EP4473606A1 - Energiespeicherzelle - Google Patents

Energiespeicherzelle

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Publication number
EP4473606A1
EP4473606A1 EP23700403.1A EP23700403A EP4473606A1 EP 4473606 A1 EP4473606 A1 EP 4473606A1 EP 23700403 A EP23700403 A EP 23700403A EP 4473606 A1 EP4473606 A1 EP 4473606A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy storage
storage cell
cell according
electrode
cover
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
EP23700403.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Kritzer
Ingo Stephan
Michael Müller
Raymond Szparagowski
Günter Frey
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.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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
Priority claimed from DE102022103635.9A external-priority patent/DE102022103635A1/de
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
Publication of EP4473606A1 publication Critical patent/EP4473606A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to an energy storage cell, comprising at least one electrode-separator arrangement, which is accommodated in a housing.
  • Energy storage systems in particular rechargeable storage devices for electrical energy, are widespread, especially in mobile systems.
  • Rechargeable storage devices for electrical energy are used, for example, in portable electronic devices such as smartphones or laptops.
  • rechargeable stores for electrical energy are increasingly being used to provide energy for electrically driven vehicles.
  • a wide range of electrically powered vehicles is conceivable, in addition to passenger cars, for example, two-wheelers, vans or trucks.
  • Applications in robots, ships, airplanes and mobile work machines are also conceivable.
  • Other areas of application for electrical energy storage systems are stationary applications, for example in backup systems, in network stabilization systems and for storing electrical energy from renewable energy sources.
  • a frequently used energy storage system is a rechargeable storage device in the form of a lithium-ion battery.
  • lithium-ion accumulators Like other rechargeable storage devices for electrical energy, lithium-ion accumulators usually have a number of storage cells which are installed together in one housing. A number of storage cells that are electrically connected to one another are usually combined to form a module. The energy storage system does not only extend to lithium-ion accumulators.
  • Other rechargeable battery systems such as lithium-sulfur batteries, solid-state batteries, sodium-ion batteries or metal-air batteries are also conceivable energy storage systems.
  • supercapacitors can also be used as an energy storage system.
  • Energy storage systems in the form of rechargeable storage have the highest electrical capacity and the best power consumption and output only in a limited temperature range. If the optimum operating temperature range is exceeded or fallen below, the capacity, the power consumption capability and the power output capability of the storage device drop sharply and the functionality of the energy storage device is impaired. Temperatures that are too high can also irreversibly damage the energy store. Accordingly, both permanently occurring elevated temperatures and short-term temperature peaks should be avoided at all costs. In the case of lithium-ion accumulators, for example, temperatures of more than 50° C. and short-term temperature peaks of more than 80° C. should not be exceeded over the long term.
  • the energy storage systems In particular in the case of applications in passenger vehicles, the energy storage systems must be able to be charged quickly.
  • the accumulators forming an energy storage system should be fully or almost fully charged within a short time, for example within 15 minutes. Due to the efficiency of the charging system of about 90% to 95%, large amounts of heat are released during the charging process in the energy storage system, which must be dissipated from the energy storage system. These amounts of heat are not released in normal operating conditions. It is therefore necessary to design the cooling system of the energy storage system in such a way that the amount of heat that occurs during the charging process can be absorbed.
  • thermal runaway is particularly important for lithium-ion cells. known.
  • large amounts of thermal energy and gaseous decomposition products are released in a short time, resulting in high pressure and high temperatures in the housing.
  • This effect is particularly problematic in the case of energy storage systems with a high energy density, as is required, for example, to provide electrical energy in electrically powered vehicles.
  • the problem of thermal runaway increases as a result of increasing amounts of energy in the individual cells and increasing the packing density of the cells arranged in the housing.
  • temperatures in the range of 600 °C to 1,000 °C can develop on the housing wall of the cell over a period of several minutes.
  • the device for thermal insulation must withstand such stress and reduce the energy transfer to neighboring cells in such a way that the temperature load on the neighboring cells is no more than 150 °C. It is essential to limit the energy transfer to neighboring cells in order to prevent them from thermally running away as well.
  • lithium-ion storage cells are subject to a change in volume, with the volume increasing as the service life increases. In the case of pouch cells, this is noticeable, for example, by bulging.
  • the change in volume of the storage cells must be compensated for by the device. Either this is done by the storage cells being braced against one another, which is associated with a very large increase in pressure.
  • compression elements are arranged between the storage cells, which absorb volume changes of the storage cells.
  • the thermal insulation effect decreases with increasing compression; the heat transfer is usually inversely proportional to the distance between the storage cells.
  • the object of the invention is to provide an energy storage cell which has improved performance characteristics.
  • the energy storage cell according to the invention comprises at least one electrode-separator arrangement which is accommodated in a housing, with a covering being arranged at least in sections between the electrode-separator arrangement and the housing, the covering being made of porous material.
  • the design of the covering from porous or pore-containing material enables the design of a covering with elastic, isolating and electrically isolating properties.
  • elastic also means reversibly deformable. But so is the cover designed in such a way that both electrical insulation and thermal conductivity are provided.
  • the material can be open-pored.
  • the casing is suitable for accommodating a liquid, in particular an electrolyte, which at least partially fills the area between the electrode-separator arrangement and the housing.
  • the cover is preferably elastic.
  • the cover can compensate for cyclic volume changes in the electrode-separator arrangement, which can arise on the one hand from different states of charge and on the other hand also as a result of the life cycle of the electrode-separator arrangement. Due to the deformability, the increase in volume of the electrode-separator arrangement can be compensated for when filling with the electrolyte.
  • elastic also means reversibly deformable.
  • the casing can also be designed as a cover in the area of the end faces of the electrode-separator arrangement.
  • the deformable behavior can compensate for tolerances in the electrode-separator arrangement which result from the manufacturing process.
  • the covering can be formed from a fibrous structure.
  • the cover can be made of a textile fabric, a paper-like material or the like.
  • the cover is made of a non-woven fabric.
  • Nonwovens are textile fabrics that can be produced in such a way that they have porosity, elasticity and deformability that are optimized for the technical function of the cover and can also ensure the function of electrical insulation.
  • nonwovens Due to the fibre-based structure, nonwovens have high mechanical strength, which can be improved by additional measures. For example, mechanical strength can be improved by heat setting, in which fiber crossing points are fused together.
  • Non-woven fabrics have a high tear resistance and are resistant to penetration by particles. Such particles can result, for example, from processing errors in cell production. If electrically conductive particles penetrate the casing, an electrical short circuit can occur between the electrodes and the wall of the housing. When using a non-woven fabric, it is advantageous that such particles can be embedded in the matrix of the fiber structure without cracks forming.
  • non-woven fabrics have a reversible compressibility, which is preferably in the range of 30% in the case of the cover according to the invention. Such a compressibility supports the volume compensation of the electrode-separator arrangement in the area of all states of charge and also in the case of age-related growth in thickness.
  • the casing within the energy storage cell can absorb typical changes in thickness of electrode-separator arrangements and reduce mechanical compression of the electrode-separator arrangement.
