EP4552180A2 - Batteriezelle - Google Patents

Batteriezelle

Info

Publication number
EP4552180A2
EP4552180A2 EP23748727.7A EP23748727A EP4552180A2 EP 4552180 A2 EP4552180 A2 EP 4552180A2 EP 23748727 A EP23748727 A EP 23748727A EP 4552180 A2 EP4552180 A2 EP 4552180A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
predetermined breaking
opening
recess
depression
area
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
EP23748727.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Dagger
Daniel KEGLMEIER
Anton Killer
Paul MEISTER
Piotr Wrzuszczak
Branislav Zlatkov
Stefan BLASCZYK
Joona RIIHIMÄKI
Lisa WEISS
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 EP4552180A2 publication Critical patent/EP4552180A2/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342—Non-re-sealable arrangements
    • 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
    • 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
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/394—Gas-pervious parts or elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • 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 galvanic elements are usually arranged in a cell housing of the battery cell, which is also referred to as a cell cup.
  • the cell housing also protects the electrolyte from environmental influences. So using the respective battery cell If a comparatively large capacity is provided, several such galvanic elements, usually up to 100, are usually arranged in the common cell housing.
  • the individual components of the galvanic elements are designed to be flat and stacked one above the other in a stacking direction, so that a substantially cuboid cell stack is formed.
  • the separator is designed in the form of a band and is provided with several electrodes on opposite sides.
  • the tape is wound into a roll, specifically a so-called “jelly roll”.
  • the galvanic elements are therefore rolled up into a cylindrical shape.
  • the cell housing is shaped depending on the arrangement of the galvanic elements used. It is therefore possible to design this rigidly and, for example, to make it from 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 known as a pouch cell.
  • the cell housing is designed to be comparatively robust, so that the pressure that causes the cell housing to break is never reached when the battery cell is in operation.
  • 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, wherein advantageously operational reliability and/or energy density is increased, and manufacturing costs are expediently reduced.
  • 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. designs. This makes it possible to move the motor vehicle independently of a specific roadway, 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). Alternatively, the motor vehicle is, for example, a boat, an airplane, a helicopter, a multicopter, a bicycle (pedelec) or motorcycle.
  • 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 is formed by means of a metal foil which is coated at least in sections with a layer on one or both sides.
  • 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 work, 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, LMNO or LFP, and/or LTO or graphite for the anode. Si-based, used.
  • 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.
  • the projection on one of the sides is particularly preferably enlarged.
  • the cathodes also protrude from the anodes on one side, with the (enlarged) protrusions being located on opposite sides of the cell stack. In this way, contacting the anodes and cathodes with other components is simplified. 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”.
  • the cell housing suitably has a base body within which the electrodes are arranged.
  • the base body is, for example, pot-shaped and closed by means of a lid of the cell housing. Arranging the electrodes is therefore simplified.
  • a volume of between 0.1 dm3 and 10 dm3 is surrounded by the cell housing, preferably the base body.
  • the cell housing is additionally at least partially filled with an electrolyte, or the electrolyte is, for example, already partially formed by means of the respective active material.
  • the cell housing in particular any base body, is preferably designed to be rigid.
  • the battery cell is a prismatic cell.
  • the cell housing, preferably the base body and/or any cover is made of a metal, such as aluminum, i.e. pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the cell housing, in particular the base body has a cuboid shape, for example.
  • the cell housing, and preferably the base body 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/electrolytes 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 at least some of the electrodes arranged in the cell housing are electrically contacted, so that it is possible to feed and/or remove electrical energy from outside the cell housing to or from the galvanic elements formed by the electrodes via the connection or connections. 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 in particular the possible base body, has a wall with a predetermined breaking area.
  • the wall has the predetermined breaking area.
  • the wall is, for example, flat or curved/uneven.
  • the predetermined breaking area thus covers a certain area of the cell housing, in particular of the base body, namely a part of the wall.
  • the predetermined breaking area is designed in such a way that it breaks at a certain pressure difference between the inside and the outside of the cell housing, so that in particular a mass exchange between the inside of the cell housing and the environment is possible.
  • the breaking of the predetermined breaking area is irreversible. For example, if the pressure difference is exceeded, which is also referred to below as the bursting pressure, the predetermined breaking area breaks completely or only partially. In particular, the area of the predetermined breaking area that breaks and is thus opened depends on the pressure difference that actually exists.
  • the cell housing is in particular designed in such a way that when the bursting pressure is exceeded, the cell housing initially breaks only in the area of the predetermined breaking area, i.e. a part of the wall, whereas the remaining components of the cell housing, in particular the base body, remain intact. These are only damaged if the pressure difference increases further and in this case they break, particularly in an uncontrolled manner.
  • the bursting pressure is preferably selected such that it is less than the pressure difference between a pressure inside the cell housing and a pressure outside the cell housing, which leads to the (uncontrolled) destruction of the cell housing, for example complete bursting or breaking.
  • the burst pressure is between 70% and 90%, between 75% and 85% or 80% of this pressure difference.
  • the predetermined breaking area has an opening which is arranged in particular in a central area, i.e. offset inwards from an edge of the predetermined breaking area.
  • the distance from the opening to an edge of the predetermined breaking area is greater than a quarter of the extent of the predetermined breaking area in the respective direction.
  • the opening is located exactly in the middle of the predetermined breaking area.
  • the area of the opening is smaller than the area before the predetermined breaking range and in particular less than 50%, 20%, 10%, 5%, 1% or 0.1% thereof.
  • the opening is covered by a membrane that is permeable to gas.
  • the membrane is rigidly, i.e. immovably, connected to the cell housing, preferably the base body and/or the predetermined breaking area, so that movement of the membrane with respect to the cell housing/base body is avoided.
  • the area of the membrane is at least equal to the area of the opening or preferably larger, so that the membrane completely overlaps the opening.
  • the membrane is preferably arranged in such a way that the passage of liquids and/or gas between the membrane and the predetermined breaking area is avoided.
  • the membrane is connected to the cell housing in a gas-tight and fluid-tight manner, for example directly or via other components.
  • the membrane is particularly preferably welded to the cell housing, for example the predetermined breaking area, suitably with a circumferential weld seam.
  • a circumferential weld seam for example, an ultrasound, laser or temperature welding process is used for this.
  • 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 there is a distance between the opening and the connection of the membrane to the cell housing, for example the adhesive or the 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 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 permeability of the membrane to moisture, in particular to water vapor is preferably significantly lower.
  • the membrane has a ratio of CO2 permeability to moisture permeability of at least 0.5, at least 1 or at least 1.5. The ratio is preferably more than 0.5 and less than 3.
  • the membrane acts as a barrier to the penetration of moisture, in particular water vapor, into the cell housing.
  • 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 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.
  • a membrane suitable for battery applications is described in WO 2021/079163 A1.
  • the membrane is designed to be flat. In this way, production is simplified and weight is reduced.
  • a recess is made in the wall that has the predetermined breaking area, which is therefore in the predetermined breaking area.
  • the depression is only located in the predetermined breaking area.
  • the wall thickness of the wall i.e. the thickness of the wall
  • the recess extends along a path that is, for example, straight, corrugated/curved or shaped in some other way.
  • the depression is preferably designed to be elongated.
  • the depression is a notch and in particular has a V-shaped cross section.
  • the depression is designed in the manner of a bead or channel.
  • the recess extends to the opening, so that at least a portion of the edge of the opening merges into the recess and/or has a part thereof.
  • the breaking/tearing begins in the area of the depression, which represents a mechanical weakening of the wall. Since the recess extends to the opening, the initial effort required is reduced. Thus, by means of the depression extending up to the opening, it is ensured that, on the one hand, when the bursting pressure is exceeded, the predetermined breaking area actually and always tears, which increases safety. On the other hand, due to the depression extending to the opening, the tearing/breaking begins at the opening and runs along the depression. This also determines the shape of the tear. If the bursting pressure was exceeded only slightly, the predetermined breaking area does not tear completely, but only partially along the recess, so that operation of the battery cell may subsequently continue to be possible.
  • the predetermined breaking area has a reduced wall thickness compared to the rest of the wall, with the wall thickness being reduced again in the area of the recess, i.e. the thickness of the wall. This ensures that if the bursting pressure is exceeded, the wall only tears in the area of the predetermined breaking area.
  • the predetermined breaking area with the exception of any depression or other local reductions in wall thickness, has essentially the same wall thickness as the rest of the wall. In this way, production is made easier. There is also no damage caused by mechanical stress during assembly, which is why robustness is increased.
  • the predetermined breaking area is integrally formed with the rest of the wall and preferably with it.
  • the predetermined breaking area is not formed by an initially separate component that was inserted into a corresponding recess in the wall.
  • the depression is already present in the original forms of the wall or is preferably introduced subsequently, for example by etching, lasering or engraving. In this way, production of the battery cell is made easier.
  • the (intact) Cell housing with wall is created, for which an extrusion process is used, for example.
  • the opening and the recess are then made into the wall, which are therefore not created using original molds of the wall.
  • the opening is then covered with the membrane, which is preferably attached to the cell housing.
  • the membrane is attached to an outside of the cell housing/wall, for example to an outside of the predetermined breaking area or of any base body.
  • 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.
  • the capacity of the battery cell is therefore increased.
  • the membrane is arranged on an inwardly directed side of the predetermined breaking area.
  • the membrane is offset into the interior of the cell housing with respect to the predetermined breaking area. In this way, even at a comparatively high pressure within the cell housing, the membrane does not bulge excessively outwards if, due to the design of the membrane, immediate passage of the gases is not possible.
  • the membrane is at least partially pressed against the inward-facing side of the predetermined breaking area. Consequently, the membrane is stabilized by means of the predetermined breaking area, which increases robustness. The passage of gas between the predetermined breaking area and the membrane is also prevented, which increases the tightness in this area.
  • the opening is preferably covered with a gas-permeable, hydrophobic, i.e. at least water-repellent, further membrane.
  • a contact angle of the material of the further membrane to water is greater than 80°, 90° or 100°, particularly if the material is also exposed to air or is in ambient air.
  • the predetermined breaking area/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 (eg on the so-called gas pocket).
  • the predetermined breaking area/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 predetermined breaking area/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 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 predetermined breaking area/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 predetermined breaking area is, for example, stadium-shaped, round or rectangular.
  • an area of the predetermined breaking area is between 0.01 cm2 and 20 cm2 and preferably between 0.1 cm2 and 10 cm2.
