WO2013023772A1 - Energiespeichervorrichtung - Google Patents

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WO2013023772A1
WO2013023772A1 PCT/EP2012/003433 EP2012003433W WO2013023772A1 WO 2013023772 A1 WO2013023772 A1 WO 2013023772A1 EP 2012003433 W EP2012003433 W EP 2012003433W WO 2013023772 A1 WO2013023772 A1 WO 2013023772A1
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energy storage
layer
storage device
container
thermally conductive
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PCT/EP2012/003433
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Harald REICHE
Danilo ZSCHECH
Jens Meintschel
Claus-Rupert Hohenthanner
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Li-Tec Battery Gmbh
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Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an energy storage device according to the preamble of claim 1.
  • the entire contents of the priority application DE 10 201 1 110 876.2 by reference is part of the present application.
  • Electrode stack usually comprises a plurality of electrode groups each composed of two electrodes and an intermediate electrolyte layer, which are arranged side by side or one above the other.
  • an electrode winding at least one electrode group is wound into a so-called winding.
  • the electrodes of the electrode groups of the same polarity are each electrically connected to a current conductor, via which the electrical voltage generated in the cell can be tapped from the outside.
  • the temperature in the cell may increase due to the electrochemical processes in the cell and the associated evolution of heat, as a result of which the function of the cell may be permanently impaired. It is an object of the present invention to provide an energy storage device in which impairments of the function of the cell are kept as low as possible.
  • a thermally conductive layer is provided between the energy storage cell, in particular the electrode stack or electrode winding, and at least one wall of the container, by means of which heat can be conducted away from the energy storage cell, in particular in the direction of the wall of the container.
  • the invention is based on the idea of enabling or promoting a derivation of the heat arising in the energy storage cell through a separate heat-conducting layer arranged between the energy storage cell and the container wall.
  • the heat-conducting layer is arranged in particular between the lateral walls and the cell in order to achieve a particularly good heat dissipation.
  • the heat dissipation can alternatively or additionally but also be supported by the fact that the heat-conducting layer between the end face and / or the bottom side of the cell on the one hand and the front or bottom wall of the container on the other hand is arranged.
  • the additional heat-conducting layer between cell and container contributes to the functionality of energy storage. Even if it is damaged from the outside or foreign bodies penetrate.
  • the additional heat-conducting layer prevents in many cases that a foreign body, such as a projectile, can penetrate even further after penetrating the container wall. The foreign body is in this case intercepted by the heat-conducting layer, so that damage to the underlying electrode groups, in particular a short circuit, can be prevented or at least limited to deformation.
  • the thermally conductive layer which is preferably coated electrically insulating, with the possibly damaged electrodes, although However, due to the electrically insulating property of the layer, no short circuit occurs.
  • an energy storage device is understood as meaning a device which is capable of picking up, storing and releasing in particular electrical energy, in particular by utilizing electrochemical processes.
  • an energy storage cell is in the sense of
  • An energy storage device may comprise an energy storage cell or a plurality of energy storage cells.
  • An energy storage cell can, for example, but not only, a galvanic primary or secondary cell (in the context of this application primary or secondary cells are indiscriminately referred to as battery cells and an energy storage device constructed therefrom also as a battery or battery arrangement. net), a fuel cell, a high power capacitor or an energy storage cell of a different kind.
  • an energy storage cell is to be understood as meaning an electrochemical energy storage cell which stores energy in chemical form, delivers it in electrical form to a consumer and preferably can also receive it in electrical form from a charging device.
  • electrochemical energy stores are galvanic cells and fuel cells.
  • An electrochemical energy storage cell preferably has an active region or active part in which electrochemical conversion and
  • the active part preferably has an electrode stack which is formed from an electrode arrangement of electrodes, active layers, separator layers and an electrolyte accommodated by the separator layers.
  • the electrodes are preferably plate-shaped or foil-like and are preferably arranged substantially parallel to one another (prismatic energy storage cells).
  • the electrode arrangement can also be wound and have a substantially cylindrical shape (cylindrical energy storage cells) or have the shape of a flattened coil.
  • the term electrode stack should also include such electrode winding.
  • the active layers and separator layers can be provided at least partially as independent foil blanks or as coatings of the electrodes.
  • the electrolyte of the energy storage cell preferably contains lithium ions.
  • the covering is a device which is suitable for preventing the escape of chemicals from the electrode stack into the environment and for protecting the components of the electrode stack from damaging external influences.
  • the envelope may be formed from one or more moldings and / or film-like. Next, the envelope may be formed in one or more layers.
  • the sheath is preferably formed from a gas-tight and electrically insulating material or layer composite.
  • the thermally conductive layer preferably has at least one first partial layer of a thermally conductive material.
  • a thermally conductive material in the context of the invention here is a substance whose thermal conductivity is at least 1 W / (mK), in particular at least 20 W / (mK). As a result, the thermally conductive layer can be realized in a simple manner.
  • the first part-layer comprises a metal, in particular copper, or consists of metal, in particular copper. Due to the high thermal conductivity of copper, a particularly good dissipation of the heat generated in the cell is possible. In addition, due to its favorable elasticity properties, copper is particularly suitable for safely keeping a foreign body penetrating into the device from the outside.
  • the first partial layer comprises carbon, in particular in the form of carbon fibers. Also in this case, a very good dissipation of heat from the cell is guaranteed.
