EP4370323A1

EP4370323A1 - Thermische isolationsmatte für batteriesysteme

Info

Publication number: EP4370323A1
Application number: EP22751318.1A
Authority: EP
Inventors: Heribert Walter; Michael Maag; Tobias Fritz; Alex Thomaschpolski; Jessica UHLEMANN; Thomas ÜBLER
Original assignee: Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Current assignee: Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2024-05-22
Also published as: DE102021118437B3; KR20240037986A; WO2023285504A1; CN117693425A

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.