Isolationsleistung ist die Durchschlagsspannungsfestigkeit vorteilhafterweise auf mindestens 3kV einstellbar;
• der Platzbedarf kann im Hinblick auf die erwünschte niedrige Packungsdichte für Batteriesysteme gering gehalten werden;
• und sie ist einfach und kostengünstig herzustellen. Nachfolgend wird die erfindungsgemäße thermische Zellisolationsmatte anhand der anliegenden Figuren näher erläutert, die schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte zeigen, wie sie für prismatische Batteriezellen geeignet ist. Es zeigt:
Figur 1 eine Aufsicht auf eine Anordnung von vier prismatischen Batteriezellen mit dazwischen angeordneter erfindungsgemäßer thermischer Isolationsmatte,
Figur 2 eine seitliche Aufsicht auf eine prismatische Batteriezelle im ausgebauchten Zustand,
Figur 3 eine Ansicht von oben auf eine erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte,
Figur 4 eine seitliche Ansicht von oben auf die erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte nach Figur 3,
Figur 5a einen Schnitt längs durch eine Rippe und Rahmen der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte nach Figur 4 im unbelasteten Zustand,
Figur 5b die Darstellung nach Figur 5a im druckbelasteten Zustand, Figur 6 eine schematische Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte ohne Rahmen,
Figur 7 schematisch eine Darstellung der Grundplatte mit versetzt angeordneten Rippen im belasteten (eingefederten) Zustand,
Figur 8a eine Ansicht von oben auf den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Grundplatte aus Faser-Elastomerverbund im unbelasteten Zustand,
Figur 8b den Aufbau gemäß Figur 8a im belasteten (eingefederten) Zustand, Figur 9a schematisch eine Ausführungsform für den grundsätzlichen Aufbau einer mit Füllstoff versetzten Grundplatte aus einem Faser- Elastomerverbund im unbelasteten Zustand, Figur 9b schematisch den Aufbau nach Figur 9a im belasteten (eingefederten) Zustand,
Figur 10 eine schematische Aufsicht auf die erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte mit einer Ausführungsform für Kanalstrukturen zur Gasableitung,
Figur 11 Ein Diagramm mit den Ergebnissen einer Wärmedurchgangsmessung an einer erfindungsgemäß hergestellten Probe; Figur 12 ein Diagramm mit den Federkennlinien von erfindungsgemäß hergestellten Proben in Abhängigkeit des Rippenabstandes;
Figur 13 ein Diagramm mit den Federkennlinien von erfindungsgemäß hergestellten Proben in Abhängigkeit der Härte (Shore A) des Silikonelastomers; und
Figur 14 ein Diagramm mit einem Vergleich des Deformationsverhaltens von erfindungsgemäß hergestellten Proben in Abhängigkeit der Rippenabstände.
In Figur 1 ist eine Batterieanordnung mit vier prismatischen Batteriezellen 2 nach dem Stand der Technik gezeigt, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Zellen 2 eine erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte 1 vorgesehen ist. Der innere Aufbau der Batteriezelle 2 ist von einem festen quaderförmigen bzw. prismatischen Zellgehäuse hermetisch umschlossen, das auf einer schmalen Seitenfläche zwei Anschlussterminals 3, 4 und ein Sicherheitsventil 5 aufweist. Das Sicherheitsventil 5 öffnet, wenn der Zellinnendruck durch in Folge eines Temperaturanstiegs gebildete Reaktionsgase über einen kritischen Wert steigt, so dass die Gase entweichen können und eine Explosion der Zelle verhindert wird. Figur 2 zeigt eine prismatische Batteriezelle 2 mit ausgebauchten Hauptflächen 6 des Zellgehäuses. Die Deformation erfolgt im Wesentlichen nur im mittleren Bereich der Hauptflächen 6, da die Kanten des Zellgehäuses über die Ecken zu den angrenzenden kleineren Seitenflächen mechanisch stabil sind und sich im normalen Betrieb nicht deformieren.
Figur 3 ist eine Ansicht der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte 1 von oben, wobei die Rippenanordnung der erfindungsgemäßen Isolationsmatte deutlich zu sehen ist mit Grundplatte 7 und einer Reihe von Rippen 8, die sich parallel zueinander und in einem Abstand 9 voneinander quer über die Grundplatte 7 erstrecken. Der Abstand 9 ist dabei breiter als die Rippen 8.