  • the predetermined breaking area has a size of 0.01% and 50% of the area of the cell housing.
  • the predetermined breaking area 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 opening has an area of 50 pm2 to 15 mm2, preferably 0.2 mm2 to 3 mm2.
  • the predetermined breaking area is preferably limited by means of a further depression.
  • the edge of the predetermined breaking area is at least partially formed by means of the further recess, and at the edge of the predetermined breaking area the wall thickness is therefore locally reduced due to the further recess.
  • the wall is also structurally weakened, so that if the bursting pressure is exceeded, a tear also occurs along the further depression, which is why the predetermined breaking area is also opened at the edge.
  • the edge of the predetermined breaking area is formed by means of the further depression. If the wall tears along the further depression when the bursting pressure is exceeded, the tearing does not occur along the part of the edge of the predetermined breaking area that does not have the further depression. Consequently, even if the further depression is completely torn, the components of the predetermined breaking area remain on the wall and are bent outwards, so that a kind of film hinge is formed. Thus, an uncontrolled Moving away individual fragments of the wall is avoided, which prevents damage to surrounding components.
  • the further recess is circumferential, so that the complete predetermined breaking area is enclosed by the further recess.
  • the depression is spaced from the further depression.
  • the depression particularly preferably extends to a further depression.
  • the two depressions merge into one another. Consequently, when the bursting pressure is exceeded, the depression begins to tear at the opening, and the tearing is directed to the further depression, which subsequently also tears.
  • the tearing of the predetermined breaking area begins at the opening, runs along the depression to the further depression and then along the further depression. This reduces the amount of force required to initially tear the further depression. Consequently, it is ensured that the predetermined breaking area tears at least partially on the circumference, so that a comparatively large part of the wall is released. This results in a comparatively quick pressure equalization.
  • an angle between the depression and the further depression is arbitrary or, for example, 90°.
  • the angle between the depression of the further depression, as in the area of the transition is particularly preferably greater than 110°.
  • the angle is expediently greater than 140° or 170°.
  • the intersection of the depression with the further depression forms the apex of the angle. In this way it is ensured that the tearing of the recess is also carried over to the further recess, and the effort required to start tearing the further recess is reduced.
  • the depression and/or the further depression in the area of meeting are straight. However, the transition between these is particularly preferably curved. In this way, the effort required to start tearing the further depression is further reduced, which is why the tearing continues safely as soon as it has begun.
  • the predetermined breaking area only has the depression and, if necessary, the further depression.
  • the additional depression By means of the additional depression, a local reduction in the wall thickness is also provided. This means that when exceeded of the bursting pressure, the predetermined breaking area is also opened along the additional depression, so that a large part of the predetermined breaking area is released comparatively quickly, so that rapid pressure equalization is possible.
  • the additional recess is located on the opposite side of the opening with respect to the recess.
  • an angle between the recess and the additional recess, with the opening forming the apex of the angle is greater than 160° or 170°.
  • the angle is 180°.
  • the recess and the additional recess are designed in an S-shape and, for example, point-symmetrical to one another with respect to the opening. This means that if the bursting pressure is exceeded, a comparatively large area is released quickly.
  • the additional depression also extends to the further depression, if this is present.
  • the tearing of the further depression thus begins at two different locations, namely in the area of the intersection with the depression and the area of the intersection with the additional depression, which is why the area released within a certain time due to the tearing/breaking is further enlarged.
  • only the depression and the additional depression are present, which extend to the opening.
  • further such additional depressions are present, which also extend to the opening, which is why the area released within a certain period of time after the bursting pressure is exceeded is further enlarged.
  • the cell housing only has the single opening that is covered by the membrane.
  • the cell housing includes several such openings, each of which is covered with the membrane.
  • the membrane is designed to be continuous, or each of the openings is assigned a corresponding (separate) membrane. It is particularly preferred that these are installed on the same wall.
  • the battery cell therefore has, in addition to the opening, a second opening and possibly further such openings.
  • the second opening is arranged outside the predetermined breaking area.
  • the second opening is a component of the predetermined breaking area, and the second opening is arranged in particular symmetrically with respect to the opening.
  • the second opening is covered either with the membrane or with another second membrane, so that gas can pass through here too, but moisture does not enter the cell housing.
  • the edge surrounding the second opening is intact.
  • the area around the second opening has a constant wall thickness.
  • a second recess extending up to the second opening is made in the wall in the predetermined breaking area.
  • the second opening and/or the second recess is designed to be identical to the opening or recess. Alternatively, these differ, for example in their dimensions, so that different optimization can take place.
  • the predetermined breaking area also tears open there when the bursting pressure is exceeded. This means that the area released within a certain period of time after the bursting pressure has been exceeded is further increased, although in normal operation there is no excessive structural weakening of the cell housing or penetration of foreign particles into the battery cell. Manufacturing costs are also not increased or are only slightly increased, and the second opening and the second recess are introduced into the wall in particular in the same work step as the opening and the recess.
  • the second depression in particular extends to the further depression, which is why the tearing is directed to the further depression via the second depression.
  • the connecting recess is made in the wall, i.e. also a local reduction in the wall thickness, with the connecting recess running between the two openings, i.e. extending up to the two openings. Consequently, even if the bursting pressure is exceeded, the area between the two openings is torn by means of the connecting recess, the tearing starting in particular from both openings. This further increases the speed at which a specific area is released after the bursting pressure has been exceeded.
  • the connecting recess is straight or, particularly preferably, corrugated or curved.
  • connection recess is increased, which is why an area for the passage of gas after the bursting pressure is exceeded is increased, so that a comparatively quick pressure equalization can take place.
  • second openings and corresponding second depressions are present.
  • the size of the membrane is smaller than the size of the (complete) predetermined breaking area.
  • the predetermined breaking area completely covers the membrane.
  • the membrane surface can also be optimized regardless of the size of the predetermined breaking area with regard to the necessary size and its connection to the predetermined breaking area/cell housing.
  • the size of the membrane is larger than the size of the predetermined breaking area and the membrane overlaps the predetermined breaking area. In this way, when the membrane is attached to the cell housing, particularly at the edge, there is no influence on the predetermined breaking area.
  • the predetermined breaking area includes further auxiliary recesses that are spaced apart from the opening or other openings.
  • the auxiliary recesses extend, for example, to another of the existing recesses or are also spaced from these.
  • a form of tearing is specified in particular, so that the predetermined breaking area is opened in a desired manner.
  • the depressions of the predetermined breaking area differ from one another. However, it is particularly preferred that these have essentially the same depth, which makes production easier. If the bursting pressure is exceeded, an undifferentiated tearing occurs, so that, for example, if one of the recesses malfunctions, the rest of the construction is not affected.
  • the cross section of the depressions is the same as each other, so that they can be produced with the same tool.
  • at least one of the depressions has a different depth. It is therefore possible to specify the process of tearing the predetermined breaking area and to adapt this, for example, to components surrounding the battery cell in the assembled state.
  • 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 with a predetermined breaking area
  • Fig. 4 shows a schematic sectional view of the predetermined breaking area
  • 5 - 12 each schematically shows variants of the predetermined breaking area in a top view.
  • 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 drive 6 is 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. Some of the battery modules are in turn electrically connected in series with one another and these in turn are electrically connected in parallel with 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 is 400 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 other components, but in the other areas a layer is applied to the respective arrester, which is also referred to as a carrier, 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 an associated busbar 22, which is made of copper.
  • one of the busbars 22 is assigned to the anodes 16 and the cathodes 18.
  • the busbars 22 each have a connection 24, which is guided through a cuboid cell housing 26, within which the anodes 16 and the cathodes 18 are arranged.
  • the cell housing 26 is designed to be rigid and made of aluminum.
  • the battery cell 14 is therefore a prismatic cell.
  • the cell housing 26 is filled with a liquid electrolyte, not shown.
  • the cell housing 26 has a wall 28 with a predetermined breaking area 30, which has an area of 5 cm 2.
  • the predetermined breaking region 30 is designed such that it breaks at a pressure difference between a pressure outside the cell housing 26 and a pressure inside the cell housing 26 that exceeds a bursting pressure of 1 bar, so that the cell housing 26 is opened and pressure equalization can take place.
  • the bursting pressure is 90% of the maximum pressure load on the cell housing 26, i.e. the pressure difference at which irreversible and uncontrolled destruction of the cell housing 26 occurs.
  • the predetermined breaking area 30 is shown schematically in a top view in FIG. 3 and in a sectional view in FIG. 4.
  • the predetermined breaking area 30, which is integral with the rest of the wall 28 is, is stadium-shaped and has an opening 32 and a second opening 34, each of which passes through the complete predetermined breaking area 30, i.e. the wall 28.
  • the opening 32 and the second opening 34 are covered by a gas-permeable membrane 36, which is attached to the inside of the wall 28, namely the inside of the predetermined breaking area 30, for example by welding.
  • the size of the membrane 36 is smaller than the size of the predetermined breaking area 30, but the passage of particles from the inside of the cell housing 26 to the outside and vice versa is only possible through the membrane 36.
  • the membrane 36 is made of PTFE, so that this prevents moisture from entering the interior of the cell housing 26. However, CH4, for example, can escape from the cell housing 26 through the membrane 26 and the opening 32 and the second opening 34.
  • a recess 38 extending up to the opening 32 is made, namely in the inside of the wall 28.
  • the recess 38 has a wavy/curved course and extends up to the opening 32, the recess 38 being partially covered by the membrane 36 , and wherein the membrane 36 partially fills the recess 38.
  • the depression 38 is a local reduction in the thickness of the wall thickness of the wall 28 in the predetermined breaking area 30, a cross section of the depression 38 being rectangular in the example shown.
  • two additional recesses 40 extending up to the opening 32 are introduced into the wall 28 in the predetermined breaking area 30, these also having a wavy or curved course.
  • the depth of the additional depressions 40 corresponds to the depth of the depression 38, and otherwise they are designed in the same way.
  • One of the additional depressions 40 is arranged point-symmetrically to the depression 38 with respect to the opening 32.
  • the recess 38 and this additional recess 40 meet at an angle of 180 ° at the opening 32.
  • the remaining additional depressions 40 are rotationally symmetrical with respect to the depression 38 or the other additional depression 40 with respect to the opening at an angle of 90°.
  • a second recess 42 is also introduced into the wall 28 in the predetermined breaking area 30 and extends to the second opening 34, which is essentially identical in construction to the recess 38 but is offset from the second opening 34.