  • Through-holes pinholes
  • the fiber arrangement having a high level of homogeneity the fibers of the fiber arrangement having a small fiber diameter, the porosity selected not being too high, or many layers being realized over the thickness of the cladding.
  • the cover can be formed from a wet fleece.
  • wet webs it is particularly advantageous that they have a particularly homogeneous and smooth surface. This is particularly advantageous on the surface facing the electrode-separator arrangement because the occurrence of local pressure peaks can be avoided by the homogeneous surface, which can lead to cell damage in the long term. It is particularly advantageous in this connection that the homogeneity of the electrode-separator arrangement can be compensated for in the case of a mechanically deformable design of the casing. For example, local bulges, which at local
  • the fiber structure can include plastic fibers, glass fibers and/or ceramic fibers. These fibers are electrically insulating.
  • the cover can be formed from a spunbonded fabric, with meltblown spunbonded fabrics being particularly suitable. Due to the production process, spunbonded nonwovens have particularly little contamination, so that the risk of contamination entering the energy storage cell is reduced.
  • cover from a dry fleece. Dry webs can be produced particularly well anisotropically and are therefore suitable for coverings which are exposed to particularly high mechanical loads in a preferred direction.
  • the porosity of the coating is preferably at most 70%. This can ensure that the casing is electrically insulating. Likewise, increasing porosity also results in increasing compressibility and elasticity. However, it must always be ensured that the cover is electrically insulating and has a certain thermal conductivity.
  • the mean pore size is preferably between 3 ⁇ m and 40 ⁇ m. Such a configuration results in advantageous properties with regard to electrical insulation, thermal conductivity and elasticity.
  • the cover can be multi-layered.
  • the covering is preferably made up of at least five, preferably at least eight, fiber layers. This results in a high mechanical restoring force in order to support thickness compensation of the electrode-separator arrangement. Due to the multiple layers, it can be ensured that open pores are present even in the maximally compressed state, with the occurrence of continuous pores (pinholes) being able to be ruled out. With a coating thickness of 100 m, for example, 10 fiber layers with a thickness of 10 ⁇ m each can be realized. Finer fibers lead to an improvement in homogeneity and a reduction in the risk of open pores.
  • the fiber structure can consist of fibers with a similar fiber diameter or of a fiber mixture with stronger structural fibers and finer homogeneity-improving fibers. The use of microfibrillated fiber bundles (pulps) as homogeneity-improving components is also conceivable.
  • the porosity of the cover results in an additional reservoir for electrolyte.
  • an energy storage cell with the dimensions 250 ⁇ 100 ⁇ 30 mm results in an additional electrolyte volume of approximately 3.4 cm 3 .
  • This additional electrolyte volume can counteract aging processes in the electrode-separator arrangement.
  • Ceramic particles can be embedded in the casing.
  • the ceramic particles can improve the thermal conductivity and also the electrically insulating properties of the encapsulation.
  • inorganic particles for example aluminum oxides, aluminum hydroxides or silicon dioxides, which are introduced into the spaces between the fibers, are conceivable.
  • Ceramic fillers make it possible to design a thermally stable design of the insulation layer. Temperatures that occur during thermal runaway of the cell do not lead to immediate destruction of the casing; electrical isolation is maintained.
  • An electrolyte which contacts the casing can be accommodated in the housing. Through the pores of the material of the cover, the electrolyte can be accommodated in the cover itself, so that additional electrolyte can be contained in the housing. In particular, the thermal conductivity between the electrode-separator arrangement and the housing can also be improved by the electrolyte. It is advantageous here that, compared to a closed envelope, an additional amount of electrolyte can be introduced into the energy storage cell, which can be used as an additional reservoir is available and leads to improved properties in particular at the end of the life of the energy storage cell.
  • the material of the cover in particular the fiber material of the cover, can be designed in such a way that it can be wetted by an electrolyte arranged in the housing. This can support the wetting of the electrode-separator arrangement, which is particularly advantageous during the filling process. This can be achieved by selecting fibrous materials for the sheath.
  • polar polymers such as polyamides or polyesters can be wetted with an electrolyte.
  • hydrophilization processes for example gas-phase fluorination, plasma treatment, grafting with polar substances such as acrylic acid, or sulfonation, can lead to permanently effective wettability for the electrolyte.
  • wetting agents are also conceivable, which speeds up the filling process in particular. Furthermore, it is advantageous that, in the case of wettable gas bubbles, they are expelled from the cell housing during the filling process. This is not necessarily the case, for example, with foil-based coverings.
  • the cladding enables thermal conductivity through the plane.
  • the heat transfer from the electrode-separator arrangement through the casing in the direction of the housing can be improved.
  • the temperature of the energy storage cells is controlled from the outside via the housing.
  • Improved thermal management of the electrode-separator arrangement can be achieved through the thermal conductivity of the casing.
  • the thermal conductivity improves in particular when the pores are filled with electrolytes. Electrolytes usually have a comparatively high thermal conductivity.
  • circulation of the electrolyte within the porous casing caused by convection can be achieved, which supports effective temperature equalization. The circulation increases with increasing temperature difference.
  • thermo conductivity of the electrolyte and the use of convection enable improved thermal management of the energy storage cell, independently of any thermally insulating properties of the fiber material of the casing.
  • the cover can be provided with an adhesive surface. This allows the cover to be placed against the electrode-separator unit during assembly. This avoids the need for additional adhesive tapes, which can result in local thickening.
  • adhesive surfaces based on acrylate binders are conceivable here.
  • FIG. 2 shows an energy storage cell in the form of a prismatic cell
  • FIG. 3 shows an energy storage cell in the form of a pouch cell
  • Fig. 6 shows a cover in section.
  • the figures show an energy storage cell 1 comprising at least one electrode-separator arrangement 2 which is accommodated in a housing 3 .
  • a cover 4 is arranged at least in sections between the electrode-separator arrangement 2 and the housing 3, the cover 4 being made of porous material.
  • the material is open-pored, with the cover 4 consisting of a fiber structure, specifically non-woven material.
  • the cover 4 is elastic and has a porosity of at most 70%.
  • the average pore size is between 3 pm and 40 pm.
  • Ceramic particles are embedded in the casing 4 .
  • the thickness of the envelope 4 is thereby with a button determined, which presses on the surface with a force of 100 kPa.
  • A is the basis weight in g/m 2
  • B is the density of the material in g/cm 3
  • C is the thickness.
  • An electrolyte is accommodated in the housing 3 , which contacts the cover 4 and is partially contained within the cover 4 .
  • FIG. 1 shows the energy storage cell 1 in partial section. It can be seen that the casing 4 is arranged between the housing 3 and the electrode-separator arrangement 2 . The cover 4 embeds the electrode-separator arrangement
  • electrode-separator arrangement 2 compensates volume changes of the electrode-separator arrangement 2 through its elasticity.
  • FIG. 2 shows the energy storage cell 1 in the form of a prismatic cell.
  • FIG. 3 shows the energy storage cell 1 in the form of a pouch cell.
  • FIG. 4 shows the energy storage cell 1 in the form of a round cell.
  • FIG. 5 shows the energy storage cell 1 in section.