  • carbon fibers, in particular anisotropic carbon fibers are particularly well suited due to their high strength and rigidity with low elongation at break, in order to prevent foreign bodies from penetrating into the cell. This is especially true when the carbon fibers are processed into a nonwoven or have the shape of a fabric.
  • the first part-layer has a conductive polymer with good heat-conducting properties. By using such a polymer weight can be saved over, for example, metallic sublayers.
  • the thermally conductive layer has at least one second partial layer made of an electrically insulating material.
  • the second sub-layer is preferably connected to the first sub-layer by lamination, in particular hot lamination.
  • lamination in particular hot lamination.
  • the second sub-layer ensures that heat can flow well out of the cell, and on the other hand prevents an outside of the cell from coming into electrical contact with the container, which could result in a short-circuit.
  • the at least one electrically insulating second sub-layer in many cases that when a foreign body, in particular a projectile, from the outside short circuits between the individual electrodes of the electrode stack are avoided or at least significantly reduced. This applies in particular when the electrically insulating second sub-layer of the thermally conductive layer is located in each case on the inside, ie between the first sub-layer and the electrode stack.
  • the second partial layer preferably has an electrically insulating plastic, for example PE, PP, PET or PVC. This makes it possible to realize an electrically insulating effect in a simple and cost-effective manner.
  • the first thermally conductive partial layer is arranged, in particular laminated, between two second electrically insulating partial layers.
  • the thickness of the two second partial layers is preferably substantially smaller than the thickness of the first partial layer.
  • the hollow body is obtained by extrusion, in particular by cold extrusion, or deep drawing of a metal sheet blank.
  • the electrode stack has a plurality of stack layers which each have an anode layer, a cathode layer and a separator layer located between the anode layer and the cathode layer, the individual stack layers being at least partially interconnected by lamination.
  • the individual stack layers are glued to each other at least in some areas by means of an adhesive.
  • the adhesive is a so-called.
  • Hot melt adhesive which is substantially solid at room temperature and only becomes liquid when heated and unfolds its adhesive effect.
  • the stack layers are preferably glued together by pressing and / or rolling under the action of heat.
  • a battery arrangement has a plurality of energy storage devices according to the invention, on which contact elements are provided, which are electrically connected to each other, in particular in series and / or connected in parallel. In this way, the voltage or voltage required by the respective application of the battery arrangement can be realized.
  • the energy storage device or the battery arrangement according to the invention is advantageously used for supplying an electric drive or hybrid drive of a motor vehicle with electrical energy.
  • FIG. 2 shows a first example of a cross section through an energy storage device
  • FIG. 3 shows a second example of a cross section through an energy storage device
  • FIG. 4 shows a first example of a cross section through a thermally conductive layer
  • FIG. 5 shows a second example of a cross section through a thermally conductive layer
  • FIG. 6 shows a detail from the example shown in FIG. 2 in the case where an object has penetrated into the container of the energy storage cell;
  • Fig. 7 shows an example of the structure of an electrode stack.
  • Fig. 1 shows an example of the structure of an energy storage device having a substantially cuboid container 1, which is preferably formed of metal and is open to one side.
  • the container 1 can be produced, for example, by extrusion, in particular cold extrusion, or deep-drawing of a corresponding starting workpiece, in particular a sheet.
  • an electrode stack 2 or an electrode winding (not shown) is introduced into the container 1.
  • the electrode stack 2 has a multiplicity of juxtaposed stack layers, which in each case comprise an anode layer, a cathode layer and a separator layer arranged therebetween with electrolyte.
  • the respective anode layers or cathode layers are electrically contacted with contact lugs 3 and 5, respectively.
  • the contact lugs 3 and 5 are contacted by means of further contact elements 4 and 6 through an insulating element 7 with the cover 8 of the energy storage device or led out by means of further, not shown contact elements through an opening 9 in the lid 8 through from the energy storage device.
  • the two side walls as well as the bottom wall of the container 1 and the electrode stack 2 can be seen.
  • a thermally conductive layer 10 is provided, which is configured in such a way that it can dissipate heat from the electrode stack 2 in the direction of the two side walls of the container 1.
  • the thermally conductive layers 10 are preferably on the side walls of the container 1 and the electrode stack 2, but without being connected to this or this cohesively, for example by gluing or laminating.
  • the thermally conductive layers 10 constitute separate layers between the container wall and the electrode stack 2, which are placed on the electrode stack during assembly of the energy storage device and pushed into the container 1 together with the latter.
  • By a certain elasticity of the electrode stack 2 stretches looks this within the container something, so that the located between the electrode stack 2 and the container wall thermally conductive layers 10 are pressed against the container wall.
  • thermally conductive layers 10 to the respective outer surfaces of the electrode stack 2 and / or the respective inner surfaces of the side walls of the container 1, for example by gluing and / or laminating.
  • thermally conductive layers 10 are provided not only in the region of the two side walls of the container 1, but also in the region of the bottom.
  • the electrode stack 2 is preferably enclosed or surrounded by a thermally conductive layer 10 formed in one piece. In this way, the heat generated in the electrode stack 2 can be conducted in a particularly efficient manner in the direction of the outside of the container 1 of the energy storage device.
  • FIG. 4 shows a first example of a construction of the thermally conductive
  • thermally conductive material is to be understood as meaning substances whose thermal conductivity is greater than about 1 W / (m K).
