EP4699180A1 - Separator, batterieeinzelzelle und verfahren zu deren überwachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Separator (8) für eine Batterieeinzelzelle (1) aus einem porösen Polymermaterial. Der erfindungsgemäße Separator ist gekennzeichnet durch zumindest eine sich vollflächig über eine Separatorfläche erstreckende poröse Schicht (8') aus einem plastisch oder elastisch verformbaren Material, wobei die Porosität der Schicht (8') so vorgegeben ist, dass bei einem vorgegebenen Druckwert (pmax) das Porenvolumen in der Schicht (8') so klein wird, dass keine Ionenleitung durch die Poren der Schicht (8') mehr stattfindet. Die Erfindung betrifft ferner eine Batterieeinzelzelle (1) mit einem solchen Separator (8) sowie Batteriemodule (10) mit einer solchen Batterieeinzelzelle (1). Außerdem ist ein Verfahren zur Überwachung des Druckanstiegs aufgrund des Innenwiderstands angegeben. All dies eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug (13).

Description

Mercedes-Benz Group AG

Separator, Batterieeinzelzelle und Verfahren zu deren Überwachung

Die Erfindung betrifft einen Separator für eine Batterieeinzelzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterieeinzelzelle mit einem solchen Separator. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul aus derartigen Batterieeinzelzellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer derartigen Batterieeinzelzelle oder eines derartigen Batteriemoduls. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein Fahrzeug.

Batterieeinzelzellen sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen ist es dabei so, dass ein Separator bzw. Batterieseparator zwischen benachbarten Anoden und Kathoden der Batterieeinzelzelle angeordnet ist. Dieser Separator ist typischerweise aus einem porösen Material hergestellt und erlaubt eine Leitung von Ionen aufgrund der Porosität des Materials.

Die DE 102011 121 246 A1 beschreibt beispielsweise einen Batterieseparator aus porösem Polymer. Dieser ist so aufgebaut, dass er entlang seiner Länge bzw. Fläche eine variable Porosität aufweist. Derartige Batterieseparatoren können die Gleichmäßigkeit der Stromdichte in Batterieeinzelzellen erhöhen, da typischerweise höhere Stromdichten und höhere Temperaturen in der Nähe der Anschlussfahnen auftreten. Diese werden über die variable Porosität des Separators entsprechend ausgeglichen, sodass dieser beispielsweise im Bereich der Anschlussenden eine geringere Porosität als an seinem entgegengesetzten Ende aufweist. Hierdurch kann der Transport von Ionen, wie beispielsweise Lithium-Ionen, durch den Separator im Bereich des normalerweise sehr hohen Stroms stärker eingeschränkt werden als im Bereich des normalerweise niedrigeren Stroms. Durch die sich über die Fläche des Separators ändernde Porosität kann also für eine über die Fläche der Elektrode gleichmäßige Stromdichte gesorgt werden. Ferner wurde die Druckabhängigkeit der ionischen Leitfähigkeit von Separatoren in Sauerteig, D., Hanselmann, N., Arzberger, A., Reinshagen, H., Ivanov, S., Bund, A.: Electrochemical-mechanical coupled modeling and parameterization of swelling and ionic transport in lithium-ion batteries, Journal of Power Sources (2018) 235-247 untersucht.

Separatoren mit einer Druckabhängigkeit ihrer Porengröße sind auch aus der WO 99/67831 A1 grundlegend bekannt. Die DE 699 08 189 T2 beschreibt außerdem Separatoren mit einem mehrschichtigen Aufbau, wobei sich wenigstens zwei Schichten in ihrer Elastizität unterscheiden.

Die DE 102015 215 091 A1 beschreibt außerdem ein Verfahren zur Überwachung einer Batteriezelle auf einen kritischen Druck.