Die Rippenanordnung ist von einem umlaufenden Rahmen 10 umgeben, wobei die Rippen 8 von dem Rahmen 10 entkoppelt sind, das heißt die Rippen 8 haben keinen Kontakt mit dem Rahmen 10. Weder die Stirnflächen der Rippen 8 noch die Seitenflächen der außen liegenden Rippen sind mit dem Rahmen 10 verbunden, so dass sich zwischen den Stirnflächen der Rippen 10 und dem Rahmen 8 ein Spalt 11 befindet.
Der Rahmen 10 hat hier eine plane freie Oberseite, mit der der Rahmen 10 an einen umlaufenden Rand einer Batteriezelle im eingebauten Zustand anliegt. Auch ist der Rahmen 10 in der gezeigten Ausgestaltung breiter als die Rippen 8, so dass er einen höheren Verformungswiderstand besitzt als die Rippen. Im eingebauten belastenden Zustand kann der Rahmen 10 den Vorspannungsdruck kompensieren, ohne dass der Vorspanndruck die Rippen beeinflusst. Eine Darstellung der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte 1 mit einer Ansicht von schräg vorne zeigt Figur 4. Deutlich zu erkennen ist die Anordnung der Rippen 8 auf der in der Abbildung oberen Hauptfläche der Grundplatte 7 sowie der umlaufende Rahmen 10, der sich um die obere sowie untere Rippenanordnung mit dazwischen angeordneter Grundplatte 7 herum erstreckt. Die Grundplatte 7 weist eine Zwischenlage 12 aus Fasermaterial auf. In Figuren 5a und 5b ist ein Längsschnitt entlang einer Rippe 8 sowie durch den umlaufenden Rahmen 10 in einem unbelasteten Zustand (Figur 5a) sowie im belasteten Zustand bei Druckbeaufschlagung auf den Rahmen 10 durch den Vorspanndruck beim Zusammenbau eines Batteriemoduls dargestellt.
Im unbelasteten Zustand ist die Höhe des Rahmens 10 höher als die der Rippen 8. Zwischen Stirnfläche der Rippen 8 und dem Rahmen 10 befindet sich ein Spalt 11, der sich um die gesamte Rippenanordnung herum fortsetzt.
Figur 5b zeigt den Zustand bei Druckbelastung durch den Vorspanndruck, mit dem das Batteriemodul beim Zusammenbau beaufschlagt wird. Durch den Vorspanndruck wird der Rahmen 10 in der Höhe komprimiert, wobei sich die Höhe des Rahmens 10 und der Rippen 8 angleichen. Auch bei Druckbelastung auf den Rahmen 10 verbleibt der Spalt 11 , so dass auch bei Druckbelastung des Rahmens 10 eine Entkopplung der Rippen 8 von dem umlaufenden Rahmen 10 gegeben ist.
Die Einstellung des gewünschten Verformungswiederstandes kann über die Breite des Rahmens bewirkt werden, wobei der Verformungswiderstand mit der Breite zunimmt. Weiter kann der Verformungswiderstand durch die Auswahl des Materials, des Vernetzungsgrades des Elastomers, des Kompressionsmoduls etc. angepasst werden.
Im Ergebnis wird im zusammengesetzten Modul mit zwischen zwei Batteriezellen 2 angeordneter erfindungsgemäßer thermischer Isolationsmatte 1 der Rahmen 10 durch den Vorspanndruck belastet, die Rippen 8 verbleiben im Wesentlichen jedoch unbelastet.
Figur 6 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatte 1, wobei zur Verdeutlichung der Strukturen der umlaufende Rahmen 10 weggelassen worden ist.
Zu sehen ist die Anordnung der Rippen 8 auf den Hauptflächen der Grundplatte 7, wobei die Rippen 8 auf jeder Hauptfläche zueinander parallel und in einem Abstand 9 voneinander angeordnet sind, und sich die Rippen 8 quer über die Hauptfläche erstrecken. Der Abstand 9 zwischen den Rippen 8 einer Hauptfläche ist dabei größer als die Breite der Rippen 8, vorzugsweise beträgt der Abstand 9 mindestens das 1,5- fache bis 2-fache der Breite der Rippen 8. Die Rippen der beiden Hauptflächen sind zueinander versetzt angeordnet, wobei eine Rippe 8 der einen Hauptfläche entlang eines Abstandes 9 der anderen Hauptfläche verläuft.
Die Grundplatte 7 ist aus einem Elastomermaterial gebildet, das eine Zwischenlage aus Mineralfasern 12 aufweist.
