WO2016155952A1 - Batteriezelle - Google Patents

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WO2016155952A1
WO2016155952A1 PCT/EP2016/053929 EP2016053929W WO2016155952A1 WO 2016155952 A1 WO2016155952 A1 WO 2016155952A1 EP 2016053929 W EP2016053929 W EP 2016053929W WO 2016155952 A1 WO2016155952 A1 WO 2016155952A1
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battery cell
cell
electrode unit
power electronics
housing
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PCT/EP2016/053929
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Inventor
Ulrich Sauter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery cell, in particular a rechargeable lithium-ion battery cell, which comprises an electrode unit with a cathode and with an anode and a solid body
  • Electrolyte includes.
  • Wind turbines in motor vehicles, as hybrid vehicles or
  • Electric vehicles are designed as well as electronic devices, such as laptops or cell phones, new battery systems will be used, are placed on the very high demands in terms of reliability, safety, performance and service life.
  • Lithium-ion battery cells have a positive and a negative electrode on which lithium ions can reversibly store in a charging process and during a discharge process and outsource again. Such a process is also called intercalation or deintercalation.
  • a battery cell usually comprises one or more electrode units, which are designed in the form of a winding.
  • An electrode unit has two foil-like electrodes, namely an anode and a cathode. The electrodes are wound with the interposition of a separator to an electrode coil, which is also referred to as a jelly roll.
  • the two electrodes of the electrode coil are electrically by means of collectors with poles of the battery cell, which are also referred to as terminals connected.
  • a battery cell further comprises a cell housing, which consists for example of aluminum.
  • the cell housing is usually prismatic, in particular cuboid, designed and pressure-resistant. After connecting the electrodes to the terminals, a liquid electrolyte is filled into the cell housing.
  • Battery system which is also called a battery pack
  • power electronics For controlling an electrical machine, for example a motor of an electric motor vehicle, power electronics are provided.
  • Power electronics converts those from the battery cell or from the
  • Battery system provided electrical energy in a form required for operation of the electric machine.
  • the electric machine For example, the
  • Power electronics have an alternating current with one in comparison to the
  • Battery cell or the battery system increased voltage.
  • the power electronics are usually arranged in a housing separately from the battery cell or the battery system.
  • Power electronics are operated at temperatures of, for example, 80 ° C to 150 ° C, thereby cooling the power electronics
  • Known lithium-ion battery cells are operated for example at temperatures of 25 ° C to 40 ° C. Operation of lithium-ion battery cells at higher temperatures leads to an accelerated aging of the lithium-ion battery cells and thus to a shortening of the service life.
  • a chemical reaction between the liquid electrolyte and the electrodes takes place. Such a reaction can in particular lead to the thermal destruction of a lithium-ion battery cell up to an explosion.
  • a battery cell with a formed as a solid electrolyte is known.
  • the battery cell is not arranged in a housing but mounted on a printed circuit board.
  • the electrodes are each made of a sintered oxide material.
  • a battery cell in particular a rechargeable battery cell, proposed, in particular a lithium-ion battery cell, which has an electrode unit with a cathode and with an anode and as
  • Solid-state formed electrolyte Solid-state formed electrolyte
  • the electrode unit is together with a
  • the cell housing of the battery cell is preferably prismatic,
  • the cell housing of the battery cell preferably comprises a negative terminal and a positive terminal, the terminals electrically connected to the electrode unit and to the
  • the solid electrolyte is chosen such that operation of the battery cell in a temperature range of 60 ° C to 180 ° C, preferably in a temperature range of 80 ° C to 130 ° C and more preferably in a temperature range of 80 ° C to 100 ° C is possible.
  • the electrolyte is therefore temperature stable.
  • the electrolyte preferably consists of a polymeric Li ion conductor or a ceramic or glassy Li ion conductor or of mixtures of these ion conductors.
  • Preferred polymeric ionic conductors can be both
  • polymer electrolytes and polyelectrolytes Be polymer electrolytes and polyelectrolytes.
  • polymer electrolytes in particular polyethylene oxide (PEO) based materials with lithium bis- trifluoromethanesulfonylimiden (LiTFSI) as conductive salt, PEO as pure material or as a block co-polymer, for. B. with polystyrene (PS) as the second structuring phase, can be performed.
