EP4523288A1 - Batteriezelle - Google Patents

Batteriezelle

Info

Publication number
EP4523288A1
EP4523288A1 EP23725157.4A EP23725157A EP4523288A1 EP 4523288 A1 EP4523288 A1 EP 4523288A1 EP 23725157 A EP23725157 A EP 23725157A EP 4523288 A1 EP4523288 A1 EP 4523288A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
cell housing
cell
opening
cover element
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
EP23725157.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Dagger
Daniel KEGLMEIER
Anton Killer
Paul MEISTER
Joachim Müller
Andreas Sänger
Piotr Wrzuszczak
Wenbo Zhang
Branislav Zlatkov
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.)
WL Gore and Associates GmbH
Volkswagen AG
Original Assignee
WL Gore and Associates GmbH
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WL Gore and Associates GmbH, Volkswagen AG filed Critical WL Gore and Associates GmbH
Publication of EP4523288A1 publication Critical patent/EP4523288A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/52—Removing gases inside the secondary cell, e.g. by absorption
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/103—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure prismatic or rectangular
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    • H01M50/3425—Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
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    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/394—Gas-pervious parts or elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell.
  • the battery cell has a cell housing in which several electrodes are arranged.
  • a high-voltage battery which includes several individual battery modules, is usually used to power the electric motor.
  • the battery modules are usually identical to one another and are connected electrically in series and/or parallel, so that the electrical voltage applied to the high-voltage battery corresponds to a multiple of the electrical voltage provided by each of the battery modules.
  • Each battery module in turn comprises several battery cells, which are usually arranged in a common module housing and which are electrically connected to one another in series and/or parallel.
  • Each of the battery cells in turn usually includes several galvanic elements. These each have two electrodes, namely an anode and a cathode, as well as a separator arranged between them and an electrolyte with freely movable charge carriers. A liquid, for example, is used as such an electrolyte.
  • the battery cell is designed as a solid-state battery and the electrolyte is in the form of a solid.
  • the anode and cathode, which form the electrodes of the battery cell usually include a carrier that acts as a current collector. An active material is usually attached to this, which is part of a layer applied to the carrier, which is also referred to as an arrester.
  • the electrolyte is already present in the layer, or it is introduced later.
  • the active material is suitable for absorbing the working ions, e.g. lithium ions.
  • a different material is used for the carrier and a different type of material of the layer.
  • the cell housing is shaped depending on the arrangement of the galvanic elements used. It is possible to design this rigidly and, for example, to make it out of aluminum.
  • the shape of the cell housing is, for example, cuboid.
  • Such a battery cell is also known as a prismatic cell.
  • the cell housing is created using a film that is wrapped around the galvanic elements. Such a battery cell is also referred to as a so-called pouch cell.
  • the choice of less reactive electrode materials is often accompanied by a reduction in capacity and/or energy density.
  • additional elements are present in the cell housing, for example, by means of which the resulting gases are bound and/or converted.
  • the installation space and also the weight of the battery cell are increased, which is why the energy density is reduced.
  • the invention is based on the object of specifying a particularly suitable battery cell, whereby operational reliability and/or energy density is advantageously increased.
  • the battery cell is in particular designed to be rechargeable and is expediently a secondary battery.
  • the battery cell is a component of a motor vehicle in its intended condition.
  • the battery cell is suitable for this, in particular intended and set up.
  • the battery cell is, for example, a component of an energy storage device of the motor vehicle, which has several such battery cells.
  • the battery cells are preferably divided into several battery modules, which in turn are structurally identical to one another.
  • the battery cells are arranged in particular in a housing of the energy storage or the respective battery module and are electrically connected in parallel and/or in series with one another.
  • the electrical voltage applied to the energy storage/battery module is therefore a multiple of the electrical voltage provided by each of the battery cells. All battery cells are expediently identical in construction, which simplifies production.
  • the housing of the energy storage or the respective battery module which thus in particular forms a composite of such battery cells, is preferably made of a metal, for example a steel, such as stainless steel, or an aluminum alloy.
  • a die-casting process, deep-drawing process, casting molding or extrusion molding is used for production.
  • the housing of the energy storage or the respective battery module is designed to be closed.
  • An interface is expediently incorporated into the housing of the energy storage or the respective battery module, which forms a connection of the energy storage/battery module. The interface is electrically contacted with the battery cells, so that electrical energy can be fed in and/or electrical energy can be withdrawn from the battery cells from outside the energy storage, provided that a corresponding plug is plugged into the connection.
  • the motor vehicle is preferably land-based and preferably has a number of wheels, at least one of which, suitably several or all of them, are driven by means of a drive.
  • one, preferably several, of the wheels is designed to be controllable. This makes it possible to drive the motor vehicle independently of a specific road, for example rails or the like. It is expediently possible to position the motor vehicle essentially anywhere on a road that is made in particular from asphalt, tar or concrete.
  • the motor vehicle is, for example, a commercial vehicle, such as a truck or a bus. However, the motor vehicle is particularly preferably a passenger car (car).
  • the motor vehicle is expediently moved by means of the drive.
  • the drive in particular the main drive, is at least partially designed to be electrical, and the motor vehicle is, for example, an electric vehicle.
  • the electric motor is operated, for example, by means of the energy storage device, which is suitably designed as a high-voltage battery.
  • An electrical direct voltage is expediently provided by means of the high-voltage battery, the electrical voltage being, for example, between 200 V and 800 V and, for example, essentially 400 V.
  • an electrical converter is arranged between the energy storage device and the electric motor, by means of which the current supply to the electric motor is adjusted.
  • the drive also has an internal combustion engine, so that the motor vehicle is designed as a hybrid motor vehicle.
  • a low-voltage electrical system of the motor vehicle is fed by means of the energy storage, and in particular an electrical direct voltage of 12 V, 24 V or 48 V is provided by means of the energy storage.
  • the battery cell is a component of an industrial truck, an industrial plant, a hand-held device, such as a tool, in particular a cordless screwdriver.
  • the battery cell is a component of an energy supply and is used there, for example, as a so-called buffer battery.
  • the battery cell is a component of a portable device, for example a portable cell phone, or another wearable. It is also possible to use such a battery cell in camping, model building or other outdoor activities.
  • the battery cell has several electrodes, for example two or preferably more.
  • the electrodes are divided into anodes and cathodes, with half of the electrodes expediently forming the anodes and the other half forming the cathodes.
  • all anodes and all cathodes are identical in construction, which simplifies production.
  • the electrodes are designed to be flat, for example, and in particular have a carrier, which is also referred to as an arrester.
  • the respective carrier formed by means of a metal foil which is coated on one or both sides with a layer at least in sections.
  • aluminum is used as the metal of the carrier/arrestor of the cathodes and copper is used as the metal of the arrester of the anodes.
  • the layer has a thickness of less than 1 mm.
  • the carriers expediently have a thickness of less than 0.1 mm.
  • the respective layer preferably has an active material, a binder and/or a conductive additive, such as conductive carbon black.
  • the active material is used to absorb/release working ions, such as lithium ions, and is suitable, intended and set up for this purpose.
  • the active material used for the cathode is, for example, a lithium metal oxide, such as lithium cobalt (III) oxide (LiCoO2), NMC, for example NMC622 or NMC811, NCA, LNMO or Li-rich materials.
  • Alternatives include olivines such as LFP.
  • graphite, Si-based materials or mixtures thereof, lithium metal or LTO are used for the anode.
  • the electrodes are essentially rectangular in shape.
  • the electrodes are, for example, stacked one above the other to form a cell stack, the stacking direction being perpendicular to the direction of expansion of the electrodes, which are arranged parallel to one another.
  • the anodes and cathodes preferably alternate in the stacking direction of the cell stack.
  • a separator of the cell stack is expediently arranged between adjacent electrodes, i.e. in particular between one of the anodes and one of the cathodes, which is preferably also designed to be flat.
  • all separators are identical to one another.
  • the electrodes are stacked essentially flush one above the other, with all anodes, for example, protruding at least slightly beyond the cathodes. Due to the stacking of the electrodes, the cell stack is also essentially cuboid-shaped.
  • all anodes, all cathodes or the separator are formed by means of a common band, or these are attached to a common band.
  • the tape itself is rolled up into a cylindrical shape or the like, so that a so-called “jelly roll” is formed.
  • the battery cell has a cell housing within which the electrodes are arranged, for example the cell stack or the “jelly roll”. In particular, a volume of between 0.1 dm3 and 10 dm3 is surrounded by the cell housing.
  • the cell housing is also at least partially filled with an electrolyte.
  • the cell housing is preferably designed to be rigid. In other words, the battery cell is in particular a prismatic cell.
  • the cell housing is made of a metal, such as aluminum, i.e. pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the cell housing for example, has a cuboid shape.
  • the cell housing is designed to be flexible and, for example, at least partially formed by means of a metal foil, which is coated in particular on one or both sides. The electrodes are folded over by means of the metal foil, and the metal foil is expediently sealed at the ends, so that leakage of the electrolyte and/or entry of ambient air into the cell housing is avoided.
  • the electrodes are in particular arranged directly in the cell housing, so that the electrodes rest, for example, directly or via another component on an inner wall of the cell housing and are thus stabilized by means of this.
  • At least the cell housing serves directly to protect the electrodes and/or to prevent contact of the electrodes/electrolyte with ambient air or other particles.
  • the electrodes within the cell housing are preferably not, at least not completely, surrounded by another component, so that the weight of the battery cell and material costs are reduced.
  • the cell housing has at least one or two openings through which a connection is guided.
  • connection or connections depending on the connection of the electrodes, at least some of the electrodes arranged in the cell housing are electrically contacted, so that electrical energy can be fed in and/or removed from outside the cell housing via the connection or connections Electrodes formed galvanic elements is possible. If there is only a single connection, at least some of the electrodes are electrically contacted with the cell housing, so that an electrical potential of the cell housing is specified by means of these electrodes.
  • the connection or connections are electrically insulated from the cell housing, the connections being connected to the cell housing in a fluid-tight manner, so that leakage of the electrolyte in the area of the connections is avoided.
  • the cell housing has an opening that is, for example, round or rectangular.
  • an area of the opening is between 50pm2 and 15mm2, preferably between 0.2 mm2 to 3 mm2.
  • the opening is covered by a membrane that is permeable to gas.
  • the membrane is rigidly connected to the cell housing, so that movement of the membrane with respect to the cell housing is avoided.
  • the membrane has a larger area than the opening so that the membrane completely overlaps the opening.
  • the area of the membrane is smaller than the area of any side of the cell housing that has the opening. In this way, material costs are reduced.
  • the membrane is connected to the cell housing in a liquid and/or gas-tight manner, so that liquids and/or gas cannot pass through between the membrane and the cell housing into the opening.
  • the membrane is welded to the cell housing, suitably with a circumferential weld seam.
  • the membrane is connected to the cell housing in a form-fitting and/or material-locking manner, in particular glued.
  • the opening is expediently completely surrounded by the adhesive or the weld seam.
  • the connection takes place directly adjacent to the opening, or a distance is formed between the opening and the connection of the membrane to the cell housing, for example the adhesive or weld seam. Consequently, gas can only escape from or into the cell housing through the opening, with the gas also being guided through the membrane.
  • the membrane is selected such that it is permeable to preferably at least CO, CO2, H2 and/or CH4.
  • the membrane does not impede the passage of such gases, or only impedes it to a comparatively small extent.
  • the membrane's permeability to moisture, especially water vapor is lower.
  • the membrane has a ratio of CO2 permeability to moisture permeability of at least 0.5 or at least 1 or at least 1.5. The ratio is preferably more than 0.5 and less than 3.
  • the membrane is designed in such a way that gases generated in the cell housing can pass through the opening out of the cell housing, for which the opening is used. The membrane makes it more difficult for moisture, especially water vapor, to enter the cell housing.
  • the membrane itself is covered with a cover element on the outside, i.e. offset to the outside with respect to the cell housing.
  • a cover element By means of the cover element, at least that part of the membrane by means of which the opening is covered is covered.
  • the opening is covered by the cover element.
  • the cover element It is possible here for the cover element to also be arranged within the cell housing, but offset in the direction of the opening with respect to the membrane.
  • the cover element is located outside the cell housing.
  • the cover element lies against the cell housing and/or the membrane or is spaced apart from one or both of them.
  • the cover ckelement at least partially rigid.
  • the cover element serves to limit the entry of material, in particular moisture, in particular water vapor, into the cell housing and is suitable, in particular provided and set up, for this purpose.
  • the material entry to the membrane is also preferably limited by means of the cover element.
  • the cover element is used to adjust in particular how much and/or whether a substance, such as a liquid or preferably a gas, enters the cell housing through the membrane and through the opening.
  • the opening is preferably closed at least temporarily by means of the cover element.
  • At least the cover element is preferably designed in such a way that the gas passage through the membrane and the opening is limited or at least temporarily limited and thus adjusted.
  • the cover element is preferably fluid-tight, for example always or at least when it is in a certain state, such as a closed state. In other words, in this state, the transfer of liquid, in particular water, is largely excluded, preferably due to the principle and/or design. If or as long as no gases form within the cell housing, the cover element is preferably in the specific state.
  • the membrane and the cover element Due to the opening and the membrane, an escape of gases generated in the cell housing is possible, so that the creation of excessive pressure within the cell housing, which could lead to damage to the electrodes and/or the cell housing, is avoided. This increases operational reliability. All that is required for this is the membrane and the cover element, for which only a comparatively small volume of space is required. In addition, it is possible to arrange the cover element outside the cell housing so that energy density is not negatively influenced. Due to the cover element, the membrane is at least partially protected from environmental influences from outside the cell housing, so that damage to the membrane is avoided.
  • particles from the environment are at least temporarily/partially kept away from the membrane, in particular in the specific state when the gas inlet and/or gas outlet is completely prevented by means of the cover element.
  • the membrane is not exposed to a liquid, in particular water vapor, from outside the cell housing, so that penetration of liquids is completely prevented despite the membrane's continued, albeit reduced, permeability to liquids.
  • it is possible for gas to escape from the cell housing at times by means of the cover element it is also possible for water to penetrate to the membrane during this period, although this is a comparatively small amount, which is essentially caused by the membrane. loans are withheld in full. This means that the penetration of water into the cell housing is almost completely prevented.
  • the membrane is made in particular from a polymer and, for example, a film, for example a polymer film.
  • the membrane is suitably made of or consists of PTFE, i.e. a polytetrafluoroethylene.
  • the membrane expediently has a crystallinity between 85% and 100% and a density between 0.2 g/cm3 and 2 g/cm3. With such a choice of material, gas permeability is ensured, with the membrane preventing or at least making it more difficult for moisture, in particular water vapor, to penetrate into the cell housing.