Sind gemäß weiterer Ausführungsformen eine oder zwei weitere Zwischenlagen aus Fasermaterial 12 vorgesehen, kann zwischen zwei Zwischenlagen aus Fasermaterial zusätzliches Elastomermaterial als Bindemittel vorgesehen sein.
Für die Herstellung der Grundplatte 7 mit Zwischenlage aus Fasermaterial 12 und für die Rippen 8 kann dasselbe Elastomermaterial verwendet werden, wobei die Rippen 8 als integraler Bestandteil der Grundplatte 7 geformt werden können. Auch der Rahmen 10 kann aus demselben Elastomermaterial gebildet werden und als integraler Bestandteil zusammen mit der Grundplatte 7 geformt werden.
Im Verlauf einerzunehmenden Ausbauchung der Hauptflächen von Batteriezellen (hier nicht gezeigt) wird Druck auf die Rippen 8 ausgeübt und die Rippen 8 mit der darunter liegenden Grundplatte 7 in die Abstände 9 der versetzt angeordneten Rippen 8 der gegenüberliegenden Hauptfläche der Grundplatte 7 hinein gedrückt, wie in Figur 7 gezeigt.
In diesem eingefederten Zustand bildet die Grundplatte 7 einen Zickzack-Verlauf mit abwechselnd nach oben beziehungsweise nach unten in die jeweiligen Abstände 9 hineinragenden Wölbungen. Bei abnehmender Druckbelastung, zum Beispiel im Verlauf des Entladens der Batteriezellen, bilden sich diese Verformungen auf Grund der Elastizität der Grundplatte 7 entsprechend zurück.
Das Ausmaß der Deformation wird im Wesentlichen durch die Breite des Abstandes 9 sowie der Verformbarkeit der Grundplatte 7 bestimmt, die insbesondere durch die Härte (Elastizität) des Elastomers und der Orientierung der Fasern beeinflusst wird, und wie es beispielhaft in Figuren 8a, b sowie 9a, b veranschaulicht ist. Die Figuren 8a, b sowie 9a, b zeigen jeweils eine Aufsicht auf die Grundplatte 7 mit Faserzwischenlage 12 mit schematischer Darstellung des inneren Aufbaus im unbelasteten Zustand (Figur 9a und 10a) und im eingefederten Zustand (Figuren 9b und 10b). Die Fasern der Faserzwischenlage 12 haben jeweils eine ± 45° Orientierung, so dass sich Fasern mit unterschiedlichen Vorzeichen in einem 90° Winkel 14a kreuzen. Die Elastomermatrix 13, in der die Fasern eingebettet sind, ist als graue Fläche angedeutet. Weiter sind Rippen 8 dargestellt, die sich quer über die Fläche erstrecken. Der links und rechts entlang der Rippen 8 verlaufende Rand deutet den darunter liegenden Abstand 9 zwischen den auf der Unterseite der Grundplatte 7 vorgesehenen versetzt angeordneten Rippen 8 an.
Im hier gezeigten unbelasteten Zustand kreuzen sich die Fasern mit unterschiedlichen Vorzeichen in einem 90° Winkel 14a. Wird Druck auf die thermische Isolationsmatte 1 ausgeübt und erfolgt eine Einfederung der Rippen 8 längt sich das Faser-Matrixkomposit der Grundplatte 7 (angedeutet durch die nach links beziehungsweise recht zeigenden Pfeile) unter Verringerung der Breite (angedeutet durch die Pfeile am oberen und unteren Rand in der Figur), wie in Figur 8b dargestellt. Infolgedessen verringert sich der Kreuzungswinkel 14b zwischen den Fasern, hier auf 60°.
Analog verläuft die Deformation bei Druckausübung und Einfederung der Rippen 8 einer Grundplatte, deren Elastomermaterial Füllstoffpartikel 15 zugesetzt sind, wie in Figuren 9a im unbelasteten Zustand und Figur 9b im eingefederten Zustand dargestellt.
Auch hier liegt eine ± 45° Orientierung der Fasern in der Faserzwischenlage 12 mit 90° Kreuzungswinkel 14a vor.
Für dieses Beispiel wurden Füllstoffpartikel 15 mit unterschiedlicher Größe verwendet. Bei Kompression infolge Druckausübung durch Ausbauchung angrenzender Batteriezellen (nicht gezeigt) längt sich die Grundplatte 7 (linker und rechter Pfeil) und die Breite der Grundplatte 7 verringert sich (oberer und unterer Pfeil). Gleichzeitig verringert sich der Kreuzungswinkel 14b von Fasern mit unterschiedlichem Vorzeichen auf 60°.