  • thermal conductivities are at least 20 W / (m K), in particular at least 100 W / (m K).
  • the first sub-layer 11 is a layer of metal, in particular of copper.
  • the first part-layer 1 it is also possible for the first part-layer 1 to have carbon fibers, also called carbon fibers.
  • the first sub-layer 1 1 is enclosed by two second sub-layers 12, 13, which each consist of an electrically insulating material, for example of plastic.
  • the second partial layers 12, 13 are formed as thin as possible.
  • its layer thickness is at most 30% of the layer thickness of the first part-layer 11. It is particularly preferred that the thickness of the second partial layers 12, 13 is less than 1/10 of the thickness of the first partial layer 10.
  • this comprises, in addition to the first sublayer 1 1 of thermally conductive material, only a second sublayer 12 of an electrically insulating material.
  • a particularly good dissipation of heat arising in the electrode stack is ensured, which leads to particular advantages in particular in memory cell types in which double-sided electrical insulation of the first partial layer 11 is not required.
  • the embodiments apply correspondingly in connection with FIG.
  • a particular advantage of using the above-described thermally conductive layers 10 in energy storage devices is also that the Electrode stack 2 is protected in the case of mechanical damage to the container 1 from the outside much better against short circuits, as is the case with energy storage cells known from the prior art. This will be explained in more detail with reference to FIG. 6, which shows a section A from the cross section through an energy storage device shown in FIG.
  • an object for example a projectile 19 penetrates the side wall of the container 1 and deforms both the thermally conductive layer 10 immediately behind the side wall of the container 1 and the stack layers of the electrode stack 2 lying behind
  • the projectile 19 is prevented by the thermally conductive layer 10 from penetrating further into the energy storage device, ie the projectile 19 does not penetrate the thermally conductive layer 10.
  • the deformation of the stack layers of the electrode stack 2 can be kept so low that the individual stack layers are substantially not severed. In this way, the occurrence of short circuits in the individual stack layers is prevented and the functioning of the cell is maintained.
  • thermally conductive layer with one or two electrically insulating partial layers 12, 13 shown in FIGS. 4 and 5, however, even the projectile 19 also becomes the thermally conductive one
  • FIG. 7 shows a detail of an exemplary construction of one of the electrode stack 2, which is composed of a multiplicity of stack layers 20.
  • the stack layers 20 in turn each consist of an anode. den slaughter 21, a cathode layer 22 and a separating layer 23 located therebetween.
  • an electrolyte is contained in the separator layer 23, an electrolyte is contained.
  • an insulating layer 24 is provided in each case.
  • the individual stacking layers 20 including the insulating layer 24 are connected to each other at least in the region of part of their contact surface, preferably by means of an adhesive. It is particularly preferred to choose an adhesive which is solid at room temperature and melts only by heating and unfolds its adhesive effect.
  • the stacked layers 20 provided with a corresponding adhesive are connected to one another by a so-called hot lamination, for example by pressing and / or rolling them under the action of heat.
  • a so-called hot lamination for example by pressing and / or rolling them under the action of heat.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit mindestens einer Energiespeicherzelle mit einem Elektrodenstapel (2) oder Elektrodenwickel und einem Behälter (1) zur Aufnahme der Energiespeicherzelle. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Batterieanordnung sowie eine Verwendung derselben. Um Beeinträchtigungen der Funktion der Energiespeicherzelle möglichst gering zu halten, ist zwischen der Energiespeicherzelle, insbesondere dem Elektrodenstapel (2) bzw. Elektrodenwickel, und mindestens einer Wand des Behälters (1) mindestens eine thermisch leitfähige Schicht (10) vorgesehen, durch welche Wärme von der Energiespeicherzelle, insbesondere in Richtung der Wand des Behälters (1), abgeleitet werden kann.

Description

Energiespeichervorrichtung
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 201 1 110 876.2 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Aus dem Stand der Technik bekannte Energiespeichervorrichtungen weisen mindestens eine elektrochemische Energiespeicherzelle, die auch als elektrochemische Zelle oder galvanische Zelle bezeichnet wird, in Form eines Elektro- denstapels oder Elektrodenwickels auf, welcher von einem Gehäuse umgeben ist. Der Elektrodenstapel weist meist mehrere aus jeweils zwei Elektroden sowie eine dazwischenliegende Elektrolytschicht zusammengesetzte Elektrodengruppen auf, die nebeneinander bzw. übereinander angeordnet sind. Bei einem E- lektrodenwickel wird mindestens eine Elektrodengruppe zu einem sog. Wickel aufgewickelt. Die Elektroden der Elektrodengruppen gleicher Polarität werden jeweils mit einem Stromableiter elektrisch verbunden, über welchen die in der Zelle erzeugte elektrische Spannung von außen abgegriffen werden kann.