  • the second opening 34 is also assigned two additional second recesses 44, which are made in the wall 28 in the predetermined breaking area 30, and which extend up to the second opening 34 are sufficient.
  • One of the additional second depressions 44 is point-symmetrical to the second depression 42 with respect to the second opening voltage 34, and the remaining additional second recess 44 is rotationally symmetrical about an angle of 90 ° to the second recess 42 and the other additional second recess 44 with respect to the second opening 42.
  • the recess 38, the additional recesses 40, the second recess 42 as well as the additional second depressions 44 always have the same cross section as well as the same length and the same course, with only the orientation and/or assignment to the respective opening 32, 34 being different.
  • the predetermined breaking area 30 is delimited by means of a further circumferential recess 46, which thus forms the edge of the predetermined breaking area 30. Consequently, the course of the further depression 46 is stadium-shaped, with the cross section of the further depression 46 corresponding to the cross section of the depression 38.
  • the depression 38, the additional depressions 40, the second depression 42 and the additional second depressions 44 extend to the further depression 46 and merge into it. Due to the curved course of the recess 38, additional recesses 40, second recess 34 and the additional second recesses 44, the angle formed between these and the further recess 46 is greater than 110° at the intersection, with a substantially continuous transition being present.
  • a connecting recess 48 is also introduced into the inside of the wall 28 and extends up to the opening 32 and the second opening 34.
  • the two openings 32, 34 are connected by means of the connecting recess 48.
  • the depth and cross section of the connecting recess 48 corresponds to the respective value of the recess 38.
  • the course of the connecting recess 48 is wavy, and this meets one of the additional recesses 40 at the opening 32 at an angle of 180 °, and at the second opening 34 on one of the additional second recess 44 also at an angle of 180 °.
  • the predetermined breaking area 30 also begins from the second opening 34 along the second recess 42, the additional second recesses 44 and the connecting recess 48 to tear down. Due to the local reduction in wall thickness, the amount of force required to start tearing is reduced, so that tearing always begins when the bursting pressure is exceeded. Due to the tearing, an area for the gas to escape is increased, so that the increase in pressure is limited. As soon as the pressure no longer increases, the tearing stops and the predetermined breaking area 30 remains partially open.
  • the tearing will continue.
  • the tearing takes place until the complete depression 38, the additional depressions 40, the connecting depression 48, the second depression 42 and the additional second depressions 44 are completely torn open. From these, the tearing passes to the further depression 46, which also begins to tear, namely in six different places. Due to the transition from the individual depressions 38, 40, 42, 44 to the further depression 46, the further depression 46 tears in a clockwise direction from the points in the example shown. If the further recess 46 is completely torn, the individual components of the predetermined breaking area 30 are detached from the rest of the wall 28 and are detached from it due to the excess pressure in the cell housing 26.
  • FIG. 5-11 show different embodiments of the predetermined breaking region 30 according to the illustration in FIG. 3, which, however, are always stadium-shaped.
  • the respective predetermined breaking area 30 is also limited by means of the further recess 46.
  • the membrane 36 and the two openings 32, 34 are not modified.
  • the connecting recess 48, the additional recesses 40, the additional second recesses 44 are not present.
  • the depression 38 and the second depression 42, which extend to the respective opening 32, 34, are present. However, these are now designed in a straight line and point away from the other opening 32, 34 in the direction of the further depression 46.
  • the depression 38 and the second depression 42 are spaced from the further depression 46.
  • the area initially released by tearing the two recesses 38, 42 is limited, so that operation of the battery cell 14 is still possible with a comparatively small increase in pressure. Only when the pressure difference is comparatively large does the further depression 46 tear, so that the entire predetermined breaking area 30 is released.
  • the modification of the predetermined breaking region 30 shown in FIG. 6 is based on the variant shown in FIG. Deviating from this, only the recess 38 and the second recess 42 are extended and curved at the ends, so that they each open into the further recess 46 via an arch. Thus, after the recess 38 or the second recess 42 has been completely torn, this is introduced into the further recess 46 via the respective intersection point. This essentially results in a continuous tearing and release of the predetermined breaking area 30.
  • FIG. 7 A further modification is shown in Figure 7, whereby the two openings 32, 34, the membrane 36 and the further recess 46 are present unchanged.
  • the depression 38 in turn extends from the opening 32 to the further depression 46, and one of the additional depressions 40 is present, which is arranged point-symmetrically to the depression 38 with respect to the opening 32.
  • the course of the depression 38 and the additional depression 40 is now straight and perpendicular to the course of the longitudinal axis of the stadium-like predetermined breaking region 30.
  • the depression 38 and the additional depression 40 each open into the further depression 46 at an angle of 90 °.
  • the second recess 42 is designed to correspond to the recess 38, and one of the additional second recesses 44 is present, which is shaped to correspond to the additional recess 40.
  • the further recess 46 tears in both directions starting from the intersection points with the other recesses 38, 40, 42, 44 after they have been completely torn, so that a speed at which the further recess 46 is completely torn is
  • the variant of the predetermined breaking region 30 shown in FIG. 8 essentially corresponds to the variant shown in FIG. Only the further depression 46 is modified and no longer circumferential.
  • the further recess 46 is now divided into two sections, and the predetermined breaking area 30 merges essentially continuously into the rest of the wall 28 at two different points.
  • the two points are located along the longitudinal axis of the predetermined breaking region 30 at opposite ends, with the predetermined breaking region 30 being designed axially symmetrical with respect to the longitudinal axis. Due to the interrupted design of the further recess 46, some components of the predetermined breaking area 38 remain on the rest of the wall 28 after the complete tearing. These components of the predetermined breaking area 30 are bent outwards due to the pressure difference with respect to the cell housing 26.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the predetermined breaking region 30, with the two openings 32, 34 and the membrane 36 remaining unchanged.
  • the two openings 32, 34 are connected by means of the connecting recess 48, which is rectilinear and runs along the longitudinal axis of the stadium-like predetermined breaking region 30.
  • the recess 38 which is bent in an S-shape, opens into the opening 32.
  • the opposite end of the recess 38 opens into the further recess 46.
  • the second recess 42 is designed to be a mirror image of this and also S-shaped, so that it opens into the second opening 34 at the end opposite the connecting recess 48.
  • the further recess 46 is designed to be shortened and begins at the recess 38 and the second recess 42 in this. Thus, part of the predetermined breaking area 30 also remains on the rest of the wall 28 when all of the depressions 38, 42, 46, 48 are torn.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the predetermined breaking region 30, the further depression 46 again being designed to be circumferential.
  • the membrane 36 is also present unchanged.
  • the second opening 34 has been omitted, so that only the opening 32 is present, which is now arranged in the center of the predetermined breaking region 30.
  • the rectilinear recess 38 and one of the rectilinear additional recesses 40 open into the opening 32 on opposite sides, namely at an angle of 180 ° to one another.
  • the depression and the additional depression 40 each open into the further depression 46 at an angle of 120°.
  • production of the predetermined breaking region 30 is simplified.
  • FIG. 11 A final embodiment of the predetermined breaking region 30 is shown in FIG. 11, with the further recess 46 and the opening 32 not being changed compared to the previously shown example.
  • the recess 38 and the additional recess 40 which run in a straight line and are located on opposite sides of the opening 32. However, these are now arranged perpendicular to the course of the predetermined breaking area 30 and thus cut the further depression 46 at an angle of 90 °.
  • the membrane 36 is designed to be extended in the longitudinal direction and covers the second opening 34, which is now arranged outside the predetermined breaking area 30.
  • a further opening 50 is introduced into the wall 28 with respect to the opening 32, which is also covered by the extended membrane 36.
  • gas can exit through all three openings 32, 34, 50. If the predetermined breaking area 30 is torn, the second opening 34 and the further opening 50 are not affected. flows.
  • the membrane 36 is designed to be narrower than the predetermined breaking area 30. In a variant not shown in more detail, the membrane 36 is enlarged so that the entire predetermined breaking area 30 is covered by it. This configuration of the membrane 36 can also be used in the other previous examples.
  • the variant shown in Figure 12 essentially corresponds to the embodiment shown in Figure 3. Only the membrane 36 is enlarged, so that it is now larger than the predetermined breaking area 30. The membrane 36 also completely overlaps the predetermined breaking area 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind. Das Zellgehäuse (262) weist eine Wand (28) mit einem Sollbruchbereich (30) auf, wobei der Sollbruchbereich (30) eine Öffnung (32) umfasst, die mittels einer gasdurchlässigen Membran (36) abgedeckt ist. In die Wand (28) ist im Sollbruchbereich (30) eine bis zur Öffnung (32) reichende Vertiefung (38) eingebracht.

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 auch als Zellbecher bezeichnet wird. Auch wird mittels des Zellgehäuses der Elektrolyt vor Umwelteinflüssen 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“. Somit sind die galvanischen Elemente zu einer Zylinderform aufgerollt.
Je nach verwendeter Anordnung der galvanischen Elemente ist das Zellgehäuse geformt. So ist es möglich, dieses starr auszugestalten und beispielsweise aus einem Aluminium zu fertigen. Hierbei ist der Form des Zellgehäuse 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 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 eine Dekontaktierung einzelner Elektroden erfolgen kann, 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 vermeiden, ist eine spezielle Auswahl der einzelnen Materialien der Elektroden erforderlich, was einerseits Herstellungskosten erhöht. Andererseits ist bei derartigen Materialien eine Kapazität der Batteriezelle herabgesetzt. Alternativ hierzu sind beispielsweise in dem Zellgehäuse zusätzliche Elemente vorhanden, mittels derer die entstehenden Gase gebunden und/oder umgesetzt werden. Bei einer weiteren Variante ist das Zellgehäuse vergleichsweise robust ausgestaltet, sodass der Druck, der zu einem Brechen des Zellgehäuses führt, bei Betrieb der Batteriezelle nie erreicht wird. Aufgrund der zusätzlichen Elemente bzw. der robusten Ausgestaltung des Zellgehäuses 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, wobei zweckmäßigerweise Herstellungskosten reduziert sind.
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 Energiespeicher/Batterie- modul 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 ausge- staltet. 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). Alternativ ist das Kraftfahrzeug beispielsweise ein Boot, ein Flugzeug, ein Helikopter, ein Multicopter, ein Fahrrad (Pede- lec)oder Motorrad.
