EP4754828A1

EP4754828A1 - Batterieeinzelzelle

Info

Publication number: EP4754828A1
Application number: EP24754649.2A
Authority: EP
Inventors: Andreas Schurz; Ahmet Uzun; Stefan Riedlinger
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-10-20
Filing date: 2024-08-06
Publication date: 2026-06-10
Also published as: CN122055833A; WO2025082644A1; DE102023128877A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle (1) mit einem ein Aktivmaterial umschließenden Gehäuse (2), welches auf einer Seite (3) des Gehäuses (2) ein Überdruckentlastungselement ausweist, wobei zumindest der das Überdruckentlastungselement aufweisende Bereich dieser Seite (2) mit einer thermischen Isolierschicht (7) versehen ist. Die erfindungsgemäße Batterieeinzelzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierschicht in Form einer ausgehärteten Vergussmasse (7) ausgebildet ist.

Description

Batterieeinzelzelle

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinzelzelle mit einem ein Aktivmaterial umschließenden Gehäuse, welches auf einer Seite des Gehäuses ein Überdruckentlastungselement aufweist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Batterieeinzelzellen mit einem Überdruckentlastungselement, welches beispielsweise als Berstscheibe ausgebildet sein kann, sind soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese dienen zur Gewährleistung der Sicherheit, wenn benachbarte Batterieeinzelzelle, z.B. eine Li-Ionen Zelle, thermisch durchgeht. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Thermal Propagation. Die Überdruckentlastungselemente helfen dann den Druck in dieser Batterieeinzelzelle abbauen zu können. Das Berstelement reißt auf oder ein andersartig ausgestaltetes Überdruckentlastungselement öffnet und lässt die in der Batterieeinzelzelle entstehenden Gase abströmen. Dieser Vorgang wird auch als „cell venting“ bezeichnet. Diese Venting-Gase sind typischerweise heiß und werden gegebenenfalls auch von Flammen und/oder heißen Partikeln bzw. Funken begleitet. Sie sind daher auch für benachbarte Batterieeinzelzellen und die Umgebung gegebenenfalls kritisch, weshalb die hier rein beispielhaft angeführte DE 10 2021 000 029 A1 ein mehrschichtiges Schutzelement für eine Batterie beschreibt. Dieses dient als eine Art Filter, um Flammen, Funken und heiße Partikel zurückzuhalten und die von den Venting-Gasen ausgehende Gefahr dadurch zu minimieren.

Die DE 102021 005 538 A1 beschreibt Batterie mit einer Venting-Einrichtung. Im Bereich einer Kühlplatte nahe den Venting-Einrichtungen ist dabei eine Isoliermasse angeordnet, um die Kühlplatte im Falle eines Ventings vor den dabei abgegebenen heißen Gasen zu schützen. Aus der DE 102008 059 971 A1 in eine Batterie bekannt, bei welcher eine Elektronikbaueinheit von einer thermischen Schutzschicht umgeben ist.

Ein elektrischer Energiespeicher mit einem Entgasungsraum wird in der DE 10 2022 103 336 A1 beansprucht. Die Speicherzellen sind dabei über eine Füllung, die auch als Vergussmasse ausgebildet sein kann in einem Speichergehäuse fixiert. Den Entgasungsraum bildet dabei ein hohles Einlegeteil in der Füllung aus.

Letztlich kann auch auf die DE 102010 038 308 A1 verwiesen werden, welche eine Batterie beschreibt, bei welcher die Elektroden-Separatoren-Anordnungen zumindest teilweise mit einer Vergussmasse umhüllt sind.