Während des Lade- und/oder Entladevorgangs der Energiespeicherzelle kann sich aufgrund der elektrochemischen Prozesse in der Zelle und der damit ver- bundenen Wärmeentwicklung die Temperatur in der Zelle erhöhen, wodurch die Funktion der Zelle auf Dauer beeinträchtigt werden kann. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung anzugeben, bei welcher Beeinträchtigungen der Funktion der Zelle möglichst gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Energiespeicherzelle, insbesondere dem E- lektrodenstapel bzw. Elektrodenwickel, und mindestens einer Wand des Behälters eine thermisch leitfähige Schicht vorgesehen, durch welche Wärme von der Energiespeicherzelle, insbesondere in Richtung der Wand des Behälters, abge- leitet werden kann.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, eine Ableitung der in der Energiespeicherzelle entstehenden Wärme durch eine separate und zwischen der Energiespeicherzelle und der Behälterwand angeordnete wärmeleitende Schicht zu ermöglichen bzw. zu fördern. Im Falle eines Behälters in Form eines flachen qua- derförmigen Hohlkörpers ist die wärmeleitende Schicht insbesondere zwischen den seitlichen Wänden und der Zelle angeordnet, um eine besonders gute Wärmeableitung zu erreichen. Die Wärmeableitung kann alternativ oder zusätzlich aber auch dadurch unterstützt werden, dass die wärmeleitende Schicht zwischen der Stirnseite und/oder der Bodenseite der Zelle einerseits und der stirn- bzw. bodenseitigen Wand des Behälters andererseits angeordnet wird. Durch die zusätzliche wärmeleitende Schicht zwischen der Zelle und dem Behälter wird insgesamt ein besserer Wärmeübergang zwischen Zelle und Wand als ohne eine solche Schicht erreicht. Dadurch kann die beim Laden und/oder Entladen in der Zelle entstehende Wärme stets effizient nach außen abgeleitet werden und eine hohe Langzeitstabilität der Zelle gewährleistet werden.
Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die zusätzliche wärmeleitende Schicht zwischen Zelle und Behälter dazu beiträgt, die Funktionalität der Energiespei- chervorrichtung auch dann aufrechtzuerhalten wenn diese von außen beschädigt wird oder Fremdkörper eindringen. Durch die zusätzliche wärmeleitende Schicht wird in vielen Fällen verhindert, dass ein Fremdkörper, beispielsweise ein Projektil, nach Durchdringen der Behälterwand noch weiter eindringen kann. Der Fremdkörper wird hierbei von der wärmeleitenden Schicht abgefangen, so dass eine Beschädigung der dahinterliegenden Elektrodengruppen, insbesondere ein Kurzschluss, verhindert oder zumindest auf eine Verformung beschränkt werden kann. Aber auch in vielen Fällen, in denen der eindringende Fremdkörper zusätzlich die thermisch leitfähige Schicht durchdringt, können Kurzschlüsse zwi- sehen den einzelnen Elektroden verhindert werden, da dann die thermisch leitfähige Schicht, welche vorzugsweise elektrisch isolierend beschichtet ist, mit den ggf. beschädigten Elektroden zwar in Kontakt kommen kann, aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaft der Schicht jedoch kein Kurzschluss auftritt.
Insgesamt ist festzuhalten, dass bei der erfindungsgemäßen Energiespeicher- Vorrichtung Beeinträchtigungen der Funktion der Zelle verringert werden.
Unter einer Energiespeichervorrichtung wird im Sinne der Erfindung eine Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, insbesondere elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Als eine Energiespeicherzelle wird im Sinne der
Erfindung eine in sich abgeschlossene Funktionseinheit der Energiespeichervorrichtung verstanden, die für sich genommen ebenfalls in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und wieder abzugeben, insbesondere unter Ausnutzung elektrochemischer Prozesse. Eine Energiespeichervorrichtung im Sinne der Erfindung kann eine Energiespeicherzelle oder mehrere Energiespeicherzellen aufweisen.
Eine Energiespeicherzelle kann beispielsweise, aber nicht nur, eine galvanische Primär- oder Sekundärzelle (im Rahmen dieser Anmeldung werden Primär- oder Sekundärzellen unterschiedslos als Batteriezellen und eine daraus aufgebaute Energiespeichervorrichtung auch als Batterie bzw. Batterieanordnung bezeich- net), eine Brennstoffzelle, ein Hochleistungskondensator oder eine Energiespeicherzelle anderer Art sein. Insbesondere soll in diesem Zusammenhang unter einer Energiespeicherzelle eine elektrochemische Energiespeicherzelle verstanden werden, die Energie in chemischer Form speichern, in elektrischer Form an einen Verbraucher abgeben und vorzugsweise auch in elektrischer Form aus einer Ladeeinrichtung aufnehmen kann. Wichtige Beispiele für solche elektrochemische Energiespeicher sind galvanische Zellen und Brennstoffzellen.