  • Additions of liquid electrolytes or ionic liquids to increase the ionic conductivity are also conceivable according to the invention. Further preferred are ceramic ion conductors from the class of Li-garnets and electrolytes from the class of sulfidic glasses.
  • the electrolyte has a relatively high ionic conductivity.
  • the ionic conductivity of the electrolyte is greater than 1 mS / cm, more preferably, the ionic conductivity of the electrolyte is greater than 10 mS / cm.
  • the anode has a temperature-stable active material.
  • the temperature-stable active material of the anode is selected such that an operation of the battery cell and in particular the electrode unit in a
  • the active material of the anode is preferably made of Li metal or an alloy containing Li (eg, an alloy of Li and Si). Also preferred are carbon-based anode materials such as graphite or amorphous carbon, as well as Li-titanate. Also possible are mixtures of the specified materials.
  • the cathode has a temperature-stable active material.
  • the temperature-stable active material of the cathode is selected such that an operation of the battery cell and in particular the electrode unit in a
  • the active material of the cathode preferably consists of
  • Conversion materials in particular sulfur-carbon compounds or sulfur crosslinked polymers, e.g. As polyacrylonitrile sulfur, from V205 or lithium vanadium oxide fluorides. Further preferred
  • Intercalation materials in particular classical layer oxides such as
  • Li-cobalt oxide NCM, NCA, LMO or phosphates
  • NCM Li-cobalt oxide
  • NCA NCA
  • LMO phosphates
  • Electrode unit and the power electronics arranged horizontally adjacent within the cell housing of the battery cell. This has the
  • Electrode unit and the power electronics best possible thermal contact with an outer wall or an outer surface of the cell housing of the battery cell. Furthermore, the electrode unit and the power electronics have the best possible thermal contact with each other. This also results in a relatively homogeneous temperature distribution within the
  • the electrode unit and the power electronics are arranged vertically adjacent within the cell housing of the battery cell.
  • the internal electrical interconnection of electrode winding and power electronics within the cell housing of the battery cell to the two terminals is simplified.
  • a battery cell according to the invention advantageously finds use in one
  • Electric vehicle in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
  • HEV hybrid vehicle
  • PHEV plug-in hybrid vehicle
  • the inventive design of the battery cell accounts for a separate housing for the power electronics and wiring between the battery cell and the power electronics. This reduces the required space.
  • the battery cell according to the invention is operable in a higher temperature range. As a result, the requirements for a cooling system for the
  • Power electronics are cooled by a common cooling system. Separate cooling systems for the electrode unit and the power electronics are therefore not required. This also reduces the required space. Furthermore, the construction and manufacture of the battery cell are simplified and less expensive.
  • the entire battery cell is operable in a temperature range in which the power electronics can be operated, for example at 80 ° C and more.
  • temperature ranges are, in particular from
  • the energy density, or the specific energy, ie the ratio of storable energy to weight of the battery cell is advantageously increased.
  • the ratio of storable energy to required space of the battery cell is advantageously increased.
  • Figure 1 is a schematic, perspective view of a closed
  • Figure 2 is a schematic, perspective, semi-transparent representation of a battery cell according to a first embodiment
  • Figure 3 is a schematic, perspective, semi-transparent representation of a battery cell according to a second embodiment.
  • a cell housing 1 of a battery cell 10 is schematic
  • the cell housing 1 of the battery cell 10 is prismatic, in the present case cuboid.
  • the cell housing 1 of the battery cell 10 is in the present case made electrically conductive and made of aluminum, for example. It is also conceivable that the cell housing 1 of the battery cell 10 made of a non-conductive material, such as a
  • the battery cell 10 includes a negative terminal 41 and a positive one
  • Terminal 42 Via the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the two terminals 41, 42 can be tapped from the battery cell 10 provided voltage. Furthermore, the
  • the parallelepiped-shaped cell housing 1 of the battery cell 10 has six surfaces with three different sized surface areas, wherein two surfaces with the same area are arranged opposite each other.
  • the two surfaces with the largest surface contents are referred to below as first front surface 61 and second front surface 62.
  • the two surfaces with the smallest surface contents are referred to below as first end face 81 and second end face 82.