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. Vorzugsweise ist jedoch eine Anode mehr als Kathode vorhanden. Besonders bevorzugt sind 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 der Aufnahme von Ar- beitsionen, 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(lll)-Oxid (LiCoO2), NMC, beispielsweise NMC622 oder NMC811, NCA, LMNO oder LFP, und/oder für die Anode LTO oder Graphit, Si-basiert, 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. Besonders bevorzugt ist hierbei der Überstand auf einer der Seiten vergrößert. Vorzugsweise stehen ebenfalls auch die Kathoden einseitig über die Anoden über, wobei sich die (vergrößerten) Überstände auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Zellstapels befinden. Auf diese Weise ist eine Kontaktierung der Anoden und Kathoden mit weiteren Bestandteilen vereinfacht. 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“. Geeigneterweise weist das Zellgehäuse einen Grundkörper auf, innerhalb dessen die Elektroden angeordnet sind. Der Grundkörper ist hierbei beispielsweise topfförmig ausgestaltet und mittels eines Deckels des Zellgehäuses verschlossen. Somit ist ein Anordnen der Elektroden vereinfacht. Insbesondere ist mittels des Zellgehäuses, vorzugsweise des Grundkörpers, ein Volumen zwischen 0,1 dm3 und 10 dm3 umgeben. Beispielsweise ist zusätzlich das Zellgehäuse zumindest teilweise mit einem Elektrolyten befüllt, oder der Elektrolyt ist beispielsweise teilweise bereits mittels des jeweiligen Aktivmaterials gebildet. Das Zellgehäuse, insbesondere der etwaige Grundkörper, ist vorzugsweise starr ausgestaltet. Mit anderen Worten handelt sich bei der Batteriezelle um eine prismatische Zelle. Insbesondere ist das Zellgehäuse, vorzugsweise der Grundkörper und/oder der etwaige Deckel, aus einem Metall, wie einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Das Zellgehäuse, insbesondere der Grundkörper, weist zum Beispiel eine Quaderform auf. Alternativ hierzu ist das Zellgehäuse, und vorzugsweise der Grundkörper, 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/Elektrolyten mit Umgebungsluft oder sonstigen Partikeln. Mit anderen Worten sind die Elektroden innerhalb des Zellgehäuse 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 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, insbesondere der etwaige Grundkörper, weist eine Wand mit einem Sollbruchbereich auf. Mit anderen Worten weist die Wand den Sollbruchbereich auf. Die Wand ist dabei zum Beispiel flach oder gewölbt/uneben ausgestaltet. Der Sollbruchbereich überdeckt somit eine bestimmte Fläche des Zellgehäuses, insbesondere des Grundkörpers, nämlich einen Teil der Wand. Der Sollbruchbereich ist derart ausgestaltet, dass dieser bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Zellgehäuses bricht, sodass insbesondere ein Stoffaustausch zwischen dem Inneren des Zellgehäuses und der Umgebung ermöglicht ist. Das Brechen des Sollbruchbereichs ist hierbei irreversibel. Zum Beispiel bricht bei Überschreiten der Druckdifferenz, der nachfolgend insbesondere auch als Berstdruck bezeichnet wird, der Sollbruchbereich vollständig oder lediglich teilweise. Insbesondere ist hierbei die Fläche des Sollbruchbereichs, die bricht und somit geöffnet wird, abhängig von der tatsächlich vorhandenen Druckdifferenz.
Das Zellgehäuse ist hierbei insbesondere derart ausgebildet, dass bei Überschreiten des Berstdrucks zunächst das Zellgehäuse lediglich im Bereich des Sollbruchbereichs, also ein Teil der Wand, bricht, wohingegen die restlichen Bestandteil des Zellgehäuses, insbesondere des Grundkörpers, unversehrt bleiben. Diese werden lediglich bei einer weiter erhöhten Druckdifferenz beschädigt und brechen in diesem Fall insbesondere unkontrolliert. Der Berstdruck ist vorzugsweise derart gewählt, dass dieser geringer als die Druckdifferenz zwischen einem Druck innerhalb des Zellgehäuses und einem Druck außerhalb des Zellgehäuses ist, der zu der (unkontrollierten) Zerstörung des Zellgehäuses führt, beispielsweise einem vollständigen Bersten oder Brechen. Vorzugsweise ist der Berstdruck zwischen 70% und 90%, zwischen 75% und 85% oder 80 % dieser Druckdifferenz.
Der Sollbruchbereich weist eine Öffnung auf, die insbesondere in einem mittleren Bereich, also von einem Rand des Sollbruchbereichs nach innen versetzt, angeordnet ist. Geeigneterweise ist der Abstand der Öffnung zu einem Rand des Sollbruchbereichs größer als ein Viertel der Ausdehnung des Sollbruchbereichs in die jeweilige Richtung. Insbesondere befindet sich die Öffnung genau in der Mitte des Sollbruchbereich. Die Fläche der Öffnung ist kleiner als die Flä- ehe des Sollbruchbereichs und insbesondere kleiner als 50 %, 20 %, 10 %, 5 %, 1 % oder 0,1% hiervon.
Die Öffnung ist mittels einer Membran abgedeckt, die gasdurchlässig ist. Insbesondere ist die Membran starr, also unbeweglich, an dem Zellgehäuse, vorzugsweise dem Grundkörper und/oder dem Sollbruchbereich, angebunden, sodass eine Bewegung der Membran bezüglich des Zellgehäuses/ Grundkörpers vermieden ist. Die Fläche der Membran ist zumindest gleich der Fläche der Öffnung oder bevorzugt größer, sodass die Membran die Öffnung vollständig überlappt. Vorzugsweise ist die Membran derart angeordnet, dass ein Durchtritt von Flüssigkeiten und/oder Gas zwischen der Membran und dem Sollbruchbereich hindurch vermieden ist. Mit anderen Worten ist die Membran gas- und fluiddicht an dem Zellgehäuse angebunden, beispielsweise direkt oder über weitere Bestandteile. Besonders bevorzugt ist hierfür die Membran mit dem Zellgehäuse, z.B. dem Sollbruchbereich, verschweißt, geeigneterweise mit einer umlaufenden Schweißnaht. Hierfür wird beispielsweise ein Ultraschall-, Laser- oder Temperaturschweißverfahren verwendet. 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. der Schweißnaht, ist ein Abstand vorhanden. 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 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 Feuchtigkeit, insbesondere für Wasserdampf, ist jedoch vorzugsweise deutlich geringer. Insbesondere hat die Membran ein Verhältnis der CO2-Durchlässigkeit zur Feuchtigkeitsdurchlässigkeit von mindestens 0,5, von mindestens 1 oder mindestens 1,5. Bevorzugt ist das Verhältnis mehr als 0,5 und weniger als 3. Insbesondere wirkt die Membran als Barriere für das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasserdampf, in das Zellgehäuse. 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 Feuchtigkeit und Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, in das Zellgehäuse erschwert oder signifikant reduziert. Die Membran ist insbesondere aus einem Polymer gefertigt und zum Beispiel eine Folie, beispielsweise eine 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. Eine für Batterieanwendungen geeignete Membran ist in der WO 2021/079163 A1 beschrieben. Beispielsweise ist die Membran flach ausgestaltet. Auf diese Weise ist eine Fertigung vereinfacht und ein Gewicht verringert.
In die Wand, die den Sollbruchbereich aufweist, ist eine Vertiefung eingebracht, die sich somit im Sollbruchbereich befindet. Insbesondere befindet sich hierbei die Vertiefung lediglich in dem Sollbruchbereich. Mittels der Vertiefung erfolgt eine Reduzierung der Wandstärke der Wand, also der Dicke der Wand, wobei die Vertiefung lediglich lokal ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Vertiefung entlang einer Strecke, die beispielsweise geradlinig gewellt/gebogen oder in sonstiger Weise geformt ist. Bevorzugt ist die Vertiefung längliche ausgestaltet. Beispielsweise ist die Vertiefung eine Kerbe und weist insbesondere einen V-förmigen Querschnitt auf. Alternativ hierzu ist die Vertiefung nach Art einer Sicke oder Rinne ausgestaltet. Die Vertiefung reicht bis zur Öffnung, sodass zumindest ein Abschnitt des Rands der Öffnung in die Vertiefung übergeht und/oder ein Teil hiervon aufweist.
Aufgrund der gasdurchlässigen Membran ist im Wesentlichen eine kontinuierliche Entgasung des Zellgehäuses möglich, sodass ein Ausbilden einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses, insbesondere aufgrund eines ungewollten Entstehens von Gasen in dem Zellgehäuse bei Betrieb der Batteriezelle, vermieden oder verlangsamt ist. Aufgrund der vergleichsweise geringen Fläche der Öffnung ist dabei einerseits eine mechanische Integrität des Zellgehäuses lediglich unwesentlich verringert. Andererseits ist lediglich in diesem Bereich ein Eindringen von Fremdstoffen, wie Feuchtigkeit oder Flüssigkeiten, in das Zellgehäuse prinzipiell möglich, was vergleichsweise unwahrscheinlich ist. Somit ist ein vergleichsweise sicherer Betrieb der Batteriezelle über einen vergleichsweise langen Zeitraum möglich, sodass eine Betriebssicherheit erhöht ist. Mit anderen Worten erfolgt bei einem ungestörten Betrieb der Batteriezelle aufgrund der im Wesentlichen kontinuierlicher Entlassung über die Membran kein übermäßiges Ansammeln der Gase innerhalb des Zellgehäuses, sodass die Druckdifferenz zwischen der Umgebung des Zellgehäuses und dem Inneren des Zellgehäuses vergleichsweise gering bleibt. Falls jedoch aufgrund von ungewollten chemischen Reaktionen in dem Zellgehäuse, beispielsweise bei einer Überlastung, die Druckdifferenz vergleichsweise stark und schnell ansteigt, sodass die entstehenden Gase nicht ausreichend über die Öffnung und die Membran abgeführt werden können, bricht der Sollbruchbereich, und das Zellgehäuse wird an einer definierten Stelle, nämlich in dem Sollbruchbereich, geöffnet. Folglich ist eine unkontrollierte Beschädigung des Zellgehäuses und ein unkontrollierter Einfluss auf die Umgebung vermieden. Vielmehr erfolgt dies lediglich im Bereich des Sollbruchbereichs, und es ist somit möglich, die Einbausituation der Batteriezelle hierauf anzupassen. Somit ist eine Betriebssicherheit erhöht.