Ein prinzipielles Problem bei Batterieeinzelzellen, und hier insbesondere bei Lithium- lonen-Zellen, ist es, dass diese sich sowohl während des Ladens und des Entladens in ihrer Ausdehnung ändern als auch über die Lebensdauer der Batterie hinweg. Insbesondere ein solches Wachstumsverhalten über die Alterung der Batterie hinweg ist im Vorhinein aufwändig vorherzusagen. Es spielen viele unbekannte Faktoren eine Rolle wie beispielsweise Temperaturen, die Betriebsart, aber auch kalendarische Einflüsse, Produktionsschwankungen und/oder Toleranzen. Durch die mechanische Verspannung im Zell- bzw. Batteriegehäuse kommt es daher zu einem Druckanstieg im Gehäuse, wenn der mechanischen Schichtaufbau der Zelle gegen das Gehäuse expandiert. Weiterhin beeinflussen Produktionstoleranzen (Materialen und Prozesse) und stärker expandierende Aktivmaterialien, wie z. B. Siliziumverbindungen, das Zelldickenwachstum.

Dennoch sollten die Batterieeinzelzellen so ausgelegt werden, dass im Falle eines solchen auftretenden Wachstums weder die Funktionsfähigkeit der Zelle sowie eines Teilsystems beeinträchtigt wird, noch die Peripherie durch mechanische Veränderungen in ihrer Funktion beeinflusst wird.

Zur Verbesserung der Sicherheit von Batterieeinzelzellen wäre es also wünschenswert, bereits im Vorfeld ihrer Konstruktion auf dieses potenziell unbekannte Wachstum aufgrund der Alterung eingehen zu können, um so Sicherheitsrisiken zu minimieren. Im Gegensatz dazu ist zum Erreichen einer hohen Leistungsdichte bzw. eines hohen Leistungsvolumens selbstverständlich ein weiteres Konstruktionsziel beim Aufbau von Batterieeinzelzellen, um diese in ihrem Volumen und in ihrer Masse so klein wie möglich zu halten. Größere Volumina vorzuhalten ist ebenso nachteilig wie der Einsatz dickerer und schwerer und damit potenziell stabilerer Materialen für das Gehäuse.

Aus diesen gegenläufigen Bestrebungen ergibt sich nun die Aufgabe, einen Batterieseparator bzw. eine Batterieeinzelzelle oder ein hieraus aufgebautes Batteriemodul anzugeben, welches eine hohe Sicherheit bei kleinem Bauvolumen gewährleisten kann. Ferner ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer derartigen Batterie auf kritische Zustände hin anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Batterieseparator mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine Batterieeinzelzelle mit einem derartigen Separator löst die Aufgabe ebenfalls. Vergleichbares gilt für ein aus derartigen Batterieeinzelzellen aufgebautes Batteriemodul. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Überwachung einer solchen Batterieeinzelzelle oder eines solchen Batteriemoduls gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch. Ein Fahrzeug gemäß Anspruch 8 löst die Aufgabe ebenfalls. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung des Fahrzeugs aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.

Ein erfindungsgemäßer Separator bzw. Batterieseparator ist nun, ähnlich wie aus dem Stand der Technik bekannt, aus einem porösen Polymermaterial aufgebaut. Ein solches poröses Polymermaterial bietet einerseits die notwendige Porosität, damit Ionen in einem entsprechenden Elektrolyt den Separator passieren können. Gleichzeitig stellt das Polymermaterial eine elektrische Isolierung zwischen den benachbart zu ihm angeordneten gegenpoligen Elektroden sicher, sodass diese keine direkte Berührung erfahren, sondern lediglich über die lonenleitung, durch den Separator hinweg, elektrisch miteinander verbunden sind.

Der Separator gemäß der Erfindung ist nun so ausgebildet, dass er zumindest eine sich vollflächig über eine Separatorfläche erstreckende poröse Schicht aus einem plastisch oder elastisch verformbaren Material aufweist. Die Porosität dieser Schicht ist dabei nun so ausgelegt, dass bei einem vorgegebenen Druckwert das Porenvolumen in der Schicht so klein wird, dass keine lonenleitung durch die Poren der Schicht mehr stattfindet. Die Poren der Schicht werden also so stark verengt bzw. zusammengequetscht, dass beim Erreichen des vorgegebenen Druckwert, welcher der Maximaldruck, welchen die Zelle schadlos aushält sein sollte, die lonenleitung durch den Separator unterbunden wird.