  • the two remaining surfaces with the medium-sized surface contents are referred to below as the top surface 5 and bottom surface 7.
  • the two terminals 41, 42 are spaced from each other on the top surface 5 of the cell housing 1 is arranged.
  • the negative terminal 41 is adjacent to the first end face 81
  • the positive terminal 42 is adjacent to the second end face 82.
  • the two terminals 41, 42 protrude from the top surface 5 of the cell case 1 out.
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective, semi-transparent illustration of the battery cell 10 according to a first embodiment.
  • Battery cell 10 comprises an electrode unit 2, which in the present case as Electrode winding is formed.
  • the electrode unit 2 comprises two
  • Electrodes namely a cathode and an anode.
  • the cathode and the anode are designed like a foil and wound with the interposition of a separator to the electrode coil.
  • the cathode and the anode consist of a mixture of the aforementioned active materials and electrolytes, as well as conductive additives, such as carbon black, to increase the electronic conductivity.
  • conductive additives such as carbon black
  • the addition of a polymeric ionic conductor to improve the contact between active material and solid electrolyte may be required.
  • the electrode unit 2 is designed as an electrode stack. Furthermore, it is conceivable that the electrode unit 2 more
  • Electrode winding and / or multiple electrode stack comprises.
  • the electrolyte which is an integral part of the electrodes and the separator.
  • the electrolyte is made of a material that allows operation at 80 ° C and more.
  • the separator is designed as an electrolyte and consists of one of the aforementioned materials or mixtures thereof.
  • the anode of the electrode unit 2 has a temperature-stable active material, which also allows operation at temperatures of 80 ° C and higher.
  • the cathode of the electrode unit 2 is made of a temperature-stable active material, which allows operation at temperatures of 80 ° C and higher.
  • the battery cell 10 further includes power electronics 3.
  • the battery cell 10 further includes power electronics 3.
  • Power electronics 3 is presently designed as a full bridge and includes semiconductor power switch with associated drivers and appropriate control logic.
  • the power electronics 3 may alternatively be formed as a half-bridge.
  • the electrode unit 2 and the power electronics 3 are each configured approximately cuboid.
  • the electrode unit 2 and the power electronics 3 are arranged horizontally adjacent within the cell housing 1 of the battery cell 10. In this case, the electrode unit 2 adjoins the first front surface 61 of the cell housing 1.
  • the power electronics 3 is adjacent to the second front surface
  • the electrode unit 2 and the power electronics 3 adjoin one another on a common surface, which is oriented parallel to the first front surface 61 and parallel to the second front surface 62.
  • the electrode unit 2 and the power electronics 3 stand on the bottom surface 7 of the cell housing 1. At the bottom surface 7
  • the temperature of the battery cell 10 is preferably carried out via the first front surface 61 and the second front surface 62 of the cell housing 1. Furthermore, the temperature of the battery cell 10 via the two terminals 41, 42, as well as on the top surface 5 and on the bottom surface 7 of the cell housing. 1 To a lesser extent, a temperature control of the battery cell 10 via the first end face 81 and the second end face 82 of the cell housing 1 also takes place.
  • FIG. 3 shows a schematic, perspective, semi-transparent illustration of a battery cell 10 according to a second embodiment.
  • the battery cell 10 according to the second embodiment includes the same elements as the battery cell 10 according to the first embodiment, that is, in particular, a power electronics 3 and an electrode unit 2
  • the electrode unit 2 comprises an anode and a cathode and is constructed as already in the battery cell 10 according to the first
  • the power electronics 3 is constructed as already described in the battery cell 10 according to the first embodiment.
  • the electrode unit 2 and the power electronics 3 are arranged vertically adjacent within the cell housing 1 of the battery cell 10. In the present case, the electrode unit 2 rests against the bottom surface 7 of the cell housing 1.
  • the power electronics 3 is arranged on the side facing away from the bottom surface 7 of the electrode unit 2. Between the power electronics 3 and the top surface 5 of the cell case 1, a cavity 17 is provided.
  • the two terminals 41, 42 protrude from the power electronics 3 through the cavity 17 and through the top surface 5 of the cell case 1 out.
  • the electrode unit 2 is electrically connected to the power electronics 3, which establishes the connection to the terminals 41, 42.