Das Brechen/Einreißen beginnt hierbei im Bereich der Vertiefung, die eine mechanische Schwächung der Wand darstellt. Da die Vertiefung bis zur Öffnung reicht ist hierfür ein initialer Kraftaufwand verringert. Somit wird mittels der bis zur Öffnung reichenden Vertiefung sichergestellt, dass einerseits bei Überschreiten des Berstdrucks tatsächlich und stets ein Einreißen des Sollbruchbereichs erfolgt, was eine Sicherheit erhöht. Andererseits beginnt aufgrund der bis zur Öffnung reichenden Vertiefung das Einreißen/Brechen bei der Öffnung und verläuft entlang der Vertiefung. Somit ist auch die Form des Einreißens vorgegeben. Falls der Berstdruck lediglich gering überschritten wurde, reißt somit der Sollbruchbereich nicht vollständig, sondern lediglich teilweise entlang der Vertiefung auf, sodass nachfolgend gegebenenfalls auch weiterhin ein Betrieb der Batteriezelle möglich ist.
Beispielsweise weist der Sollbruchbereich im Vergleich zum Rest der Wand eine verringerte Wandstärke auf, wobei im Bereich der Vertiefung die Wandstärke nochmals reduziert ist, also die Dicke der Wand. Somit ist sichergestellt, dass bei Überschreiten des Berstdrucks die Wand lediglich im Bereich des Sollbruchbereichs einreißt. Alternativ hierzu weist der Sollbruchbereich, mit Ausnahme der etwaigen Vertiefung oder sonstiger lokaler Verringerungen der Wanddicke, im Wesentlichen die gleiche Wanddicke wie der Rest der Wand auf. Auf diese Weise ist eine Herstellung erleichtert. Auch erfolgt bei einer mechanischen Belastung während der Montage keine Beschädigung, weswegen eine Robustheit erhöht ist.
Besonders bevorzugt ist der Sollbruchbereich einstückig mit dem Rest der Wand und vorzugsweise mit dieser urgeformt. Mit anderen Worten ist der Sollbruchbereich nicht mittels eines zunächst separaten Bauteils gebildet, dass in eine entsprechende Aussparung der Wand eingesetzt wurde. Somit ist eine Fertigung erleichtert. Beispielsweise ist die Vertiefung bereits bei Urformen der Wand vorhanden oder wird bevorzugt nachträglich eingebracht, beispielsweise mittels Ätzens, Laserns oder Gravierens. Auf diese Weise ist eine Herstellung der Batteriezelle erleichtert. Zur Herstellung der Batteriezelle wird insbesondere zunächst das die (unversehrte) Wand aufweisende Zellgehäuse erstellt, wofür beispielsweise ein Strangpressverfahren verwendet wird. In die Wand wird nachfolgend die Öffnung und die Vertiefung eingebracht, die somit nicht mittels Urformen der Wand erstellt werden. Nachfolgend wird die Öffnung mit der Membran abgedeckt, die vorzugsweise an dem Zellgehäuse befestigt wird.
Beispielsweise ist die Membran an einer Außenseite des Zellgehäuses/Wand, zum Beispiel an einer Außenseite des Sollbruchbereichs oder des etwaigen Grundkörpers, 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 Kapazität der Batteriezelle erhöht. Auch ist es auf diese Weise möglich, eine Fläche der Membran größer als die Fläche der Öffnung zu wählen. Nach Durchtritt der Gase durch die Öffnung steht somit für diese eine vergrößerte Oberfläche zum Durchtritt durch die Membran zur Verfügung.
In einer Alternative ist die Membran an einer nach innen gerichteten Seite des Sollbruchbereichs angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich die Membran bezüglich des Sollbruchbereichs in das Innere des Zellgehäuses versetzt. Auf diese Weise wird auch bei einem vergleichsweise hohen Druck innerhalb des Zellgehäuses die Membran nicht übermäßig nach außen ausgebeult, wenn aufgrund der Ausgestaltung der Membran kein sofortiger Durchtritt der Gase ermöglicht ist. Hierbei wird die Membran zumindest teilweise an die nach innen gerichtete Seite des Sollbruchbereichs gedrückt. Folglich wird die Membran mittels des Sollbruchbereichs stabilisiert, was eine Robustheit erhöht. Auch wird ein Durchtritt von Gas zwischen dem Sollbruchbereich und der Membran verhindert, was eine Dichtigkeit in diesem Bereich erhöht.
Vorzugsweise ist die Öffnung mit einer gasdurchlässigen, hydrophoben, also zumindest Wasser abstoßenden, weiteren Membran abgedeckt. Vorzugsweise ist ein Kontaktwinkel des Materials der weiteren Membran zu Wasser größer als 80°, 90° oder 100°, insbesondere wenn das Material ebenfalls Luft ausgesetzt ist oder sich in Umgebungsluft befindet. Mittels der weiteren Membran wird somit Feuchtigkeit von der Membran abgehalten weswegen ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse weiter erschwert ist. Zumindest jedoch wird mittels der weiteren Membran von außen eindringende Feuchtigkeit abgehalten.
Beispielsweise ist der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/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 der Sollbruchbereich/die Öffnung in einem Bereich angeordnet, an dem sich entstehende Gas sammeln, sodass ein vergleichsweiser effizienter Abtransport der Gase durch die Öffnung ermöglicht ist.
Der Sollbruchbereich ist beispielsweise stadionförmig, rund oder rechteckförmig ausgestaltet. Insbesondere ist eine Fläche des Sollbruchbereichs zwischen 0,01 cm2 und 20 cm2 und vorzugsweise zwischen 0,1 cm2 und 10 cm2. Geeigneterweise hat der Sollbruchbereich eine Größe von 0,01% und 50% der Fläche des Zellgehäuses. Bevorzugt weist der Sollbruchbereich 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. Geeigneterweise hat die Öffnung eine Fläche von 50 pm2 bis 15 mm2, bevorzugt von 0,2 mm2 bis 3 mm2.
Vorzugsweise ist der Sollbruchbereich mittels einer weiteren Vertiefung begrenzt. Mit anderen Worten ist der Rand des Sollbruchbereichs mittels der weiteren Vertiefung zumindest teilweise gebildet, und am Rand des Sollbruchbereichs ist somit die Wanddicke aufgrund der weiteren Vertiefung lokal reduziert. Mittels der weiteren Vertiefung ist somit die Wand ebenfalls strukturell geschwächt, sodass bei Überschreiten des Berstdrucks auch entlang der weiteren Vertiefung ein Einreißen erfolgt, weswegen der Sollbruchbereich somit auch randseitig geöffnet wird.
Beispielsweise ist mittels der weiteren Vertiefung lediglich ein Teil des Rands des Sollbruchbereichs gebildet. Falls somit wird bei Überschreiten des Berstdrucks die Wand entlang der weiteren Vertiefung einreißt, unterbleibt das Einreißen entlang des die weitere Vertiefung nicht aufweisenden Teils des Rands des Sollbruchbereichs. Folglich verbleiben auch bei vollständig eingerissener weiterer Vertiefung die Bestandteile des Sollbruchbereichs an der Wand und werden nach außen gebogen, sodass eine Art Filmscharnier gebildet ist. Somit ist ein unkontrolliertes Wegbewegen einzelner Fragmente der Wand vermieden, was eine Beschädigung von umgebenden Bauteilen unterbindet. Alternativ hierzu ist die weitere Vertiefung umlaufend, sodass mittels der weiteren Vertiefung der vollständige Sollbruchbereich umschlossen ist. Somit wird bei Überschreiten des Berstdrucks und Einreißen der vollständigen weiteren Vertiefung der vollständige Sollbruchbereich von dem Rest der Wand gelöst, weswegen ein vergleichsweise schneller Druckausgleich erfolgen kann. Somit ist eine ein unkontrolliertes weiteres Zerstören des Zellgehäuses vermieden, weswegen eine Betriebssicherheit erhöht ist.
Beispielsweise ist die Vertiefung von der weiteren Vertiefung beabstandet. Besonders bevorzugt jedoch reicht die Vertiefung bis zur weiteren Vertiefung. Mit anderen Worten gehen die beiden Vertiefung ineinander über. Folglich beginnt bei Überschreiten des Berstdrucks das Einreißen der Vertiefung an der Öffnung, und das Einreißen wird bis zur weiteren Vertiefung geleitet, die somit nachfolgend ebenfalls einreißt. Zusammenfassend beginnt das Einreißen des Sollbruchbereichs bei der Öffnung, verläuft entlang der Vertiefung bis zur weiteren Vertiefung und anschließend entlang der weiteren Vertiefung. Somit ist ein benötigter Kraftaufwand zum initialen Einreißen der weiteren Vertiefung reduziert. Folglich ist sichergestellt, dass der Sollbruchbereich zumindest teilweise umfangsseitig einreißt, sodass ein vergleichsweise großer Teil der Wand freigegeben wird. Somit ist ein vergleichsweise schneller Druckausgleich realisiert.
Beispielsweise ist ein Winkel zwischen der Vertiefung und der weiteren Vertiefung beliebig oder zum Beispiel 90°. Besonders bevorzugt jedoch ist der Winkel zwischen der Vertiefung der weiteren Vertiefung, als im Bereich des Übergangs, größer als 110°. Zweckmäßigerweise ist der Winkel größer als 140° oder 170°. Dabei bildet der Schnittpunkt der Vertiefung mit der weiteren Vertiefung den Scheitelpunkt des Winkels. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Einreißen der Vertiefung auch bis zur weiteren Vertiefung übergeleitet wird, und ein Kraftaufwand zum Beginn des Einreißens der weiteren Vertiefung ist reduziert. Beispielsweise sind die Vertiefung und/oder die weitere Vertiefung im Bereich des Aufeinandertreffens geradlinig. Besonders bevorzugt jedoch ist der Übergang zwischen diesen gebogen. Auf diese Weise ist ein Kraftaufwand zum Beginn des Einreißens der weiteren Vertiefung weiter verringert, weswegen das Einreißen sicher fortgesetzt wird, sobald dieses begonnen hat.