Anders als in Figuren 8a und 8b wird hier das Ausmaß der Deformation zusätzlich von den Füllstoffpartikeln 15 kontrolliert, da sich durch die Kompression der Abstand zwischen den Partikeln 15 verringert. Sobald der Abstand soweit verringert ist, dass sich die Partikel 15 berühren und mit einander verhaken, ist eine weitere Deformation blockiert, da sich die Fasern nicht mehr gegeneinander verschieben können.
Figur 10 ist eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße thermische Isolationsmatte 1 mit parallel angeordneten Rippen 8, umlaufenden Rahmen 10 und Spalt 11 zwischen Rippen 8 und umlaufenden Rahmen 10, wobei die Rippen 8 eine Struktur aus sich im Wesentlichen quer über die Rippen 8 erstreckenden Unterbrechungen 16 aufweisen. Diese Unterbrechungen 16 und Austrittsöffnungen 17, 18 dienen zur Ausleitung von Reaktionsgasen, die sich durch Phasenumwandlung und Zersetzung insbesondere von Füllstoffen bei Überhitzung bilden können. Die hierdurch entstehende Gasphase zusammen mit der Gasphase, die aus der thermischen Zersetzung des Elastomers resultiert, kann in dem durch den Rahmen 10 abgedichteten Bereich zwischen Zellwandung und Grundplatte 7 zu sehr hohen Gasdrücken führen. Um diesen Druck abzubauen, kann es vorteilhaft sein, als Entgasungshilfen die Unterbrechungen 16 und Austrittsöffnungen 17, 18 in eine thermische Isolationsmatte 1 zu integrieren, wie an dem Beispiel in Figur 10 dargestellt.
Die Unterbrechungen 16 sind hier in aufeinanderfolgenden Rippen 8 als fortlaufende Struktur ausgebildet. Dabei bilden die Unterbrechungen 16 in der links bzw. rechts neben einer Rippe 8 angeordneten Rippe die Fortsetzung der Unterbrechung 16 in der dazwischen liegenden Rippe 8. Im Ergebnis wird ein fortlaufender Kanal zur Gasableitung erhalten. In dem in Figur 10 konkret gezeigten Beispiel erstrecken sich die Unterbrechungen 16 jeweils in einer diagonalen Linie ausgehend von der Mitte der Grundplatte in Richtung der vier Ecken und ergeben im Gesamtbild die Form eines weiten X.
Weiter sind zusätzlich in den Kurzseiten des umlaufenden Rahmens 8 Austrittsöffnungen 17, 18 zur Ausleitung der Reaktionsgase aus dem Zwischenraumbereich zwischen Zellwand und thermischer Isolationsmatte 1 vorgesehen.
Es wurden Untersuchungen zur Isolationswirkung und zum Dehnverhalten von erfindungsgemäßen thermischen Isolationsmatten durchgeführt. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen in Figuren 11 bis 14 dargestellt.
Für die Herstellung der Proben wurden als Silikonelastomer kommerziell erhältliche, bei Raumtemperatur vernetzende Zweikomponenten-Flüssigsilikone unterschiedlicher Shore A Härte verwendet. Die Produktdaten und Hersteller sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Ergebnisse einer Wärmedurchgangsmessung an einer beispielhaften Zellisolationsmatte sind in Figur 11 dargestellt. Die Untersuchung wurde auf einem Wärmedurchgangsmessstand bei einer Druckbeaufschlagung von 1,9 bar zur Simulation des Swellingvorgangs durchgeführt. Das Probenstück wurde aus einem Silikonelastomer SK85L7 der Firma ELANTAS mit Shore A 45 hergestellt mit zwei Lagen E-Glasfasergewebe mit jeweils einem Flächengewicht von 163 g/m2. Die Abmessungen des Probenstücks betrugen 235 mm x 113,5 mm x 2,0 mm entsprechend den Abmessungen einer typischen prismatischen Zelle. Die Rippenhöhe betrug 0,4 mm, die Rippenbreite 1,0 mm und der Rippenabstand 2,0 mm.
Für die Messung wurde die Probe zunächst für 5 Minuten bei 50 °C zur homogenen Temperaturverteilung gehalten, wobei der Druck während dieser Zeit geregelt wurde.