  • the temperature of the battery cell 10 according to the second embodiment takes place in particular via the two terminals 41, 42, as well as on the top surface 5 and the bottom surface 7 of the cell case 1. Likewise, the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (10), umfassend eine Elektrodeneinheit (2) mit einer Kathode und mit einer Anode und einen als Festkörper ausgebildeten Elektrolyt, wobei die Elektrodeneinheit (2) zusammen mit einer Leistungselektronik (3) in einem gemeinsamen Zellengehäuse (1) angeordnet ist.

Description

Beschreibung Titel
Batteriezelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle, insbesondere eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche eine Elektrodeneinheit mit einer Kathode und mit einer Anode und einen als Festkörper ausgebildeten
Elektrolyt umfasst.
Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie
Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybridfahrzeuge oder
Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hierbei finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen
Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium- lonen-Batteriezellen weisen eine positive und eine negative Elektrode auf, an denen Lithium-Ionen bei einem Ladevorgang sowie bei einem Entladevorgang reversibel einlagern sowie wieder auslagern können. Ein solcher Vorgang wird auch als Interkalation, beziehungsweise Deinterkalation bezeichnet. Eine Batteriezelle umfasst in der Regel eine oder mehrere Elektrodeneinheiten, welche in Form einer Wicklung ausgestaltet sind. Eine Elektrodeneinheit weist zwei folienartig ausgebildete Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Elektroden sind unter Zwischenlage eines Separators zu einem Elektrodenwickel, welcher auch als Jelly-Roll bezeichnet wird, gewunden. Die beiden Elektroden des Elektrodenwickels werden mittels Kollektoren elektrisch mit Polen der Batteriezelle, welche auch als Terminals bezeichnet werden, verbunden.
Eine Batteriezelle weist ferner ein Zellengehäuse auf, welches beispielsweise aus Aluminium besteht. Das Zellengehäuse ist in der Regel prismatisch, insbesondere quaderförmig, ausgestaltet und druckfest ausgebildet. Nach dem Verbinden der Elektroden mit den Terminals wird ein flüssiger Elektrolyt in das Zellengehäuse gefüllt. Mehrere solcher Batteriezellen können zu einem
Batteriesystem, welches auch als Batteriepack bezeichnet wird,
zusammengefasst werden.
Zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Motors eines Elektrokraftfahrzeugs, ist eine Leistungselektronik vorgesehen. Die
Leistungselektronik wandelt die von der Batteriezelle oder von dem
Batteriesystem bereitgestellte elektrische Energie in eine zum Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche Form um. Beispielsweise liefert die
Leistungselektronik einen Wechselstrom mit einer im Vergleich zu der
Batteriezelle oder dem Batteriesystem erhöhten Spannung.
Die Leistungselektronik ist dabei in der Regel in einem Gehäuse separat von der Batteriezelle oder dem Batteriesystem angeordnet. Somit kann die
Leistungselektronik bei Temperaturen von beispielsweise 80° C bis 150° C betrieben werden, wodurch eine Kühlung der Leistungselektronik
verhältnismäßig einfach und kostengünstig ausführbar ist.
Bekannte Lithium-Ionen-Batteriezellen werden beispielsweise bei Temperaturen von 25° C bis 40° C betrieben. Ein Betrieb von Lithium-Ionen-Batteriezellen bei höheren Temperaturen führt zu einer beschleunigten Alterung der Lithium-Ionen- Batteriezellen und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Beim Betrieb von Lithium-Ionen-Batteriezellen bei einer Temperatur oberhalb von 80° C besteht die Gefahr, dass eine chemische Reaktion zwischen dem flüssigen Elektrolyt und den Elektroden stattfindet. Eine solche Reaktion kann insbesondere zur thermischen Zerstörung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle bis hin zu einer Explosion führen. Aus der JP 2012/204160 ist eine Batteriezelle mit einem als Festkörper ausgebildeten Elektrolyt bekannt. Die Batteriezelle ist nicht in einem Gehäuse angeordnet sondern auf einer Leiterplatte montiert. Die Elektroden sind dabei je aus einem gesinterten Oxidmaterial gefertigt.