Beispielsweise weist der Sollbruchbereich lediglich die Vertiefung und gegebenenfalls die weitere Vertiefung auf. Besonders bevorzugt jedoch ist in die Wand im Sollbruchbereich eine bis zur Öffnung reichende zusätzliche Vertiefung gebracht. Mittels der zusätzlichen Vertiefung ist somit ebenfalls eine lokale Reduzierung der Wandstärke bereitgestellt. Somit wird bei Überschreiten des Berstdrucks der Sollbruchbereich auch entlang der zusätzlichen Vertiefung geöffnet, sodass ein großer Teil des Sollbruchbereichs vergleichsweise zügig freigegeben wird, sodass ein zügiger Druckausgleich ermöglicht ist. Vorzugsweise befindet sich die zusätzliche Vertiefung bezüglich der Vertiefung auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung. Insbesondere ist ein Winkel zwischen der Vertiefung und der zusätzlichen Vertiefung, wobei die Öffnung den Scheitelpunkt des Winkels bildet, größer als 160° oder 170°. Vorzugsweise ist der Winkel gleich 180°. Geeigneterweise sind die Vertiefung und die zusätzliche Vertiefung s-förmig ausgestaltet und zum Beispiel punktsymmetrisch bezüglich der Öffnung zueinander. Somit wird bei Überschreiten des Berstdrucks eine vergleichsweise große Fläche zügig freigegeben.
Vorzugsweise reicht die zusätzliche Vertiefung ebenfalls bis zur weiteren Vertiefung, sofern diese vorhanden ist. Somit beginnt das Einreißen der weiteren Vertiefung an zwei unterschiedlichen Stellen, nämlich im Bereich des Schnittpunktes mit der Vertiefung und Bereich des Schnittpunktes mit der zusätzlichen Vertiefung, weswegen die innerhalb einer bestimmten Zeit aufgrund des Einreißens/Brechens freigegeben Fläche weiter vergrößert ist. Beispielsweise sind lediglich die Vertiefung und die zusätzliche Vertiefung vorhanden, die bis zur Öffnung reichen. Besonders bevorzugt sind weitere derartige zusätzliche Vertiefungen vorhanden, die ebenfalls bis zur Öffnung reichen, weswegen die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nach Überschreiten des Berstdrucks freigegebene Fläche weiter vergrößert ist.
Beispielsweise weist das Zellgehäuse lediglich die einzige Öffnung auf, die mit der Membran abgedeckt ist. Alternativ hierzu umfasst das Zellgehäuse mehrere derartige Öffnungen, die jeweils mit der Membran abgedeckt sind. Hierbei ist die Membran beispielsweise durchgehend ausgestaltet, oder jeder der Öffnungen ist eine entsprechende (separate) Membran zugeordnet. Besonders bevorzugt sind diese dabei die gleiche Wand eingebracht.
Zusammenfassend weist die Batteriezelle somit zusätzlich zu der Öffnung noch eine zweite Öffnung und gegebenenfalls noch weiteren derartige Öffnungen auf. Zum Beispiel ist die zweite Öffnung außerhalb des Sollbruchbereichs angeordnet. Besonders bevorzugt jedoch ist die zweite Öffnung ein Bestandteil des Sollbruchbereichs, und die zweite Öffnung bezüglich der Öffnung insbesondere symmetrisch angeordnet. Die zweite Öffnung ist hierbei entweder mit der Membran oder einer weiteren einer zweiten Membran abgedeckt, sodass auch hier ein Gasdurchtritt ermöglicht, jedoch ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Zellgehäuse vermieden ist. Beispielsweise ist der die zweite Öffnung umgebende Rand intakt. Mit anderen Worten weist der Bereich um die zweite Öffnung eine konstante Wanddicke auf. Besonders bevorzugt jedoch ist in die Wand im Sollbruchbereich eine bis zur zweiten Öffnung reichende zweite Vertiefung eingebracht. Beispielsweise ist die zweite Öffnung und/oder die zweite Vertiefung baugleich zur Öffnung bzw. zur Vertiefung ausgestaltet. Alternativ hierzu unterscheiden sich diese, zum Beispiel in deren Dimensionen, sodass eine unterschiedliche Optimierung erfolgen kann. Aufgrund der zweiten Öffnung sowie der zweiten Vertiefung reißt somit der Sollbruchbereich bei Überschreiten des Berstdrucks auch dort auf. Somit ist die innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nach Überschreiten des Berstdrucks freigegebene Fläche weiter vergrößert, wobei dennoch im Normalbetrieb keine übermäßige strukturelle Schwächung des Zellgehäuses gegeben oder ein Eindringen von Fremdpartikeln in die Batteriezelle möglich ist. Auch sind Herstellungskosten nicht oder lediglich geringfügig vergrößert, und die zweite Öffnung sowie die zweite Vertiefung werden insbesondere im gleichen Arbeitsschritt mit der Öffnung sowie der Vertiefung in die Wand eingebracht.
Zum Beispiel ist eine bis zur zweiten Öffnung reichende zusätzliche zweite Vertiefung vorhanden, sodass auch von der zweiten Öffnung ausgehend das Einreißen in unterschiedliche Richtungen erfolgt. Sofern die weitere Vertiefung vorhanden ist, reicht insbesondere die zweite Vertiefung bis zur weiteren Vertiefung, weswegen über die zweite Vertiefung das Einreißen bis zur weiteren Vertiefung geleitet wird.
Beispielsweise ist der Bereich der Wand zwischen den beiden Öffnungen unversehrt. Besonders bevorzugt jedoch sind die beiden Öffnungen mittels einer Verbindungsvertiefung verbunden. Mit anderen Worten ist in die Wand die Verbindungsvertiefung eingebracht, also ebenfalls eine lokale Reduzierung der Wandstärke, wobei die Verbindungsvertiefung zwischen den beiden Öffnungen verläuft, also bis zu den beiden Öffnungen reicht. Folglich wird auch bei Überschreiten des Berstdrucks mittels der Verbindungsvertiefung der Bereich zwischen den beiden Öffnungen eingerissen, wobei das Einreißen insbesondere von beiden Öffnungen aus beginnt. Somit ist die Geschwindigkeit, mit der eine bestimmte Fläche nach Überschreiten des Berstdrucks freigegebene wird, weiter erhöht. Beispielsweise ist die Verbindungsvertiefung geradlinig oder besonders bevorzugt gewellt oder gebogen. Somit ist eine Länge der Verbindungsvertiefung vergrößert, weswegen ein Bereich für den Gasdurchtritt nach Überschreiten des Berstdrucks vergrößert ist, sodass ein vergleichsweise schneller Druckausgleich erfolgen kann. Besonders bevorzugt sind mehrere derartige zweite Öffnungen sowie entsprechende zweite Vertiefungen vorhanden.
Insbesondere ist die Größe der Membran kleiner als die Größe des (vollständigen) Sollbruchbereichs. Mit anderen Worten überdeckt der Sollbruchbereich die Membran vollständig. Auf diese Weise sind Materialkosten reduziert. Auch kann die Membranfläche unabhängig von der Größe des Sollbruchbereichs hinsichtlich der notwendigen Größe und ihrer Verbindung zum Soll- bruchbereich/Zellgehäuse optimiert werden. Zudem ist nach Einreißen der Vertiefung und Öffnen des Sollbruchbereichs zumindest ein Teil der von dem Sollbruchbereich überdecken Fläche nicht mit der Membran abgedeckt, weswegen dort ein vergleichsweise ungehinderter Druckausgleich erfolgen kann. Alternativ ist die Größe der Membran größer als die Größe des Sollbruchbereichs, und die Membran überlappt den Sollbruchbereich. Auf diese Weise erfolgt bei einer, insbesondere randseitigen, Befestigung der Membran an dem Zellgehäuse keine Beeinflussung des Sollbruchbereichs.
Beispielsweise umfasst der Sollbruchbereich noch weitere Hilfsvertiefungen, die beabstandet zu der Öffnung oder sonstigen Öffnungen sind. Die Hilfsvertiefungen verlaufen beispielsweise bis zu einer anderen der vorhandenen Vertiefungen oder sind auch von diesen beabstandet. Mittels der Hilfsvertiefungen, die strukturelle Schwächungen des Sollbruchbereichs darstellen, werden insbesondere eine Form des Einreißens vorgeben, sodass der Sollbruchbereich in einer gewünschten Art und Weise geöffnet wird. Beispielsweise unterscheiden sich die Vertiefungen des Sollbruchbereichs untereinander. Besonders bevorzugt jedoch weisen diese im Wesentlichen die gleiche Tiefe auf, weswegen eine Fertigung erleichtert ist. Auch erfolgt somit bei Überschreiten des Berstdrucks ein undifferenziertes Einreißen dieser, sodass beispielsweise bei einer Fehlfunktion einer der Vertiefungen der Rest der Konstruktion nicht beeinflusst wird. Alternativ oder in Kombination hierzu ist der Querschnitt der Vertiefungen zueinander gleich, sodass diese mit dem gleichen Werkzeug hergestellt werden können. In einer weiteren Alternative weist zumindest eine der Vertiefungen eine unterschiedliche Tiefe auf. Somit ist es möglich, den Ablauf des Einreißens des Sollbruchbereichs vorzugeben und diesen beispielsweise auf die Batteriezelle im Montagezustand umgebende Bauteile anzupassen.
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 mit einem Sollbruchbereich aufweisenden Batteriezellen,
Fig. 3 in einer Draufsicht schematisch den Sollbruchbereich,
Fig. 4 in einer Schnittdarstellung schematisch den Sollbruchbereich, und
Fig. 5 - 12 jeweils schematisch in einer Draufsicht Varianten des Sollbruchbereichs.
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 Antrieb 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. Ein Teil der Batteriemodule wiederum ist zueinander elektrisch in Reihe und diese wiederum elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Der elektrische Verband der Batteriemodule ist mit der Schnittstelle 10 elektrisch kontaktiert, sodass bei Betrieb des Antriebs 6 ein Entladen oder Laden (Rekupera- tion) 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 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 Bestandteilen, jedoch in den sonstigen Bereichen ist eine Schicht auf den jeweiligen Ableiter, der auch als Träger bezeichnet wird, aufgebracht, der 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 zugeordneten Stromschiene 22 angeschweißt, die aus einem Kupfer gefertigt ist. Hierbei ist den Anoden 16 und den Kathoden 18 jeweils eine der Stromschienen 22 zugeordnet. Die Stromschienen 22 weisen jeweils einen Anschluss 24 auf, der durch ein quaderförmiges Zellgehäuse 26 geführt ist, innerhalb dessen die Anoden 16 und die Kathoden 18 angeordnet sind. Das Zellgehäuse 26 ist starr ausgestaltet und aus einem Aluminium 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.