In der allgemeinen Praxis hat sich außerdem ein Aufbau durchgesetzt, bei welchem über thermische Isolierschichten versucht wird benachbarte Batterieeinzelzellen von den heißen Gasen einer durchgehenden Batterieeinzelzelle zu schützen. In der allgemeinen Praxis wird hierfür auf die das Überdruckentlastungselement, welches besonders anfällig gegenüber thermischen Einflüssen ist, aufweisende Seite eine Schicht aus Schichtsilikat (Glimmer/Mica) aufgebracht. Damit diese Schicht bei einem Ansprechen des Überdruckentlastungselements ebenfalls aufreißt und nicht von den heißen Gasen unterwandert wird, muss diese im Bereich des Überdruckentlastungselements perforiert sein. Dies ist in der Praxis aufwändig und schwächt genau in demjenigen Bereich, in dem die Isolierung besonders relevant ist, deren Wirkung durch die Perforierung. Darüber hinaus ist das Naturmaterial vergleichsweise teuer, da es komplex im Abbau und insbesondere in der Aufbereitung für derartige Anwendungen ist.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin eine Batterieeinzelzelle mit einem verbesserten Gehäuse anzugeben, welches einfach, effizient und kostengünstig in der Herstellung ist und dennoch einen hohen Schutz gegenüber thermischen Einflüssen im Falle von thermisch durchgehenden benachbarten Batterieeinzelzellen bietet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Batterieeinzelzelle mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ähnlich wie im Stand der Technik weist zumindest diejenige Seite des Gehäuses der Batterieeinzelzelle, welche das Überdruckentlastungselement aufweist, eine thermische Isolierschicht auf, um eben diese Seite und vor allem das Überdruckentlastungselement vor thermischen Einflüssen zu schützen, falls eine benachbarte Zelle thermisch durchgeht.

Die erfindungsgemäße Lösung verwendet nun anstelle des teuren und aufwändig zu verarbeitenden Naturmaterials Glimmer eine Vergussmasse, welche nach ihrem Aushärten die thermische Isolierschicht ausbildet. Eine solche Vergussmasse kann einfach und effizient auf die jeweilige Seite des Gehäuses der Batterieeinzelzelle, welches nachfolgend auch als Zellgehäuse bezeichnet wird, aufgebracht werden. Nach dem Aushärten entsteht eine Schutzschicht, welche im Falle eines thermischen Durchgehens dieser Batterieeinzelzelle, sodass ihr Überdruckentlastungselement öffnet, im Bereich des Überdruckentlastungselements einfach aufreißt, ohne dass hierfür Perforierungen oder dergleichen notwendig sind. Durch die direkte Anhaftung der Schicht nach dem Aufgießen auf dem Zellgehäuse besteht hier auch nicht die Gefahr, dass diese von den abströmenden heißen Gasen unterwandert wird. Damit lässt sich außerordentlich einfach und effizient ein guter thermischer Schutz von benachbarten Zelle gewährleisten, ohne dass Abblasen von Venting-Gasen der betroffenen Batterieeinzelzelle zu erschweren.

Für die Vergussmasse sind dabei verschiedene Materialien denkbar, welche darüber hinaus mit geeigneten Füllstoffen versehen werden können, um diese Vergussmasse thermisch besonders belastbar zu machen. So kann beispielsweise eine Vergussmasse auf der Basis von Polyurethan eingesetzt werden. Als besonders geeignet hat sich eine silikonbasierte Vergussmasse herausgestellt. Eine solche auf Silikon basierende Vergussmasse bietet den Vorteil, dass das Silikon bei Kontakt mit heißen Gasen an seiner Oberfläche keramisiert bzw. verglast, sodass durch die Einwirkung der heißen Gase die Schutzwirkung sogar noch verbessert wird. Die heißen, leicht entzündlichen Venting-Gase gelangen damit nicht in den Bereich des besonders anfälligen Überdruckentlastungselements benachbarter Batterieeinzelzellen, sodass das Fortschreiten der thermischen Ereignisse über die Gesamtbatterie zuverlässig verhindert oder zumindest deutlich hinausgezögert werden kann. Als besonders geeignet hat sich dabei der von der Firma Wacker vertriebene Werkstoff mit dem Markennamen Elastosil und der Bezeichnung CM 185 herausgestellt. Es handelt sich dabei um einen sogenannten „Silicon Rubber".