In der US 2011/0048781 ist eine Batteriezelle offenbart, welche zwischen zwei Leiterplatten eingebettet ist. Auf den Leiterplatten sind dabei auch integrierte Schaltkreise angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Batteriezelle, insbesondere eine wiederaufladbare Batteriezelle, vorgeschlagen, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, welche eine Elektrodeneinheit mit einer Kathode und mit einer Anode und einen als
Festkörper ausgebildeten Elektrolyt umfasst.
Erfindungsgemäß ist die Elektrodeneinheit zusammen mit einer
Leistungselektronik in einem gemeinsamen Zellengehäuse angeordnet. Das Zellengehäuse der Batteriezelle ist dabei vorzugsweise prismatisch,
insbesondere quaderförmig, ausgebildet. Ferner umfasst das Zellengehäuse der Batteriezelle vorzugsweise ein negatives Terminal und ein positives Terminal, wobei die Terminals elektrisch mit der Elektrodeneinheit sowie mit der
Leistungselektronik verbunden sind.
Der als Festkörper ausgebildete Elektrolyt wird derart gewählt, dass ein Betrieb der Batteriezelle in einem Temperaturbereich von 60° C bis 180° C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 130° C und besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 100° C ermöglicht ist. Der Elektrolyt ist demnach temperaturstabil.
Dabei besteht der Elektrolyt vorzugsweise aus einem polymeren Li-Ionenleiter oder einem keramischen- oder glasartigen Li-Ionenleiter oder aus Mischungen dieser lonenleiter. Bevorzugte polymere lonenleiter können sowohl
Polymerelektrolyte als auch Polyelektrolyte sein. Als Polymerelektrolyte kommen insbesondere Polyethylenoxid- (PEO-) basierte Materialien mit Lithium bis- trifluoromethansulfonylimiden (LiTFSI) als Leitsalz in Frage, wobei PEO als reines Material oder als Block-Co-Polymer, z. B. mit Polystyrol (PS) als zweiter strukturgebender Phase, ausgeführt sein können. Zusätze flüssiger Elektrolyte oder Ionischer Flüssigkeiten zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit sind ebenfalls erfindungsgemäß denkbar. Weiterhin bevorzugt sind keramische lonenleiter aus der Klasse der Li-Granate sowie Elektrolyte aus der Klasse der sulfidischen Gläser.
Der Elektrolyt weist dabei eine verhältnismäßig hohe ionische Leitfähigkeit auf. Bevorzugt ist die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten dabei größer als 1 mS/cm, besonders bevorzugt ist die ionische Leitfähigkeit des Elektrolyten dabei größer als 10 mS/cm.
Vorteilhaft weist die Anode ein temperaturstabiles Aktivmaterial auf. Das temperaturstabile Aktivmaterial der Anode wird derart gewählt, dass ein Betrieb der Batteriezelle und insbesondere der Elektrodeneinheit in einem
Temperaturbereich von 60° C bis 180° C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 130° C und besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 100° C ermöglicht ist.
Dabei besteht das Aktivmaterial der Anode vorzugsweise aus Li-Metall oder einer Li enthaltenden Legierung (z. B. einer Legierung aus Li und Si). Weiterhin bevorzugt sind Kohlenstoffbasierte Anodenmaterialien wie Graphit oder amorpher Kohlenstoff, sowie Li-Titanat. Ebenfalls möglich sind Mischungen der angegebenen Materialien.
Vorteilhaft weist die Kathode ein temperaturstabiles Aktivmaterial auf. Das temperaturstabile Aktivmaterial der Kathode wird derart gewählt, dass ein Betrieb der Batteriezelle und insbesondere der Elektrodeneinheit in einem
Temperaturbereich von 60° C bis 180° C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 130° C und besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich von 80° C bis 100° C ermöglicht ist.