  • the membrane used is a membrane which is described in WO 2021/079163 A1.
  • the opening is positioned anywhere on the cell housing.
  • the battery cell is designed as a pouch cell, this is particularly preferably located in the area of one of the ends of the cylindrical shape near the arrester, in which the possible film is in particular sealed (e.g. on the so-called gas pocket).
  • the opening is expediently offset inwards from the respective ends up to a maximum of a third of the maximum length of the cell housing.
  • the opening is preferably located in the area of the end faces and/or narrow sides, which in particular are not parallel to the electrodes layered to form the possible cell stack.
  • the opening is located in one of the sides of the cell housing, which is parallel to the electrodes, but preferably in an edge region, i.e. offset inwards from the edge up to a maximum of a third of the width of the side. Due to such a position of the opening, a construction is simplified and it is not necessary to modify an existing design draft of the cell stack.
  • the opening is thus arranged in an area where gases produced collect, so that a comparatively efficient removal of the gases through the opening is possible.
  • the membrane is attached to the outside of the cell housing.
  • an interior space of the cell housing is not filled by the membrane, so that a comparatively large volume is available there for the electrodes. This further ensures a high capacity of the battery cell.
  • the membrane is particularly preferably attached to an inner wall of the cell housing. In this way, even at a comparatively high pressure within the cell housing, the membrane is not excessively pushed outward. dented if the design of the membrane does not allow the gas to pass through immediately. Consequently, the membrane is stabilized by means of the inner wall, which increases robustness. The membrane is also pressed against the inner wall when there is excess pressure, and the passage of gas between the cell housing and the membrane is thus prevented. As a result, only the gas can escape through the membrane, which is therefore controlled.
  • the membrane is arranged on an outwardly or inwardly directed side of the cell housing.
  • the cover element is actuated depending on a temperature.
  • the cover element is expediently designed in such a way that gas entry and/or exit is completely prevented at a temperature below a limit value, so that the membrane is prevented from being exposed to a fluid from outside the cell housing by means of the cover element.
  • the cover element is in particular set in such a way that the gas escape from the cell housing is not prevented. In other words, the membrane is released. As a result, however, it is possible that moisture, in particular water vapor, reaches the membrane from outside the cell housing.
  • the limit value here is expediently between 25 °C and 60 °C. Due to such a limit value, the cover element is therefore only set in such a way that gas escape is possible when the battery cell is operated, i.e. when electrical energy is fed into the battery cell and/or electrical energy is withdrawn from the battery cell . Only during this period is it possible for gases to be created that are supposed to escape. On the other hand, when the battery cell is not needed, the membrane is protected by the cover element.
  • the cover element is actuated depending on a pressure difference between a pressure outside the cell housing and a pressure in a space which is formed between the cover element and the membrane.
  • a volume of this space is less than 4 cm3, 1 cm3 or 0.5 cm3.
  • the pressure in the space between the cover element and the membrane is in particular equal to the pressure within the cell housing or is slightly reduced due to the membrane.
  • the cover element is or comprises a porous element, with the pores in particular being open.
  • the porous element is a foam ceramic.
  • a path length that the gas has to travel is increased, so that an increased resistance is provided for the emerging gas.
  • the gas escape from the cell housing is thus limited by means of the porous element. Due to the porous element, penetration of moisture, in particular water vapor, is prevented or at least made more difficult, in particular due to capillary effects.
  • the porous element is designed to be completely impermeable to liquids and/or gases, at least in certain areas, for example on one side, so that the path to be covered by the gases and the liquid and thus the fluid resistance is further increased.
  • the side of the porous element opposite the opening is designed in such a way that a path for gases/liquid to travel through the porous element is comparatively long.
  • the porous element is essentially cuboid-shaped, which simplifies production.
  • the cover element particularly preferably comprises a valve or is formed with it.
  • the valve is actuated, for example, by means of an actuator, such as a piezo actuator. It is therefore possible to control the gas exit from the cell housing, in particular depending on certain conditions, such as the possible pressure difference.
  • the cover element has a sensor, depending on which the actuator is controlled.
  • the valve is, for example, spring-loaded and designed in particular as a check valve. The valve is actuated in particular depending on the pressure difference between the pressure prevailing outside the cell housing and the pressure in the space formed between the cover element and the membrane, i.e. when the pressure is determined limit exceeds. This makes it possible to adapt to different areas of application and/or other specifications by replacing the spring.
  • the cover element has a plastic, preferably polymer, layer. which is applied, for example, directly to another body, such as a film.
  • the polymer layer includes micro- or nanostructures, i.e. structures that have an extent of between 100 pm and 1 nm. In particular, the structures repeat periodically so that a pattern is formed. In this way, production is simplified.
  • the structures are, for example, flaps and/or grasses. If they are grasses, they are directed away in particular from the interior of the cell housing, so that when there is increased pressure outside the cell housing or when a liquid hits it, they are pressed flat against a bottom of the polymer layer, so that the cover element is designed to be comparatively dense.
  • the structures can be adjusted, for example by applying an electrical voltage, so that gas and liquid passage is either enabled or prevented. Due to the micro- or nanostructures, mechanical robustness is increased and space requirements are reduced.
  • the cover element has several cover wings, for example two cover wings, three cover wings, four cover wings, five cover wings or more cover wings.
  • the number of cover wings is expediently less than ten, so that construction is simplified.
  • the cover wings are connected to the cell housing, for example attached directly to it or indirectly via another element.
  • the cover wings are connected to each other at different points, namely a respective connection point, i.e. spaced apart from one another, on the cell housing.
  • the connection points surround the opening.
  • the cover wings are only connected on one side.
  • the cover wings at least partially overlap the membrane, in particular also the opening, or at least the part of the membrane by means of which the opening is covered.
  • the cover wings cover each other. In other words, one of the cover wings at least partially covers one or more of the remaining cover wings.
  • the cover wings are designed to be flexible, i.e. elastically deformable.
  • the cover wings are made of a material that is impermeable to gases and liquids. Due to the flexible design of the cover wings, it is possible to bend them so that the membrane is released.
  • the cover wings stabilize each other so that, on the one hand, unintentional bending of one of the cover wings does not lead to the membrane being released. The forces required for this are also comparatively high. Due to the mutual overlap, there is also a comparatively large creepage distance, so that penetration of liquid between the cover wings up to the membrane is essentially prevented and gas escape in the opposite direction to the cover wings resting on the cell housing is essentially prevented. However, by bending open all or at least some of the cover wings, it is possible to release the membrane and thus allow gas to escape.
  • the battery cell comprises a drying element to reduce moisture penetrating through the opening into the cell housing.
  • the drying element is suitable for this, in particular intended and set up. Due to the drying element, moisture that penetrates, such as water, for example in the liquid or gaseous state, is bound despite the cover element, so that an unwanted reaction occurs the electrodes and/or any electrolytes arranged in the housing are prevented. This further increases operational reliability.
  • the drying element is designed in such a way that it binds water, in particular absorbs water molecules.
  • the drying element is arranged in the area of the opening and surrounds it, for example.
  • the drying element has several silicon-containing groups that are attached to the membrane.
  • the membrane is functionalized with the silicon-containing groups. The space requirement is therefore reduced.
  • the drying element is membrane-shaped and, for example, placed loosely on the membrane or spaced from it. Due to the arrangement on the inside of the membrane, only that part of the liquid, in particular water, which passes through the membrane into the interior of the cell housing is stopped by means of the drying element. In other words, the membrane initially serves to contain the moisture/liquid and only then is the drying element used. This also makes it possible for the battery cell to operate for a comparatively long time without the drying element functioning being disabled.
  • the membrane is designed to be tear-resistant.
  • the membrane is particularly preferably designed in such a way that it tears when a pressure difference between a pressure outside the cell housing and a pressure inside the cell housing exceeds a limit value. In this way, damage to the cell casing is avoided. For example, the membrane tears completely and thus breaks. The tearing expediently only occurs when the limit value is exceeded. If the pressure difference falls below the limit value again, the tearing in particular stops. In this way, complete destruction of the membrane is prevented.
  • the battery cell has a plurality of openings, each of which is covered by a corresponding gas-permeable membrane, with each membrane being covered on the outside with an associated cover element to limit the entry of moisture into the cell housing.
  • each membrane being covered on the outside with an associated cover element to limit the entry of moisture into the cell housing.
  • several or all of the openings are covered with the same cover element.
  • all openings/membranes/covering elements are identical to one another, and their position on the cell housing only differs.
  • the cover elements and/or membranes are designed differently so that they are differently permeable and/or at different certain pressure differences or other conditions. Flexibility is therefore increased.
  • the membrane lies against a stabilizing element at least in the area of the opening and is, for example, attached to it.
  • the stabilizing element at least partially covers the opening.
  • the stabilizing element is preferably designed to be rigid and made, for example, from a metal.
  • the stabilizing element is attached to the cell housing, suitably by welding.
  • the stabilizing element has further openings, each of which is covered by the opening. The effective area that is available for the gas exit from the cell housing is therefore limited to the sum of the additional openings, so that a comparatively large opening can be selected without excessive gas exit or entry of liquid into the cell housing.
  • the stabilizing element is offset outwards in comparison to the membrane.
  • the further openings thus predetermine a maximum deformation of the membrane and thus stabilize the membrane.
  • the stabilizing element is designed such that it breaks in the event of an increased pressure difference between the pressure inside the housing and the pressure outside the cell housing.
  • the stabilizing element has, for example, one or more predetermined breaking points, which are produced, for example, by means of a laser or embossing. The pressure difference at which this occurs can be set comparatively precisely.
  • the stabilizing element is designed in such a way that it breaks when a certain temperature is exceeded. Due to the breaking, the membrane is no longer stabilized and is therefore also overloaded, causing it to tear.
  • the cover element also breaks in this case or is at least adjusted in such a way that the gas can escape essentially unhindered. This results in controlled degassing of the battery cell and uncontrolled destruction of the cell housing due to excessive pressure is avoided. Although the battery cell is damaged in this way and can no longer be used, the impact on the environment is reduced. In other words, the membrane and the stabilizing element act in the manner of a rupture disk.
  • the cell housing suitably has an integrated predetermined breaking point.
  • the integrated predetermined breaking For example, the point is spatially separated from the opening or, for example, the integrated predetermined breaking point has the opening.
  • the predetermined breaking point is formed by the opening.
  • the predetermined breaking point is a surface of the cell housing with reduced wall thickness.
  • the predetermined breaking point is, for example, a surface of the cell housing with an engraving and/or notch.
  • the predetermined breaking point is an additional opening in the cell housing closed with a rupture disk. In other words, the cell housing has the additional opening which is completely closed by the rupture disk.
  • the predetermined breaking point has a size of 0.01% and 50% of the area of the cell housing.
  • the predetermined breaking point preferably has a size between 0.1% and 40% and in particular between 0.3% and 30% of the area of the complete cell housing.
  • the membrane has an area 50% larger than the opening.
  • the membrane is arranged on an inwardly facing side of the cell housing.
  • the membrane outside the openings is not completely in physical contact with the cell housing.
  • the membrane is partially spaced from the cell housing via spacers.
  • the cell housing includes, for example, an auxiliary opening closed with a rupture disk having the opening covered with the gas-permeable membrane.
  • the rupture disk is formed, for example, by reducing the wall thickness of the cell housing or a component that is initially separate from the cell housing and is attached to the cell housing for assembly.
  • any predetermined breaking point is formed by means of the rupture disk.
  • the membrane is preferably attached to an outward-facing side of the rupture disk. For example, on the outside, the membrane rests against another or any stabilizing element that has several additional openings.
  • the stabilizing element is preferably attached to the rupture disk.
  • the membrane is arranged on an inwardly directed side of the rupture disk, with the membrane being partially supported on the rupture disk via spacers
  • the invention further relates to a composite of such battery cells, the composite preferably being a battery module or a high-voltage battery.
  • the invention further relates to a motor vehicle, such as a passenger car, with such a battery cell, in particular such a composite.
  • the battery cell is used in particular to power a main drive of the motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of one of the battery cells having a cell housing
  • 3 - 6 schematically show a detail of the cell housing, which has an opening for a gas outlet, at different pressures within the cell housing, the opening being covered with a gas-permeable membrane, and the membrane being on the outside with a cover element to limit gas escaping from the cell housing is covered,
  • 11 - 13 each show schematically an alternative embodiment of the battery cell
  • the motor vehicle 2 has a number of wheels 4, at least some of which are driven by a drive 6 which includes an electric motor.
  • the motor vehicle 2 is therefore an electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • the drive 6 has a converter, by means of which the electric motor is fed.
  • the converter of the drive 6 is in turn powered by an energy storage device 8 in the form of a high-voltage battery.
  • the application is drive 6 connected to an interface 10 of the energy storage 8, which is inserted into an energy storage housing 12 of the energy storage 8, which is made of stainless steel.
  • each of which includes several battery cells 14.
  • the battery cells 14 of each battery module are partly electrically connected in series with one another and partly electrically connected in parallel with one another.
  • the battery modules are electrically connected in series and/or parallel to one another.
  • the electrical assembly of the battery modules is electrically contacted with the interface 10, so that when the drive 6 is in operation, the battery modules and thus also the battery cells 14 are discharged or charged (recuperation). Due to the electrical connection, the electrical voltage provided at the interface 10, which is 400 V or 800 V, is a multiple of the electrical voltage provided with each of the battery modules and also with each of the battery cells 14.
  • the battery cell 14 has several anodes 16 and cathodes 18, only two of which are shown.
  • the anodes 16 and the cathodes 18, which form the electrodes 20 of the battery cell 14, are each designed to be flat and are alternately stacked on top of one another to form a cell stack, with a separator (not shown in detail) being arranged between each adjacent anode 16 and cathode 18.
  • the anodes 16 protrude over the cathodes 18 on a common side, namely a respective arrester, which is formed by means of a respective metal foil.
  • the respective arrester In the area of the protrusion, the respective arrester is free of further components, but in the other areas a layer, which is also referred to as a carrier, is applied to the respective arrester, which comprises an active material.
  • the cathodes 18 also protrude beyond the anodes 16 in the same way, with the protrusions being on opposite sides of the stack formed by the anode 16 and cathodes 18.
  • the projections of the anodes 16 and the cathodes 18 are each welded to a busbar 22 (tabs), which is made of copper.
  • the anodes 16 and the cathodes 18 are each assigned a common busbar 22.
  • the busbars 22 each have a connection 24, which is guided through a cell housing 26, within which the anodes 16 and the cathodes 18 are arranged.
  • the electrodes 20 are arranged within the cell housing 26.