Der Separator und hier insbesondere seine Schicht werden im Falle eines ansteigenden Drucks, welcher insbesondere aufgrund eines Zellwachstums aufgrund der Alterung stattfindet, zusammengedrückt. Vorzugsweise ist dabei die Schicht elastischer als der Rest des Separators, so dass ein Großteil der Verformung zuerst in der Schicht stattfindet.

Alternativ dazu könnte die Schicht auch den gesamten Separator ausbilden, so dass dieser also insgesamt bezüglich seiner Porosität so ausgelegt ist, dass bei einem vorgegebenen Druckwert das Porenvolumen in dem Separator so klein wird, dass keine lonenleitung durch die Poren der Schicht mehr stattfindet.

Kommt es zu einem alterungsbedingten Zelldickenwachstum, geht dies typischerweise von den Aktivmaterialien der Batterieeinzelzelle aus. Der Separator ist bei einem herkömmlichen Zellaufbau, aufgrund seiner Poren, das einzige nennenswert elastische Bauteil. Der zunehmende Druck bewirkt damit im Wesentlichen eine Verformung des Separators. Diese wirkt primär in Dickenrichtung, die Auswirkungen senkrecht hierzu sind typischerweise vernachlässigbar klein, sodass die Fläche des Separators als konstant bleibend angenommen werden kann. Der zunehmende Druck presst also den Separator und die Schicht, sofern eigenständig ausgebildet, in Dickenrichtung zusammen. Dadurch wird das Volumen der Poren verringert und der Innenwiderstand steigt an. Ab dem kritischen Maximaldruck werden die Poren des Separators oder der Schicht dann so weit zusammengequetscht, dass die lonenleitung nicht mehr möglich ist. Das verbleibende Porenvolumen der Schicht oder des Separators kann dann insbesondre gegen Null gehen oder Null sein. In diesem Fall wird die betroffene Batterieeinzelzelle also abgeschaltet, sodass hier insgesamt eine eigensichere Batterieeinzelzelle entsteht.

Der erfindungsgemäße Separator ermöglicht es also eigensichere Batterieeinzelzellen bzw. Batteriemodule herzustellen, bei welchen Batterieeinzelzellen, welche ein kritisches Zellwachstum erreichen, eigentätig abgeschaltet werden. Dennoch kann es hilfreich sein, parallel hierzu auch eine Überwachung der Batterie zu initiieren, um ein potenziell bevorstehendes Abschalten von Batterieeinzelzellen Vorhersagen zu können.

Über ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung einer derartigen Batterieeinzelzelle oder eines Batteriemoduls aus derartigen Batterieeinzelzellen auf kritische Drucksteigerungen kann es deshalb vorgesehen sein, dass der Innenwiderstand der Batterieeinzelzelle bzw. jeder der Batterieeinzelzellen erfasst und überwacht wird. Der aktuelle Wert des Innenwiderstands wird dazu mit kennlinien- oder modellbasierten Vorgabewerten verglichen, um eine durch einen Druckanstieg verursachten Anstieg des Innenwiderstands zu erkennen.

Der Eingangs geschilderte erfindungsgemäße Separator sorgt ja nicht nur dafür, dass in dem Augenblick, wo der Maximaldruck auftritt, die lonenleitung unterbunden wird, vielmehr werden die Poren der Schicht oder des Separators ja bereits im Vorfeld dazu durch den Druckanstieg etwas verkleinert, sodass die lonenleitung zwar prinzipiell noch stattfinden kann, in ihrer Effizienz jedoch eingeschränkt wird. Hierdurch kommt es zu einem Anstieg des Innenwiderstands der jeweiligen Batterieeinzelzelle. Dies erfolgt also schon bevor das eigentätige Abschalten erfolgt. Durch eine Innenwiderstandsüberwachung der einzelnen Batterieeinzelzelle bzw. aller Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls wird also eine Vorhersage für die zu erwartende Restlebensdauer der Batterieeinzelzellen, bis hin zum Abschalten aufgrund des erreichten Maximaldrucks bzw. des damit korrespondierenden erreichten maximalen Zellwachstums, möglich.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens kann es deshalb vorgesehen sein, dass ab einem vorgegebenen Schwellenwert oder einem Grenzgradienten des Innenwiderstands eine Fehlermeldung generiert und gespeichert und/oder ausgegeben wird. Die generierte Fehlermeldung kann also beispielsweise in einem Fehlerspeicher entsprechend gespeichert werden, sodass dieses im Rahmen einer Wartung in der Werkstatt bei Bedarf ausgelesen werden kann. Alternativ oder ergänzend hierzu lässt sich die Fehlermeldung auch direkt ausgeben, um so eine die Batterieeinzelzelle oder das Batteriemodul nutzende Person über die bevorstehende Problematik zu informieren. Der Aufbau eignet sich prinzipiell für jede Art von Batterieeinzelzelle, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen. Die Batterieeinzelzellen oder Batteriemodule lassen sich für verschiedene Anwendungen nutzen. Insbesondere spielt eine hohe Sicherheit bei großen Batteriemodulen oder mehreren zu einer großen Batterie verschalteten Batteriemodulen eine besondere Rolle. Derartige Batterien aus einer Vielzahl von Batteriemodulen und damit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen spielen häufig in leistungsstarken Anwendungen eine Rolle. Diese Anwendungen können insbesondere der Einsatz derartiger Batterien zum Speichern von elektrischer Antriebsenergie in Fahrzeugen sein. Gerade hier spielt dann der erfindungsgemäße Separator seine besonderen Sicherheitsvorteile aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Separators gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Batterieeinzelzelle;