Dabei besteht das Aktivmaterial der Kathode vorzugsweise aus
Konversionsmaterialien, insbesondere Schwefel-Kohlenstoff-Verbindungen oder mit Schwefel vernetzte Polymere, z. B. Polyacrylnitril-Schwefel, aus V205 oder Lithium-Vanadium-Oxyd-Fluoriden. Weiterhin bevorzugt sind
Interkalationsmaterialien, insbesondere klassische Schichtoxide wie
beispielsweise Li-Cobalt-Oxid, NCM, NCA, LMO oder Phosphate wie
beispielsweise LiFeP04.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Elektrodeneinheit und die Leistungselektronik horizontal benachbart innerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle angeordnet. Dadurch haben die
Elektrodeneinheit und die Leistungselektronik einen bestmöglichen thermischen Kontakt zu einer äußeren Wand oder einer äußeren Fläche des Zellengehäuses der Batteriezelle. Ferner haben die Elektrodeneinheit und die Leistungselektronik einen bestmöglichen thermischen Kontakt zueinander. Daraus resultiert auch eine verhältnismäßig homogene Temperaturverteilung innerhalb des
Zellengehäuses der Batteriezelle.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektrodeneinheit und die Leistungselektronik vertikal benachbart innerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle angeordnet. Dadurch ist die interne elektrische Verschaltung von Elektrodenwickel und Leistungselektronik innerhalb des Zellengehäuses der Batteriezelle zu den beiden Terminals vereinfacht.
Insbesondere sind die erforderlichen Strompfade kürzer und ohmsche Verluste sind somit geringer. Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem
Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Batteriezelle entfallen ein separates Gehäuse für die Leistungselektronik sowie eine Verkabelung zwischen der Batteriezelle und der Leistungselektronik. Dadurch sinkt der erforderliche Bauraum. Die erfindungsgemäße Batteriezelle ist in einem höheren Temperaturbereich betreibbar. Dadurch sind die Anforderungen an ein Kühlsystem für die
Batteriezelle vereinfacht. Ferner können die Elektrodeneinheit und die
Leistungselektronik mittels eines gemeinsamen Kühlsystems gekühlt werden. Separate Kühlsysteme für die Elektrodeneinheit und die Leistungselektronik sind somit nicht erforderlich. Auch dadurch sinkt der erforderliche Bauraum. Weiterhin sind die Konstruktion sowie die Fertigung der Batteriezelle vereinfacht und kostengünstiger.
Insbesondere ist die ganze Batteriezelle in einem Temperaturbereich betreibbar, in welchem die Leistungselektronik betreibbar ist, beispielsweise bei 80° C und mehr. Für solche Temperaturbereiche sind, insbesondere aus
verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen, bewährte Kühlsysteme, beispielsweise konventionelle Rückkühler, bekannt. Dabei sind die erforderlichen Flächen zur Wärmeübertragung aufgrund der höheren Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft kleiner.
Die Energiedichte, beziehungsweise die spezifische Energie, also das Verhältnis von speicherbarer Energie zu Gewicht der Batteriezelle ist vorteilhaft erhöht. Auch das Verhältnis von speicherbarer Energie zu erforderlichem Bauraum der Batteriezelle ist vorteilhaft erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines geschlossenen
Zellengehäuses einer Batteriezelle,
Figur 2 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer ersten Ausführungsform und
Figur 3 eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle gemäß einer zweiten Ausführungsform. Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Zellengehäuse 1 einer Batteriezelle 10 schematisch
perspektivisch dargestellt. Das Zellengehäuse 1 der Batteriezelle 10 ist prismatisch, vorliegend quaderförmig, ausgebildet. Das Zellengehäuse 1 der Batteriezelle 10 ist vorliegend elektrisch leitend ausgeführt und beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Es ist auch denkbar, dass das Zellengehäuse 1 der Batteriezelle 10 aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise einem
Kunststoff, gefertigt ist.
Die Batteriezelle 10 umfasst ein negatives Terminal 41 und ein positives
Terminal 42. Über die beiden Terminals 41, 42 kann eine von der Batteriezelle 10 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die
Batteriezelle 10 über die beiden Terminals 41, 42 aufgeladen werden.
Das quaderförmig ausgebildete Zellengehäuse 1 der Batteriezelle 10 weist sechs Flächen mit drei verschieden großen Flächeninhalten auf, wobei jeweils zwei Flächen mit gleich großen Flächeninhalten einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die beiden Flächen mit den größten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Frontfläche 61 und zweite Frontfläche 62 bezeichnet. Die beiden Flächen mit den kleinsten Flächeninhalten werden im Folgenden als erste Stirnfläche 81 und zweite Stirnfläche 82 bezeichnet. Die beiden übrigen Flächen mit den mittelgroßen Flächeninhalten werden im Folgenden als Deckfläche 5 und als Bodenfläche 7 bezeichnet.