  • the cell housing 26 is designed to be rigid and made of aluminum, i.e. a material containing aluminum. Thus it acts
  • the battery cell 14 is a prismatic cell.
  • the cell housing 26 is filled with a liquid electrolyte, not shown.
  • the battery cell 14 is shown schematically in a sectional view during operation.
  • the cell housing 26 has an opening 28 which has an area of 50 mm2.
  • the opening 28 is located in the same wall of the cell housing 26 in which the opening for one of the connections 24 is also made.
  • the cell housing 26 is designed to be fluid-tight and gas-tight.
  • the areas between the connections 24 and the associated openings in the cell housing 26 are filled with a plastic (not shown in detail).
  • the opening 28 is covered with a gas-permeable membrane 30, which is attached to the inner wall 32 of the cell housing 26 having the opening 28, namely by means of welding or gluing.
  • the membrane 30 covers the entire inner wall 32 of the housing 26 and thus also completely covers the opening 28.
  • the membrane 30 is at least partially made of PTFE. Gas passage of H2, CO, CH4 and CO2 through the membrane 30 is therefore comparatively easy, whereas the passage of moisture, in particular water vapor, and other liquids is more difficult in comparison.
  • the membrane 30, namely the part by means of which the opening 28 is covered, is covered on the outside with a cover element 34 with respect to the cell housing 26.
  • the cover element 34 is located on the outside of the cell housing 26 and is attached to it.
  • the cover element 34 is gas- and liquid-tight and serves to limit gas entry into the cell housing 26.
  • the cover element 34 therefore completely prevents moisture from the environment, in particular water vapor, from penetrating into the opening 28 and thus also into the membrane 30.
  • gases 36 such as H2, CO, CH4 and/or CO2 form in the cell housing 26 due to unwanted chemical reactions, for example due to a comparatively high load or due to unwanted foreign particles.
  • the gases 36 require a larger volume than the reactants, so that a pressure within the cell housing 26 increases. 4, it is possible for the gases 36 to pass through the membrane 30 into the opening 28, i.e. a space 38 formed between the cover element 34 and the membrane 30, which is defined in this embodiment by means of the opening 28. If the pressure difference between the pressure outside the cell housing 26 and the pressure in the space 38 exceeds a limit value, such as 0.5 bar, the cover element 34 is actuated so that it is partially opened.
  • a limit value such as 0.5 bar
  • the cover element 34 is actuated additionally or alternatively only as a function of the temperature of the battery cell 14. In this case, the cover element 34 is actuated so that the gases 36 can escape when the temperature of the battery cell 14 reaches a limit value, such as for example 40 °C.
  • the membrane 30 is further designed in such a way that it tears if the pressure difference between the pressure outside the cell housing 26 and a pressure inside the cell housing 26 exceeds a (further, higher) limit value.
  • the limit value i.e. the further limit value, is 10% - 25% lower than the maximum pressure load on the cell housing 26, i.e. the pressure difference at which irreversible destruction of the cell housing 26 occurs. This is in particular between 6 bar and 8 bar.
  • the membrane 30 acts as a bursting membrane that tears open in order to avoid destruction of the cell housing 26.
  • the pressure corresponds in the space 28 essentially the pressure in the surroundings of the cell housing 26, i.e. the pressure outside the cell housing 26. If the pressure difference between the pressure in the space 28 and the pressure in the interior of the cell housing 26 then exceeds the further limit value, the Membrane 30 is controlled so that escape of the gases 36 from the interior of the cell housing 26 into the environment is accelerated due to the missing or reduced fluid resistance of the membrane 30. Thus, damage to the housing 26 due to the excessive pressure inside the cell housing 26 is avoided.
  • the battery cell 14 has a drying element 40.
  • the drying element 40 consists of silicon-containing groups and is present as a layer by means of which the membrane 30 is coated on the inside, namely over the entire surface in this variant, and is therefore covered. In other words, the drying element 40 is in a separate layer from the membrane 30.
  • the passage of the gases 36 is not hindered or only slightly hindered.
  • the moisture that still passes through the opening 28 and the membrane 30, namely water (steam) is bound and/or absorbed, so that it cannot reach the electrodes 30 and/or the electrolyte.
  • the drying element 40 thus serves to reduce the moisture penetrating into the cell housing 26 through the opening 28.
  • the opening 28 is covered on the outside by means of the membrane 30, and the membrane 30 is attached to the outside of the cell housing 26, namely by means of welding or gluing.
  • the battery cell 14 has a stabilization element 42 that is made of a metal.
  • the stabilizing element 42 is designed to be flat and rests against the membrane 30 over its entire surface. Consequently, the membrane 30 is also in the area of Opening 28 on the stabilizing element 42.
  • the membrane 30 is arranged between the cell housing 26 and the stabilizing element 42, which is thus offset outwards with respect to the membrane 30.
  • FIGs 9 and 10 one embodiment of the stabilizing element 42 is shown in a plan view. These each have several further openings 44.
  • the further openings 44 are each provided separately from one another and by means of round recesses.
  • the further openings 44 are strip-shaped.
  • the further openings 44 or at least a part thereof are arranged above the opening 28, and the further openings are thus covered by the opening 28.
  • the stabilization element 42 and thus also the membrane 30 are covered over the entire surface by means of the cover element 34, which is also arranged outside the cell housing 26.
  • cover element 34 has a plurality of cover wings 46, which are connected, namely fastened, to the cell housing 26 at connection points 48 spaced apart from one another.
  • the connection points 48 surround the opening 28, and the cover wings 46 are arranged such that they at least partially cover each other and the opening 28, and therefore also the membrane 30, at the end opposite the respective connection point 48.
  • the cover wings 46 are designed to be flexible and made, for example, from a polymer. If the limit value is exceeded due to the pressure difference, the cover wings 46 are lifted off at the free end spaced from the respective connection point 48 due to the increased pressure from the cell housing 26, against which they otherwise rest flatly, so that gas can escape.
  • the cover wings 46 are made of two different materials that have different temperature behavior. The material of the part of the cover wings 46 facing the outside of the cell housing 26 is selected such that it contracts more strongly when the temperature increases. As a result, at an increased temperature, the cover wings 46 are deformed in such a way that the opening 28 and thus the membrane 30 are exposed.
  • the battery cell 14 is again shown in a schematically simplified section in a sectional view.
  • the opening 28 is again covered on the outside by means of the membrane 30.
  • the membrane 30 in turn is completely covered by the cover element 34, which comprises a porous element 50, namely a foamed ceramic or a foam.
  • the porous element 50 has several pores, not shown, which are open. Due to the pores, gas passage is possible, although this is limited due to the increased fluid resistance.
  • the cuboid porous element 50 is provided with a layer 52 which is designed to be completely fluid-tight.
  • the layer 52 ensures that the emerging gases 36 take a comparatively long path through the porous element 50 to exit, with the size of the cover element 34 not being excessively increased.
  • the layer 52 also ensures that impinging water only reaches the opening 28 after a comparatively long path through the porous element 50, which is comparatively delayed due to the capillary effects.
  • FIG 13 a further embodiment of the battery cell 14 is shown according to Figure 12.
  • the membrane 30 is arranged on the outside of the cell housing 26 and covers the opening 28.
  • the cover element 34 is also arranged on the outside of the housing 26.
  • the cover element 34 includes a valve 54 and is formed with it in the illustrated embodiment.
  • the valve 54 has a fluid-impermeable body 56, which is shaped in such a way that the entire membrane 30 is enclosed when the body 56 lies against the edge of the cell housing 26.
  • the body 56 is made of a plastic and is mounted in a longitudinally displaceable manner perpendicular to the surface of the membrane 30 by means of guides (not shown).
  • the body is supported on a stop 58 by means of several springs 60, the body 56 being located between the stop 58 and the membrane 30.
  • the springs 60 are designed in such a way that the body 56 is held against the membrane 30 and the cell housing 26 is pressed as long as the pressure difference between the pressure inside the housing 26 and the surroundings of the cell housing 26 is smaller than the limit value of 0.5 bar. If the limit value is exceeded, due to the pressure, the body 56 is spaced from the membrane 30 against the force applied by the springs 60, so that the gases 36 can escape.
  • the springs 60 are replaced by an actuator, or the actuator is additionally present.
  • the actuator such as a piezoelectric actuator or a magnetic element, is actuated to space the body 56 from the membrane 30 when certain conditions exist, such as a certain temperature increase.
  • valve 54 An alternative embodiment of the valve 54 is shown in FIG.
  • the body 56 is pivotally mounted on other components of the cover element 34 or the cell housing 26 by means of a hinge 62, such as a film hinge.
  • the valve 54 is designed in the manner of a check valve, so that liquid hitting the body 56 from the outside causes the valve 54 to close.
  • the body 56 is also loaded by means of the springs 60, not shown, by means of which the body 56 is pushed or pulled into the closed position when the pressure difference is less than the limit value.
  • the body 56 is additionally or alternatively actuated by means of the actuator.
  • FIGS. 15 and 16 A modified form of the cover element 34 is shown in FIGS. 15 and 16.
  • the polymer layer 64 is applied to a separate component, or a further membrane is formed by means of the polymer layer 64.
  • the polymer layer 64 has a bottom 66 to which several nanostructures 68 are attached.
  • the nanostructures 68 are each spaced 200 nm apart and arranged in a repeating pattern.
  • Each nanostructure 68 has a pin 70 attached to the base 66 and pointing away from it, to which a thickening 72 is connected to the free end opposite the base 66.
  • the expansion of the thickening 72 depends on an applied electrical voltage. In the normal state of the cover element 34, i.e.
  • the thickenings 20 when no electrical voltage is applied, the thickenings 20 are inflated in such a way that adjacent thickenings 20 rest against one another, so that the gases 36 cannot pass through, as shown in FIG. 15. If, on the other hand, an electrical voltage is applied, the thickenings 72 contract, so that adjacent thickenings 20 are spaced apart from one another. As a result, passage of the gases 36 is permitted, as shown in Figure 16. 17 shows a modification of the cover element 34, which is also formed by means of the polymer layer 64. In this case, however, the nanostructures 68 are designed as micrograsses. In other words, the individual pins 70 merely protrude from the base 66 and are designed to be comparatively flexible.
  • the pins 70 point away from the cell housing 26 or outwards.
  • the pins 70 are bent over onto the base 66 so that the pins 70 rest on top of one another and against one another. As a result, moisture penetration is avoided. Once the moisture is removed, the pins 70 essentially return to their original position. The passage of the gases 36 from the opposite direction is always possible with the straight pins 70.
  • the shape of the pins 70 is modified and these are, for example, shortened and/or conical.
  • the pins 70 are enlarged, so that the polymer layer 64 has microstructures instead of the nanostructures 68. In other words, the size of the pins 70 and their distance from one another are increased. However, the shape of the pins 70 is essentially not changed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind. Das Zellgehäuse (26) weist eine Öffnung (28) auf, die mit einer gasdurchlässigen Membran (30) abgedeckt ist, wobei die Membran (30) außenseitig mit einem Abdeckelement (34) zur Begrenzung eines Stoffeintritts in das Zellgehäuse (26) abgedeckt ist.

Description

Beschreibung
Batteriezelle
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle. Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, in dem mehrere Elektroden angeordnet sind.
In zunehmendem Maße werden Kraftfahrzeuge zumindest teilweise mittels eines Elektromotors angetrieben, sodass diese als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgestaltet sind. Zur Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen, die mehrere einzelne Batteriemodule umfasst. Die Batteriemodule sind meist zueinander baugleich sowie miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet, sodass die an der Hochvoltbatterie anliegende elektrische Spannung einem Vielfachen der mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellten elektrischen Spannung entspricht. Jedes Batteriemodul wiederum umfasst mehrere Batteriezellen, die meist in einem gemeinsamen Modulgehäuse angeordnet sind, und die miteinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Jede der Batteriezellen wiederum umfasst üblicherweise mehrere galvanische Elemente. Diese weisen jeweils zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, sowie einen dazwischen angeordneten Separator als auch einen Elektrolyten mit freibeweglichen Ladungsträgern auf. Als ein derartiger Elektrolyt wird beispielsweise eine Flüssigkeit herangezogen. In einer Alternative ist die Batteriezelle als Festkörperbatterie ausgestaltet, und der Elektrolyt liegt als Festkörper vor. Die Anode und die Kathode, die die Elektroden der Batteriezelle bilden, umfassen üblicherweise einen Träger, der als Stromableiter fungiert. An diesem ist üblicherweise ein Aktivmaterial befestigt, das ein Bestandteil einer auf den Träger, der auch als Ableiter bezeichnet wird, aufgebrachten Schicht ist. Hierbei ist es möglich, dass in der Schicht bereits der Elektrolyt vorhanden ist, oder dieser wird nachträglich eingebracht. Zumindest jedoch ist das Aktivmaterial zur Aufnahme der Arbeitsionen, z.B. Lithium-Ionen, geeignet. Je nach Verwendung als Anode oder Kathode wird ein anderes Material für den Träger und eine unterschiedliche Art des Materials der Schicht verwendet.
Zum Schutz der galvanischen Elemente sind diese üblicherweise in einem Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnet, der in manchen Fällen auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Zellgehäuses insbesondere der Elektrolyt aber auch weitere Bestandteile vor Um- welteinflüssen geschützt. Damit mittels der jeweiligen Batteriezelle eine vergleichsweise große Kapazität bereitgestellt ist, sind üblicherweise mehrere derartige galvanischen Elemente, üblicherweise bis zu 100 Stück, in dem gemeinsamen Zellgehäuse angeordnet. Um den vorhandenen Platz vergleichsweise effizient auszunutzen und eine Fertigung zu vereinfachen, sind die einzelnen Bestandteile der galvanischen Elemente flächig ausgestaltet und in einer Stapelrichtung übereinander gestapelt, sodass ein im Wesentlichen quaderförmiger Zellstapel gebildet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform ist beispielsweise der Separator bandförmig ausgestaltet und auf gegenüberliegenden Seiten jeweils mit mehreren Elektroden versehen. Das Band ist zu einer Rolle aufgewickelt, insbesondere zu einer sogenannten „Jelly Roll“.
Je nach verwendeter Anordnung der galvanischen Elemente ist das Zellgehäuse geformt. Hierbei ist es möglich, dieses starr auszugestalten und beispielsweise aus Aluminium zu fertigen. Hierbei ist die Form des Zellgehäuses beispielsweise quaderförmig. Eine derartige Batteriezelle wird auch als prismatische Zelle bezeichnet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Zellgehäuse mittels einer Folie erstellt, die um die galvanischen Elemente geschlagen ist. Eine derartige Batteriezelle wird auch als sogenannte Pouchzelle bezeichnet.