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausbildung des Gehäuses der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass das Überdruckentlastungselement in einer in die das Überdruckentlastungselement aufweisende Seite des Gehäuses eingebrachte Vertiefung angeordnet ist. Das Überdruckentlastungselement sitzt also gegenüber dem umgebenden Material der es aufweisenden Seite etwas vertieft. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass bei der Montage und dem Aufbringen der Vergussmasse diese in die Vertiefung gefüllt werden kann, um so einen einfachen und effizienten Auftrag der Vergussmasse, welche auch als Potting Material bezeichnet wird, im flüssigen Zustand zu gewährleisten, sodass diese genau an der Stelle aushärtet, an der sie benötigt wird, ohne weitere Bereiche der Batterieeinzelzelle zu verschmutzen.

Eine Alternative zu einer solchen Vertiefung zur Aufnahme des Potting-Materials kann es gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung auch vorsehen, dass das Überdruckentlastungselement umlaufend von einem Kragen umgeben ist. Ein solcher Kragen kann beispielsweise je nach Ausgestaltung der Seite des Zellgehäuses einteilig mit diesem ausgebildet oder nachträglich auf diesem aufgesetzt, beispielsweise aufgeklebt, werden. Ähnlich wie die alternativ zuvor beschriebene Vertiefung ermöglicht dieser Kragen den Auftrag des flüssigen Potting-Materials, welches dann innerhalb des Kragens gehalten wird, dort aushärten und die thermische Isolierschicht ausbilden kann.

Selbstverständlich können eine Vertiefung und ein Kragen auch miteinander kombiniert werden, sodass die Vertiefung zusätzlich von dem Kragen umgeben ist. Dies macht insbesondere dann Sinn, wenn konstruktionsbedingt ein Überdruckentlastungselement mit einer gewissen Bauhöhe eingesetzt werden soll, und die Vertiefung alleine nicht so gestaltet werden kann, dass diese eine die Höhe des Überdruckentlastungselements überragende Tiefe aufweist. Über den Kragen könnte dann die zusätzliche Höhe geschaffen werden, um eine vollständige und vollflächige Abdeckung des Überdruckentlastungselements mit dem Potting-Material zu gewährleisten.

Der Kragen kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung einen Teil der Seite partiell oder die Seite vollständig umgeben. Der Kragen kann also so angeordnet werden, dass die gesamte Seite von ihm umgeben wird und damit die gesamte das Überdruckentlastungselement aufweisende Seite mit der thermischen Isolierschicht durch das ausgehärtete Vergussmaterial überzogen wird. Alternativ dazu kann auch nur ein Teil der Seite von dem Kragen umgeben werden, sodass ähnlich wie bei der oben beschriebenen Vertiefung ausschließlich im Bereich des Überdruckentlastungselements eine thermische Isolierung durch das Potting-Material erzielt wird. Selbstverständlich sind auch alle Zwischengrößen hier entsprechend denkbar, sodass beispielsweise die Hälfte der Seite, dreiviertel der Seite oder ähnliches mit der thermischen Isolierschicht durch das Potting-Material bedeckt wird. Der Kragen wird dazu in seiner Größe und Formgebung an die gewünschte Größe der Isolierschicht angepasst.