Die beiden Terminals 41, 42 sind beabstandet voneinander an der Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1 angeordnet. Dabei liegt das negative Terminal 41 benachbart zu der ersten Stirnfläche 81, und das positive Terminal 42 liegt benachbart zu der zweiten Stirnfläche 82. Die beiden Terminals 41, 42 ragen dabei aus der Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1 heraus.
In Figur 2 ist eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung der Batteriezelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die
Batteriezelle 10 umfasst eine Elektrodeneinheit 2, welche vorliegend als Elektrodenwickel ausgebildet ist. Die Elektrodeneinheit 2 umfasst zwei
Elektroden, nämlich eine Kathode und eine Anode. Die Kathode und die Anode sind folienartig ausgeführt und unter Zwischenlage eines Separators zu dem Elektrodenwickel gewickelt.
Die Kathode und die Anode bestehen aus einer Mischung aus den zuvor genannten Aktivmaterialien und Elektrolyten, sowie aus Leitzusätzen, beispielsweise Ruß, zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit. Insbesondere bei Verwendung glasartigen oder keramischer Elektrolyte kann der Zusatz eines polymeren lonenleiters zur Verbesserung des Kontakts zwischen Aktivmaterial und festem Elektrolyt erforderlich sein.
Es ist auch denkbar, dass die Elektrodeneinheit 2 als Elektrodenstapel ausgebildet ist. Ferner ist denkbar, dass die Elektrodeneinheit 2 mehrere
Elektrodenwickel und/oder mehrere Elektrodenstapel umfasst.
Nicht dargestellt ist ein Elektrolyt, welcher integraler Bestandteil der Elektroden und des Separators ist. Der Elektrolyt ist aus einem Material gefertigt, welches einen Betrieb bei 80°C und mehr gestattet. Der Separator ist dabei als Elektrolyt ausgeführt und besteht aus einem der zuvor genannten Materialien oder aus Mischungen daraus.
Die Anode der Elektrodeneinheit 2 weist ein temperaturstabiles Aktivmaterial auf, welches ebenfalls einen Betrieb bei Temperaturen von 80°C und höher gestattet. Auch die Kathode der Elektrodeneinheit 2 ist aus einem temperaturstabilen Aktivmaterial gefertigt, welches einen Betrieb bei Temperaturen von 80°C und höher gestattet.
Die Batteriezelle 10 umfasst ferner eine Leistungselektronik 3. Die
Leistungselektronik 3 ist vorliegend als Vollbrücke ausgebildet und umfasst Halbleiterleistungsschalter mit zugehörigen Treibern und entsprechender Steuerlogik. Die Leistungselektronik 3 kann alternativ auch als Halbbrücke ausgebildet sein. Die Elektrodeneinheit 2 und die Leistungselektronik 3 sind jeweils annähernd quaderförmig ausgestaltet. Die Elektrodeneinheit 2 und die Leistungselektronik 3 sind horizontal benachbart innerhalb des Zellengehäuses 1 der Batteriezelle 10 angeordnet. Dabei grenzt die Elektrodeneinheit 2 an die erste Frontfläche 61 des Zellengehäuses 1 an. Die Leistungselektronik 3 grenzt an die zweite Frontfläche
62 des Zellengehäuses 1 an. Ferner grenzen die Elektrodeneinheit 2 und die Leistungselektronik 3 auch an einer gemeinsamen Fläche aneinander an, welche parallel zu der ersten Frontfläche 61 und parallel zu der zweiten Frontfläche 62 orientiert ist.
Die Elektrodeneinheit 2 und die Leistungselektronik 3 stehen dabei auf der Bodenfläche 7 des Zellengehäuses 1 auf. An dem der Bodenfläche 7
abgewandten Ende ist ein Hohlraum 17 zwischen der Elektrodeneinheit 2 und der Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1, sowie zwischen der Leistungselektronik 3 und der Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1 vorgesehen. Die beiden Terminals
41, 42 durchragen den Hohlraum 17 und durchgreifen die Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1.