Bei Betrieb der Batteriezelle, also beim Laden und auch Entladen, ist es möglich, dass aufgrund von ungewünschten chemischen Reaktionen Gase entstehen. Aufgrund dieser erhöht sich ein Druck innerhalb des Zellgehäuses, sodass einerseits einige Elektrodenbereiche eine schlechtere lonenleitung aufweisen können, was zu einer Leistungseinbuße der Batteriezelle führt. Andererseits ist es möglich, dass aufgrund des erhöhten Drucks das Zellgehäuse verformt wird, sodass insbesondere eine Umgebung der Batteriezelle mechanisch beeinflusst wird. Bei einem vergleichsweise hohen Druck birst das Zellgehäuse, sodass der Elektrolyt austreten kann und die vollständige Batteriezelle nicht mehr einsatzbereit ist. Auch ist es möglich, dass ungewünschte chemische Reaktionen der einzelnen Bestandteile der Batteriezelle mit der Umgebung stattfinden.
Um eine derartige Gasbildung zu minimieren, ist eine spezielle Kombination der einzelnen Materialien der Elektroden und des Elektrolyten erforderlich, was einerseits Herstellungskosten erhöht. Andererseits geht die Wahl von weniger reaktiven Elektrodenmaterialien oftmals mit einer Reduktion von Kapazität- und/oder Energiedichte einher. Alternativ hierzu sind beispielsweise in dem Zellgehäuse zusätzliche Elemente vorhanden, mittels derer die entstehenden Gase gebunden und/oder umgesetzt werden. Aufgrund der zusätzlichen Elemente jedoch ist ein Bauraum und auch ein Gewicht der Batteriezelle erhöht, weswegen eine Energiedichte verringert ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Batteriezelle anzugeben, wobei vorteilhafterweise eine Betriebssicherheit und/oder Energiedichte erhöht ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Batteriezelle ist insbesondere wiederladbar ausgestaltet und zweckmäßigerweise eine Sekundärbatterie. Vorzugsweise ist die Batteriezelle im bestimmungsgemäßen Zustand ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Hierfür ist die Batteriezelle geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Im bestimmungsgemäßen Zustand ist die Batteriezelle beispielsweise ein Bestandteil eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, der mehrere derartige Batteriezellen aufweist. Vorzugsweise sind hierbei die Batteriezellen auf mehrere Batteriemodule aufgeteilt, die zueinander wiederum baugleich sind. Die Batteriezellen sind insbesondere in einem Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls angeordnet und miteinander elektrisch parallel und/oder in Reihe geschaltet. Somit ist die an dem Energiespei- cher/Batteriemodul anliegende elektrische Spannung ein Vielfaches der mittels jeder der Batteriezellen bereitgestellten elektrischen Spannung. Zweckmäßigerweise sind sämtliche Batteriezellen dabei zueinander baugleich, was eine Fertigung vereinfacht.
Das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls, die somit insbesondere einen Verbund derartiger Batteriezellen bilden, ist bevorzugt aus einem Metall gefertigt, beispielsweise einem Stahl, wie einem Edelstahl, oder einer Aluminiumlegierung. Zur Herstellung wird zum Beispiel ein Druckgussverfahren, Tiefzugverfahren, Gießpressen oder Strangpressen verwendet. Insbesondere ist das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls verschlossen ausgestaltet. Zweckmäßigerweise ist in das Gehäuse des Energiespeichers bzw. des jeweiligen Batteriemoduls eine Schnittstelle eingebracht, die einen Anschluss des Energiespeichers/Batteriemoduls bildet. Die Schnittstelle ist dabei elektrisch mit den Batteriezellen kontaktiert, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus den Batteriezellen von außerhalb des Energiespeichers möglich ist, sofern an den Anschluss ein entsprechender Stecker gesteckt ist.
Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, geeigneterweise mehrere oder alle, mittels eines Antriebs, angetrieben sind. Insbesondere ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
Mittels des Antriebs erfolgt zweckmäßigerweise eine Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel ist der Antrieb, insbesondere der Hauptantrieb, zumindest teilweise elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. Der Elektromotor wird zum Beispiel mittels des Energiespeichers betrieben, der geeigneterweise als eine Hochvoltbatterie ausgestaltet ist. Mittels der Hochvoltbatterie wird zweckmäßigerweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, wobei die elektrische Spannung zum Beispiel zwischen 200 V und 800 V und beispielsweise im Wesentlichen 400 V beträgt. Vorzugsweise ist zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor ein elektrischer Umrichter angeordnet, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors eingestellt wird. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative wird mittels des Energiespeichers ein Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs gespeist, und mittels des Energiespeichers wird insbesondere eine elektrische Gleichspannung von 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt.
In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines Flurförderfahrzeug, einer Industrieanlage, eines handgeführten Geräts, wie beispielsweise eines Werkzeugs, insbesondere eines Akkuschraubers. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil einer Energieversorgung und wird dort beispielsweise als sogenannte Pufferbatterie verwendet. In einer weiteren Alternative ist die Batteriezelle ein Bestandteil eines tragbaren Geräts, beispielsweise eines tragbaren Mobiltelefons, oder eines sonstigen Wearables. Auch ist es möglich, eine derartige Batteriezelle im Campingbereich, Modellbaubereich oder für sonstige Out- door-Aktivitäten zu verwenden.
Die Batteriezelle weist mehrere Elektroden auf, also beispielsweise zwei oder bevorzugt mehr. Insbesondere sind die Elektroden auf Anoden und Kathoden aufgeteilt, wobei zweckmäßigerweise die Hälfte der Elektroden die Anoden und die andere Hälfte die Kathoden bilden. Bevorzugt jedoch ist eine Anode mehr als Kathoden vorhanden. Besonders bevorzugt sind dabei sämtliche Anoden und sämtliche Kathoden jeweils zueinander baugleich, was eine Herstellung vereinfacht. Die Elektroden sind beispielsweise flächig ausgestaltet und weisen insbesondere einen Träger auf, der auch als Ableiter bezeichnet ist. Insbesondere ist der jeweilige Träger mittels einer Metallfolie gebildet, die einseitig oder beidseitig mit einer Schicht zumindest abschnittsweise beschichtet ist. Als Metall des Trägers/Ableiters der Kathoden wird beispielsweise Aluminium und als Metall des Ableiters der Anoden Kupfer verwendet.
Die Schicht weist hierbei eine Dicke unter 1 mm auf. Zweckmäßigerweise weisen die Träger eine Dicke unter 0,1 mm auf. Vorzugsweise weist die jeweilige Schicht ein Aktivmaterial, einen Binder und/oder ein Leitadditiv, wie Leitruß auf. Das Aktivmaterial dient zur Aufnahme/Abgabe von Arbeitsionen, wie Lithium-Ionen, und ist hierfür geeignet sowie vorgesehen und eingerichtet. Als Aktivmaterial wird für die Kathode beispielsweise ein Lithium-Metall-Oxid, wie Lithium- Cobalt (Ill)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA, LNMO oder Li- reiche Materialien verwendet. Alternativen sind z.B. Olivine wie LFP. Für die Anode wird zum Beispiel Graphit, Si-basierte Materialien oder Mischungen daraus, Lithium Metall oder LTO verwendet.
Insbesondere sind die Elektroden im Wesentlichen rechteckförmig. Die Elektroden sind beispielsweise übereinander zu einem Zellstapel gestapelt, wobei die Stapelrichtung senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung der Elektroden ist, die zueinander parallel angeordnet sind. Hierbei wechseln sich die Anoden und Kathoden in der Stapelrichtung des Zellstapels vorzugsweise ab. Zweckmäßigerweise ist zwischen benachbarten Elektroden, also insbesondere zwischen jeweils einer der Anoden und einer der Kathoden, jeweils ein Separator des Zellstapels angeordnet, der vorzugsweise ebenfalls flächig ausgestaltet ist. Beispielsweise sind sämtliche Separatoren zueinander baugleich. Insbesondere sind die Elektroden im Wesentlichen bündig übereinander gestapelt, wobei beispielsweise sämtliche Anoden zumindest geringfügig über die Kathoden überstehen. Aufgrund der Stapelung der Elektroden ist der Zellstapels somit ebenfalls im Wesentlichen quaderförmig.
In einer alternativen Ausgestaltungsform sind beispielsweise sämtliche Anoden, sämtliche Kathoden oder der Separator mittels eines gemeinsamen Bandes gebildet, oder diese sind an einem gemeinsamen Band befestigt. Das Band selbst ist zu einer Zylinderform oder dergleichen aufgerollt, sodass eine sogenannte „ Jelly Roll“ gebildet ist.
Die Batteriezelle weist ein Zellgehäuse auf, innerhalb dessen die Elektroden angeordnet sind, also beispielsweise der Zellstapel oder die „Jelly Roll“. Insbesondere ist mittels des Zellgehäuses ein Volumen zwischen 0,1 dm3 und 10 dm3 umgeben. Beispielsweise ist zusätzlich das Zellgehäuse zumindest teilweise mit einem Elektrolyten befüllt. Das Zellgehäuse ist vorzugsweise starr ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle insbesondere um eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Zellgehäuse aus einem Metall, wie einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das Zellgehäuse weist zum Beispiel eine Quaderform auf. Alternativ hierzu ist das Zellgehäuse flexibel ausgestaltet und beispielsweise zumindest teilweise mittels einer Metallfolie gebildet, die insbesondere einseitig oder beidseitig beschichtet ist. Mittels der Metallfolie sind die Elektroden umgeschlagen, und die Metallfolie ist an den Enden zweckmäßigerweise versiegelt, sodass ein Austritt des Elektrolyten und/oder ein Eintritt von Umgebungsluft in das Zellgehäuse vermieden ist.
Die Elektroden sind insbesondere direkt in dem Zellgehäuse angeordnet, sodass die Elektroden beispielsweise direkt oder über ein weiteres Bauteil an einer Innenwand des Zellgehäuse anliegen und somit mittels dessen stabilisiert werden. Zumindest dient das Zellgehäuse direkt dem Schutz der Elektroden und/oder der Verhinderung eines Kontakts der Elektroden/des Elektrolyten mit Umgebungsluft oder sonstigen Partikeln. Mit anderen Worten sind die Elektroden innerhalb des Zellgehäuses vorzugsweise nicht, zumindest nicht vollständig, mittels eines weiteren Bauteils umgeben, sodass ein Gewicht der Batteriezelle und Mate rial kosten verringert sind. Insbesondere ist im Zellgehäuse kein weiteres Gehäuse vorhanden, mittels dessen die Elektroden umgeben sind. Folglich ist es möglich, das Zellgehäuse im Wesentlichen vollständig mittels der Elektroden sowie des/der etwaigen Separatoren auszufüllen.
Geeigneterweise weist das Zellgehäuse zumindest einen oder zwei Durchbrüche auf, durch die jeweils ein Anschluss geführt ist. Mittels des oder der Anschlüsse sind, je nach Verschaltung der Elektroden, zumindest einige der in dem Zellgehäuse angeordneten Elektroden elektrisch kontaktiert, sodass über den oder die Anschlüsse ein Einspeisen und/oder Entnahme von elektrischer Energie von außerhalb des Zellgehäuse zu bzw. aus den mittels der Elektroden gebildeten galvanischen Elemente möglich ist. Sofern lediglich ein einziger Anschluss vorhanden ist, sind zumindest einige der Elektroden elektrisch mit dem Zellgehäuse kontaktiert, sodass mittels dieser Elektroden ein elektrisches Potential des Zellgehäuses vorgegeben ist. Insbesondere sind der oder die Anschlüsse elektrisch gegenüber dem Zellgehäuse isoliert, wobei die Anschlüsse fluiddicht mit dem Zellgehäuse verbunden sind, sodass im Bereich der Anschlüsse ein Austritt des Elektrolyten vermieden ist.
Das Zellgehäuse weist eine Öffnung auf, die beispielsweise rund oder rechteckförmig ausgestaltet ist. Insbesondere ist eine Fläche der Öffnung zwischen 50pm2 und 15mm2, bevorzugt zwischen 0,2 mm2 bis 3 mm2. Die Öffnung ist mittels einer Membran abgedeckt, die gasdurchlässig ist. Insbesondere ist die Membran starr an dem Zellgehäuse angebunden, sodass eine Bewegung der Membran bezüglich des Zellgehäuses vermieden ist. Die Membran weist eine größere Fläche als die Öffnung auf, sodass die Membran die Öffnung vollständig überlappt. Insbesondere ist die Fläche der Membran kleiner als die Fläche einer etwaigen Seite des Zellgehäuses, die die Öffnung aufweist. Auf diese Weise sind Materialkosten reduziert.
Vorzugsweise erfolgt die Anbindung der Membran an dem Zellgehäuse flüssigkeits- und/oder gasdicht, sodass ein Durchtritt von Flüssigkeiten und/oder Gas zwischen der Membran und dem Zellgehäuse hindurch in die Öffnung vermieden ist. Besonders bevorzugt ist hierbei die Membran mit dem Zellgehäuse verschweißt, geeigneterweise mit einer umlaufenden Schweißnaht. Alternativ hierzu ist zum Beispiel die Membran mit dem Zellgehäuse form- und/oder stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt. Hierbei ist mittels des Klebstoffs bzw. der Schweißnaht die Öffnung zweckmäßigerweise vollständig umgeben. Beispielsweise erfolgt die Verbindung direkt benachbart zur Öffnung, oder zwischen der Öffnung und der Anbindung der Membran an das Zellgehäuse, beispielsweise dem Klebstoff bzw. Schweißnaht, ist ein Abstand gebildet. Folglich ist ein Austritt von Gas aus oder in das Zellgehäuse lediglich durch die Öffnung möglich, wobei das Gas auch durch die Membran geführt wird.
Insbesondere ist die Membran derart ausgewählt, dass diese durchlässig für vorzugsweise zumindest CO, CO2, H2 und/oder CH4 ist. Zum Beispiel wird mittels der Membran ein Durchtritt derartiger Gase nicht oder lediglich in vergleichsweise geringem Maße behindert. Die Durchlässigkeit der Membran für Feuchtigkeiten, insbesondere Wasserdampf, ist jedoch geringer. Insbesondere hat die Membran ein Verhältnis der CO2-Durchlässigkeit zur Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von mindestens 0,5 oder von mindestens 1 oder von mindestens 1,5. Bevorzugt ist das Verhältnis mehr als 0,5 und weniger als 3. Zusammenfassend ist die Membran derart ausgestaltet, dass durch diese in dem Zellgehäuse entstehende Gase hindurch durch die Öffnung aus dem Zellgehäuse gelangen können, wofür die Öffnung genutzt wird. Mittels der Membran ist dabei ein Eintritt von Feuchtigkeiten, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse erschwert.