Eine elektrochemische Energiespeicherzelle weist vorzugsweise einen aktiven Bereich oder aktiven Teil, in welchem elektrochemische Umwandlungs- und
Speicherungsprozesse stattfinden, und eine Umhüllung zur Kapselung des aktiven Teils von der Umgebung auf. Der aktive Teil weist vorzugsweise einen E- lektrodenstapel auf, der aus einer Elektrodenanordnung aus Elektroden, aktiven Schichten, Separatorschichten und einem von den Separatorschichten aufge- nommen Elektrolyten gebildet ist. Die Elektroden sind vorzugsweise plattenför- mig oder folienartig ausgebildet und bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet (prismatische Energiespeicherzellen). Die Elektrodenanordnung kann auch gewickelt sein und eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen (zylindrische Energiespeicherzellen) oder die Form eines flachgedrück- ten Wickels aufweisen. Der Begriff Elektroden Stapel soll auch derartige Elektrodenwickel beinhalten. Die aktiven Schichten und Separatorschichten können wenigstens teilweise als eigenständige Folienzuschnitte oder als Beschichtun- gen der Elektroden vorgesehen sein. Der Elektrolyt der Energiespeicherzelle enthält vorzugsweise Lithium-Ionen. Die Umhüllung ist in diesem Zusammen- hang eine Einrichtung, welche geeignet ist, den Austritt von Chemikalien aus dem Elektrodenstapel in die Umgebung zu verhindern und die Bestandteile des Elektrodenstapels vor schädigenden äußeren Einflüssen zu schützen. Die Umhüllung kann aus einem oder aus mehreren Formteilen und/oder folienartig ausgebildet sein. Weiter kann die Umhüllung einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Umhüllung ist vorzugsweise aus einem gasdichten und elektrisch isolierenden Werkstoff oder Schichtverbund gebildet. Vorzugsweise weist die thermisch leitfähige Schicht mindestens eine erste Teilschicht aus einem thermisch leitfähigen Material auf. Ein thermisch leitfähiges Material im Sinne der Erfindung ist hierbei ein Stoff, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 1 W/(mK), insbesondere mindestens 20 W/(mK) beträgt. Hierdurch lässt sich die thermisch leitfähige Schicht auf einfache Weise realisieren.
Es ist bevorzugt, dass die erste Teilschicht ein Metall, insbesondere Kupfer, aufweist oder aus Metall, insbesondere Kupfer, besteht. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wird eine besonders gute Ableitung der in der Zelle entstehenden Wärme ermöglicht. Darüber hinaus eignet sich Kupfer aufgrund sei- ner günstigen Elastizitätseigenschaften besonders gut dazu, einen von außen in die Vorrichtung eindringenden Fremdkörper sicher abzuhalten.
Alternativ oder zusätzlich weist die erste Teilschicht Kohlenstoff, insbesondere in Form von Kohlenstofffasern, auf. Auch in diesem Fall wird eine sehr gute Ableitung von Wärme aus der Zelle gewährleistet. Darüber hinaus sind Kohlenstofffa- sern, insbesondere anisotrope Kohlenstofffasern, aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung besonders gut geeignet, um Fremdkörper an einem Eindringen in die Zelle zu hindern. Die gilt insbesondere dann, wenn die Kohlenstofffasern zu einem Vlies verarbeitet sind oder die Form eines Gewebes haben. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die erste Teilschicht ein leitfähiges Polymer mit guten Wärmeleitungseigenschaften aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Polymers kann gegenüber beispielsweise metallischen Teilschichten Gewicht gespart werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die thermisch leitfähige Schicht mindestens eine zweite Teilschicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist. Die zweite Teilschicht ist vorzugsweise mit der ersten Teilschicht durch Laminieren, insbesondere Heißlaminieren, verbunden. Durch die zweite Teilschicht wird einerseits gewährleistet, dass Wärme aus der Zelle gut abfließen kann, und anderseits verhindert, dass eine Außenseite der Zelle in elektrischen Kontakt mit dem Behälter kommt, was einen Kurzschluss zur Folge haben könnte. Darüber hinaus wird durch die mindestens eine elektrisch isolie- rende zweite Teilschicht in vielen Fällen gewährleistet, dass bei einem Eindringen eines Fremdkörpers, insbesondere eines Projektils, von außen Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Elektroden des Elektrodenstapels vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die elektrisch isolierende zweite Teilschicht der thermisch leitfähigen Schicht jeweils innen liegt, d.h. zwischen der ersten Teilschicht und dem Elektrodenstapel.
Vorzugsweise weist die zweite Teilschicht einen elektrisch isolierenden Kunststoff, beispielsweise PE, PP, PET oder PVC, auf. Hierdurch lässt sich eine elektrisch isolierende Wirkung auf einfache und kostengünstige Weise realisieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste thermisch leitende Teilschicht zwischen zwei zweiten elektrisch isolierenden Teilschichten angeordnet, insbesondere einlaminiert, ist. Hierbei ist die Dicke der beiden zweiten Teilschichten vorzugsweise wesentlich kleiner als die Dicke der ersten Teilschicht. Hierdurch wird eine effiziente Wärmeleitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolation zwischen Elektrodenstapel und Behälter auf einfache Weise gewährleistet, was insbesondere auch im Hinblick auf mögliche Beschädigungen der Vorrichtung durch äußere Fremdkörpereinwirkung von Vorteil ist, da im Falle einer Verformung oder teilweisen Durchdringung der beidseitig elektrisch isolierten, thermisch leitfähigen Schicht ein Kurzschluss der dahinter liegenden Elektrodenpaare weniger wahrscheinlich ist. Es ist außerdem bevorzugt, dass der Behälter einen einseitig offenen, insbesondere quaderförmigen, Hohlkörper aufweist, der nach dem Einbringen des Elektrodenstapels bzw. -Wickels durch einen Deckel verschlossen werden kann. Vorzugsweise wird der Hohlkörper durch Fließpressen, insbesondere durch Kaltfließpressen, oder Tiefziehen eines metallischen Blechzuschnitts erhalten. Auf diese Weise lässt sich eine mechanisch und chemisch stabile Umhüllung der Zelle einfach und kostengünstig realisieren, über welche mittels der thermisch leitfähigen Schicht die in der Zelle entstehende Wärme effizient abgeführt werden kann. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der Elektrodenstapel mehrere Stapelschichten auf, welche jeweils eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht sowie eine zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht befindliche Separatorschicht aufweisen, wobei die einzelnen Stapelschichten zumindest teilweise durch Lamination miteinander verbunden sind. Hierbei werden die ein- zelnen Stapelschichten zumindest in Teilbereichen mittels eines Klebers aneinander geklebt. Vorzugsweise ist der Kleber ein sog. Heißkleber, welcher bei Zimmertemperatur im Wesentlichen fest ist und erst bei Erwärmung flüssig wird und seine Klebewirkung entfaltet. Entsprechend werden die Stapelschichten vorzugsweise durch Verpressen und/oder Walzen unter Wärmeeinwirkung mitein- ander verklebt. Durch eine oder mehrere dieser Maßnahmen wird eine hohe mechanische Stabilität des Elektrodenstapels erreicht, wobei gleichzeitig durch die zumindest teilweise Verklebung der Stapelschichten diese gut miteinander thermisch gekoppelt sind, so dass eine Ableitung von in der Zelle entstehender Wärme in Richtung der thermisch leitfähigen Schicht bzw. der metallischen Be- hälterwand begünstigt wird.