Die Temperierung der Batteriezelle 10 erfolgt dabei bevorzugt über die erste Frontfläche 61 sowie die zweite Frontfläche 62 des Zellengehäuses 1. Weiterhin erfolgt die Temperierung der Batteriezelle 10 über die beiden Terminal 41, 42, sowie über die Deckfläche 5 und über die Bodenfläche 7 des Zellengehäuses 1. In geringem Maß erfolgt auch eine Temperierung der Batteriezelle 10 über die erste Stirnfläche 81 und die zweite Stirnfläche 82 des Zellengehäuses 1.
In Figur 3 ist eine schematische, perspektivische, halbtransparente Darstellung einer Batteriezelle 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Die Batteriezelle 10 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die gleichen Elemente wie die Batteriezelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform, also insbesondere eine Leistungselektronik 3 und eine Elektrodeneinheit 2. Die
Elektrodeneinheit 2 umfasst dabei eine Anode und eine Kathode und ist so aufgebaut, wie bereits bei der Batteriezelle 10 gemäß der ersten
Ausführungsform beschrieben. Auch die Leistungselektronik 3 ist so aufgebaut, wie bei der Batteriezelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform bereits beschrieben. Die Elektrodeneinheit 2 und die Leistungselektronik 3 sind vertikal benachbart innerhalb des Zellengehäuses 1 der Batteriezelle 10 angeordnet. Dabei liegt vorliegend die Elektrodeneinheit 2 an der Bodenfläche 7 des Zellengehäuses 1 an. Die Leistungselektronik 3 ist auf der der Bodenfläche 7 abgewandten Seite der Elektrodeneinheit 2 angeordnet. Zwischen der Leistungselektronik 3 und der Deckfläche 5 des Zellengehäuses 1 ist ein Hohlraum 17 vorgesehen.
Die beiden Terminals 41, 42 ragen von der Leistungselektronik 3 durch den Hohlraum 17 und durch die Deckfläche 5 aus dem Zellengehäuse 1 heraus. Die Elektrodeneinheit 2 ist elektrisch mit der Leistungselektronik 3 verbunden, welche die Verbindung zu den Terminals 41, 42 herstellt.
Die Temperierung der Batteriezelle 10 gemäß der zweiten Ausführungsform findet insbesondere über die beiden Terminals 41, 42, sowie über die Deckfläche 5 und die Bodenfläche 7 des Zellengehäuses 1 statt. Ebenso erfolgt die
Temperierung der Batteriezelle 10 gemäß der zweiten Ausführungsform über die erste Frontfläche 61 und über die zweite Frontfläche 62 des Zellengehäuses 1. Geringfügig findet eine Temperierung der Batteriezelle 10 gemäß der zweiten Ausführungsform auch über die erste Stirnfläche 81 sowie die zweite Stirnfläche 82 des Zellengehäuses 1 statt.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Batteriezelle (10), umfassend
eine Elektrodeneinheit (2) mit einer Kathode und mit einer Anode und einen als Festkörper ausgebildeten Elektrolyt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektrodeneinheit (2) zusammen mit einer Leistungselektronik (3) in einem gemeinsamen Zellengehäuse (1) angeordnet ist.
2. Batteriezelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt einen polymeren, einen keramischen oder einen glasartigen Li-Ionenleiter oder eine Mischung dieser Li-Ionenleiter aufweist oder daraus besteht.
3. Batteriezelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode ein temperaturstabiles Aktivmaterial aufweist.
4. Batteriezelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial der Anode Lithium, eine Lithium enthaltende
Legierung, Graphit, amorphen Kohlenstoff, Li-Titanat oder eine
Mischung dieser Materialien aufweist oder daraus besteht.
5. Batteriezelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode ein temperaturstabiles Aktivmaterial aufweist.
6. Batteriezelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial der Kathode Konversionsmaterialien, mit Schwefel vernetzte Polymere, Lithium-Vanadium-Oxyd-Fluoride,
Interkalationsmaterialien, Phosphate oder eine Mischung dieser Materialien aufweist oder daraus besteht. Batteriezelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (2) und die
Leistungselektronik (3) horizontal benachbart innerhalb des
Zellengehäuses (1) angeordnet sind.
Batteriezelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinheit (2) und die
Leistungselektronik (3) vertikal benachbart innerhalb des
Zellengehäuses (1) angeordnet sind.
Verwendung einer Batteriezelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Elektrof ahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
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