Die Membran selbst ist außenseitig, also bezüglich des Zellgehäuses nach außen versetzt, mit einem Abdeckelement abgedeckt. Mittels des Abdeckelements ist hierbei zumindest derjenige Teil der Membran abgedeckt, mittels dessen die Öffnung abgedeckt ist. Insbesondere ist mittels des Abdeckelements die Öffnung abgedeckt. Hierbei ist es möglich, dass das Abdeckelement ebenfalls innerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist, jedoch bezüglich der Membran in Richtung der Öffnung hin versetzt. Alternativ hierzu befindet sich das Abdeckelement außerhalb des Zellgehäuses. Beispielsweise liegt das Abdeckelement an dem Zellgehäuse und/oder der Membran an oder ist zu einem hiervon oder beiden beabstandet. Insbesondere ist das Abde- ckelement zumindest teilweise starr. Das Abdeckelement dient der Begrenzung eines Stoffeintritts, insbesondere von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse und ist hierfür geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Dabei wird mittels des Abdeckelements auch der Stoffeintritt zu der Membran vorzugsweise begrenzt. Mit anderen Worten wird mittels des Abdeckelements insbesondere eingestellt, wie viel und/oder ob ein Stoff, wie eine Flüssigkeit oder bevorzugt ein Gas, in das Zellgehäuse durch die Membran und durch die Öffnung eintritt. Mit nochmals anderen Worten ist mittels des Abdeckelements die Öffnung vorzugsweise zumindest zeitweise verschlossen. Zumindest ist das Abdeckelement vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mittels dessen der Gasdurchtritt durch die Membran und die Öffnung begrenzt oder zumindest zeitweise begrenzt und somit eingestellt ist. Vorzugsweise ist das Abdeckelement fluiddicht, beispielsweise stets oder zumindest, wenn sich dieses in einem bestimmten Zustand, wie einem geschlossenen Zustand, befindet. Mit anderen Worten ist in diesem Zustand ein Weiterleiten von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, weitestgehend ausgeschlossen, vorzugsweise prinzip- und/oder konstruktionsbedingt. Sofern oder solange sich innerhalb des Zellgehäuses keine Gase bilden, befindet sich das Abdeckelement vorzugsweise in dem bestimmten Zustand.
Aufgrund der Öffnung und der Membran ist ein Austritt von in dem Zellgehäuse entstehenden Gasen möglich, sodass das Entstehen eines übermäßigen Drucks innerhalb des Zellgehäuses, der zu einer Beschädigung der Elektroden und/oder des Zellgehäuse führen könnte, vermieden ist. Somit ist eine Betriebssicherheit erhöht. Hierfür sind lediglich die Membran und das Abdeckelement erforderlich, für die lediglich ein vergleichsweise geringes Raumvolumen benötigt ist. Zudem ist es möglich, das Abdeckelement außerhalb des Zellgehäuses anzuordnen, sodass eine Energiedichte nicht negativ beeinflusst wird. Aufgrund des Abdeckelements wird die Membran vor Umwelteinflüssen von außerhalb des Zellgehäuses zumindest teilweise geschützt, sodass eine Beschädigung der Membran vermieden ist. Auch werden mittels des Abdeckelements beispielsweise Partikel aus der Umgebung zumindest zeitweise/teilweise von der Membran abgehalten, insbesondere in dem bestimmten Zustand, wenn mittels des Abdeckelements der Gasein- und/oder Gasaustritt vollständig unterbunden ist. Somit wird die Membran von außerhalb des Zellgehäuses nicht mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasserdampf, beaufschlagt, sodass auch trotz der weiterhin bestehenden, wenn auch verringerten, Durchlässigkeit der Membran für Flüssigkeiten ein Eindringen dieser gänzlich unterbunden ist. Falls dahingegen mittels des Abdeckelements zeitweise ein Gasaustritt aus dem Zellgehäuse möglich ist, ist für diesen Zeitraum auch beispielsweise ein Vordringen von Wasser zur Membran möglich, wobei dies jedoch eine vergleichsweise geringe Menge ist, die mittels der Membran im Wesent- liehen vollständig zurückgehalten wird. Somit ist das Eindringen von Wasser in das Zellgehäuse nahezu gänzlich unterbunden.
Die Membran ist insbesondere aus einem Polymer gefertigt und zum Beispiel eine Folie, beispielsweise ein Polymerfolie. Geeigneterweise ist die Membran aus PTFE, also einem Polytetrafluorethylen, gefertigt oder besteht hieraus. Zweckmäßigerweise weist die Membran eine Kris- tallinität zwischen 85% und 100% und eine Dichte zwischen 0,2 g/cm3 und 2 g/cm3 auf. Bei einer derartigen Materialwahl ist eine Gasdurchlässigkeit gegeben, wobei mittels der Membran ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, in das Zellgehäuse unterbunden oder zumindest erschwert ist. Insbesondere wird als Membran eine Membran verwendet, die in WO 2021/079163 A1 beschrieben ist.
Beispielsweise ist die Öffnung beliebig an dem Zellgehäuse positioniert. Besonders bevorzugt jedoch befindet sich diese, wenn die Batteriezelle als Pouchzelle ausgestaltet ist, im Bereich eines der Enden der Zylinderform nahe des Ableiters, in dem die etwaige Folie insbesondere versiegelt ist (z.B. auf der sogenannten Gastasche). Hierbei befindet sich die Öffnung zweckmäßigerweise von dem jeweiligen Enden bis maximal zu einem Drittel der maximalen Länge des Zellgehäuses nach innen versetzt.
Falls die Batteriezelle eine prismatische Zelle ist, befindet sich bevorzugt die Öffnung im Bereich der Stirnseiten und/oder Schmalseiten, die insbesondere nicht parallel zu den zu dem etwaigen Zellstapel geschichteten Elektroden sind. Alternativ hierzu befindet sich die Öffnung in einer der Seiten des Zellgehäuse, die parallel zu den Elektroden ist, jedoch vorzugsweise in einem Randbereich, also von dem Rand bis maximal zu einem Drittel der Breite der Seite nach innen versetzt. Aufgrund einer derartigen Position der Öffnung ist eine Konstruktion vereinfacht, und es ist nicht erforderlich, einen bestehenden Designentwurf des Zellstapels abzuändern. Ferner ist somit die Öffnung in einem Bereich angeordnet, an dem sich entstehende Gase sammeln, sodass ein vergleichsweiser effizienter Abtransport der Gase durch die Öffnung ermöglicht ist.
Beispielsweise ist die Membran an der Außenseite des Zellgehäuses befestigt. Auf diese Weise ist mittels der Membran ein Innenraum des Zellgehäuse nicht ausgefüllt, sodass dort ein vergleichsweise großes Volumen für die Elektroden zur Verfügung steht. Somit ist eine hohe Kapazität der Batteriezelle weiter gewährleistet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran an einer Innenwand des Zellgehäuses befestigt. Auf diese Weise wird auch bei einem vergleichsweise hohen Druck innerhalb des Zellgehäuse die Membran nicht übermäßig nach außen aus- gebeult, wenn aufgrund der Ausgestaltung der Membran kein sofortiger Durchtritt des Gases ermöglicht ist. Folglich wird die Membran mittels der Innenwand stabilisiert, was eine Robustheit erhöht. Auch wird die Membran bei einem Überdruck gegen die Innenwand gedrückt, und ein Durchtritt von Gas zwischen dem Zellgehäuse und der Membran ist somit verhindert. Folglich ist lediglich ein Austritt des Gases durch die Membran möglich, was somit kontrolliert erfolgt. Zusammenfassend ist insbesondere die Membran an einer nach außen oder innen gerichteten Seite des Zellgehäuses angeordnet.
Beispielsweise ist das Abdeckelement in Abhängigkeit einer Temperatur betätigt. Hierbei ist das Abdeckelement zweckmäßigerweise derart ausgestaltet, dass bei einer Temperatur unterhalb eines Grenzwerts ein Gaseintritt und/oder -austritt vollständig verhindert ist, sodass mittels des Abdeckelements ein Beaufschlagen der Membran mit einem Fluid von außerhalb des Zellgehäuses unterbunden ist. Wenn die Temperatur der Batteriezelle hingegen größer als der Grenzwert ist, ist das Abdeckelement insbesondere derart eingestellt, dass mittels dessen der Gasaustritt aus dem Zellgehäuse nicht verhindert wird. Mit anderen Worten ist die Membran freigegeben. Infolgedessen ist es jedoch möglich, dass Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, von außerhalb des Zellgehäuse zu der Membran gelangt.
Der Grenzwert ist hierbei zweckmäßigerweise zwischen 25 °C und 60 °C. Aufgrund eines derartigen Grenzwerts ist das Abdeckelement somit insbesondere lediglich dann derart eingestellt, dass ein Entweichen von Gas möglich ist, wenn die Batteriezelle betrieben ist, also wenn ein einspeisen von elektrischer Energie in die Batteriezelle und/oder eine Entnahme von elektrischer Energie aus der Batteriezelle erfolgt. Lediglich in diesem Zeitraum ist ein Entstehen von Gasen möglich, die entweichen sollen. Dahingegen wird, wenn die Batteriezelle nicht benötigt wird, mittels des Abdeckelements die Membran geschützt.
Alternativ oder in Kombination hierzu ist das Abdeckelement in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck in einem Raum betätigt, der zwischen dem Abdeckelement und der Membran gebildet ist. Insbesondere ist ein Volumen dieses Raums geringer als 4 cm3, 1 cm3 oder 0,5 cm3. Der Druck in dem Raum zwischen dem Abdeckelement und der Membran ist insbesondere gleich dem Druck innerhalb des Zellgehäuses oder aufgrund der Membran geringfügig verringert.
Das Abdeckelement ist insbesondere derart betätigt, dass ein Gasaustritt aus dem Zellgehäuse möglich oder zumindest vereinfacht ist, wenn der Druck in dem Raum größer als der Druck außerhalb des Zellgehäuse ist, beispielsweise um mehr als 0,1 bar, 0,5 bar, 1 bar, 2 bar oder 5 bar. Anderenfalls ist das Abdeckelement insbesondere geschlossen, sodass ein Gasaustritt vollständig unterbunden ist. Dabei ist die Membran mittels des Abdeckelements auch vor Flüssigkeiten von außerhalb des Zellgehäuses geschützt. Somit ist ein Schutz der Membran mittels des Abdeckelements lediglich dann verringert, wenn auf der dem Inneren des Zellgehäuse zugewandten Seite des Abdeckelements der Druck im Vergleich zum Druck außerhalb des Zellgehäuses erhöht ist. In diesem Fall wird jedoch eine Flussrichtung des Gases nach außerhalb des Zellgehäuses gerichtet. Somit ist ein Eindringen von Flüssigkeit bis zur Membran aufgrund der Flussrichtung des Gases verhindert ist. Wenn die Druckdifferenz absinkt, sinkt ebenfalls die Geschwindigkeit des Gases, sodass ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, möglich wäre. Dann jedoch ist das Abdeckelement erneut geschlossen, was das Eindringen von Flüssigkeit ebenfalls verhindert.
Beispielsweise ist oder umfasst das Abdeckelement ein poröses Element, wobei die Poren insbesondere offen sind. Zum Beispiel ist das poröse Element eine Schaumkeramik. Mittels des porösen Elements ist ein eine Weglänge, die in das Gas zurücklegen muss, erhöht, sodass ein vergrößerter Widerstand für das austretende Gas bereitgestellt ist. Somit ist mittels des porösen Elements der Gasaustritt aus dem Zellgehäuse begrenzt. Aufgrund des porösen Elements ist dabei auch ein Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, unterbunden oder zumindest erschwert, insbesondere aufgrund von kapillare Effekten. Zum Beispiel ist das poröse Elements zumindest in bestimmten Bereichen, beispielsweise an einer Seite, vollständig flüssigkeits- und/oder gasundurchlässig ausgestaltet, sodass ein für die Gase und die Flüssigkeit zurückzulegender Weg und somit ein fluidtechnischer Widerstand weiter erhöht ist. Insbesondere ist die der Öffnung gegenüberliegende Seite des porösen Elements derart ausgestaltet, weswegen ein für zurückzulegender Weg für Gase/Flüssigkeit durch das poröse Element vergleichsweise lang ist. Insbesondere ist das poröse Element im Wesentlichen quaderförmig, was eine Fertigung vereinfacht.
Besonders bevorzugt umfasst das Abdeckelement ein Ventil oder ist damit gebildet. Das Ventil ist beispielsweise mittels eines Aktors betätigt, wie eines Piezoaktors. Somit ist es möglich, den Gasaustritt aus dem Zellgehäuse zu steuern, insbesondere in Abhängigkeit von bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel der etwaigen Druckdifferenz. Vorzugsweise weist Abdeckelement einen Sensor auf, in Abhängigkeit dessen der Aktor gesteuert ist. Alternativ hierzu ist das Ventil beispielsweise federbelastet und insbesondere als ein Rückschlagventil ausgestaltet. Dabei ist das Ventil insbesondere in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem außerhalb des Zellgehäuses herrschenden Drucks und dem den Druck in dem zwischen dem Abdeckelement und der Membran gebildeten Raum betätigt, also wenn der Druck bestimmt bestimmten Grenzwert überschreitet. Hierbei ist ein Anpassen an unterschiedliche Einsatzgebiete und/oder sonstige Vorgaben mittels Austauschs der Feder ermöglicht.
Beispielsweise ist das Ventil ein gas- und flüssigkeitsundurchlässiger Körper, der beispielsweise einen membranartig/membranförmig ist. Mittels des Körpers ist zum Beispiel die Öffnung oder die Membran vollständig abgedeckt, wenn sich das Abdeckelement/Ventil im geschlossenen Zustand befindet. Mittels Längsverschieben, insbesondere senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung des Körpers und/oder der Membran wird das Abdeckelement in den geöffneten Zustand überführt, und der Körper ist vorzugsweise entsprechend gelagert. Aufgrund Längsverschieb- lichkeit ist dabei ein direktes Eindringen von Flüssigkeit zur Öffnung auch im geöffneten Zustand des Abdeckelements unterbunden. Alternativ hierzu ist das Abdeckelement nach Art einer Klappe ausgestaltet, und somit insbesondere schwenkbeweglich bezüglich des und/oder am Zellgehäuse gelagert. Zum Beispiel ist hierbei der etwaige Körper des Körpers mittels eines Lagers oder besonders bevorzugt eines Filmscharniers an dem Zellgehäuse gelagert. Auf diese Weise ist eine Konstruktion vereinfacht.