  • the casing 4 covers the electrode-separator arrangement 2 in the area of the sides and in the area of the bottom.
  • the casing 4 covers the electrode-separator arrangement 2 in the area of the sides, in the area of the base and in the area of the cover.
  • An additional floor element which can be dimensionally stable, can be assigned to the floor.
  • An additional cover element can be assigned to the cover.
  • the cover element and/or the base element can be arranged between the housing 3 and the electrode-separator arrangement 2 . In this case, between the base element and/or the cover element as well as the housing 3 and/or the electrode-separator arrangement 2, the covering 4 additionally extends.
  • FIG. 6 shows in detail a wall of a cover 4 in section.
  • the cover 4 is made of a fleece.
  • the fleece can be designed as a meltblown fleece or wet fleece.
  • the fleece is single-ply, according to a second alternative, the fleece is multi-ply, in particular five-ply or eight-ply.
  • Various configurations of the fleece of the cover 4 are specifically described below:
  • a polyolefinic wet web based on polypropylene and polyethylene with a weight per unit area of 60 g/m 2 and a thickness of 120 ⁇ m.
  • the air permeability of the wet fleece is 220 l/sm 2 at a pressure difference of 2 mbar.
  • the wet fleece is reinforced by thermobonding and the use of core-sheath binding fibers.
  • the use of polyolefins is advantageous, particularly with regard to lithium-ion accumulators, because they are stable with respect to the materials of the accumulator.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • a polyolefinic wet web based on polypropylene and polyethylene with a weight per unit area of 60 g/m 2 and a thickness of 120 ⁇ m.
  • the air permeability of the wet fleece is 220 l/sm 2 at a pressure difference of 2 mbar.
  • the wet fleece is reinforced by thermobonding and the use of core-sheath binding fibers.
  • the use of polyolefins is advantageous, particularly with regard to lithium-ion accumulators, because they are stable with respect to the materials of the accumulator.
  • the surface of the wet fleece was permanently hydrophilized using gas-phase fluorination.
  • fluorinated polyolefins is particularly advantageous in connection with use in alkaline cell systems, for example nickel-metal hydride accumulators.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • polyester wet fleece based on polyethylene terephthalate (PET) and polybutylene terephthalate (PBT) with a basis weight of 50 g/m 2 and a thickness of 95 ⁇ m.
  • the air permeability at a pressure difference of 2 mbar is 500 l/sm 2 .
  • the material is thermally bonded through thermobonding and the use of core-sheath binding fibers.
  • polyester-based plastics have a higher temperature resistance.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • meltblown fleece based on polypropylene.
  • the basis weight is 43 g/m 2 and the thickness is 110 ⁇ m.
  • the bond is made by in-situ thermobonding when the fibers are laid. The material will then calendered.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • the basis weight is 60 g/m 2 and the thickness is 105 ⁇ m.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • the fiber mixture of core and sheath fibers contains a highly fibrillated polypropylene pulp.
  • the fleece formed from this has a weight per unit area of 55 g/m 2 and a thickness of 110 ⁇ m.
  • the air permeability of the wet mat is 180 l/sm 2 at a pressure difference of 2 mbar.
  • the wet mat is bonded by thermobonding, with the highly fibrillated pulp not fusing at the bonding temperatures.
  • the wet fleece is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • the fleece has a basis weight of 80 g/m 2 and a thickness of 140 ⁇ m.
  • the consolidation takes place through thermal bonding by means of calendering.
  • the spunbond is wrapped around the electrode separator assembly 2 to form the sheath 4 .
  • the nonwoven has a basis weight of 60 g/m 2 and a thickness of 100 ⁇ m. Solidification occurs through thermal bonding through calendering. The spunbonded nonwoven is wound around the electrode-separator arrangement 2 to form the covering 4 .
  • nonwovens based on glass fibers or fabrics made of silicate fibers are used.
  • the casing 4 can contain fibrillated fillers (pulp). These reduce the pore diameter and at the same time increase the surface area of the coating 4.
  • the materials described above have a comparatively low porosity and a homogeneous pore structure. This is achieved through a high and defined compression of the material during thermobonding or during calendering. Furthermore, fibers with a small fiber diameter between 1 ⁇ m and 15 ⁇ m are used. The production of the cover 4 by wet-laying or melt-blown processes enables a particularly uniform fleece structure.
  • the material can be present in the form of a strip-like layer, which is wound around the electrode-separator arrangement 2.
  • the width of the layer corresponds approximately to the height of the electrode-separator arrangement 2.
  • the cover 4 can be attached to a floor panel.
  • Floor panels can be full-surface plastic components, plastic components provided with recesses, scaffold-like plastic components or nonwoven-based structures. If there is a bursting opening in the area of the base plate in the cell housing, it is advantageous to provide a corresponding recess in the base plate at this point. In principle, it is also conceivable to provide ceramic floor panels. It should be noted here that the electrode-separator arrangement 2 is securely fixed in the base plate so that reliable electrical insulation of the electrode-separator arrangement 2 is ensured.
  • the cover 4 can be connected to the base plate, for example, by gluing or welding.
  • the cover 4 can also be attached to a cover plate.
  • cover plates can be full-surface plastic components, plastic components provided with recesses, framework-like plastic components or also nonwoven-based structures. In principle, it is also conceivable to provide ceramic floor panels. If there is a bursting opening in the area of the cover plate in the cell housing, it is advantageous to provide a corresponding recess in the cover plate at this point.
  • the cover 4 can be connected to the cover plate, for example, by gluing or welding.

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Abstract

Energiespeicherzelle (1), umfassend zumindest eine Elektroden-Separator-Anordnung (2), welche in einem Gehäuse (3) aufgenommen ist, wobei zwischen der Elektroden-Separator-Anordnung (2) und dem Gehäuse (3) zumindest abschnittsweise eine Umhüllung (4) angeordnet ist, wobei die Umhüllung (4) aus porösem Material ausgebildet ist.

Description

Energiespeicherzelle
Die Erfindung betrifft eine Energiespeicherzelle, umfassend zumindest eine Elektroden-Separator-Anordnung, welche in einem Gehäuse aufgenommen ist.
Energiespeichersysteme, insbesondere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, sind vor allem in mobilen Systemen weit verbreitet. Wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie werden beispielsweise in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops eingesetzt. Des Weiteren werden wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie vermehrt zum Bereitstellen von Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Dabei ist eine große Bandbreite elektrisch angetriebener Fahrzeuge denkbar, neben Personenkraftwagen beispielsweise auch Zweiräder, Kleintransporter oder Lastkraftwagen. Anwendungen in Robotern, Schiffen, Flugzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen sind ebenfalls denkbar. Weitere Einsatzgebiete von elektrischen Energiespeichersystemen sind stationäre Anwendungen, beispielsweise in Backup-Systemen, in Netzwerkstabilisierungssystemen und zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen.
Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem ist dabei ein wiederaufladbarer Speicher in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen, wie andere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse verbaut sind. Mehrere elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen werden dabei meist zu einem Modul zusammengefasst. Dabei erstreckt sich das Energiespeichersystem nicht nur auf Lithium-Ionen- Akkumulatoren. Auch andere wiederaufladbare Batterie-Systeme wie Lithium- Schwefel-Batterien, Feststoff-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien oder Metall-Luft- Batterien sind denkbare Energiespeichersysteme. Des Weiteren kommen auch Superkondensatoren als Energiespeichersystem in Betracht.
Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern weisen die höchste elektrische Kapazität sowie die beste Leistungsaufnahme und -abgabe nur in einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Bei Über- bzw. Unterschreiten des optimalen Betriebstemperaturbereichs fallen die Kapazität, die Leistungsaufnahmefähigkeit und die Leistungsabgabefähigkeit des Speichers stark ab und die Funktionalität des Energiespeichers ist beeinträchtigt. Zu hohe Temperaturen können darüber hinaus den Energiespeicher irreversibel schädigen. Demnach sollen sowohl dauerhaft auftretende erhöhte Temperaturen als auch kurzfristige Temperaturspitzen unbedingt vermieden werden. Bei Lithium-Ionen- Akkumulatoren sollen beispielsweise dauerhaft Temperaturen von mehr als 50 °C und kurzfristige Temperaturspitzen von mehr als 80 °C nicht überschritten werden.
Insbesondere bei Anwendungen in Personenkraftwagen wird eine Schnellladefähigkeit der Energiespeichersysteme gefordert. Dabei sollen die ein Energiespeichersystem bildenden Akkumulatoren innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 15 Minuten vollständig oder nahezu vollständig geladen werden. Aufgrund des Wirkungsgrades des Ladesystems von etwa 90 % bis 95 % werden während des Ladevorgangs im Energiespeichersystem große Wärmemengen freigesetzt, welche aus dem Energiespeichersystem abgeführt werden müssen. Diese Wärmemengen werden im normalen Betriebszustand nicht freigesetzt. Daher ist es erforderlich, das Kühlsystem des Energiespeichersystems so auszulegen, dass die beim Ladevorgang auftretende Wärmemenge aufgenommen werden kann.
Zu hohe Temperaturen können zu einer irreversiblen Schädigung des Energiespeichersystems führen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen das sogenannte thermische Durchgehen („thermal runaway“) bekannt. Dabei werden in kurzer Zeit hohe thermische Energiemengen sowie gasförmige Abbauprodukte frei, woraus ein hoher Druck und hohe Temperaturen im Gehäuse resultieren. Dieser Effekt ist insbesondere problematisch bei Energiespeichersystemen mit hoher Energiedichte, wie sie beispielsweise zur Bereitstellung elektrischer Energie in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erforderlich ist. Durch zunehmende Energiemengen der einzelnen Zellen und Erhöhung der Packungsdichte der in dem Gehäuse angeordneten Zellen vergrößert sich die Problematik des thermischen Durchgehens.
Im Bereich einer durchgehenden Zelle können an der Gehäusewand der Zelle über eine Zeitdauer von mehreren Minuten Temperaturen im Bereich von 600 °C bis 1.000 °C entstehen. Die Einrichtung zum thermischen Isolieren muss einer derartigen Beanspruchung standhalten und den Energieübergang auf Nachbarzellen so reduzieren, dass die Temperaturbelastung der Nachbarzellen lediglich höchstens 150 °C beträgt. Wesentlich ist die Begrenzung der Energieübertragung auf Nachbarzellen, um zu verhindern, dass auch diese thermisch durchgehen.
Insbesondere auf dem Gebiet der Elektromobilität besteht ein Bedürfnis, auf geringem Raum eine hohe Energiedichte zu erzielen, was jedoch den zur Verfügung stehenden Raum für die Isolation der Zellen beschränkt. Um zu verhindern, dass einzelne Speicherzellen einer zu hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, ist es auch erforderlich, von der Speicherzelle freigesetzte Wärme abzuführen.
Dementsprechend ist es zumeist nicht ausreichend, Speicherzellen lediglich zu isolieren.
Wesentlich ist die Sicherstellung eines Wärmeausgleichs zwischen der Wand des Gehäuses und der Elektroden-Separator-Anordnung. Zumeist erfolgt hierbei ein Wärmefluss von der wärmeren Elektroden-Separator-Anordnung zu der kühleren Wand des Gehäuses, welche ggf. auch direkt gekühlt sein kann. Dabei ist problematisch, dass zwischen beiden Komponenten zumeist eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, beispielsweise eine Kunststofffolie, welche häufig eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Des Weiteren können sich während der Montage Gasblasen im Inneren des Gehäuses ansammeln. Diese bilden ein isolierendes Gaspolster, welches den Wärmeübergang stark einschränkt.
Über die Lebensdauer betrachtet sind Lithium-Ionen-Speicherzellen einer Volumenänderung unterworfen, wobei das Volumen mit steigender Lebensdauer zunimmt. Bei Pouch-Zellen macht sich dies beispielsweise durch Ausbauchen bemerkbar. Hinzu kommt eine zyklische Volumenänderung bei jedem Lade- bzw. Entladevorgang. Die Volumenänderung der Speicherzellen muss durch die Einrichtung kompensiert werden. Entweder erfolgt dies durch ein Verspannen der Speicherzellen untereinander, was mit einem sehr großen Druckanstieg verbunden ist. Alternativ werden Kompressionselemente zwischen den Speicherzellen angeordnet, die Volumenänderungen der Speicherzellen aufnehmen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen verringert sich die thermische Isolierwirkung mit zunehmender Verpressung, zumeist ist die Wärmeübertragung umgekehrt proportional zum Abstand der Speicherzellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeicherzelle bereitzustellen, welche verbesserte Gebrauchseigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle umfasst zumindest eine Elektroden- Separator-Anordnung, welche in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei zwischen der Elektroden-Separator-Anordnung und dem Gehäuse zumindest abschnittsweise eine Umhüllung angeordnet ist, wobei die Umhüllung aus porösem Material ausgebildet ist.
Die Ausgestaltung der Umhüllung aus porösem, beziehungsweise porenhaltigem Material ermöglicht die Ausgestaltung einer Umhüllung mit elastischen isolierenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften. Unter elastisch im Sinne der Erfindung ist dabei auch reversibel verformbar zu verstehen. Dabei ist die Umhüllung aber auch so ausgebildet, dass sowohl eine elektrische Isolation als auch eine thermische Leitfähigkeit gegeben ist.
Das Material kann offenporig ausgestaltet sein. Bei dieser Ausgestaltung ist vorteilhaft, dass die Umhüllung geeignet ist, eine Flüssigkeit, insbesondere einen Elektrolyten aufzunehmen, welcher den Bereich zwischen Elektroden-Separator- Anordnung und Gehäuse zumindest teilweise füllt.
Vorzugsweise ist die Umhüllung elastisch ausgebildet. Dadurch kann die Umhüllung zyklische Volumenänderungen der Elektroden-Separator-Anordnung kompensieren, welche einerseits aus verschiedenen Ladezuständen und andererseits auch bedingt durch den Lebenszyklus der Elektroden-Separator-Anordnung entstehen können. Durch die Verformbarkeit kann beim Befüllen mit dem Elektrolyten die Volumenzunahme der Elektroden-Separator-Anordnung kompensiert werden. Wie zuvor ausgeführt ist unter elastisch auch reversibel verformbar zu verstehen.