Fig. 2 der Separator gemäß Fig. 1 bei geringer Druckbelastung;

Fig. 3 der Separator aus Fig. 2 bei einer Belastung mit dem Maximaldruck;

Fig. 4 ein Schaubild zur Darlegung der Systematik einer Batterieeinzelzelle mit einem solchen Separator;

Fig. 5 ein Diagramm des normierten Separator-Volumens und seiner Porosität über dem Druck;

Fig. 6 eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Separators analog zur Darstellung in Fig. 3;

Fig. 7 ein weiteres Schaubild zur Erläuterung eines optionalen ergänzenden Überwachungsverfahrens; und

Fig. 8 ein schematisch angedeutetes Fahrzeug mit einer Batterie, welche Batterieeinzelzellen gemäß Fig. 1 umfasst.

In der Darstellung der Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Teil einer Batterieeinzelzelle 1 zu erkennen. In der hier dargestellten Dickenrichtung D begrenzen zwei Teile eines Zellgehäuses 2 die Materialien der Batterieeinzelzelle 1 in ihrer Dicken- bzw. Höhenrichtung. Rein beispielhaft ist in der hier dargestellten Ausführungsvariante auf den unteren Abschnitt des Gehäuses 2 folgend ein Anodenstromsammler 3, typischerweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, angedeutet. Auf diesen folgt ein Aktivmaterial 5 der Anode. Vom oberen Abschnitt des Gehäuses 2 ausgehend ist ein Kathodenstromsammler 6, typischerweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gefolgt vom Kathodenaktivmaterial 7 angeordnet. Zwischen diesen beiden Elektroden bzw. ihren Aktivmaterialien 5, 7 ist ein Separator 8 angeordnet. Dieser Separator 8 wird typischerweise aus einem porösen Polymermaterial hergestellt und ist einerseits elektrisch isolierend zwischen den Aktivmaterialen 5, 7 und erlaubt andererseits aufgrund seiner hier angedeuteten Porosität eine lonenleitung. Die lonenleitung wird typischerweise durch eine Elektrolytflüssigkeit ermöglicht, mit der Aktivmaterialien 5, 7 und Separator 8 gleichermaßen getränkt sind. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist schematisch der Durchgang von vier Lithium-Ionen 9, welche hier als schwarze Punkte dargestellt sind, durch den Separator 8 angedeutet. Dabei sind die unterschiedlichen angenommenen Bewegungswege der Lithium-Ionen 9 innerhalb des Separators 8 eingezeichnet.

Die Figur 2 greift dieses Bild des Separators 8 mit den aufgrund der lonenleitung durch ihn wandernden Lithium-Ionen 9 nochmals auf. Diese Lithium-Ionen sorgen dann für einen lonenstromfluss innerhalb der Batterieeinzelzelle 1, hier von der Kathode zur Anode.