In einer Alternative hierzu weist das Abdeckelement eine Kunststoff, vorzugsweise Polymerschicht. auf, die beispielsweise direkt auf einen sonstigen Körper, wie einer Folie, aufgebracht ist. Die Polymerschicht umfasst hierbei Mikro- oder Nanostrukturen, also Strukturen, die eine Ausdehnung zwischen 100 pm und 1 nm aufweisen. Insbesondere wiederholen sich die Strukturen periodisch sodass ein Muster gebildet ist. Auf diese Weise ist eine Herstellung vereinfacht. Bei den Strukturen handelt es sich beispielsweise um Klappen und/oder Gräser. Sofern es sich um Gräser handelt, sind diese insbesondere von dem Inneren des Zellgehäuses weggerichtet, sodass bei einem erhöhten Druck außerhalb des Zellgehäuses oder bei einer darauf auftreffenden Flüssigkeit diese platt gegen einen Boden der Polymerschicht gedrückt werden, sodass das Abdeckelement vergleichsweise dicht ausgestaltet ist. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die Strukturen beispielsweise mittels Anlegens einer elektrischen Spannung einstellbar, sodass ein Gas- und Flüssigkeitsdurchtritt entweder ermöglicht oder unterbunden ist. Aufgrund der Mikro- oder Nanostrukturen ist eine mechanische Robustheit erhöht und ein Platzbedarf verringert.
In einer weiteren Alternative weist das Abdeckelement mehrere Abdeckflügel auf, also beispielsweise zwei Abdeckflügel, drei Abdeckflügel, vier Abdeckflügel, fünf Abdeckflügel oder mehr Abdeckflügel. Zweckmäßigerweise ist die Anzahl der Abdeckflügel kleiner als zehn, sodass eine Konstruktion vereinfacht ist. Die Abdeckflügel sind an dem Zellgehäuse angebunden, also beispielsweise direkt daran befestigt oder indirekt über ein weiteres Element. Hierbei sind die Abdeckflügel zueinander an unterschiedlichen Stellen, nämlich einem jeweiligen Anbindungspunkt, also beabstandet zueinander, an dem Zellgehäuse angebunden. Insbesondere umgeben die Anbindungspunkte der die Öffnung. Geeigneterweise sind die Abdeckflügel lediglich einseitig angebunden. Die Abdeckflügel überlappen zumindest teilweise die Membran, also insbesondere auch die Öffnung, oder zumindest den Teil der Membran, mittels derer die Öffnung abgedeckt ist. Zudem überdecken sich die Abdeckflügel gegenseitig. Mit anderen Worten überdeckt jeweils einer der Abdeckflügel zumindest teilweise einen oder mehrere der verbleibenden Abdeckflügel.
Die Abdeckflügel sind flexibel ausgestaltet, also elastisch verformbar. Insbesondere sind die Abdeckflügel aus einem gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Material ausgestaltet. Aufgrund der flexiblen Ausgestaltung der Abdeckflügel ist ein Verbiegen dieser möglich, sodass die Membran freigegeben wird. Hierbei stabilisieren sich die Abdeckflügel gegenseitig, sodass einerseits ein unbeabsichtigtes Verbiegen eines der Abdeckflügel nicht zu einer Freigabe der Membran führt. Auch sind die hierfür erforderlichen Kräfte vergleichsweise hoch. Aufgrund des gegenseitigen Überlappens ist zudem eine vergleichsweise große Kriechstrecke gegeben, sodass ein Eindringen von Flüssigkeit zwischen den Abdeckflügel bis zur Membran im Wesentlichen und ein Austritt von Gas in die entgegengesetzte Richtung dabei an dem Zellgehäuse anliegenden Abdeckflügeln im Wesentlichen unterbunden ist. Jedoch ist es mittels Aufbiegens sämtlicher oder zumindest einiger der Abdeckflügel möglich, die Membran freizugeben und somit einen Gasaustritt zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt sind die Abdeckflügel an der Außenseite des Zellgehäuses angebunden, sodass ein Eindrücken der Abdeckflügel, die zu einer Beschädigung der Membran führen könnte, vermieden ist. Beispielsweise sind die Abdeckflügel derart ausgestaltet, dass diese bei einem erhöhten Druck auf Seiten des Membran verbogen werden, sodass ein Gasaustritt ermöglicht ist. Alternativ hierzu sind die Abdeckflügel beispielsweise aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt, die sich bei einer Erhöhung der Temperatur unterschiedlich zusammenziehen. Somit werden bei einer erhöhten Temperatur die Abdeckflügel gekrümmt und folglich die Membran und somit auch die Öffnung freigegeben.
Besonders bevorzugt umfasst die Batteriezelle ein Trocknungselement zur Reduzierung einer durch die Öffnung in das Zellgehäuse eindringenden Feuchtigkeit. Hierfür ist das Trocknungselement geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Aufgrund des Trocknungselements wird somit trotz des Abdeckelements eindringende Feuchtigkeit, wie Wasser, beispielsweise im flüssigen oder gasförmigen Zustand, gebunden, sodass eine ungewollte Reaktion mit den in dem Gehäuse angeordneten Elektroden und/oder etwaigen Elektrolyten unterbunden ist. Somit ist eine Betriebssicherheit weiter erhöht. Insbesondere ist das Trocknungselement derart ausgestaltet, dass mittels dessen eine Bindung von Wasser erfolgt, insbesondere eine Absorption von Wassermolekülen.
Zum Beispiel ist das Trocknungselement im Bereich der Öffnung angeordnet und umgibt diese beispielsweise. Insbesondere weist das Trocknungselement mehrere siliziumhaltige Gruppen auf, die an der Membran angebunden sind. Mit anderen Worten ist die Membran mit den siliziumhaltigen Gruppen funktionalisiert. Somit ist ein Platzbedarf verringert. Besonders bevorzugt ist das Trocknungselement membranförmig und beispielsweise lose auf die Membran aufgelegt oder zu diesem beabstandet. Aufgrund der Anordnung auf der Innenseite der Membran wird mittels des Trocknungselements lediglich derjenige Teil des Flüssigkeit, insbesondere Wasser, aufgehalten, der durch die Membran ins Innere des Zellgehäuses gelangt. Mit anderen Worten dient zunächst die Membran dem Aufhalten der Feuchtigkeit/Flüssigkeit und erst im Anschluss hieran wird das Trocknungselement verwendet. Somit ist auch ein vergleichsweise langer Betrieb der Batteriezelle ermöglicht, ohne dass eine Funktionsweise des Trocknungselements aufgehoben wird.
Beispielsweise ist die Membran reißfest ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Membran derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses einen Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Zellgehäuses vermieden. Beispielsweise reißt die Membran vollständig ein und bricht somit. Zweckmäßigerweise erfolgt das Einreißen lediglich dann, wenn der Grenzwert überschritten ist. Wenn die Druckdifferenz den Grenzwert erneut unterschreitet, wird insbesondere das Einreißen beendet. Auf diese Weise wird eine vollständige Zerstörung der Membran verhindert.
Beispielsweise weist die Batteriezelle mehrere Öffnungen auf, die jeweils mittels einer entsprechenden gasdurchlässigen Membran abgedeckt sind, wobei jede Membran außenseitig mit einem zugeordneten Abdeckelement zur Begrenzung des Feuchtigkeitseintritts in das Zellgehäuse abgedeckt ist. Beispielsweise sind mehrere oder alle der Öffnungen mit dem gleichen Abdeckelement abgedeckt. Insbesondere sind hierbei sämtliche Öffnungen/Membranen/ Abdeckelemente zueinander baugleich, und deren Position am Zellgehäuse unterscheidet sich lediglich. Alternativ hierzu sind beispielsweise die Abdeckelemente und/oder Membranen unterschiedlich ausgestaltet, sodass diese unterschiedlich durchlässig und/oder bei unterschiedli- chen Druckdifferenzen oder sonstigen Bedingungen betätigt sind. Somit ist eine Flexibilität erhöht.
Besonders bevorzugt jedoch weist die Batteriezelle lediglich die einzige Öffnung auf, was eine Fertigung vereinfacht. Insbesondere liegt die Membran zumindest im Bereich der Öffnung an einem Stabilisierungselement an und ist zum Beispiel an diesen befestigt. Mit anderen Worten überdeckt das Stabilisierungselement zumindest teilweise die Öffnung. Das Stabilisierungselement ist vorzugsweise starr ausgestaltet und beispielsweise aus einem Metall gefertigt. Vorzugsweise ist der Stabilisierungselement an dem Zellgehäuse befestigt, geeigneterweise mittels Schweißens. Das Stabilisierungselement weist weitere Öffnungen auf, die jeweils von der Öffnung überdeckt sind. Somit ist die effektive Fläche, die für den Gasaustritt aus dem Zellgehäuse zur Verfügung steht, auf die Summe der weiteren Öffnungen begrenzt, sodass auch eine vergleichsweise große Öffnung gewählt werden kann, ohne dass ein übermäßiger Gasaustritt bzw. Eintritt von Flüssigkeit in das Zellgehäuse erfolgt.
Geeigneterweise ist das Stabilisierungselement im Vergleich zu der Membran nach außen versetzt. Somit wird mittels der weiteren Öffnungen eine maximale Verformung der Membran vorgegeben und die Membran somit stabilisiert. Beispielsweise ist das Stabilisierungselement derart ausgestaltet, dass dieses bei einer erhöhten Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Gehäuses und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses bricht. Hierfür weist das Stabilisierungselement beispielsweise eine oder mehrere Sollbruchstellen auf, die zum Beispiel mittels eines Lasers oder Prägens hergestellt sind. Die Druckdifferenz, bei der dies erfolgt, ist hierbei jeweils vergleichsweise genau einstellbar. Alternativ oder in Kombination hierzu ist das Stabilisierungselement derart ausgestaltet, dass dieses bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur bricht. Aufgrund des Brechens wird die Membran nicht mehr stabilisiert und somit ebenfalls überlastet, sodass diese einreißt. Infolgedessen ist ein Durchtritt eines vergleichsweise großen Volumens von Gas durch die Öffnung möglich. Insbesondere bricht das Abdeckelement in diesem Fall ebenfalls oder ist zumindest derart eingestellt, dass der Gasaustritt im Wesentlichen ungehindert möglich ist. Somit erfolgt ein kontrolliertes Entgasen der Batteriezelle, und eine unkontrollierte Zerstörung des Zellgehäuse aufgrund übermäßigen Drucks ist vermieden. Zwar ist auf diese Weise die Batteriezelle beschädigt und nicht mehr einsetzbar, jedoch ist eine Belastung der Umgebung verringert. Mit anderen Worten wirkt die Membran und das Stabilisierungselement nach Art einer Berstscheibe.
Alternativ oder in Kombination zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen weist das Zellgehäuse geeigneterweise eine integrierte Sollbruchstelle auf. Die integrierte Sollbruch- stelle ist beispielsweise von der Öffnung räumlich getrennt oder zum Beispiel weist die integrierte Sollbruchstelle die Öffnung auf. In einer weiteren Alternative ist die Sollbruchstelle durch die Öffnung gebildet. Beispielsweise ist die Sollbruchstelle eine Fläche des Zellgehäuses mit reduzierter Wandstärke. Alternativ oder in Kombination ist die Sollbruchstelle zum Beispiel eine Fläche des Zellgehäuses mit einer Gravur und/oder Kerbe. In einer Weiterbildung ist die Sollbruchstelle eine mit einer Berstscheibe verschlossene zusätzliche Öffnung im Zellgehäuse. Mit anderen Worten weist das Zellgehäuse die zusätzliche Öffnung auf, die vollständig mittels der Berstscheibe verschlossen ist. Geeigneterweise hat die Sollbruchstelle eine Größe von 0,01% und 50% der Fläche des Zellgehäuses. Bevorzugt weist die Sollbruchstelle eine Größe zwischen 0,1 % und 40 % und insbesondere zwischen 0,3 % und 30 % der Fläche des vollständigen Zellgehäuses auf. Zum Beispiel hat die Membran eine um 50 % größere Fläche als die Öffnung.
Zum Beispiel ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite des Zellgehäuses angeordnet. Dabei steht zum Beispiel die Membran außerhalb der Öffnungen nicht vollständig im physikalischen Kontakt mit dem Zellgehäuses. In einer Alternative ist die Membran über Abstandshalter teilflächig vom Zellgehäuse beabstandet.
In einer weiteren Alternative umfasst das Zellgehäuse zum Beispiel eine Hilfsöffnung, die mit einer Berstscheibe verschlossen ist, die die Öffnung aufweist, die mit der gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist. Die Berstscheibe ist beispielsweise mittels einer Verringerung der Wandstärke des Zellgehäuses gebildet oder ein von dem Zellgehäuse zunächst separates Bauteil, das zur Montage an dem Zellgehäuse befestigt wird. Insbesondere ist mittels der Berstscheibe die etwaige Sollbruchstelle gebildet. Vorzugswiese ist die Membran an einer nach außen gerichteten Seite der Berstscheibe befestigt. Dabei liegt zum Beispiel außenseitig die Membran an einem weiteren oder dem etwaigen Stabilisierungselement an, das mehrere zusätzliche Öffnungen aufweist. Vorzugsweise ist hierbei das Stabilisierungselement an der Berstscheibe befestigt. In einer Alternative ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite der Berstscheibe angeordnet, wobei die Membran über Abstandshalter teilflächig an der Berstscheibe abgestützt ist
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbund derartiger Batteriezellen, wobei der Verbund vorzugsweise ein Batteriemodul oder eine Hochvoltbatterie ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, wie einen Personenkraftwagen (PKW), mit einer derartigen Batteriezelle, insbesondere einem derartigen Verbund. Die Batteriezelle wird insbesondere zur Bestromung eines Hauptantriebs des Kraftfahrzeugs verwendet. Die im Zusammenhang mit der Batteriezelle beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf den Verbund / das Kraftfahrzeug sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug, das mehrere baugleiche Batteriezellen aufweist,
Fig. 2 schematisch in einer Schnittdarstellung eine der ein Zellgehäuse aufweisenden Batteriezellen,
Fig. 3 - 6 schematisch ausschnittsweise das Zellgehäuse, das eine Öffnung für einen Gasaustritt aufweist, bei unterschiedlichen Drücken innerhalb des Zellgehäuses, wobei die Öffnung mit einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist, und wobei die Membran außenseitig mit einem Abdeckelement zur Begrenzung eines Gasaustritts aus dem Zellgehäuse abgedeckt ist,
Fig. 7, 8 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform der Batteriezelle,
Fig. 9, 10 in einer Draufsicht jeweils alternative Ausführungsformen eines Stabilisierungselements,
Fig. 11 - 13 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform der Batteriezelle, und
Fig. 14 - 17 schematisch jeweils eine alternative Ausgestaltungsform des Abdeckelements.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens (Pkw) dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Anzahl an Rädern 4 auf, von denen zumindest einige mittels eines Antriebs 6 angetrieben sind, der einen Elektromotor umfasst. Somit ist das Kraftfahrzeug 2 ein Elektrofahrzeug oder ein Hybrid-Fahrzeug. Der Antrieb 6 weist einen Umrichter auf, mittels dessen der Elektromotor gespeist ist. Der Umrichter des Antriebs 6 wiederum ist mittels eines Energiespeichers 8 in Form einer Hochvoltbatterie bestromt. Hierfür ist der An- trieb 6 mit einer Schnittstelle 10 des Energiespeichers 8 verbunden, die in ein Energiespeichergehäuse 12 des Energiespeichers 8 eingebracht ist, das aus einem Edelstahl erstellt ist.