Eine Batterieanordnung weist mehrere erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtungen auf, an welchen Kontaktelemente vorgesehen sind, die miteinander elektrisch verbunden, insbesondere in Reihe und/oder parallel geschaltet, sind. Auf diese Weise werden die bei der jeweiligen Anwendung erforderlichen Span- nungen bzw. Leistungen der Batterieanordnung realisiert.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung oder die Batterieanordnung wird vorteilhafterweise zur Versorgung eines Elektroantriebs oder Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie verwendet. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für den Aufbau einer Energiespeichervorrichtung;
Fig. 2 ein erstes Beispiel eines Querschnitts durch eine Energiespeichervorrichtung;
Fig. 3 ein zweites Beispiel eines Querschnitts durch eine Energiespeichervorrichtung;
Fig. 4 ein erstes Beispiel eines Querschnitts durch eine thermisch leitfähige Schicht;
Fig. 5 ein zweites Beispiel eines Querschnitt durch eine thermisch leitfähige Schicht;
Fig. 6 einen Ausschnitt aus dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel für den Fall, dass ein Gegenstand in den Behälter der Energiespeicherzelle eingedrungen ist; und
Fig. 7 ein Beispiel für den Aufbau eines Elektrodenstapels.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Energiespeichervorrichtung mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Behälter 1 , welcher vorzugsweise aus Metall geformt ist und zu einer Seite hin offen ist. Der Behälter 1 kann beispielsweise mittels Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, oder Tiefziehen eines entsprechenden Ausgangswerkstücks, insbesondere eines Blechs, hergestellt werden. Durch die offene Seite des Behälters 1 wird ein Elektrodenstapel 2 oder ein E- lektrodenwickel (nicht dargestellt) in den Behälter 1 eingeführt. Der Elektrodenstapel 2 weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Stapelschichten auf, welche jeweils eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht sowie eine dazwi- sehen angeordnete Separatorschicht mit Elektrolyt umfasst. Die jeweiligen Anodenschichten bzw. Kathodenschichten werden mit Kontaktfahnen 3 bzw. 5 elektrisch kontaktiert. Die Kontaktfahnen 3 und 5 werden mit Hilfe weiterer Kontaktelemente 4 bzw. 6 durch ein Isolationselement 7 hindurch mit dem Deckel 8 der Energiespeichervorrichtung kontaktiert bzw. mittels weiterer, nicht dargestellter Kontaktelemente durch eine Öffnung 9 im Deckel 8 hindurch aus der Energiespeichervorrichtung herausgeführt.
Bei dem in Figur 2 gezeigten ersten Beispiel eines Querschnitts durch eine E- nergiespeichervorrichtung sind die beiden Seitenwände sowie die Bodenwand des Behälters 1 sowie der Elektrodenstapel 2 zu erkennen. Zwischen dem Elek- trodenstapel 2 und den beiden Seitenwänden des Behälters 1 ist jeweils eine thermisch leitfähige Schicht 10 vorgesehen, welche in der Weise ausgestaltet ist, dass diese Wärme aus dem Elektrodenstapel 2 in Richtung der beiden Seitenwände des Behälters 1 ableiten bzw. weiterleiten kann. Während des Aufoder Entladens der Energiespeichervorrichtung entstehende Wärme kann da- durch effizient an die Seitenwände des Behälters 1 weitergegeben werden, so dass das Auftreten eines Wärmestaus in der Energiespeicherzelle effizient unterbunden oder zumindest stark reduziert werden kann.