Wie eingangs bereits erwähnt kommt es nun durch verschiedene Mechanismen über die Alterung der Batterieeinzelzelle 1 hinweg zu einem Zelldickenwachstum. Dies bedeutet, dass die Materialien innerhalb der Batterieeinzelzelle wachsen, insbesondere in ihre Dickenrichtung. Dies betrifft dabei insbesondere die Aktivmaterialen 5, 7. Das mehr oder weniger starre Gehäuse 2 der Batterieeinzelzelle 1 lässt dabei ein solches Dickenwachstum nur zu einem gewissen Grad zu. Deshalb kommt es durch das Zelldickenwachstum zu einem Anstieg des Drucks p innerhalb des Gehäuses 2 der Batterieeinzelzelle. Da die Aktivmaterialen 5, 7 selbst wachsen und typischerweise vergleichsweise geringe Elastizitäten aufweisen, und da die Stromsammler 4, 6 ebenfalls sehr geringe Elastizitäten und Schichtdicken aufweisen, kommt es durch den Druckanstieg im Wesentlichen dazu, dass der Separator 8 zusammengedrückt wird. Dieses Zusammendrücken erfolgt typischerweise in Dickenrichtung D, da aufgrund der charakteristischen Form des Separators 8 als ebene oder aufgewickelte Platte eine Größenänderung quer zur Oberfläche kaum eine Rolle spielt. Der Druck p drückt also den Separator 8 im Wesentlichen in seiner Dickenrichtung D zusammen. Nun ist es so, dass der Druckanstieg über einen kritischen Druck in dem Gehäuse 2 der Batterieeinzelzelle dazu führen kann, dass das Zellgehäuse 2 reißt oder dass durch eine Deformation des Zellgehäuses 2 Anbauteile kritisch ausgelenkt werden. Tritt ein solches Szenario auf, besteht die akute Gefahr eines Kurzschlusses innerhalb der Batterieeinzelzelle 1 und/oder im Bereich der Batterieeinzelzelle 1, wenn beispielsweise elektrische Anschlussfahnen verschoben werden oder dergleichen. Diese sicherheitskritische Situation sollte nun nach Möglichkeit unterbunden werden.

Bei dem hier beschriebenen Separator 8 wird dies nun dadurch erreicht, dass dessen Porosität so ausgelegt ist, dass bei einem kritischen Maximaldruck p_max das Volumen V des Separators 8 so weit verringert wird, dass die Poren in ihrer Porengröße entsprechend reduziert oder ganz verschlossen werden. Schematisch ist dies in der Darstellung der Figur 3 angedeutet.

Die in der Darstellung der Figur 2 noch erkennbaren Poren innerhalb des Separators 8 sind hier aufgrund des Zusammendrückens des Separators 8 in seiner hier von oben nach unten dargestellten Dickenrichtung D entsprechend verschlossen worden, sodass das Restvolumen der Poren innerhalb des Separators 8 gegen Null geht. Hierdurch ist es für die Lithium-Ionen 9 nicht mehr möglich, den Separator 8 zu passieren. Sie werden also durch den Separator 8 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb des Separators 8 und damit analog zur Darstellung in Figur 1 in dem Kathodenaktivmaterial 7 zurückgehalten. Die Batterieeinzelzelle 1 hat sich damit durch das Zusammenpressen des Separators 8, bis dieser keine lonenleitung mehr zulässt, eigenständig abgeschaltet, bevor es durch den Druck p zu sicherheitskritischen Problemen kommen konnte.

In der Darstellung der Figur 4 ist dieses Konzept anhand eines Schaubilds nochmals erläutert. Die mit A bezeichnete Box symbolisiert dabei das Zellwachstum, welches zu einer Druckentwicklung führt, die innerhalb der Box A durch die Box B angedeutet ist. Dies resultiert in einer Kompression des Separators 8, was hier durch die Box C symbolisiert ist. Man könnte dies auch in der diese umgebenden Box D als eine Art passive „Messung“ der Alterung verstehen. Letztlich führt dieser Mechanismus zu einer eigensicheren Batterieeinzelzelle 1 oder eines aus derartigen Batterieeinzelzellen 1 aufgebauten später noch erläuterten Batteriemoduls 10, welches hier durch eine weitere Box angedeutet ist. Innerhalb dieses eigensicheren Batteriemoduls 10 ist dann der definierte Verschluss des Separators 8 für die lonenleitung bei einem vorgegebenen Maximaldruck p_max durch die mit E bezeichnete Box dargestellt ist. Letztlich führt die dann zu einer mit Z bezeichneten Zielinformation, innerhalb welcher die Abschaltung der jeweiligen Batterieeinzelzelle 1 aufgrund eines Sicherheitsrisikos durch Zelldickenwachstum über die mit F bezeichnete Box symbolisiert ist.