Wie oben bereits erwähnt kann der Kragen auf das Material des Gehäuses aufgesetzt werden oder er kann vorzugsweise durch das Material des Gehäuses selbst ausgebildet werden. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann der Kragen auch durch eine die das Überdruckentlastungselement aufweisende Seite des Gehäuses umgebende Folie ausgebildet sein. Eine solche Folie ließe sich prinzipiell als eine Art Klebestreifen auf die Seitenwände des Gehäuses aufkleben, um so die dann obenliegende Seite des Gehäuses vollständig zu umgeben und über diese als Kragen überzustehen. Auch der Einsatz von Folienbeuteln, wie sie bei Pouch-Zellen üblich sind, sind hier denkbar, beispielsweise indem dieser Folienbeutel umlaufend mit einem Deckel als diejenige Seite, welche das Überdruckentlastungselement aufweist, verschweißt wird und dabei über diesen Deckel überstehen gelassen wird, um den Kragen für das das Potting-Material aufnehmende Volumen auszubilden.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung kann es ferner vorsehen, dass die Seite mit dem Überdruckentlastungselement zusätzlich die mit den Batteriepolen verbundenen Zellterminals aufweist. Für den Fall, dass diese oder zumindest eines von ihnen innerhalb der von dem Kragen umgebenden Fläche liegt ist es dann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Höhe des Zellterminals höher als die Höhe des Kragens ausgebildet ist, sodass die eingebrachte Vergussmasse das Zellterminal umfangsseitig umgibt, seine nach oben gerichtete Fläche jedoch nicht benetzt, sodass das Zellterminal durch die ausgehärtete Vergussmasse als thermische Isolierschicht hindurchragt. Der Aufbau lässt sich prinzipiell bei jeder Art von Zellgehäusen umsetzen. Besonders vorteilhaft ist der Aufbau bei prismatischen Zellgehäusen, wenn hier insbesondere eine der Stirnseiten, insbesondere eine der größeren Stirnseiten bei einer rechteckigen Querschnittsform der Batterieeinzelzelle als diejenige Seite genutzt wird, welche mit der thermischen Isolierschicht versehen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht einer ersten möglichen Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Batterieeinzelzelle gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der Figur 1 ist eine prismatische Batterieeinzelzelle 1 in Form einer Lithium-Ionen-Zelle exemplarisch dargestellt. Sie umfasst ein mit 2 bezeichnetes Zellgehäuse, auf dessen oberer Seite 3 zwei mit den Batteriepolen verbundene Zellterminals 4, 5 angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Zellterminals 4, 5 ist eine mit 6 bezeichnete Vertiefung angeordnet, in welcher ein hier nicht erkennbares Überdruckentlastungselement angeordnet ist. Es kann sich bei diesem Überdruckentlastungselement beispielsweise um eine Berstscheibe mit rundem oder hier vorzugsweise ovalem Querschnitt handeln. Diese ist mit dem sie umgebenden Material des Zellgehäuses 2 bzw. der Seite 3 lediglich über ein entsprechend geschwächtes Material verbunden. Es ist also eine Sollbruchstelle umlaufend oder zum größten Teil umlaufend um den Umfang dieses Berstelements vorgesehen. Typischerweise sind derartige Batteriegehäuse nun aus Materialien, die eine niedrige Bruchdehnung, eine niedrige Zugfestigkeit und eine niedrige Reißfestigkeit aufweisen, sodass durch die Dimensionierung der Sollbruchstelle festgelegt werden kann, ab welchem Innendruck in dem Zellgehäuse 2 das Berstelement aufreißt. Durch das aufreißende Berstelement kann dann für den Fall eines thermischen Ereignisses in der Batterieeinzelzelle 1 der Druck abgebaut werden, indem die sogenannten Venting-Gase durch die entstandene Öffnung abgeblasen werden.

Um dieses hier nicht sichtbare Überdruckentlastungselement nun vor heißen Venting- Gasen benachbarter Batterieeinzelzellen, welche ein thermisches Ereignis erfahren haben, zu schützen, ist es vorgesehen, dass die Vertiefung 6 mit einer hier kreuzschraffiert dargestellten Vergussmasse 7, einem sogenannten Potting-Material, versehen ist. Dieses Potting-Material 7 wird im flüssigen Zustand in die Vertiefung 6 eingebracht und härtet dann dort aus. Es verklebt mit dem Material des Zellgehäuses 2 bzw. der Seite 3 und schützt so im Falle eines Überstreichens des Potting-Materials 7 mit heißen Gasen, Flammen und/oder heißen Partikeln den darunter liegenden Bereich mit dem Überdruckentlastungselement zuverlässig.