Anschließend wurde innerhalb von 200 Sekunden auf 700 °C erhitzt (ohne Nachregeln des Drucks). Der Temperaturanstieg auf der Vorder- und Rückseite wurde mittels Pyrometer gemessen.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass auch nach einem Anstieg der Temperatur auf der Vorderseite von 50 °C auf 700 °C die Rückseitentemperatur lediglich unter 100 °C betrug. Die Rückseitentemperatur lag damit deutlich innerhalb des für praktische Anwendungen geforderten Bereichs.
In Figuren 12 und 13 sind Spannung-Dehnung-Diagramme mit den Federkennlinien typischer Materialproben für die erfindungsgemäße Zellisolationsmatte dargestellt.
Die Abmessung der Probenstücke betrug 40 mm x 40 mm, mit einer Rippenhöhe von 0,4 mm, Rippenbreite von 2 mm und einer Gesamtdick der Probe von 2 mm. Die Dicke der Faserzwischenlage betrug zwischen 0,8 und 0,9 mm.
Dabei ist in Figur 12 die Abhängigkeit des Federverhaltens vom Rippenabstand unter sonst gleichen Bedingungen und in Figur 13 die Änderung des Federverhaltens in Abhängigkeit der Härte des Silikonelastomers mit Glasfasergewebe unter sonst gleichen Bedingungen dargestellt. Für den Versuch gemäß Figur 12 wurden Probenstücke aus Silikonelastomer ADDV-42 mit einer Shore A Härte von 45 und einer Faserzwischenlage aus einem E-Glasfasergewebe der Webart Leinwand mit einem Flächengewicht 25 g/m2 und einer Orientierung von +/- 45 ° verwendet.
Für die in Figur 13 dargestellten Versuche betrug der Rippenabstand der Materialproben einheitlich 2 mm.
Die Faserzwischenlage war jeweils ein E-Glasfasergewebe der Webart Leinwand mit einem Flächengewicht 80 g/m2 und einer Orientierung 0790 °.
Alle Proben zeigen hier bis zu einer Dehnung von 40 % in etwa ein gleichförmiges Verhalten, wobei die Kurven 7 und 8 der Proben aus SK85 L7-45 und QSil 550 mit jeweils einer Shore A Härte 45 bzw. 55 den geringsten Anstieg aufweisen.
In Figur 14 ist das Deformationsverhalten von Proben verschiedener Gesamtdicke in Abhängigkeit der Rippenabstände unter Vorspannlast und Volllast dargestellt. Die Abmessungen der Probenstücke waren wie für die Versuche gemäß Figuren 12 und 13 vorstehend beschrieben, jedoch mit einer Variation der Rippenabstände.
Für den Materialaufbau wurde das Silikonelastomer SK85 L7-45 gemäß Tabelle 1 verwendet mit zwei Faserzwischenlagen aus einem E-Glasfasergewebe der Webart Leinwand mit einem Flächengewicht 80 g/m2 und einer Orientierung von +/- 45 °.
Die Anfangsstärke ohne Druckbelastung der einzelnen Proben variierte von 1,860 mm bis 1,530 mm. Die Proben wurden einer Vorspannungslast von 0,186 N/mm2 und einer maximalen Flächenpressung von 1,115 N/mm2 ausgesetzt und das Ausmaß der Deformation gemessen. Die Vorspannstärke entsprach dabei der üblicherweise verwendeten Vorspannstärke von 5 kN. Ermittelt werden sollte die Variation der Deformation um eine Zielstärke von 1,4 mm unter Vorspannlast wie sie heutzutage typischerweise für Anwendungen mit prismatischen Batteriezellen angestrebt wird.
Das beste Ergebnis zeigte hierbei die Probe mit einem Rippenabstand von 2 mm und die Proben mit Rippenabständen von 1,5 mm bzw. 2,5 mm, deren Vorspannstärke nur geringfügig oberhalb des gewünschten Wertes von 1 ,4 mm lag. Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Isolationsmatte 1 für die Isolierung von benachbarten Batteriezellen 2, insbesondere prismatischen Batteriezellen, in Batteriesystemen aus einer elastisch verformbaren Grundplatte 7 aus einem Faser-Elastomerverbund, wobei auf den beiden Hauptflächen der
Grundplatte 7 eine definierte Anzahl von Rippen 8 vorgesehen ist, die sich parallel zueinander und voneinander beabstandet quer über die Hauptflächen der Grundplatte 7 erstrecken, wobei die Rippenanordnung der beiden Hauptflächen von einem umlaufenden Rahmen 10 umgeben ist, und sich zwischen den Rippen (8) und Rahmen 10 ein Spalt 11 befindet, wobei der Faser-Elastomerverbund der
Grundplatte 7 aus einer Elastomermatrix mit darin eingebettet mindestens einer Zwischenlage aus mineralischen Fasern gebildet ist, und wobei die thermische Isolationsmatte zugleich die systemimmanente Volumenänderung der Batteriezellen infolge der chemischen Alterung der Zellkomponenten und des zyklischen An- und Abschwellens der Zellen bei der Beladung und Entladung zu kompensieren vermag.