Innerhalb des Energiespeichergehäuses 12 des Energiespeichers 8 sind mehrere nicht näher dargestellte zueinander baugleiche Batteriemodule angeordnet, die jeweils mehrerer Batteriezellen 14 umfassen. Die Batteriezellen 14 jedes Batteriemoduls sind dabei zueinander teilweise elektrisch in Reihe sowie teilweise zueinander elektrisch parallel geschaltet. Die Batteriemodule wiederum sind zueinander elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekuperation) der Batteriemodule und somit auch der Batteriezellen 14 erfolgt. Aufgrund der elektrischen Verschaltung ist dabei die an der Schnittstelle 10 bereitgestellte elektrische Spannung, die 400 V oder 800 V beträgt, ein Vielfaches der mit jedem der Batteriemodule und auch mit jedem der Batteriezellen 14 bereitgestellten elektrischen Spannung.
In Figur 2 ist in einer Schnittdarstellung eine der zueinander baugleichen Batteriezellen 14 dargestellt. Die Batteriezelle 14 weist mehrere Anoden 16 und Kathoden 18 auf, von denen jeweils lediglich zwei dargestellt sind. Die Anoden 16 und die Kathoden 18, die die Elektroden 20 der Batteriezelle 14 bilden, sind jeweils flächig ausgestaltet und zu einem Zellstapel abwechselnd aufeinandergeschichtet, wobei zwischen jeweils benachbarten Anoden 16 und Kathoden 18 ein nicht näher dargestellter Separator angeordnet ist. Die Anoden 16 stehen auf einer gemeinsamen Seite über die Kathoden 18 über, nämlich jeweils ein jeweiliger Ableiter, der mittels einer jeweiligen Metallfolie gebildet ist. In dem Bereich des Überstands ist dabei der jeweilige Ableiter frei von weiteren Bestandeilen, jedoch in den sonstigen Bereichen ist eine Schicht auf den jeweiligen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet wird, aufgebracht, die ein Aktivmaterial umfasst. Auch die Kathoden 18 stehen in gleicher Weise über die Anoden 16 über, wobei sich die Überstände auf gegenüberliegenden Seiten des mittels der Anode 16 und Kathoden 18 gebildeten Stapels befinden.
Die Überstände der Anoden 16 und der Kathoden 18 sind jeweils an einer Stromschiene 22 (Tabs) angeschweißt, die aus einem Kupfer gefertigt ist. Hierbei ist den Anoden 16 und den Kathoden 18 jeweils eine gemeinsame Stromschienen 22 zugeordnet. Die Stromschienen 22 weisen jeweils einen Anschluss 24 auf, der durch ein Zellgehäuse 26 geführt ist, innerhalb dessen die Anoden 16 und die Kathoden 18 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Elektroden 20 innerhalb des Zellgehäuses 26 angeordnet. Das Zellgehäuse 26 ist starr ausgestaltet und aus einem Aluminium, also einem aluminiumhaltigen Material, gefertigt. Somit handelt es sich bei der Batteriezelle 14 um eine prismatische Zelle. Das Zellgehäuse 26 ist mit einem nicht näher dargestellten flüssigen Elektrolyten befüllt.
In den Figuren 3-6 ist die Batteriezelle 14 schematisch ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung während des Betriebs dargestellt. Das Zellgehäuses 26 weist eine Öffnung 28 auf, die eine Fläche von 50 mm2 aufweist. Die Öffnung 28 befindet sich hierbei in der gleichen Wand des Zellgehäuse 26, in die auch der Durchbruch für einen der Anschlüsse 24 eingebracht ist. Mit Ausnahme der Öffnung 28 ist das Zellgehäuse 26 fluiddicht und gasdicht ausgestaltet. So sind die Bereiche zwischen den Anschlüssen 24 und den hierzu zugeordnete Durchbrüchen des Zellgehäuses 26 mit einem nicht näher dargestellten Kunststoff ausgefüllt.
Die Öffnung 28 ist mit einer gasdurchlässigen Membran 30 abgedeckt, die an der die Öffnung 28 aufweisenden Innenwand 32 des Zellgehäuse 26 befestigt ist, nämlich mittels Schweißens oder Klebens. Bei dem dargestellten Beispiel überdeckt die Membran 30 die vollständige Innenwand 32 des Gehäuses 26 und somit auch vollständig die Öffnung 28. Die Membran 30 besteht zumindest teilweise aus PTFE. Somit ist ein Gasdurchtritt von H2, CO, CH4 und CO2 durch die Membran 30 vergleichsweise einfach möglich, wohingegen ein Durchtritt von Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, und sonstigen Flüssigkeiten im Vergleich hierzu erschwert ist. Die Membran 30, nämlich der Teil, mittels dessen die Öffnung 28 abgedeckt ist, ist bezüglich des Zellgehäuse 26 außenseitig mit einem Abdeckelement 34 abgedeckt. Das Abdeckelement 34 befindet sich an der Außenseite des Zellgehäuse 26 und ist an diesem befestigt. Das Abdeckelement 34 ist gas- und flüssigkeitsdicht und dient der Begrenzung eines Gaseintritts in das Zellgehäuse 26. Somit wird mittels des Abdeckelements 34 ein Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung, insbesondere Wasserdampf, in die Öffnung 28 und somit auch zur Membran 30 vollständig verhindert.
Bei Betrieb der Batteriezelle 14 ist es möglich, dass sich aufgrund ungewollter chemische Reaktionen, beispielsweise aufgrund einer vergleichsweise hohen Belastung oder aufgrund von ungewünschten Fremdpartikeln, sich in dem Zellgehäuse 26 Gase 36 bilden, wie H2, CO, CH4 und/oder CO2. Hierbei die Gase 36 benötigen ein größeres Volumen als die Reaktionsstoffe, sodass ein Druck innerhalb des Zellgehäuse 26 ansteigt. Wie in Figur 4 gezeigt, ist ein Durchtritt der Gase 36 durch die Membran 30 in die Öffnung 28 möglich, also einen zwischen dem Abdeckelement 34 und der Membran 30 gebildeten Raum 38, der in dieser Ausführungsform mittels der Öffnung 28 definiert ist. Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 und der Druck in dem Raum 38 einen Grenzwert überschreitet, wie z.B. 0,5 bar, wird das Abdeckelement 34 betätigt, sodass dieses teilweise geöffnet wird. Infolgedessen erfolgt ein Gasaustritt aus dem Raum 38 in die die Umgebung des Zellgehäuses 26, wie in Figur 5 gezeigt. Auch strömen weiter Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 durch die Membran 30 und die Öffnung 28 in die Umgebung. Dabei wird mittels der Membran 30 ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellgehäuses 26 vermieden (siehe auch unten).
Wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Raum 38 und dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 erneut abgesunken ist, da die Gase 36 zumindest teilweise ausgetreten sind, wird das Abdeckelement 34 erneut geschlossen, sodass ein weiterer Austritt der Gase 36 aus dem Raum 38 und somit aus dem Zellgehäuse 26 nicht weiter stattfindet, wie in Figur 6 dargestellt. Somit ist nachfolgend wiederum die Membran 30 vollständig mittels des Abdeckelement 34 abgedeckt, sodass ein Eintritt von Feuchtigkeit in die Öffnung 28 vermieden ist.
Aufgrund der Konstruktion der Batteriezelle 14 wäre ein Eintritt von Feuchtigkeit von außerhalb der Batteriezelle 26 zu den Elektroden 20 lediglich dann möglich, wenn das Abdeckelement 34 derart betätigt ist, dass ein Gasdurchtritt möglich ist. In diesem Fall jedoch strömen die Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuse 26 nach außen, sodass aufgrund der Strömungsbewegung der Gase 36 ein Eindringen von Feuchtigkeit unterbunden oder zumindest stark reduziert ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Betätigen des Abdeckelements 34 zusätzlich oder alternativ lediglich in Abhängigkeit der Temperatur der Batteriezelle 14. In diesem Fall wird das Abdeckelement 34 betätigt, sodass ein Entweichen der Gase 36 möglich ist, wenn die Temperatur der Batteriezelle 14 einen Grenzwert, wie beispielsweise 40 °C, überschreitet.
Die Membran 30 ist ferner derart ausgestaltet, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses 26 einen (weiteren, höheren) Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert, also der weitere Grenzwert, ist um 10 % - 25% geringer als die maximal Druckbelastung des Zellgehäuses 26, also derjenigen Druckdifferenz, bei der eine irreversible Zerstörung des Zellgehäuses 26 erfolgt. Diese beträgt insbesondere zwischen 6 bar und 8 bar. Mit anderen Worten wirkt die Membran 30 als Berstmembran, die aufreißt, um eine Zerstörung des Zellgehäuses 26 zu vermieden.
Wenn also ein vergleichsweise großes Volumen an Gasen 36 gebildet wird, treten diese in den Raum 28 ein, sodass das Abdeckelement 34 betätigt wird. Infolgedessen entspricht der Druck in dem Raum 28 im Wesentlichen dem Druck in der Umgebung des Zellgehäuses 26, also dem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26. Falls dann die Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Raum 28 und dem Druck in dem Inneren des Zellgehäuse 26 den weiteren Grenzwert überschreitet, reist die Membran 30 kontrolliert ein, sodass ein Entweichen der Gase 36 aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 in die Umgebung aufgrund des fehlenden oder verringerten fluidtechnischen Widerstands der Membran 30 beschleunigt ist. Somit wird eine Beschädigung des Gehäuses 26 aufgrund des übermäßigen Drucks im Inneren des Zellgehäuse 26 vermieden.
Wenn die Druckdifferenz erneut unter den weiteren Grenzwert gesunken ist, stoppt das Einreißen der Membran 30. Auch wird, wenn ein Großteil der Gase 36 entwichen ist, sodass die Druckdifferenz zwischen der Umgebung des Zellgehäuse 26 und dem Druck in dem Raum 28 den Grenzwert von 0,5 bar unterschreitet, das Abdeckelement 34 wieder betätigt, sodass mittels dessen die Öffnung 28 vollständig abgedeckt ist. Somit wird mittels des Abdeckelements 34 wiederum ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse 26 vermieden. Folglich ist auch ein weiterer Betrieb der Batteriezelle 14 möglich, wobei jedoch aufgrund der eingerissenen Membran 30 ein Eindringen von Flüssigkeit zumindest zeitweise und teilweise ermöglicht ist.
In Figur 7 ist eine Abwandlung der Batteriezelle 14 gemäß der Darstellung der Figur 3 gezeigt. Bei dieser Variante weist die Batteriezelle 14 ein Trocknungselement 40 auf. Das Trocknungselement 40 besteht aus siliziumhaltigen Gruppen, und liegt als Schicht vor, mittels derer die Membran 30 innenseitig flächig, nämlich in dieser Variante vollflächig, beschichtet und somit abgedeckt ist. Mit anderen Worten liegt das Trocknungselement 40 las zu der Membran 30 separate Lage vor. Mittels des Trocknungselements 40 wird ein Durchtritt der Gase 36 nicht oder lediglich geringfügig behindert. Jedoch wird mittels des Trocknungselements 40 die dennoch durch die Öffnung 28 und die Membran 30 gelangende Feuchtigkeit, nämlich Wasser(-dampf), gebunden und/oder absorbiert, sodass dieses nicht zu den Elektroden 30 und/oder dem Elektrolyten gelangen kann. Somit dient das Trocknungselement 40 der Reduzierung der durch die Öffnung 28 in das Zellgehäuse 26 eindringenden Feuchtigkeit.
In Figur 8 ist eine weitere Abwandlung der Batteriezelle 14 gemäß der Darstellung der Figur 3 gezeigt. Bei dieser Variante ist die Öffnung 28 an der Außenseite mittels der Membran 30 abgedeckt, und die Membran 30 ist an der Außenseite des Zellgehäuse 26 befestigt, nämlich mittels Schweißens oder Klebens. Ferner weist die Batteriezelle 14 ein Stabilisierungselement 42 auf, das aus einem Metall gefertigt ist. Das Stabilisierungselement 42 ist flächig ausgestaltet und liegt vollflächig an der Membran 30 an. Folglich liegt die Membran 30 auch im Bereich der Öffnung 28 an dem Stabilisierungselement 42 an. Die Membran 30 ist dabei zwischen dem Zellgehäuse 26 und dem Stabilisierungselement 42 angeordnet, das somit bezüglich der Membran 30 nach außen versetzt ist.
In den Figuren 9 und 10 ist in einer Draufsicht jeweils eine Ausführungsform des Stabilisierungselement 42 dargestellt. Diese weisen jeweils mehrere weitere Öffnungen 44 auf. Bei der in Figur 9 dargestellten Variante sind die weiteren Öffnungen 44 jeweils separat zueinander und mittels runder Aussparungen bereitgestellt. Bei der in Figur 10 dargestellten Variante sind die weiteren Öffnungen 44 streifenförmig.
Die weiteren Öffnungen 44 oder zumindest jeweils ein Teil hiervon ist oberhalb der Öffnung 28 angeordnet, und die weiteren Öffnungen sind somit mittels der Öffnung 28 überdeckt. Das Stabilisierungselement 42 und somit auch die Membran 30 sind vollflächig mittels des Abdeckelements 34 abgedeckt, das ebenfalls außerhalb des Zellgehäuse 26 angeordnet ist. Bei einem Anstieg des Drucks innerhalb des Zellgehäuses 26 und bei einem zumindest teilweise geöffneten Abdeckelement 34 wird die Membran 30 lediglich in den Bereichen der weiteren Öffnungen 44 geringfügig nach außen ausgebeult, sodass eine übermäßige Verformung der Membran 30 vermieden ist. Lediglich dann, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Zellgehäuses 26 und der Umgebung des Zellgehäuses 26 den weiteren Grenzwert, nämlich 6 bar - 8 bar, überschreitet, bricht das Stabilisierungselement 42, sodass mittels dessen keine Stabilisierung der Membran 30 mehr erfolgt, die somit einreißt, sodass das Entweichen eines vergleichsweise großen Volumens der Gase 36 ungehindert ermöglicht ist.