Das Zellgehäuse 26 weist eine Wand 28 mit einem Sollbruchbereich 30 auf, der eine Fläche von 5 cm 2 aufweist. Der Sollbruchbereich 30 ist derart ausgebildet, dass bei einer Druckdifferenz zwischen einem Druck außerhalb des Zellgehäuses 26 und einem Druck innerhalb des Zellgehäuses 26, die einen Berstdruck von 1 bar überschreitet, bricht, sodass das Zellgehäuse 26 geöffnet wird und ein Druckausgleich stattfinden kann. Der Berstdruck beträgt dabei 90 % der maximalen Druckbelastung des Zellgehäuses 26, also derjenigen Druckdifferenz, bei der eine irreversible und unkontrollierte Zerstörung des Zellgehäuses 26 erfolgt.
In Figur 3 ist schematisch in einer Draufsicht und in Figur 4 in einer Schnittdarstellung der Sollbruchbereich 30 dargestellt. Der Sollbruchbereich 30, der einstückig mit dem Rest der Wand 28 ist, ist stadionförmig und weist eine Öffnung 32 und eine zweite Öffnung 34 auf, die jeweils durch den vollständigen Sollbruchbereich 30, also die Wand 28, hindurchgeführt sind. An der Innenseite sind die Öffnung 32 sowie die zweite Öffnung 34 mittels einer gasdurchlässigen Membran 36 abgedeckt, die an der Innenseite der Wand 28, nämlich der Innenseite des Sollbruchbereichs 30 befestigt ist, beispielsweise mittels Schweißens. Hierbei ist die Größe der Membran 36 kleiner als die Größe des Sollbruchbereichs 30, jedoch ist ein Durchtritt von Partikeln aus dem Inneren des Zellgehäuses 26 ins Äußere und umgekehrt lediglich durch die Membran 36 möglich. Die Membran 36 ist aus PTFE erstellt, sodass mittels dieser ein Eintritt von Feuchtigkeit in das Innere des Zellgehäuses 26 vermieden ist. Jedoch ist ein Austritt von beispielsweise CH4 aus dem Zellgehäuse 26 durch die Membran 26 sowie die Öffnung 32 und die zweite Öffnung 34 möglich.
Im Sollbruchbereich 30 ist eine bis zur Öffnung 32 reichende Vertiefung 38 eingebracht, nämlich in die Innenseite der Wand 28. Die Vertiefung 38 weist einen gewellten/gebogenen Verlauf auf und reicht bis zur Öffnung 32, wobei die Vertiefung 38 teilweise mittels der Membran 36 abgedeckt ist, und wobei die Membran 36 die Vertiefung 38 teilweise ausfüllt. Die Vertiefung 38 ist eine lokale Verringerung der Dicke der Wandstärke der Wand 28 im Sollbruchbereich 30, wobei ein Querschnitt der Vertiefung 38 in dem dargestellten Beispiel rechteckförmige ist.
Zudem ist in die Wand 28 im Sollbruchbereich 30 zwei bis zur Öffnung 32 reichende zusätzliche Vertiefungen 40 eingebracht, wobei diese ebenfalls einen gewellten oder gebogenen Verlauf aufweisen. Die Tiefe der zusätzlichen Vertiefungen 40 entspricht der Tiefe der Vertiefung 38, und auch sonst sind diese in gleicher Art und Weise ausgestaltet. Dabei ist eine der zusätzlichen Vertiefungen 40 zu der Vertiefung 38 punktsymmetrisch bezüglich der Öffnung 32 angeordnet. Somit treffen die Vertiefung 38 und die diese zusätzliche Vertiefung 40 in einem Winkel von 180° an der Öffnung 32 aufeinander. Die verbleibende zusätzliche Vertiefungen 40 ist drehsymmetrisch bezüglich zu der Vertiefung 38 bzw. der anderen zusätzlichen Vertiefung 40 bezüglich der Öffnung um einen Winkel von 90°.
Auch ist in die Wand 28 im Sollbruchbereich 30 eine bis zur zweiten Öffnung 34 reichende zweite Vertiefung 42 eingebracht, die im Wesentlichen baugleich zur Vertiefung 38 ist, jedoch zu der zweiten Öffnung 34 versetzt ist. Mit anderen Worten ist der Verlauf der zweiten Vertiefung 42 gleich dem Verlauf der Vertiefung 38. Auch sind der zweiten Öffnung 34 ferner zwei zusätzliche zweite Vertiefungen 44 zugeordnet, die in die Wand 28 im Sollbruchbereich 30 eingebracht sind, und die bis zu der zweiten Öffnung 34 reichen. Eine der zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 ist punktsymmetrisch zu der zweiten Vertiefung 42 bezüglich der zweiten Öff- nung 34, und die verbleibende zusätzliche zweite Vertiefung 44 ist jeweils um einen Winkel von 90° drehsymmetrisch zu der zweiten Vertiefung 42 sowie der anderen zusätzlichen zweiten Vertiefung 44 bezüglich der zweiten Öffnung 42. Die Vertiefung 38, die zusätzlichen Vertiefungen 40, die zweite Vertiefung 42 sowie die zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 weisen stets den gleichen Querschnitt sowie die gleiche Länge und den gleichen Verlauf auf, wobei lediglich die Orientierung und/oder Zuordnung zur jeweiligen Öffnung 32, 34 unterschiedlich ist.
Der Sollbruchbereich 30 wird mittels einer umlaufenden weiteren Vertiefung 46 begrenzt, die somit den Rand des Sollbruchbereichs 30 bildet. Folglich ist der Verlauf der weiteren Vertiefung 46 stadionförmig, wobei der Querschnitt der weiteren Vertiefung 46 dem Querschnitt der Vertiefung 38 entspricht. Die Vertiefung 38, die zusätzlichen Vertiefungen 40, die zweite Vertiefung 42 sowie die zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 reichen bis zur weiteren Vertiefung 46 und gehen in diese über. Dabei ist aufgrund des gebogenen Verlaufs der Vertiefung 38, zusätzlichen Vertiefungen 40, zweiten Vertiefung 34 sowie der zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 der zwischen diesen und der weiteren Vertiefung 46 jeweils gebildete Winkel im Schnittpunkt größer als 110°, wobei im Wesentlichen stetiger Übergang vorhanden ist.
In die Innenseite der Wand 28 ist ferner eine Verbindungsvertiefung 48 eingebracht, die bis zu Öffnung 32 sowie zu der zweiten Öffnung 34 reicht. Mit anderen Worten sind die beiden Öffnungen 32, 34 mittels der Verbindungsvertiefung 48 verbunden. Die Tiefe und der Querschnitt der Verbindungsvertiefung 48 entspricht dem jeweiligen Wert der Vertiefung 38. Der Verlauf der Verbindungsvertiefung 48 ist gewellt, und diesem trifft auf eine der zusätzlichen Vertiefungen 40 an der Öffnung 32 in einem Winkel von 180°, und an der zweiten Öffnung 34 auf eine der zusätzlichen zweiten Vertiefung 44 ebenfalls in einem Winkel von 180°.
Bei Betrieb der Batteriezelle 14 ist es möglich, dass aufgrund ungewünschter chemischer Reaktionen in dem Zellgehäuse 26 Gase entstehen. Diese können über die Membran 36 sowie die beiden Öffnungen 32, 34 aus dem Zellgehäuse 26 ins Äußere gelangen, sodass ein übermäßiger Druckanstieg ausbleibt. Bei einer Fehlfunktion oder übermäßigen Belastung, ist es dabei möglich, dass die Geschwindigkeit der Gasabfuhr nicht ausreicht, um den Druckanstieg innerhalb des Zellgehäuses 26 zu begrenzen. Sofern die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Zellgehäuse 26 und dem Äußeren einen Grenzwert, nämlich einen Berstdruck, überschreitet, beginnt der Sollbruchbereich 30 ausgehend von der Öffnung 28 entlang der Vertiefung 38 sowie der zusätzlichen Vertiefung 40 als auch entlang der Verbindungsvertiefung 48 aufzureißen. Auch beginnt der Sollbruchbereich 30 ausgehend von der zweiten Öffnung 34 entlang der zweiten Vertiefung 42, der zusätzlichen zweite, Vertiefungen 44 und der Verbindungsvertiefung 48 einzureißen. Aufgrund der lokalen Verringerung der Wanddicke ist ein Kraftaufwand zum Beginnen des Einreißens verringert, sodass stets bei Überschreiten des Berstdrucks des Einreißens beginnt. Aufgrund des Einreißens ist eine Fläche für den Gasaustritt vergrößert, sodass der Druckanstieg begrenzt wird. Sobald der Druck nicht weiter ansteigt, hört das Einreißen auf, und der Sollbruchbereich 30 bleibt teilweise geöffnet.
Falls jedoch eine vergleichsweise schwerwiegende Fehlfunktion vorliegt, und die Druckdifferenz weiter ansteigt, hält das Einreißen an. Das Einreißen erfolgt dabei so lange, bis die vollständige Vertiefung 38, die zusätzlichen Vertiefungen 40, die Verbindungsvertiefung 48, die zweite Vertiefung 42 sowie die zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 vollständig aufgerissen sind. Von diesen geht das Einreißen auf die weitere Vertiefung 46 über, die somit ebenfalls beginnt einzureißen, nämlich an sechs verschiedenen Stellen. Aufgrund des Übergangs der der einzelnen Vertiefungen 38, 40, 42, 44 zur weiteren Vertiefung 46 reißt von den Stellen in dem dargestellten Beispiel die weitere Vertiefung 46 im Uhrzeigersinn ein. Wenn die weitere Vertiefung 46 vollständig eingerissen ist, sind die einzelnen Bestandteile des Sollbruchbereichs 30 losgelöst von dem Rest der Wand 28 und werden aufgrund des Überdrucks im Zellgehäuse 26 von diesem abgelöst. Somit ist eine vergleichsweise große Fläche für den Druckausgleich vorhanden, sodass zumindest dann der Druckanstieg gestoppt wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Zellgehäuse 26 unkontrolliert birst. Folglich werden sich in der Umgebung der Batteriezelle 14 befindenden weitere Bauteil des Kraftfahrzeugs 2 nicht zerstört, auch wenn die Batteriezelle 14 nicht mehr einsatzbereit ist.