Die thermisch leitfähigen Schichten 10 liegen vorzugsweise an den Seitenwänden des Behälters 1 sowie am Elektrodenstapel 2 an, ohne jedoch mit diesen bzw. diesem stoffschlüssig, beispielsweise durch Kleben oder Laminieren, verbunden zu sein. Die thermisch leitfähigen Schichten 10 stellen in diesem Fall separate Schichten zwischen der Behälterwand und dem Elektrodenstapel 2 dar, die bei der Montage der Energiespeichervorrichtung beispielweise auf den Elektrodenstapel aufgelegt und zusammen mit diesem in den Behälter 1 eingescho- ben werden. Durch eine gewisse Elastizität des Elektrodenstapels 2 dehnt sieht dieser innerhalb des Behälters etwas aus, so dass die zwischen dem Elektrodenstapel 2 und der Behälterwand befindlichen thermisch leitfähigen Schichten 10 an die Behälterwand gedrückt werden. Zur Erhöhung der Elastizität und Erzeugung definierter Anpresskräfte kann es vorteilhaft sein, am oder im Elekt- rodenstapel 2, beispielsweise zwischen zwei Stapelschichten, einen elastischen Einleger vorzusehen.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die thermisch leitfähigen Schichten 10 mit den jeweiligen Außenflächen des Elektrodenstapels 2 und/oder den jeweiligen Innenflächen der Seitenwände des Behälters 1 zu verbinden, beispielsweise durch Kleben und/oder Laminieren.
Bei dem in Figur 3 gezeigten zweiten Beispiel eines Querschnitts durch eine E- nergiespeichervorrichtung sind thermisch leitfähige Schichten 10 nicht nur im Bereich der beiden Seitenwände des Behälters 1 vorgesehen, sondern auch im Bereich des Bodens. Vorzugsweise wird hierbei der Elektrodenstapel 2 von einer aus einem Stück gebildete thermisch leitfähige Schicht 10 umschlossen bzw. umgeben. Auf diese Weise kann die im Elektrodenstapel 2 entstehende Wärme besonders effizient in Richtung der Außenseite des Behälters 1 der Energiespeichervorrichtung geleitet werden.
Hierbei ist es hinsichtlich der Wärmeableitung von zusätzlichem Vorteil, wenn zwischen dem Elektrodenstapel 2 und den beiden in der Figurenebene verlaufenden Stirnseiten des Behälters 1 ebenfalls eine entsprechende thermisch leitfähige Schicht 10 eingebracht ist. Im Übrigen gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem in Figur 2 gezeigten Beispiel entsprechend.
Figur 4 zeigt ein erstes Beispiel eines Aufbaus der thermisch leitfähigen
Schicht 10 mit einer ersten Teilschicht 1 1 aus einem thermisch leitfähigen Material. Als thermisch leitfähiges Material im Sinne der Erfindung sind Stoffe zu verstehen, deren Wärmeleitfähigkeit größer als etwa 1 W/(m K) ist. Um eine be- sonders gute Ableitung der Wärme aus dem Elektrodenstapel 2 zu gewährleisten, werden insbesondere Stoffe bevorzugt, deren Wärmeleitfähigkeiten mindestens 20 W/(m K), insbesondere mindestens 100 W/(m K) beträgt.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Teilschicht 1 1 um eine Schicht aus Metall, insbesondere aus Kupfer. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass die erste Teilschicht 1 1 Kohlenstofffasern, auch Carbonfasern genannt, aufweist.
Die erste Teilschicht 1 1 wird in dem in Figur 4 gezeigten Beispiel von zwei zweiten Teilschichten 12, 13 eingeschlossen, welche jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff. Um die Wärmeleitungseigenschaften der thermisch leitenden Schicht 10 möglichst groß zu halten, werden die zweiten Teilschichten 12, 13 möglichst dünn ausgebildet. Vorzugsweise beträgt deren Schichtdicke höchstens 30 % der Schichtdicke der ersten Teilschicht 1 1 . Es ist besonders bevorzugt, dass die Dicke der zweiten Teil- schichten 12, 13 kleiner als 1/10 der Dicke der ersten Teilschicht 10 ist.
Bei dem in Figur 5 gezeigten zweiten Beispiel eines Querschnitts durch eine thermisch leitfähige Schicht 10 umfasst diese neben der ersten Teilschicht 1 1 aus thermisch leitfähigem Material lediglich eine zweite Teilschicht 12 aus einem elektrisch isolierenden Material. Bei dieser Ausführung wird eine besonders gute Ableitung von im Elektrodenstapel entstehender Wärme gewährleistet, was insbesondere bei Speicherzellentypen, bei welchen eine beidseitige elektrische Isolierung der ersten Teilschicht 1 1 nicht erforderlich ist, zu besonderen Vorteilen führt. Hinsichtlich der jeweiligen Dicken der ersten und zweiten Teilschicht 1 1 bzw. 12 sowie der vorzugsweise zu verwendenden Materialen gelten die Ausfüh- rungen im Zusammenhang mit Figur 4 entsprechend.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung der oben beschriebenen thermisch leitfähigen Schichten 10 in Energiespeichervorrichtungen liegt auch darin, dass der Elektrodenstapel 2 im Falle einer mechanischen Beschädigung des Behälters 1 von außen erheblich besser vor Kurzschlüssen geschützt wird, als dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Energiespeicherzellen der Fall ist. Dies wird anhand von Figur 6, die einen Ausschnitt A aus dem in Figur 2 gezeigten Quer- schnitt durch eine Energiespeichervorrichtung darstellt, näher erläutert.