Die Umhüllung kann auch als Abdeckung im Bereich der Stirnseiten der Elektroden- Separator-Anordnung ausgestaltet sein. Hierbei kann das verformbare Verhalten Toleranzen der Elektroden-Separator-Anordnung, welche vom Fertigungsprozess herrühren, ausgleichen.
Die Umhüllung kann aus einem Fasergebilde ausgebildet sein. Dabei kann die Umhüllung aus einem textilen Flächengebilde, einem papierähnlichen Material oder dergleichen ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Umhüllung aus einem Vliesstoff ausgebildet. Vliesstoffe sind textile Flächengebilde, welche derart herstellbar sind, dass diese eine für die technische Funktion der Umhüllung optimierte Porosität, Elastizität und Verformbarkeit aufweisen und auch die Funktion der elektrischen Isolation gewährleisten können.
Durch die faserbasierte Struktur weisen Vliesstoffe eine hohe mechanische Festigkeit auf, welche durch zusätzliche Maßnahmen verbessert werden kann. Beispielsweise kann die mechanische Festigkeit durch Thermofixierung verbessert werden, bei welcher Faser-Kreuzungspunkte miteinander verschmolzen werden. Vliesstoffe weisen eine hohe Weiterreißfestigkeit auf und sind widerstandsfähig gegenüber einer Penetration von Partikeln. Solche Partikel können beispielsweise aus Verarbeitungsfehlern bei der Zellproduktion resultieren. Durchdringen elektrisch leitfähige Partikel die Umhüllung, kann ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Elektroden und der Wand des Gehäuses auftreten. Bei Verwendung eines Vliesstoffes ist, vorteilhaft, dass derartige Partikel in der Matrix der Faserstruktur eingebettet werden können, ohne dass sich Risse bilden. Durch die Faserstruktur weisen Vliesstoffe eine reversible Komprimierbarkeit auf, welche bei der erfindungsgemäßen Umhüllung vorzugsweise im Bereich von 30 % liegt. Eine derartige Komprimierbarkeit unterstützt die Volumenkompensierung der Elektroden- Separator-Anordnung im Bereich aller Ladezustände und auch beim altersbedingten Dickenwachstum.
Bei einer Dicke der Umhüllung von 120 pm und einer Komprimierbarkeit von 30 % können beispielsweise Dickenänderungen im Bereich von 35 pm je Seite, beziehungsweise insgesamt 70 pm ausgeglichen werden. Dadurch kann die Umhüllung innerhalb der Energiespeicherzelle typische Dickenänderungen von Elektroden-Separator-Anordnungen aufnehmen und mechanische Verpressungen der Elektroden-Separator-Anordnung reduzieren.
Durchgehende Löcher (pinholes) können vermieden werden, indem die Faseranordnung eine hohe Homogenität aufweist, die Fasern der Faseranordnung einen geringen Faserdurchmesser aufweisen, die Porosität nicht zu hoch gewählt ist oder viele Lagen über die Dicke der Umhüllung realisiert werden.
Die Umhüllung kann aus einem Nassvlies ausgebildet sein. Bei Nassvliesen ist insbesondere vorteilhaft, dass diese eine besonders homogene und glatte Oberfläche aufweisen. Dies ist insbesondere auf der der Elektroden-Separator- Anordnung zugewandten Oberfläche vorteilhaft, weil durch die homogene Oberfläche das Auftreten von lokalen Druckspitzen vermieden werden kann, was langfristig zu Zellschädigungen führen kann. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, dass bei einer mechanisch deformierbaren Ausgestaltung der Umhüllung die Homogenitäten der Elektroden-Separator-Anordnung kompensiert werden können. Beispielsweise können lokale Ausbauchungen, welche bei lokalen
Alterungsphänomenen auftreten können, durch die Umhüllung kompensiert werden.
Das Fasergebilde kann Kunststofffasern, Glasfasern und/oder Keramikfasern umfassen. Diese Fasern sind elektrisch isolierend.
Alternativ kann die Umhüllung aus einem Spinnvlies ausgebildet sein, wobei insbesondere Meltblown-Spinnvliese in Betracht kommen. Produktionsbedingt weisen Spinnvliese besonders wenig Verunreinigungen auf, so dass das Risiko eines Eintrags von Verschmutzungen in die Energiespeicherzelle reduziert ist.
Denkbar ist, die Umhüllung aus einem Trockenvlies auszubilden. Trockenvliese lassen sich besonders gut anisotrop herstellen und eignen sich daher für Umhüllungen, welche in einer Vorzugsrichtung besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Vorzugsweise beträgt die Porosität der Umhüllung höchstens 70 %. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Umhüllung elektrisch isolierend ist. Ebenso ergibt sich bei ansteigender Porosität auch eine ansteigende Verpressbarkeit und Elastizität. Dabei muss aber stets gewährleistet werden, dass die Umhüllung elektrisch isolierend ist und eine gewisse thermische Leitfähigkeit aufweist.
Vorzugsweise beträgt die mittlere Porengröße zwischen 3 pm und 40 pm. Bei einer derartigen Ausgestaltung ergeben sich vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich elektrischer Isolation, thermischer Leitfähigkeit und Elastizität.
Die Umhüllung kann mehrlagig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Umhüllung aus mindestens fünf, vorzugsweise mindestens aus acht Faserlagen ausgebildet. Dabei ergibt sich eine hohe mechanische Rückspielkraft, um eine Dickenkompensation der Elektroden-Separator-Anordnung zu unterstützen. Durch die Mehrlagigkeit kann auch im maximal komprimierten Zustand gewährleistet werden, dass offene Poren vorliegen, wobei das Auftreten durchgängiger Poren (pinholes) ausgeschlossen werden können. Bei einer Dicke der Umhüllung von 100 m können beispielsweise 10 Faserlagen mit einer Dicke von je 10 pm realisiert werden. Dabei führen feinere Fasern zu einer Verbesserung der Homogenität und einer Verringerung des Risikos durchgängiger Poren. Der Faseraufbau kann dabei aus Fasern mit ähnlichem Faserdurchmesser oder aber aus einem Fasergemisch mit stärkeren Strukturfasern und feineren homogenitätsverbessernden Fasern bestehen. Denkbar ist auch der Einsatz von m ikrofibrillierten Faserbündeln (Pulpen) als homogenitätsverbessernde Komponente.
Durch die Porosität der Umhüllung ergibt sich ein zusätzliches Reservoir für Elektrolyt. Bei einer Porosität von 50 % und bei einer Dicke der Umhüllung von 120 pm ergibt sich bei einer Energiespeicherzelle mit den Abmessungen 250x100x30 mm ein zusätzliches Elektrolyt-Volumen von etwa 3,4 cm3. Dieses zusätzliche Elektrolyt-Volumen kann Alterungsprozessen der Elektroden-Separator- Anordnung entgegenwirken.