Bei der Auslegung des Separators 8, um eine solche eigensichere Batterieeinzelzelle aufzubauen, kann nun in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise vorgegangen werden:

Zuerst ist ein maximal erlaubter Druck p des Zellgehäuses 2 ist zu bestimmen. Dieser kann z. B. durch eine maximale erlaubte und als gerade noch unkritisch eingestufte Deformation des Batteriegehäuses definiert sein. Der maximal erlaubte Druck p kann aus mechanischer Simulation und/oder Spreizversuch ermittelt werden. Ein Sicherheitspuffer kann addiert werden. Dies ergibt dann den Maximaldruck p_max im Sinne dieser Beschreibung.

Das Design des Separators 8 erfolgt nun nach den Prämissen, dass in dieser Betrachtung ausschließlich die Druckentstehung durch Zelldickenwachstum senkrecht zur Elektrodenstapelung und Gehäusewand, also in Dickenrichtung D, betrachtet wird, da diese bestimmend ist. Als Materialien für den Separator 8 werden weiche Kunststoff- bzw. Polymermaterialien vorausgesetzt, entsprechend dem Stand der Technik für Separatoren 8. Der genaue Herstellprozess der Poren des Separators 8 ist dabei für den vorgeschlagenen Auslegungsprozess irrelevant, da das Verfahren auf der druckveränderlichen Porosität des Separators 8 basiert.

Theoretische Auslegung in Abhängigkeit des Drucks p:

Separatorvolumen:

^V (1) sep( ) = ^A • ^f0 • mit der druckabhängigen Separatorausdehnung (p) — ^— ~ bsep

Darin bedeuten: p - Druck auf die Zellfläche resultierend aus Zelldickenwachstum

A - Separatorfläche (elektrochemisch aktiv) t- Separatordicke to - initiale Separatordicke

Esep - Kompressionsmodul des Separators

Folgende Annahmen werden dabei zur Auslegung getroffen:

1. Bei Kompression durch Druck p in Dickenrichtung verformt sich ausschließlich die Separatordicke t, da Länge und Breite Separator » Separatordicke t sind.

2. Im quasi-statischen Fall (relevant in Batteriezelle) können hydrodynamische Druckänderungen aufgrund von Fluidbewegungen vernachlässigt werden, da der Separator 8 zu den Elektroden hin porös/ offen ist.

3. Die Volumenänderung des Separators 8 aufgrund Kompression basiert ausschließlich auf Änderungen des Porenvolumens Vp_oren, da die Hohlräume im Kunststoff einen viel geringeren mechanischen Widerstand leisten, als die des Kunststoffskeletts und das Porenvolumen Vp_oren im Separator 8 funktionsbedingt groß ist (i. d. R. > 40 %).

Aus der dritten Annahme ergibt sich: woraus das Porenvolumen p_oren in Abhängigkeit des Drucks p hergeleitet werden kann:

Darin bedeuten:

V - Separatorvolumen o - initiales Separatorvolumen

Vporen - Porenvolumen

Vporen, o - initiales Porenvolumen

Das initiale Separatorvolumen Vo lässt sich z.B. über das Verfahren der Quecksilberporosimetrie erfassen.

Nun soll der Separator 8 beim Maximaldruck p_max keine Ionen mehr leiten. Das kann zumindest dann erreicht werden, wenn alle Poren verschlossen sind. Dafür muss folgende Bedingung gelten: Beispielrechnunq

In der Darstellung der Figur 5 ist nun mit gestrichelter Linie Gleichung (1) und mit durchgezogener Linie Gleichung (4) normiert dargestellt, wobei hierzu mit einem realistischem Kompressionsmodul (E-Modul) eines Separators 8 (z. B. aus dem eingangs genannten Fachartikel von D. Sauerteig et al) gerechnet wurde. Es ergibt sich in Figur 5 ein Maximaldruck von p_max = 5 MPa, ab dem die Porosität und damit der lonenfluss null wäre.