In dem in Figur 6 dargestellten Fall durchdringt ein Gegenstand, beispielsweise ein Projektil 19, die Seitenwand des Behälters 1 und verformt sowohl die unmittelbar hinter der Seitenwand des Behälters 1 liegende thermisch leitfähige Schicht 10 als auch die dahinter liegenden Stapelschichten des Elektrodensta- pels 2. Im dargestellten Fall wird das Projektil 19 durch die thermisch leitfähige Schicht 10 davon abgehalten, weiter in die Energiespeichervorrichtung einzudringen, d.h. das Projektil 19 durchstößt die thermisch leitfähige Schicht 10 nicht. In diesem Fall kann die Verformung der Stapelschichten des Elektrodenstapels 2 so gering gehalten werden, dass die einzelnen Stapelschichten im Wesentlichen nicht durchtrennt werden. Auf diese Weise wird das Auftreten von Kurzschlüssen in den einzelnen Stapelschichten verhindert und die Funktionsweise der Zelle aufrechterhalten.
Durch die in den Figuren 4 und 5 gezeigte Ausführung der thermisch leitfähigen Schicht mit einer bzw. zwei elektrisch isolierenden Teilschichten 12, 13 wird aber auch selbst für den Fall, dass das Projektil 19 auch die thermisch leitfähige
Schicht 10 durchschlägt, der Vorteil erzielt, dass im Falle einer Durchbrechung der ersten Stapelschichten des Elektrodenstapels 2 diese lediglich mit der elektrisch isolierenden zweiten Teilschicht 12 bzw. 13 der Schicht 10 in Kontakt gekommen und auf diese Weise nicht kurzgeschlossen werden können. Die Funk- tionsweise der Energiespeicherzelle kann daher selbst für diesen Fall noch aufrecht erhalten werden.
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem beispielhaften Aufbau eines des Elektrodenstapels 2, welcher aus einer Vielzahl von Stapelschichten 20 zusammengesetzt ist. Die Stapelschichten 20 setzen sich ihrerseits jeweils aus einer Ano- denschicht 21 , einer Kathodenschicht 22 sowie einer zwischen diesen befindlichen Separatorschicht 23 zusammen. In der Separatorschicht 23 ist ein Elektrolyt enthalten. Zwischen den einzelnen Stapelschichten 20 ist jeweils eine isolierende Schicht 24 vorgesehen. Die einzelnen Stapelschichten 20 einschließlich der isolierenden Schicht 24 sind zumindest im Bereich eines Teils ihrer Berührungsfläche miteinander verbunden, vorzugsweise mittels eines Klebers. Hierbei ist es besonders bevorzugt, einen Klebstoff zu wählen, welcher bei Zimmertemperatur fest ist und erst durch Erwärmung schmilzt und seine Klebewirkung entfaltet. In diesem Fall werden die mit einem entsprechenden Klebstoff versehenen Stapelschichten 20 durch eine sogenannte Heißlamination miteinander verbunden, indem diese beispielsweise unter Wärmeeinwirkung verpresst und/oder gewalzt werden. Durch die beschriebene, zumindest teilweise, Verbindung der einzelnen Stapelschichten 20 des Elektrodenstapels 2 wird eine besonders hohe mechanische Stabilität des Stapels, auch und gerade im Fall einer Beschädigung des Behälters 1 von außen, wie in Figur 6 näher erläutert, erreicht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Energiespeichervorrichtung mit
mindestens einer Energiespeicherzelle mit einem Elektrodenstapel (2) oder Elektrodenwickel und
einem Behälter (1 ) zur Aufnahme der Energiespeicherzelle,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Energiespeicherzelle, insbesondere dem Elektrodenstapel (2) bzw. Elektrodenwickel, und mindestens einer Wand des Behälters (1 ) mindestens eine thermisch leitfähige Schicht (10) vorgesehen ist, durch welche Wärme von der Energiespeicherzelle, insbesondere in Richtung der Wand des Behälters (1), abgeleitet werden kann.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die thermisch leitfähige Schicht (10) mindestens eine erste Teilschicht (11 ) aus einem thermisch leitfähigen Material aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Teilschicht (11 ) ein Metall, insbesondere Kupfer, aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Teilschicht (11 ) Kohlenstoff, insbesondere in Form von Kohlenstofffasern, aufweist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Teilschicht (1 1 ) ein leitfähiges Polymer aufweist.
6. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die thermisch leitfähige Schicht (10) mindestens eine zweite Teilschicht (12, 13) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist.
7. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zweite Teilschicht (12, 13) einen elektrisch isolierenden Kunststoff aufweist.
8. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2 und 6, wobei die erste Teilschicht (1 1) zwischen zwei zweiten Teilschichten (12, 13) angeordnet ist.
9. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Behälter (1 ) einen einseitig offenen, insbesondere quaderförmigen, Hohlkörper aufweist.
10. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Hohlkörper durch Fließpressen, insbesondere durch Kaltfließpressen, oder Tiefziehen erhalten wird.
11. Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Hohlkörper aus Metall besteht.
12. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektrodenstapel (2) mehrere Stapelschichten (20) aufweist, welche jeweils eine Anodenschicht (21 ), eine Kathodenschicht (22) sowie eine zwischen der Anodenschicht (21 ) und der Kathodenschicht (22) befindliche Separatorschicht (23) aufweisen, wobei die einzelnen Stapelschichten (20) zumindest teilweise durch Lamination miteinander verbunden sind.
13. Batterieanordnung mit mehreren Energiespeichervorrichtungen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an den Energiespeichervorrichtungen vorgesehene Kontaktelemente (4, 6) miteinander elektrisch verbunden sind. 14. Verwendung der Energiespeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 oder der Batterieanordnung nach Anspruch 13 zur Versorgung eines Elektroantriebs oder Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie.
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