In den Figuren 5-11 sind gemäß der Darstellung der Figur 3 unterschiedliche Ausgestaltungsformen des Sollbruchbereichs 30 dargestellt, die jedoch stets stadionförmig sind. Auch ist der jeweilige Sollbruchbereich 30 jeweils mittels der weiteren Vertiefung 46 begrenzt. Bei der in Figur 5 dargestellten Variante sind die Membran 36 sowie die beiden Öffnungen 32, 34 nicht abgeändert. Die Verbindungsvertiefung 48, die zusätzlichen Vertiefungen 40 die zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 sind nicht vorhanden. Die Vertiefung 38 und die zweite Vertiefung 42, die bis zur jeweiligen Öffnung 32, 34 reichen sind vorhanden. Jedoch sind diese nunmehr geradlinig ausgestaltet und weisen von der jeweils anderen Öffnung 32, 34 weg in Richtung der weiteren Vertiefung 46. Dabei sind die Vertiefung 38 und die zweite Vertiefung 42 von der weiteren Vertiefung 46 beabstandet. Bei dieser Ausgestaltungsform ist die zunächst mittels Einreißens der beiden Vertiefungen 38, 42 freigegeben Fläche begrenzt, sodass bei einem vergleichsweise geringen Druckanstieg auch weiterhin ein Betrieb der Batteriezelle 14 möglich ist. Erst wenn die Druckdifferenz vergleichsweise groß ist, reißt die weitere Vertiefung 46 ein, sodass der vollständige Sollbruchbereich 30 frei gegeben ist. Die in Figur 6 dargestellte Abwandlung des Sollbruchbereichs 30 basiert auf der in Figur 5 dargestellten Variante. Abweichend hiervon sind lediglich die Vertiefung 38 sowie die zweite Vertiefung 42 verlängert sowie endseitig gebogen ausgestaltet, sodass diese in die weitere Vertiefung 46 über jeweils einen Bogen münden. Somit wird nach vollständigem Einreißen der Vertiefung 38 bzw. der zweite Vertiefung 42 das über den jeweiligen Schnittpunkt mit der weiteren Vertiefung 46 in diese eingeleitet. Somit erfolgt im Wesentlichen ein kontinuierliches Einreißen und Freigegeben des Sollbruchbereichs 30.
In Figur 7 ist eine weitere Abwandlung dargestellt, wobei auch hier die beiden Öffnungen 32, 34, die Membran 36 und die weitere Vertiefung 46 unverändert vorhanden sind. Die Vertiefung 38 reicht wiederum von der Öffnung 32 bis zur weiteren Vertiefung 46, und es ist eine der zusätzlichen Vertiefungen 40 vorhanden, die punktsymmetrisch zur Vertiefung 38 bezüglich der Öffnung 32 angeordnet ist. Der Verlauf der Vertiefung 38 und der zusätzlichen Vertiefung 40 ist nunmehr geradlinig und senkrecht zu dem Verlauf der Längsachse des stadionartigen Sollbruchbereichs 30. Mit anderen Worten mündet die Vertiefung 38 und die zusätzliche Vertiefung 40 in jeweils einem Winkel von 90° in die weiteren Vertiefung 46. Die zweite Vertiefung 42 ist entsprechend der Vertiefung 38 ausgestaltet, und es ist eine der zusätzlichen zweiten Vertiefungen 44 vorhanden, die entsprechend der zusätzlichen Vertiefung 40 ausgeformt ist. Bei dieser Variante reißt die weitere Vertiefung 46 beginnend von den Schnittpunkten mit den anderen Vertiefung 38, 40, 42 ,44, nachdem diese vollständig eingerissen sind, in beide Richtungen ein, sodass eine Geschwindigkeit, mit der die weitere Vertiefung 46 vollständig eingerissen ist, erhöht ist.
Die in Figur 8 dargestellte Variante des Sollbruchbereichs 30 entspricht im Wesentlichen der in Figur 7 dargestellten Variante. Lediglich die weitere Vertiefung 46 ist abgewandelt, und nicht mehr umlaufend. Mit anderen Worten ist nun die weitere Vertiefung 46 in zwei Teilabschnitte unterteilt, und der Sollbruchbereich 30 geht an zwei unterschiedlichen Stellen im Wesentlichen kontinuierlich in den Rest der Wand 28 über. Die beiden Stellen befinden sich entlang der Längsachse des Sollbruchbereichs 30 an gegenüberliegenden Enden, wobei der Sollbruchbereich 30 achsensymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgestaltet ist. Aufgrund der unterbrochenen Ausgestaltung der weiteren Vertiefung 46 verbleibt ein Teil Bestandteile des Sollbruchbereichs 38 nach dem vollständigen Einreißen an dem Rest der Wand 28. Diese Bestandteile des Sollbruchbereichs 30 werden aufgrund der Druckdifferenz bezüglich des Zellgehäuses 26 nach außen gebogen. Auf diese Weise ist ein Ausbilden von Splittern vermieden, die zu einer ungewollten Interaktion mit den bei Batteriezelle 14 umgebenden Bestandteilen führen würden. In Figur 9 ist eine weitere Ausgestaltungsform des Sollbruchbereichs 30 gezeigt, wobei die beiden Öffnungen 32, 34 und die Membran 36 unverändert vorhanden sind. Die beiden Öffnungen 32, 34 sind mittels der Verbindungsvertiefung 48 verbunden, die geradlinig ist und entlang der Längsachse des stadionartigen Sollbruchbereichs 30 verläuft. Auf der der Verbindungsvertiefung 48 gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Öffnung 32 mündet die Vertiefung 38, die s- förmig gebogen ist, in die Öffnung 32. Das gegenüberliegende Ende der Vertiefung 38 mündet in der weiteren Vertiefung 46. Die zweite Vertiefung 42 ist spiegelbildlich hierzu ausgestaltet und ebenfalls s-förmig, sodass diese an dem der Verbindungsvertiefung 48 gegenüberliegenden Ende der zweiten Öffnung 34 in diese mündet. Die weitere Vertiefung 46 ist verkürzt ausgestaltet und beginnt bei der Vertiefung 38 sowie der zweiten Vertiefung 42 in diese. Somit verbleibt ebenfalls ein Teil der Anteil des Sollbruchbereichs 30 an dem Rest der Wand 28, wenn sämtliche Vertiefungen 38, 42, 46, 48 eingerissen sind.
In Figur 10 ist eine weitere Ausgestaltungsform des Sollbruchbereichs 30 dargestellt, wobei die weitere Vertiefung 46 wiederum umlaufend ausgestaltet ist. Auch ist die Membran 36 unverändert vorhanden. Es ist die zweite Öffnung 34 weggelassen, sodass lediglich die Öffnung 32 vorhanden ist, die nunmehr im Zentrum des Sollbruchbereichs 30 angeordnet ist. In die Öffnung 32 münden auf gegenüberliegenden Seiten die geradlinig ausgestaltete Vertiefung 38 sowie eine der geradlinig ausgestalteten zusätzlichen Vertiefungen 40, nämlich unter einem Winkel von 180° zueinander. Die Vertiefung und die zusätzliche Vertiefung 40 münden jeweils unter einem Winkel von 120° in die weitere Vertiefung 46. Bei dieser Variante ist eine Herstellung des Sollbruchbereichs 30 vereinfacht.
In Figur 11 ist eine letzte Ausgestaltungsform des Sollbruchbereichs 30 dargestellt, wobei die weitere Vertiefung 46 und die Öffnung 32 im Vergleich zum vorher gezeigten Beispiel nicht verändert sind. Auch sind die Vertiefung 38 sowie die zusätzliche Vertiefung 40 vorhanden, die geradlinig verlaufen und sich bezüglich der Öffnung 32 auf gegenüberliegenden Seiten befinden. Jedoch sind diese nunmehr senkrecht zum Verlauf des Sollbruchbereichs 30 angeordnet und schneiden somit die weitere Vertiefung 46 unter einem Winkel von 90°. Die Membran 36 ist in der Längsrichtung verlängert ausgestaltet und überdeckt die zweite Öffnung 34, die nunmehr außerhalb des Sollbruchbereichs 30 angeordnet ist. Spiegelsymmetrisch zu der zweiten Öffnung 34 ist bezüglich der Öffnung 32 eine weitere Öffnung 50 in die Wand 28 eingebracht, die ebenfalls mittels der verlängerten Membran 36 abgedeckt ist. Bei dieser dargestellten Variante ist der Gasaustritt über sämtliche drei Öffnungen 32, 34, 50 möglich. Bei einem Einreißen des Sollbruchbereichs 30 werden die zweite Öffnung 34 sowie die weitere Öffnung 50 nicht beein- flusst. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Membran 36 schmäler als der Sollbruchbereich 30 ausgestaltet. Bei einer nicht näher dargestellten Variante ist die Membran 36 vergrößert, sodass mittels dieser der vollständige Sollbruchbereich 30 überdeckt ist. Diese Ausgestaltung der Membran 36 kann auch bei den anderen der vorhergehenden Beispiele verwendet werden.
Die in Figur 12 gezeigte Variante entspricht im Wesentlichen der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform. Lediglich die Membran 36 ist vergrößert, sodass diese nunmehr größer als der Sollbruchbereich 30 ist. Auch überlappt die Membran 36 den Sollbruchbereich 30 vollständig.
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
Wand
Sollbruchbereich
Öffnung zweite Öffnung
Membran
Vertiefung zusätzliche Vertiefung zweite Vertiefung zusätzliche zweite Vertiefung weitere Vertiefung
Verbindungsvertiefung weitere Öffnung

Claims

Patentansprüche Batteriezelle (14) mit einem Zellgehäuse (26), in dem mehrere Elektroden (20) angeordnet sind, und das eine Wand (28) mit einem Sollbruchbereich (30) aufweist, wobei der Sollbruchbereich (30) eine Öffnung (32) umfasst, die mittels einer gasdurchlässigen Membran (36) abgedeckt ist, und wobei in die Wand (28) im Sollbruchbereich (30) eine bis zur Öffnung (32) reichende Vertiefung (38) eingebracht ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbruchbereich (30) mittels einer weiteren Vertiefung (46) begrenzt ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vertiefung (46) umlaufend ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (38) bis zur weiteren Vertiefung (46) reicht. Batteriezelle (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Vertiefung (38) und der weiteren Vertiefung (46) gebildeter Winkel größer als 110° ist. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wand (28) im Sollbruchbereich (30) eine bis zur Öffnung (32) reichende zusätzliche Vertiefung (40) eingebracht ist. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollbruchbereich (30) eine zweite Öffnung (34) umfasst, wobei in die Wand (28) im Sollbruchbereich (30) eine bis zur zweiten Öffnung (34) reichende zweite Vertiefung (42) eingebracht ist. Batteriezelle (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Öffnungen (32, 34) mittels einer Verbindungsvertiefung (48) verbunden sind. Batteriezelle (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Größe der Membran (36) kleiner als die Größe des Sollbruchbereichs (30) ist.
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