Bei der praktischen Auslegung lässt sich das druckabhängige effektive Kompressionsmodul E(p) des Separators 8 beispielsweise durch eine Kraft-Weg- Messung mit geeignetem Messgerät, wie einer Presse, erfassen. Dies ist dem Fachmann geläufig.

Nach Einsetzung von Gleichung (4) mit dem ermittelten Maximaldruck p_max, dem als kritisch definierten Maximaldruck, kann durch mehrere Umformungen folgende nach to aufgelöste Gleichung hergeleitet werden:

Das Ergebnis entspricht der erforderlichen initialen Separatordicke to, damit beim erwarteten Maximaldruck p_max, der als kritisch eingestuft wurde, z. B. im Hinblick auf die mechanische Integrität des Batteriegehäuses, der Separator 8 den lonenfluss regulieren würde. Äquivalent kann die Gleichung nach dem initialen Porenvolumen Vo umgestellt und der Separator 8 entsprechend optimiert werden:

Wenn der Bauraum knapp ist, kann der Fokus auf die Optimierung des Porenvolumens Vo gelegt werden, ansonsten kann die Separatordicke to variiert werden.

Danach kann eine Validierung des erfolgreichen, druckabhängigen Porenverschluss mittels lonen-Fluss-Messungen (effektive ionische Leitfähigkeit) unter definiertem Druck erfolgen. Das Ergebnis muss ggf. noch an Messkurven angefittet und korrigiert werden, da die Auslegungsprämissen einen Fehler mit sich bringen können. Der Anteil des möglicherweise zusätzlich zu den Poren komprimierten Separator-Festmaterials, aufgrund der Dehnung von Skelettstegen, kann bspw. durch einfache Versuche nach dem Archimedes-Prinzip abgeschätzt und optimiert werden.

Alternativ zum Einsatz eines Separators 8, welcher diese Überlegungen in seiner Porosität entsprechend berücksichtigt, wäre es auch denkbar, den Aufbau so zu gestalten, dass der Separator 8 zum größeren Teil nach herkömmlichen Kriterien ausgelegt wird. Wie es in der Darstellung der Figur 6 zu erkennen ist, kann dann auf einer seiner Oberflächen, oder prinzipiell auch auf beiden seiner Oberflächen oder in der Mitte eingebettet, eine Schicht 8' vorgesehen werden, welche die Eigensicherheit der Batterieeinzelzelle 1 sicherstellt. Diese Schicht 8' kann dafür eine relativ große Porengröße aufweisen und hat typischerweise eine höhere Elastizität als der Rest des Separators 8. Diese Schicht 8' ist also der primäre Teil des Separators 8, welcher den entstehenden Druck p aufnimmt. Kommt es zu dem kritischen Maximaldruck p_max, dann werden hier die Poren innerhalb der Schicht 8' entsprechend verschlossen, sodass diese für die Lithium-Ionen 9 eine Barriere bildet, sodass diese gar nicht erst in den Separator eindringen können und somit die lonenleitung durch den Separator 8 unterbunden wird. Die Prinzipien sind dabei auch hinsichtlich der Auslegung der Porosität der Schicht 8' dieselben, wie oben beschrieben.

Selbst eine starke Reduktion des effektiven lonenflusses würde einen starken Anstieg des Zell-Innenwiderstands zur Folge haben, der von einem Batteriesteuergerät 11 mit entsprechender Vorrichtung detektiert werden könnte. Optional kann auch eine modellbasierte Ermittlung eines charakteristischen Innenwiderstandsverlauf der Batterie ermittelt werden. Falls es im späteren Betrieb aufgrund des Separatorverschlusses zu einem Innenwiderstandsanstieg kommt, kann dieser kann als Früherkennung im Batterie- Steuergerät 11 hinterlegt werden.