In Figur 11 ist eine Variante des Abdeckelements 34 in einer Draufsicht dargestellt. Das Abdeckelement 34 weist mehrere Abdeckflügel 46 auf, die an jeweils zueinander beabstandeten Anbindungspunkten 48 an dem Zellgehäuse 26 angebunden, nämlich befestigt, sind. Die Anbindungspunkte 48 umgeben die Öffnung 28, und die Abdeckflügel 46 sind derart angeordnet, dass diese an dem dem jeweiligen Anbindungspunkt 48 gegenüberliegenden Ende zumindest teilweise einander und die Öffnung 28, und daher auch die Membran 30, überdecken. Die Abdeckflügel 46 sind flexibel ausgestaltet und zum Beispiel aus einem Polymer gefertigt. Bei Überschreiten des Grenzwerts durch die Druckdifferenz werden in die Abdeckflügel 46 an dem von den jeweiligen Anbindungspunkt 48 beabstandeten Freiende aufgrund des erhöhten Drucks von dem Zellgehäuse 26, an dem diese sonst flächig anliegen, abgehoben, sodass der Gasaustritt ermöglicht ist. Falls die Druckdifferenz hingegen geringer ist, ist ein Gasaustritt von innerhalb des Zellgehäuses 26 und/oder ein Eintritt von Feuchtigkeit von außerhalb des Zellgehäuses 26 in die Öffnung 28 oder zumindest zur Membran 30 aufgrund der vergleichsweise großen Kriechstrecke verhindert, die mittels des Überlapps bereitgestellt ist. Bei einer Alternative sind die Abdeckflügel 46 aus zwei unterschiedlichen Materialien gefertigt, die ein unterschiedliches Temperaturverhalten aufweisen. Dabei ist das Material des der Außenseite des Zellgehäuses 26 zugewandten Teils der Abdeckflügel 46 derart gewählt, dass sich dieses verstärkt zusammen zieht, wenn die Temperatur ansteigt. Infolgedessen werden bei einer erhöhten Temperatur die Abdeckflügel 46 derart verformt, dass die Öffnung 28 und somit die Membran 30 freigegeben ist.
In Figur 12 ist wiederum in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht die Batteriezelle 14 ausschnittsweise dargestellt. Bei dieser Variante ist die Öffnung 28 außenseitig wiederum mittels der Membran 30 abgedeckt. Die Membran 30 wiederum ist vollständig mittels des Abdeckelements 34 abgedeckt, das ein poröses Element 50 umfasst, nämlich eine Schaumkeramik oder einen Schaumstoff. Das poröse Element 50 weist mehrere nicht näher dargestellte Poren auf, die offen sind. Aufgrund der Poren ist ein Gasdurchtritt möglich, wobei dieser aufgrund des erhöhten fluidtechnischen Widerstands begrenzt ist.
Auf der der Membran 30 gegenüberliegenden Seite ist das quaderförmige poröse Element 50 mit einer Schicht 52 versehen, die vollständig fluiddicht ausgestaltet ist. Mittels der Schicht 52 wird sichergestellt, dass die austretenden Gase 36 einen vergleichsweise langen Weg durch das poröse Element 50 zum Austritt nehmen, wobei eine Baugröße des Abdeckelements 34 nicht übermäßig erhöht ist. Auch ist mittels der Schicht 52 sichergestellt, dass auftreffendes Wasser ebenfalls erst nach einem vergleichsweise langen Weg durch das poröse Element 50 zu der Öffnung 28 gelangt, was aufgrund der Kapillareffekte vergleichsweise stark verzögert wird.
In Figur 13 ist gemäß Figur 12 eine weitere Ausgestaltung der Batteriezelle 14 dargestellt. Auch hier ist die Membran 30 an der Außenseite des Zellgehäuse 26 angeordnet und überdeckt die Öffnung 28. Auch das Abdeckelement 34 ist an der Außenseite des Gehäuses 26 angeordnet. Das Abdeckelement 34 umfasst ein Ventil 54 und ist bei der dargestellten Ausführungsform damit gebildet. Das Ventil 54 weist einen fluidundurchlässigen Körper 56 auf, die derart geformt, dass mittels dessen die vollständige Membran 30 umschlossen ist, wenn der Körper 56 an dem Zellgehäuse 26 randseitig anliegt. Der Körper 56 ist aus einem Kunststoff gefertigt und mittels nicht näher dargestellter Führungen längsverschieblich senkrecht zur Fläche der Membran 30 gelagert. Zudem ist der Körper an einem Anschlag 58 mittels mehrerer Feder 60 abgestützt, wobei sich der Körper 56 zwischen dem Anschlag 58 und der Membran 30 befinden. Die Federn 60 sind derart ausgestaltet, dass mittels dieser der Körper 56 gegen die Membran 30 und das Zellgehäuse 26 gedrückt wird, solang die Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb des Gehäuses 26 und der Umgebung des Zellgehäuse 26 kleiner als der Grenzwert von 0,5 bar ist. Wenn der Grenzwert überschritten wird, wird aufgrund des Drucks der Körper 56 entgegen der mittels der Federn 60 aufgebrachten Kraft von der Membran 30 beabstandet, sodass ein Entweichen der Gase 36 ermöglicht ist.
In einer nicht näher dargestellten Variante sind die Federn 60 durch einen Aktor ersetzt, oder der Aktor ist zusätzlich vorhanden. Der Aktor, wie ein Piezoaktor oder ein Magnetelement, wird zum Beabstanden des Körpers 56 von der Membran 30 betätigt, wenn bestimmte Bedingungen vorliegen, wie beispielsweise ein bestimmter Temperaturanstieg.
In Figur 14 ist eine alternative Ausführungsform des Ventils 54 dargestellt. Bei dieser ist der Körper 56 mittels eines Scharniers 62, wie eines Filmscharniers, an weiteren Bestandteilen des Abdeckelements 34 oder dem Zellgehäuse 26 schwenkbeweglich gelagert. Bei einer Variante ist das Ventil 54 nach Art eines Rückschlagventils ausgestaltet, sodass von außen auf den Körper 56 auftreffende Flüssigkeit zu einem Schließen des Ventils 54 führt. Bei nicht näher dargestellten Variante ist der Körper 56 zudem mittels der nicht näher dargestellten Federn 60 belastet, mittels derer der Körper 56 in die geschlossene Position gedrückt oder gezogen wird, wenn die Druckdifferenz geringer als der Grenzwert ist. Bei einer weiteren, nicht dargestellten Variante ist der Körper 56 zusätzlich oder alternativ mittels des Aktors betätigt.
In den Figuren 15 und 16 ist eine abgewandelte Form des Abdeckelements 34 dargestellt. In einer Alternative ist die Polymerschicht 64 auf ein hierzu separates Bauteil aufgebracht, oder mittels der Polymerschicht 64 ist eine weitere Membran gebildet. Die Polymerschicht 64 weist einen Boden 66 auf, an dem mehrere Nanostrukturen 68 befestigt sind. Die Nanostrukturen 68 sind jeweils zueinander jeweils 200nm beabstandet und in einem sich wiederholenden Muster angeordnet. Jede Nanostruktur 68 weist einen an dem Boden 66 befestigten und davon wegweisende Zapfen 70 auf, an dem auf dem dem Boden 66 gegenüberliegenden Freiende eine Verdickung 72 angebunden ist. Die Ausdehnung der Verdickung 72 ist abhängig von einer angelegten elektrischen Spannung. Im Normalzustand des Abdeckelements 34, also wenn keine elektrische Spannung anliegt, sind die Verdickungen 20 derart aufgebläht, dass jeweils benachbarte Verdickungen 20 aneinander anliegen, sodass ein Durchtritt der Gase 36 nicht möglich ist, wie in Figur 15 gezeigt. Falls hingegen eine elektrische Spannung angelegt ist, ziehen sich die Verdickungen 72 zusammen, sodass benachbarte Verdickungen 20 zueinander beabstandet sind. Infolgedessen ist ein Durchtritt der Gase 36 ermöglicht, wie in Figur 16 gezeigt. In Figur 17 ist eine Abwandlung des Abdeckelements 34 gezeigt, das ebenfalls mittels der Polymerschicht 64 gebildet ist. Bei dieser sind jedoch die Nanostrukturen 68 als Mikrogräser ausgestaltet. Mit anderen Worten stehen von dem Boden 66 die einzelnen Zapfen 70 lediglich ab, und diese sind vergleichsweise flexibel ausgestaltet. Hierbei weisen, wie bei der vorherigen Ausführungsform, die Zapfen 70 von dem Zellgehäuse 26 weg bzw. nach außen. Bei einer von außen auftreffenden Flüssigkeitstropfen werden die Zapfen 70 auf den Boden 66 umgebogen, sodass die Zapfen 70 übereinander und aneinander anliegen. Infolgedessen ist ein Durchtritt der Feuchtigkeit vermieden. Sobald die Feuchtigkeit entfernt ist, nehmen die Zapfen 70 im Wesentlichen wieder die ursprüngliche Position ein. Der Durchtritt der Gase 36 von der entgegengesetzten Richtung ist bei den gerade ausgerichteten Zapfen 70 stets möglich.
Bei einer nicht näher dargestellten Variante ist die Form der Zapfen 70 abgeändert, und diese sind beispielsweise verkürzt und/oder konisch ausgestaltet. Bei nicht näher dargestellten Varianten sind die Zapfen 70 vergrößert, sodass die Polymerschicht 64 anstatt der Nanostrukturen 68 Mikrostrukturen aufweist. Mit anderen Worten ist die Größe der Zapfen 70 sowie deren Abstand zueinander vergrößert. Die Form der Zapfen 70 hingegen ist jedoch im Wesentlichen nicht abgeändert.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Rad
Antrieb
Energiespeicher
Schnittstelle
Energiespeichergehäuse
Batteriezelle
Anode
Kathode
Elektrode
Stromschiene
Anschluss
Zellgehäuse Öffnung Membran
Innenwand
Abdeckelement
Gas
Raum
T rocknungselement
Stabilisierungselement weitere Öffnung Abdeckflügel Anbindungspunkt poröses Element
Schicht
Ventil
Körper
Anschlag
Feder
Scharnier
Polymerschicht
Boden
Nanostruktur
Zapfen
Verdickung

Claims

Patentansprüche Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind, und das eine Öffnung (28) aufweist, die mit einer gasdurchlässigen Membran (30) abgedeckt ist, wobei die Membran (30) außenseitig mit einem Abdeckelement (34) zur Begrenzung eines Stoffeintritts in das Zellgehäuse (26) abgedeckt ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) an einer Innenwand (32) des Zellgehäuses (26) befestigt ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses (26) und einem Druck in einem Raum (38) betätigt ist, der zwischen dem Abdeckelement (28) und der Membran (30) gebildet ist. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) ein Ventil (54) umfasst. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) eine Polymerschicht (64) mit Mikro- oder Nanostrukturen (68) umfasst. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (34) mehrere einander und die Membran (30) zumindest teilweise überlappende flexible Abdeckflügel (46) umfasst, die zueinander beabstandet an dem Zellgehäuse (26) angebunden sind. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Trocknungselement (40) zur Reduzierung einer durch die Öffnung (28) in das Zellgehäuse (26) eindringenden Feuchtigkeit. Batteriezelle (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) innenseitig flächig mit dem Trocknungselement (40) abgedeckt ist. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) derart ausgestaltet ist, dass diese einreißt, wenn die Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses (26) und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses (26) einen Grenzwert überschreitet. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (30) im Bereich der Öffnung (28) an einem Stabilisierungselement (42) anliegt, das mehrere weitere Öffnungen (44) aufweist, die jeweils von der Öffnung (28) überdeckt sind.
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US (1) US20250096343A1 (de)
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JP (1) JP2025519209A (de)
KR (1) KR20250011671A (de)
CN (1) CN119605021A (de)
DE (1) DE102022205365A1 (de)
WO (1) WO2023232380A1 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20250202026A1 (en) 2023-12-15 2025-06-19 GM Global Technology Operations LLC Battery cell design with a resealable pressure relief valve
WO2025211797A1 (ko) * 2024-04-03 2025-10-09 주식회사 엘지에너지솔루션 파우치형 전지 케이스 및 이를 포함하는 파우치형 이차전지
DE102024207378A1 (de) 2024-08-05 2026-02-05 Powerco Se Prismatische Batteriezelle und Batterie
KR20260033364A (ko) * 2024-09-02 2026-03-10 삼성에스디아이 주식회사 배터리 셀 및 이를 포함하는 배터리 모듈
DE102024208737A1 (de) * 2024-09-13 2026-03-19 Volkswagen Aktiengesellschaft Batteriezelle mit gasdurchlässig verschlossener Entgasungsöffnung

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS50145428U (de) * 1974-05-20 1975-12-02
JP2006210275A (ja) * 2005-01-31 2006-08-10 Fdk Energy Co Ltd 筒形アルカリ電池
DE102008025422A1 (de) 2008-05-27 2009-12-03 Temic Automotive Electric Motors Gmbh Absorber für aus einem Energiespeicher ausgetretenen Elektrolyt
JP5103489B2 (ja) * 2010-01-29 2012-12-19 日立ビークルエナジー株式会社 密閉型電池
KR101191657B1 (ko) 2010-07-19 2012-10-17 에스비리모티브 주식회사 전지 모듈
EP2709191A4 (de) 2012-03-28 2015-08-19 Optnics Prec Co Ltd Sicherheitsventil und elektrochemisches element
JP6225499B2 (ja) * 2013-05-28 2017-11-08 睦月電機株式会社 密閉型電気化学デバイス用防爆装置
KR102295629B1 (ko) 2013-09-12 2021-08-27 가부시키가이샤 지에스 유아사 축전 장치
DE102013219223A1 (de) 2013-09-25 2015-03-26 Robert Bosch Gmbh Entgasungsventil für Batteriezellen
SG11202110988XA (en) * 2019-04-01 2021-10-28 Spear Power Systems Inc Apparatus for mitigation of thermal event propagation for battery systems
CN209658282U (zh) 2019-05-21 2019-11-19 宁德新能源科技有限公司 外壳、防爆阀及含该防爆阀或该外壳的电池模组
DE102019214755A1 (de) * 2019-09-26 2021-04-01 Mahle International Gmbh Batteriesystem
US12334583B2 (en) 2019-10-21 2025-06-17 W. L. Gore & Associates G.K. Battery with improved gas to moisture permeability ratio
CN112923112B (zh) * 2021-03-30 2025-01-17 天津日津科技股份有限公司 一种具有透气泄压防爆三合一功能的阀体

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