Bezugszeichenliste
I Isolationsmatte 2 Batteriezelle
3,4 Anschluss Terminal
5 thermisches Sicherheitsventil
6 ausgebauchte Hauptflächen einer Batteriezelle
7 Grundplatte 8 Rippen
9 Abstand (zwischen zwei Rippen)
10 umlaufender Rahmen
I I Spalt (zwischen Rippen und Rahmen)
12 Zwischenlage aus Fasern 13 Elastomermatrix
14 a, b Kreuzungswinkel
15 Füllstoffpartikel
16 Unterbrechungen
17, 18 Austrittsöffnungen im Rahmen 10

Claims

Ansprüche
1. Thermische Isolationsmatte (1), insbesondere zur Isolierung zwischen benachbarten Batteriezellen (2) in Batteriesystemen, mit einer elastisch verformbaren Grundplatte (7) aus einem Faser-Elastomerverbund, wobei auf den beiden Hauptflächen der Grundplatte (7) eine Anzahl von Rippen (8) vorgesehen ist, die sich parallel zueinander und voneinander beabstandet quer über die Hauptflächen der Grundplatte (7) erstrecken, wobei die Rippenanordnung der beiden Hauptflächen von einem umlaufenden Rahmen (10) umgeben ist, und sich zwischen den Rippen (8) und Rahmen (10) ein Spalt (11) befindet, wobei der Faser-Elastomerverbund der Grundplatte (7) aus einer Elastomermatrix mit mindestens einer Zwischenlage aus mineralischen Fasern gebildet ist.
2. Thermische Isolationsmatte (1) nach Anspruch 1, wobei das Elastomermaterial ausgewählt ist unter einem Silikonelastomer, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Naturkautschuk (NR), Butylkautschuk, Isobuten-Isopren-Kautschuk (IR), Isopren-Kautschuk (IR) und Polyurethan (PUR).
3. Thermische Isolationsmatte (1) nach Anspruch 2, wobei das Elastomer ausgewählt ist unter einem Silikonelastomer und einem Polyurethan.
4. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mineralfasern für die Zwischenlage ausgewählt sind unter Glasfasern, Basaltfasern, Silikafasern und oxidkeramischen Fasern.
5. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im druckunbelasteten Zustand die Höhe des umlaufenden Rahmens (10) größer ist als die Höhe der Rippen (8), und der Verformungswiderstand des umlaufenden Rahmens (10) größer ist als der Verformungswiderstand der Rippen (8).
6. Thermische Isolationsmatte (1) nach Anspruch 5, wobei die Breite des umlaufenden Rahmens (10) größer ist als die Breite der Rippen (8).
7. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite des Abstandes (9) zwischen zwei benachbarten Rippen (8) mindestens das 1,5-fache bis 2-fache der Breite der Rippen (8) ist.
8. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (8) und der umlaufende Rahmen (10) aus einem Elastomermaterial gebildet sind.
9. Thermische Isolationsmatte (1) nach Anspruch 8, wobei die Rippen (8) oder beide, die Rippen (8) und der umlaufende Rahmen (10), aus demselben Elastomermaterial wie die Grundplatte gebildet sind.
10. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundplatte (7) zwei oder mehrere Zwischenlagen (12) aus mineralischen Fasern aufweist.
11. Thermische Isolationsmatte (1) nach Anspruch 10, wobei zwischen zwei Zwischenlagen aus mineralischen Fasern (12) Elastomermaterial als Bindemittel vorgesehen ist.
12. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Grundplatte (7) eine IR-Strahlen-reflektierende Metallfolie vorgesehen ist.
13. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Grundplatte (7), Rippen (8) und umlaufender Rahmen (10) ein integriertes Bauteil sind.
14. Thermische Isolationsmatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rippen (8) quer verlaufende Unterbrechungen (16) und/oder in dem umlaufenden Rahmen (10) mindestens eine Austrittsöffnung (17, 18) zur Ableitung von Reaktionsgasen vorgesehen ist.
15. Verwendung einer thermischen Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für Batteriesysteme mit prismatischen Batteriezellen.
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