Als Potting-Material 7 kann insbesondere ein Silikonwerkstoff zum Einsatz kommen wie beispielsweise der oben schon genannte Silikonwerkstoff unter der Bezeichnung Elastosil CM 185. Dieses Material hat ideale Eigenschaften, um im Falle eines thermischen Ansprechens des Überdruckentlastungselements unterhalb des Potting-Materials 7 zuverlässig aufzureißen, ohne den abströmenden Gasen einen höheren Widerstand entgegenzusetzen, als der des Berstelements. Andererseits neigt das Material bei einem Überströmen mit heißen Gasen oder einer Beaufschlagung mit Flammen oder heißen Partikeln zu einer Art Verglasung oder Keramisierung der Oberfläche, sodass eine sehr gute thermische Schutzwirkung für darunterliegende Elemente entsteht. Neben diesem Werkstoff sind aber auch andere silikonbasierte Vergussmassen oder PU- Vergussmassen, ggf. mit geeigneten Füllstoffen zu Verbesserung der thermischen Isolierwirkung denkbar.

Figur 2 zeigt den aus Figur 1 bereits bekannten Aufbau, bei welchem anstelle der Vertiefung 6 ein mit 8 bezeichneter umlaufender Kragen um die gesamte Seite 3 des Batteriegehäuses 2 angeordnet ist. Der Kragen 8 ist dabei nicht so hoch wie die Zellterminals 4, 5. Das Aufgießen des Potting-Materials 7, welches auch hier wieder kreuzschraffiert dargestellt ist, sorgt dann dafür, dass die gesamte Seite 3 mit der thermischen Schutzschicht versehen ist, die Zellterminals 4, 5 jedoch durch diese Schutzschicht hindurch ragen. Selbstverständlich ließe sich der Kragen 8 auch so ausgestalten, dass er eine kleinere Fläche bzw. ein kleineres Volumen umgibt. Dies kann zwischen der ausschließlichen Abdeckung des besonders schutzbedürftigen Überdruckentlastungselements bis hin zur vollflächigen Abdeckung der Seite, wie in Figur 2 dargestellt, reichen. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der Figur 3 ein Aufbau gezeigt, bei dem ein Teil der der Seite 3 zwischen den beiden Zellterminals 4, 5 von dem Kragen 8 umgeben und dementsprechend mit dem Potting-Material 7 als thermische Schutzschicht abgedeckt ist.

Claims

Patentansprüche

1. Batterieeinzelzelle (1) mit einem ein Aktivmaterial umschließenden Gehäuse (2), welches auf einer Seite (3) des Gehäuses (2) ein Überdruckentlastungselement aufweist, wobei zumindest der das Überdruckentlastungselement aufweisende Bereich dieser Seite (3) mit einer thermischen Isolierschicht (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierschicht in Form einer ausgehärteten Vergussmasse (7) ausgebildet ist, welche nach dem Aufgießen auf dem Überdruckentlastungselement des Gehäuses (2) anhaftet.

2. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die das Überdruckentlastungselement aufweisende Seite (3) des Gehäuses (2) eine das Überdruckentlastungselement umgegebene Vertiefung (6) aufweist.

3. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das Überdruckentlastungselement aufweisende Seite (3) des Gehäuses (2) einen das Überdruckentlastungselement umlaufend umgebenden Kragen (8) aufweist.

4. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8) einen Teil der Seite (3) partiell oder die Seite (3) vollständig umgibt.

5. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8) durch das Material des Gehäuses (2) ausgebildet ist.

6. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8) aus auf die Seite (3) aufgeklebtem Material ausgebildet ist.

7. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8) als die Seite (3) umgebende Folie ausgebildet ist.

8. Batterieeinzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite (3) mit dem Überdruckentlastungselement zusätzlich die mit den Batteriepolen verbundenen Zellterminals (4, 5) aufweist.

9. Batterieeinzelzelle (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass zumindest eines der Zellterminals (4, 5) innerhalb der von dem Kragen (8) umgebenden Fläche der Seite (3) liegt, dieses höher als der Kragen (8) ausgebildet ist.

10. Batterieeinzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als prismatisches Gehäuse ausgebildet ist.

11. Batterieeinzelzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse auf der Basis von Polyurethan oder - bevorzugt - auf der Basis von Silikon ausgebildet ist.