In die Umhüllung können keramische Partikel eingebettet sein. Die keramischen Partikel können die thermische Leitfähigkeit und auch die elektrisch isolierenden Eigenschaften der Umhüllung verbessern. Denkbar sind insbesondere anorganische Partikel, beispielsweise Aluminiumoxide, Aluminiumhydroxide oder Siliciumdioxide, welche in die Faserzwischenräume eingebracht werden. Keramische Füllstoffe ermöglichen die Ausgestaltung einer thermisch stabilen Ausgestaltung der Isolationsschicht. So führen auch Temperaturen, die beim thermischen Durchgehen der Zelle auftreten, nicht zu einer unmittelbaren Zerstörung der Umhüllung; eine elektrische Isolation bleibt aufrechterhalten.
In dem Gehäuse kann ein Elektrolyt aufgenommen sein, welcher die Umhüllung kontaktiert. Durch die Poren des Materials der Umhüllung kann der Elektrolyt dabei in der Umhüllung selbst aufgenommen sein, so dass zusätzlich Elektrolyt in dem Gehäuse enthalten sein kann. Durch den Elektrolyten kann insbesondere auch die thermische Leitfähigkeit zwischen der Elektroden-Separator-Anordnung und dem Gehäuse verbessert werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass im Vergleich zu einer geschlossenen Umhüllung eine zusätzliche Menge Elektrolyt in die Energiespeicherzelle eingebracht werden kann, welcher als zusätzliches Reservoir zur Verfügung steht und insbesondere am Lebensende der Energiespeicherzelle zu verbesserten Eigenschaften führt.
Das Material der Umhüllung, insbesondere das Fasermaterial der Umhüllung, kann so ausgestaltet sein, dass es benetzbar gegenüber einem in dem Gehäuse angeordneten Elektrolyten ist. Dadurch kann die Benetzung der Elektroden- Separator-Anordnung unterstützt werden, was insbesondere beim Befüllprozess vorteilhaft ist. Dies kann durch Auswahl von Fasermaterialien für die Umhüllung erzielt werden. Beispielsweise sind polare Polymere wie Polyamide oder Polyester mit einem Elektrolyten benetzbar. Bei Verwendung von Polyolefinen können Hydrophilierungsprozesse, beispielsweise eine Gasphasen-Fluorierung, eine Plasma-Behandlung, eine Pfropfung mit polaren Substanzen wie beispielsweise Acrylsäure oder eine Sulfonierung zu einer dauerhaft wirksamen Benetzbarkeit für den Elektrolyten führen. Denkbar ist auch der Auftrag von Netzmittel, was insbesondere den Befüllprozess beschleunigt. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass bei benetzbaren Gasblasen beim Befüllprozess aus dem Zellgehäuse herausgetrieben werden. Dies ist beispielsweise bei folienbasierten Umhüllungen nicht ohne weiteres der Fall.
Vorteilhaft ist, wenn die Umhüllung eine thermische Leitfähigkeit durch die Ebene hindurch ermöglicht. Dadurch kann der Wärmetransfer von der Elektroden- Separator-Anordnung durch die Umhüllung hindurch in Richtung des Gehäuses verbessert werden. Zumeist erfolgt eine Temperierung der Energiespeicherzellen von außen über das Gehäuse. Durch die thermische Leitfähigkeit der Umhüllung kann ein verbessertes Thermomanagement der Elektroden-Separator-Anordnung erzielt werden. Die thermische Leitfähigkeit verbessert sich dabei insbesondere dann, wenn die Poren mit Elektrolyten gefüllt sind. Elektrolyte weisen zumeist vergleichsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Zudem kann bei einem Temperaturgradienten zwischen einer wärmeren Elektroden-Separator-Anordnung und einem kühleren Gehäuse eine durch Konvektion hervorgerufene Zirkulation des Elektrolyten innerhalb der porösen Umhüllung erzielt werden, die einen effektiven Temperaturausgleich unterstützt. Die Zirkulation erhöht sich dabei mit steigender Temperaturdifferenz. Durch die Fasergerüst-Struktur des Vliesstoffs, welche selbst im maximal komprimierten Zustand immer noch offene Poren aufweist, ist dieser Kühleffekt auch bei gealterten Zellen wirksam. Die Wärmeleitfähigkeit des Elektrolyten und die Nutzung der Konvektion ermöglicht ein verbessertes Thermomanagement der Energiespeicherzelle unabhängig von möglichweise thermisch isolierenden Eigenschaften des Fasermaterials der Umhüllung.
Vorteilhafterweise kann die Umhüllung mit einer klebenden Oberfläche ausgerüstet sein. Diese ermöglicht bei der Montage ein Anlegen der Umhüllung an die Elektroden-Separator-Einheit. Dadurch lassen sich zusätzlich erforderliche Klebebänder vermeiden, die mit lokalen Verdickungen einhergehen können. Denkbar sind hier beispielsweise klebende Oberflächen auf der Basis von Acrylatbinder.
Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Energiespeicherzelle werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Energiespeicherzelle im Teilschnitt;
Fig. 2 eine Energiespeicherzelle in Form einer prismatischen Zelle;
Fig. 3 eine Energiespeicherzelle in Form einer Pouch-Zelle;
Fig. 4 eine Energiespeicherzelle in Form einer Rundzelle;
Fig. 5 eine Energiespeicherzelle im Schnitt;
Fig. 6 eine Umhüllung im Schnitt.
Die Figuren zeigen eine Energiespeicherzelle 1 , umfassend zumindest eine Elektroden-Separator-Anordnung 2, welche in einem Gehäuse 3 aufgenommen ist. Zwischen der Elektroden-Separator-Anordnung 2 und dem Gehäuse 3 ist zumindest abschnittsweise eine Umhüllung 4 angeordnet, wobei die Umhüllung 4 aus porenhaltigem Material ausgebildet ist.
Vorliegend ist das Material offenporig ausgebildet, wobei die Umhüllung 4 aus einem Fasergebilde, konkret aus Vliesstoff besteht. Die Umhüllung 4 ist elastisch ausgebildet und weist eine Porosität von höchstens 70 % auf. Die mittlere Porengröße beträgt zwischen 3 pm und 40 pm. In die Umhüllung 4 sind keramische Partikel eingebettet. Die Dicke der Umhüllung 4 wird dabei mit einem Taster bestimmt, der mit einer Kraft von 100 kPa auf die Oberfläche drückt. Die Porosität ergibt sich aus der Formel: Porosität = (1 -A/(BxC*1 .000)) *100. Dabei ist A das Flächengewicht in g/m2, B die Dichte des Materials in g/cm3 und C die Dicke.
In dem Gehäuse 3 ist ein Elektrolyt aufgenommen, welcher die Umhüllung 4 kontaktiert und teilweise innerhalb der Umhüllung 4 aufgenommen ist.
Figur 1 zeigt die Energiespeicherzelle 1 im Teilschnitt. Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Gehäuse 3 und der Elektroden-Separator-Anordnung 2 die Umhüllung 4 angeordnet ist. Die Umhüllung 4 bettet dabei die Elektroden-Separator-Anordnung
2 ein, bildet eine elektrische Isolierung zwischen Gehäuse 3 und Elektroden- Separator-Anordnung 2, stellt eine thermisch leitende Verbindung zwischen Gehäuse
3 und Elektroden-Separator-Anordnung 2 her und kompensiert durch seine Elastizität Volumenänderungen der Elektroden-Separator-Anordnung 2. Zudem kann auch im Bereich des Bodens der Energiespeicherzelle 1 , eine Bedeckung durch die Umhüllung 4 vorliegen.