Ergänzend zu dem im Rahmen der Figur 4 beschriebenen Konzept der passiven „Messung“ ließe sich darauf basierend nun ergänzend auch eine aktive Messung in dem System, beispielsweise dem Fahrzeug, etablieren. Das Schaubild der Figur 7 greift dieses Konzept nun auf und zeigt dabei wiederum die Boxen D bis F, 10 und Z aus Figur 4, welche hier auch analog zu verstehen sind. Zu der Zielinformation Z kann man nun auch durch die angesprochene aktive Messung gelangen, welche hier durch die Box G angedeutet ist. Die Box H innerhalb dieser Box G symbolisiert dabei die Messung einer druckabhängig charakteristischen Änderung des elektrischen Innenwiderstands der Batterieeinzelzelle sowie optional ergänzend der Kapazitätsentwicklung der Batterieeinzelzelle. Über ein durch die Box 11 angedeutetes Batteriesteuergerät lassen sich nun geeignete Messkurven und/oder Modelle zur Erkennung des Druckeinflusses auf die Performance der Batterieeinzelzelle in dem mit I bezeichneten Block nutzen. Im mit J bezeichneten Block kann dann eine Plausibilisierung des Innenwiderstandsabfalls als eindeutig druckabhängig und aus dem Separator resultierend erfolgen. Ist dies der Fall, dann kann innerhalb des Batteriesteuergeräts 11 durch die mit K angedeutete Box eine frühzeitige Einleitung einer Abschaltung aufgrund einer kritischen Druckentwicklung durch das Zelldickenwachstum erfolgen, sodass die eigensichere Funktionalität des Separators 8 nur noch als Sicherheitsredundanz dient, die dann zum Tragen kommt, wenn auf eine Warnung oder Fehlermeldung des Batteriesteuergeräts 11 nicht bereits reagiert wurde.

Wie oben bereits erwähnt können mehrere derartige Batterieeinzelzellen 1 zu einem Batteriemodul 10 zusammengefasst werden, wie es in der Darstellung der Figur 8 schematisch angedeutet ist. Aus einem oder mehreren derartigen Batteriemodule 10 entsteht dann eine Batterie 12, welche hier rein beispielhaft zwei solche Batteriemodule 10 umfassen soll. Diese Batterie 12 verfügt über ein Batteriesteuergerät 11 und kann beispielsweise in dem hier schematisch angedeuteten Fahrzeug 13 zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsenergie eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche

1 . Separator (8) für eine Batterieeinzelzelle (1) aus einem porösen Polymermaterial gekennzeichnet durch zumindest eine sich vollflächig über eine Separatorfläche erstreckende poröse Schicht (8’) aus einem plastisch oder elastisch verformbaren Material, wobei die Porosität der Schicht (8’) so vorgegeben ist, dass bei einem vorgegebenen Druckwert in Höhe eines kritischen Maximaldrucks (p_max) das Porenvolumen in der Schicht (8’) so klein wird, dass keine lonenleitung durch die Poren der Schicht (8’) mehr stattfindet.

2. Separator (8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8’) eine höhere Elastizität aufweist als der restliche Teil des Separators (8).

3. Separator (8) nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch seine Ausbildung allein durch die Schicht (8’).

4. Batterieeinzelzelle (1) mit zwei Elektroden und einem dazwischen liegenden Separator (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.

5. Batteriemodul (10) mit mehreren Batterieeinzelzellen (1) gemäß Anspruch 4.

6. Verfahren zur Überwachung einer Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 4 oder eines Batteriemoduls (10) nach Anspruch 5 auf kritische Drucksteigerungen in zumindest einer der Batterieeinzelzellen (1), wozu der Innenwiderstand der/jeder der Batterieeinzelzelle (1)/Batterieeinzelzellen (1) erfasst und mit kennlinien- oder modellbasierten Vorgabewerten verglichen wird, um eine durch einen Druckanstieg verursachten Anstieg des Innenwiderstands zu erfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ab einem vorgegebenen Schwellenwert oder Grenzgradienten des Innenwiderstands eine Fehlermeldung generiert und gespeichert und/oder ausgegeben wird.

8. Fahrzeug (13) mit wenigstens einem Batteriemodul (10) nach Anspruch 5.

9. Fahrzeug (13) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriesteuergerät (11) vorgesehen ist, welches zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder 7 eingerichtet ist.