Figur 2 zeigt die Energiespeicherzelle 1 in Form einer prismatischen Zelle. Figur 3 zeigt die Energiespeicherzelle 1 in Form einer Pouch-Zelle. Figur 4 zeigt die Energiespeicherzelle 1 in Form einer Rundzelle.
Figur 5 zeigt die Energiespeicherzelle 1 im Schnitt. Bei dieser Ausgestaltung bedeckt die Umhüllung 4 die Elektroden-Separator-Anordnung 2 im Bereich der Seiten und im Bereich des Bodens.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung bedeckt die Umhüllung 4 die Elektroden- Separator-Anordnung 2 im Bereich der Seiten, im Bereich des Bodens und im Bereich des Deckels. Dem Boden kann ein zusätzliches Bodenelement zugeordnet sein, welches formstabil ausgebildet sein kann. Dem Deckel kann ein zusätzliches Deckelement zugeordnet sein. Das Deckelelement und/oder das Bodenelement kann zwischen dem Gehäuse 3 und der Elektroden-Separator-Anordnung 2 angeordnet sein. Dabei kann sich zwischen das Bodenelement und/oder das Deckelelement sowie dem Gehäuse 3 und/oder der Elektroden-Separator-Anordnung 2 zusätzlich die Umhüllung 4 erstrecken.
Figur 6 zeigt im Detail eine Wandung einer Umhüllung 4 im Schnitt. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist die Umhüllung 4 aus einem Vlies ausgebildet. Dabei kann das Vlies als Meltblown-Vlies oder Nassvlies ausgebildet sein. Gemäß einer ersten Alternative ist das Vlies einlagig, gemäß einer zweiten Alternative ist das Vlies mehrlagig, insbesondere fünflagig oder achtlagig. Verschiedene Ausgestaltungen des Vlieses der Umhüllung 4 werden nachfolgend konkret beschrieben:
1. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines polyolefinischen Nassvlieses auf der Basis von Polypropylen und Polyethylen mit einem Flächengewicht von 60 g/m2 und einer Dicke von 120 pm. Die Luftdurchlässigkeit des Nassvlieses beträgt bei einer Druckdifferenz von 2 mbar 220 l/sm2 Das Nassvlies ist durch Thermobonding und durch Verwendung von Kern- Mantel-Bindefasern verfestigt. Insbesondere in Bezug auf Lithium-Ionen- Akkumulatoren ist die Verwendung von Polyolefinen vorteilhaft, weil diese gegenüber den Materialien des Akkumulators stabil sind. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
2. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines polyolefinischen Nassvlieses auf der Basis von Polypropylen und Polyethylen mit einem Flächengewicht von 60 g/m2 und einer Dicke von 120 pm. Die Luftdurchlässigkeit des Nassvlieses beträgt bei einer Druckdifferenz von 2 mbar 220 l/sm2. Das Nassvlies ist durch Thermobonding und durch Verwendung von Kern- Mantel-Bindefasern verfestigt. Insbesondere in Bezug auf Lithium-Ionen- Akkumulatoren ist die Verwendung von Polyolefinen vorteilhaft, weil diese gegenüber den Materialien des Akkumulators stabil sind. Die Oberfläche des Nassvlieses wurde mittels einer Gasphasen-Fluorierung dauerhaft hydrophiliert. Die Verwendung fluorierter Polyolefine ist insbesondere im Zusammenhang mit dem Einsatz in alkalischen Zellsystemen, beispielsweise Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren vorteilhaft. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden- Separator-Anordnung 2 herumgewickelt. 3. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Polyolefin-Nassvlieses auf der Basis von Polypropylen und Polyethylen mit einem Flächengewicht von 63 g/m2 und einer Dicke von 140 pm. Die Oberfläche des Nassvlieses wurde mittels einer Gasphasen-Fluorierung dauerhaft hydrophiliert. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden- Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
4. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Polyester-Nassvlieses auf der Basis von Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT) mit einem Flächengewicht von 50 g/m2 und einer Dicke von 95 pm. Die Luftdurchlässigkeit bei einer Druckdifferenz von 2 mbar beträgt 500 l/sm2. Das Material ist durch Thermobonding und Verwendung von Kern- Mantel-Bindefasern thermisch verfestigt. Im Vergleich zu Polyolefinen weisen Polyester basierte Kunststoffe eine höhere Temperaturbeständigkeit auf. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator- Anordnung 2 herumgewickelt.
5. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Polyamid-Nassvlieses auf der Basis von Polyamid 6.6 und Polyamid 6. Das Flächengewicht beträgt 67 g/m2, die Dicke beträgt 120 pm. Das Material ist durch Thermobonding und Verwendung von Kern-Mantel-Bindefasern thermisch verfestigt. Zwar weisen Polyamide im Zusammenhang mit Lithium- Elektrolyten eine vergleichsweise hohe Quellung auf. Dies kann aber im Zusammenhang mit der Umhüllung 4 vorteilhaft sein, da dadurch die Elektroden- Separator-Anordnung 2 in die Umhüllung 4 eingebettet wird. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
6. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Meltblown-Vlieses auf der Basis von Polypropylen. Das Flächengewicht beträgt 43 g/m2, die Dicke beträgt 110 pm. Die Bindung erfolgt durch ln-situ Thermobonding bei der Faserlegung. Das Material wird anschließend kalandriert. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden- Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
7. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Nassvlieses auf der Basis von Polyphenylensulfid (PPS). Das Flächengewicht beträgt 60 g/m2, die Dicke beträgt 105 pm. Es erfolgt eine thermische Bindung durch Kalandrierung. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
8. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines polyolefinischen Nassvlieses, enthaltend Kern-Mantel- Bindefasern mit einem Kem aus Polypropylen und einem Mantel aus Polyethylen. Zusätzlich enthält die Fasermischung aus Kern- und Mantelfasern eine hochfibrillierte Polypropylen-Pulpe. Das daraus ausgebildete Vlies hat ein Flächengewicht von 55 g/m2 und einer Dicke von 110 pm. Die Luftdurchlässigkeit des Nassvlieses beträgt bei einer Druckdifferenz von 2 mbar 180 l/sm2 Das Nassvlies ist durch Thermobonding verfestigt, wobei bei den Verfestigungstemperaturen die hochfibrillierte Pulpe nicht verschmiltzt. Das Nassvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
9. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Spinnvlieses auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) mit einem Flächengewicht von 70 g/m2 und einer Dicke von 130 pm. Die Verfestigung erfolgt durch thermische Bindung mittels Kalandrierung. Das Spinnvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt. Spinnvliese sind für die vorliegende Anwendung vorteilhaft, weil sie in einem reinen, kontaminationsgeschützten Prozess herstellbar sind.
10. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Spinnvlieses auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) sowie einem Polyethylenterephthalat-Copolymer (coPET) in Form von Kern-Mantel-Fasern. Das Vlies besitzt ein Flächengewicht von 80 g/m2 und einer Dicke von 140 pm. Die Verfestigung erfolgt durch thermische Bindung mittels Kalandrierung. Das Spinnvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
11. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Spinnvlieses auf Basis von Polypropylen (PP) Das Vlies besitzt ein Flächengewicht von 60 g/m2 und einer Dicke von 100 pm. Die Verfestigung erfolgt durch thermische Bindung durch Kalandrierung. Das Spinnvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
12. Ausführungsbeispiel:
Bereitstellung eines Trockenvlieses auf Basis von Polyethylenterephthalat (PET) mit einem Flächengewicht von 60 g/m2 und einer Dicke von 85 pm. Die Verfestigung erfolgt durch thermische Bindung mittels Kalandrierung. Das Trockenvlies ist zur Ausbildung der Umhüllung 4 um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 herumgewickelt.
In anderen Ausgestaltungen kommen Vliesstoffe basierend aus Glasfasern oder Gewebe aus Silikatfasern zum Einsatz. Neben Fasern können in der Umhüllung 4 fibrillierte Füllstoffe (Pulpe) enthalten sein. Diese verringern die Porendurchmesser und erhöhen gleichzeitig die Oberfläche der Umhüllung 4.
Die zuvor beschriebenen Materialien weisen eine vergleichsweise geringe Porosität und eine homogene Porenstruktur auf. Dies wird durch eine hohe und definierte Verpressung des Materials während des Thermobondings oder während des Kalandrierens erzielt. Des Weiteren kommen Fasern mit einem geringen Faserdurchmesser zwischen 1 pm und 15 pm zum Einsatz. Die Herstellung der Umhüllung 4 durch Nasslegung oder Meltblown-Verfahren ermöglicht eine besonders gleichmäßige Vliesstruktur.
Zur Ausgestaltung der Umhüllung 4 kann das Material in Form einer streifenförmigen Lage vorliegen, welche um die Elektroden-Separator-Anordnung 2 gewickelt wird. Dabei entspricht die Breite der Lage in etwa der Höhe der Elektroden-Separator- Anordnung 2.
Bei gesteckten Elektroden-Separator-Anordnungen 2, die insbesondere bei Pouch- Zellen oder prismatischen Zellen zum Einsatz kommen, sind auch Ausgestaltungen der Umhüllung 4 in Form von Abdecklagen auf beiden Seiten der Elektroden- Separator-Anordnung 2 denkbar.
Denkbar ist auch, die Umhüllung 4 auch an Seiten der Elektroden-Separator- Anordnung 2 anzubringen, welche Poldurchführungen aufweisen. In diesem Fall können im Bereich der Poldurchführungen Durchbrechungen in die Umhüllung 4 eingebracht werden.
Die Umhüllung 4 kann an eine Bodenplatte angebracht werden. Bodenplatten können dabei vollflächige Kunststoff-Bauteile, mit Aussparungen versehene Kunststoffbauteile, gerüstartige Kunststoffbauteile oder auch vliesstoffbasierte Strukturen sein. Befindet sich im Bereich der Bodenplatte im Zellgehäuse eine Berstöffnung, ist es vorteilhaft, an dieser Stelle eine entsprechende Aussparung in der Bodenplatte vorzusehen. Prinzipiell ist auch denkbar, keramische Bodenplatten bereitzustellen. Dabei ist zu beachten, dass die Elektroden-Separator-Anordnung 2 sicher in der Bodenplatte fixiert ist, damit eine sichere elektrische Isolation der Elektroden-Separator-Anordnung 2 gewährleistet ist. Die Anbindung der Umhüllung 4 an die Bodenplatte kann beispielsweise durch Verklebung oder Verschweißung erfolgen.
Die Umhüllung 4 kann an auch an eine Deckelplatte angebracht werden. Deckelplatten können dabei vollflächige Kunststoffbauteile, mit Aussparungen versehene Kunststoffbauteile, gerüstartige Kunststoffbauteile oder auch vliesstoffbasierte Strukturen sein. Prinzipiell ist auch denkbar, keramische Bodenplatten bereitzustellen. Befindet sich im Bereich der Deckelplatte im Zellgehäuse eine Berstöffnung, ist es vorteilhaft, an dieser Stelle eine entsprechende Aussparung in der Deckelplatte vorzusehen. Dabei ist zu beachten, dass die Elektroden-Separator-Anordnung 2 sicher an der Deckelplatte fixiert ist, damit eine sichere elektrische Isolation der Elektroden-Separator-Anordnung 2 gewährleistet ist Die Anbindung der Umhüllung 4 an die Deckelplatte kann beispielsweise durch Verklebung oder Verschweißung erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1 . Energiespeicherzelle (1 ), umfassend zumindest eine Elektroden-Separator- Anordnung (2), welche in einem Gehäuse (3) aufgenommen ist, wobei zwischen der Elektroden-Separator-Anordnung (2) und dem Gehäuse (3) zumindest abschnittsweise eine Umhüllung (4) angeordnet ist, wobei die Umhüllung (4) aus porösem Material ausgebildet ist.
2. Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Material offenporig ausgestaltet ist.
3. Energiespeicherzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) elastisch ausgebildet ist.
4. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) aus einem Fasergebilde ausgebildet ist.
5. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) aus einem Vliesstoff ausgebildet ist.
6. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) aus einem Nassvlies, einem Trockenvlies und/oder einem Spinnvlies ausgebildet ist.
7. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergebilde Kunststofffasern, Glasfasern und/oder Keramikfasern umfasst.
8. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Umhüllung (4) höchstens 70 % beträgt.
9. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße zwischen 3 pm und 40 pm beträgt.
10. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) mehrlagig ausgebildet ist.
11 . Energiespeicherzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) zumindest fünf Faserlagen aufweist.
12. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Umhüllung (4) keramische Partikel eingebettet sind.
13. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (3) ein Elektrolyt aufgenommen ist, welcher die Umhüllung (4) kontaktiert.
14. Energiespeicherzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Umhüllung (4) derart ausgerüstet ist, dass die Umhüllung (4) mit dem Elektrolyten benetzbar ist.
15. Energiespeicherzelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt das Gehäuse (3) und die Elektroden-Separator-Anordnung (2) kontaktiert.
16. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt in der Umhüllung (4) zirkulierbar ist.
17. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit der mit einem Elektrolyten getränkten Umhüllung (4) mindestens 0,4 W/(mxK) beträgt.
18. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) auf der der Elektroden-Separator- Anordnung (2) zugewandten Seite mit einer Klebeschicht versehen ist.
19. Energiespeicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Umhüllung (4) eine Bodenplatte und/oder eine Deckelplatte zugeordnet ist.
20. Energiespeicherzelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (4) zumindest teilweise um die Bodenplatte und/oder Deckelplatte herumgeführt ist.
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Inventor name: STEPHAN, INGO

Inventor name: MUELLER, MICHAEL

Inventor name: SZPARAGOWSKI, RAYMOND

Inventor name: FREY, GUENTER