WO2019053059A1 - Waermeableitelement - Google Patents

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WO2019053059A1
WO2019053059A1 PCT/EP2018/074600 EP2018074600W WO2019053059A1 WO 2019053059 A1 WO2019053059 A1 WO 2019053059A1 EP 2018074600 W EP2018074600 W EP 2018074600W WO 2019053059 A1 WO2019053059 A1 WO 2019053059A1
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pcm
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Thomas Koeck
Werner Langer
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Sgl Carbon Se
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
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    • H01M10/61—Types of temperature control
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    • H01M10/625—Vehicles
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a heat dissipation element and its use for temperature control of a Li-ion battery in automobiles, trucks or pedelecs.
  • the object of the present invention is therefore to provide heating elements for Li-ion batteries, which can stabilize the temperature of the Li-ion battery to a predetermined temperature and with which the above-mentioned disadvantages of the prior art are overcome.
  • the object is achieved by the use of at least one heat dissipation element for tempering a Li-ion battery in the automobile, truck or pedelec comprising graphite and microencapsulated phase change material (PCM).
  • at least one heat dissipation element for tempering a Li-ion battery in the automobile, truck or pedelec comprising graphite and microencapsulated phase change material (PCM).
  • the heat dissipation elements are arranged in the Li-ion battery between the so-called pouch cells, so that depending on the structure of the Li-ion battery one or more heat dissipation elements are used.
  • the graphite is selected from the group consisting of natural graphite, synthetic graphite, expanded graphite or mixtures thereof.
  • graphite such as natural graphite is usually mixed with an intercalate such as nitric acid or sulfuric acid and heat-treated at an elevated temperature of, for example, 600 ° C to 1200 ° C. (DE10003927A1)
  • Expanded graphite represents a graphite that is expanded by a factor of 80 or more, for example, compared to natural graphite in the plane perpendicular to the hexagonal carbon layers. Due to the expansion, expanded graphite is characterized by excellent formability and good intermeshability. Expanded graphite may be used in sheet form, preferably using a film having a density of 0.7 to 1.8 g / cm 3 . A film having this density range has thermal conductivities of 150 W / (mK) to 500 W / (mK). The thermal conductivity is determined by the Angstrom method (Angstrom's Method of Measuring Thermal Conductivity, Amy L. Lytle, Physics Department, The College of Wooster, Theses).
  • phase change material is understood as meaning a material which undergoes a phase transition when heat is supplied or discharged. This can be, for example, a transition from the solid to the liquid phase or vice versa.
  • phase transition point is reached, the temperature remains constant until the material is completely transformed.
  • latent heat The heat supplied or removed during the phase transition, which does not cause a temperature change in the material, is called latent heat.
  • the PCM is selected from the group consisting of sugar alcohols, paraffin, waxes, salt hydrates, fatty acids, preferably selected from the group consisting of paraffins, salt hydrates and waxes.
  • sugar alcohols there may be used, for example, pentaerythritol, trimethylolethane, erythritol, xylitol, mannitol, neopentyl glycol, and any mixture thereof.
  • paraffins it is possible to use saturated hydrocarbons having the general empirical formula C n H 2n + 2, where the number n between 18 and 32 can lie. The molar mass of such paraffins is thus between 275 and 600 grams per mole.
  • the salt hydrates used can be, for example, calcium chloride hexahydrate, magnesium chloride hexahydrate, lithium nitrate trihydrate and sodium acetate trihydrate.
  • Capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid and any desired mixture thereof can be used as fatty acids, for example.
  • the choice of PCM depends on the temperature range in use.
  • the PCM has a melting range between -20 and 130 ° C, preferably between -10 and 100 ° C, more preferably between 0 and 70 ° C.
  • the temperature stabilization in the melting range of less than -20 ° C and greater than 130 ° C can be realized by phase change materials only by increased effort and weight. In addition, these temperatures are rare, so that the material held almost exclusively without function is carried. To prevent this, the temperature range between -20 ° C and 130 ° C is selected.
  • the temperature of the Li-ion battery is stabilized, for example, the temperature can be stabilized at 6 ° C during cooling at night.
  • phase transition preferably the entire phase transition
  • at least part of the phase transition (preferably the entire phase transition) of the PCM takes place in a temperature range from 20 to 0 ° C. This can be determined calorimetrically by measuring and recording the temperature in the heat sink, exposing the heat sink in a calorimeter to a defined temperature atmosphere, and continuously ramping that temperature 20K above the melting point of the PCM (highest melting point) , 1 K / min decreases, up to one
  • Phase-change microcapsulated phase-change material in this temperature range is available from Mikrotek Laboratories Inc., Dayton, Ohio 43459, and is available under the designations MPCM 6 and MPCM 18. With the help of such PCM is further cooling the battery parked Vehicle delays especially efficiently towards the end of the night and early morning. On many winter mornings, the PCM will then provide exactly the energy that would otherwise have to be supplied to the Li-ion battery prior to startup with active supply of heat with heating elements.
  • PCM microencapsulated phase change material
  • the temperature at which a PCM begins to solidify is at least 8K higher than the temperature at which another PCM, which solidifies at a lower temperature, is completely solidified. Again, this is easily read from the thermogram.
  • the different PCMs are preferably spatially separated, e.g. by being present in different microcapsules.
  • Embodiments with PCMs having different melting ranges achieve the desired improvements in the starting state of the vehicle over a wider range of different ambient temperatures. This is desirable because the lows reached in winter nights can vary widely from night to night.
  • the microencapsulated PCM has a size of ⁇ 5 mm, preferably ⁇ 1 mm, particularly preferably ⁇ 100 ⁇ m.
  • the at least one heat sink is formed as a sheet or foil comprising graphite and microencapsulated PCM or formed as a sheet or foil comprising graphite and microencapsulated PCM, on the sheet or foil at least one layer comprising microencapsulated PCM.
  • the at least one heat-dissipating element or as a graphite foil or graphite plate is formed and comprises at least one applied layer of microencapsulated PCM.
  • the various embodiments of the heat dissipation element can be used in any combination for the temperature control of a Li-ion battery.
  • the proportion of microencapsulated PCM in the plate or film comprising graphite, microencapsulated PCM and additionally binder is 10% by weight to 98% by weight, preferably 20% by weight to 80% by weight, particularly preferably 45% by weight to 70% by weight .%.
  • the proportion of binder on the plate comprising graphite, microencapsulated PCM and additionally binder 2 to 30% by weight, preferably 5 to 20% by weight.
  • the strength of the composite material can be increased and the heat capacity is only slightly affected. In the preferred case, the heat capacity is only reduced by 10%.
  • the binder may be selected from the group consisting of epoxy resins (such as Araldite 2000 (2014)), phenolic resins, silicone resins, acrylate resins, rubber (e.g., Litex SX1014) or thermoplastics.
  • the proportion of microencapsulated PCM of the layer comprising microencapsulated PCM and additionally binder applied to the sheet or foil comprising graphite and microencapsulated PCM is 10 to 98% by weight, preferably 15 to 95% by weight, more preferably 30 to 88% by weight.
  • the proportion of microencapsulated PCM of the layer comprising microencapsulated PCM and additionally binder applied to the graphite foil or graphite plate is 10% to 98% by weight.
  • the amount of binder in the layer comprising microencapsulated PCM and additionally binder applied to the graphite and microencapsulated PCM plate or film is from 1 to 40% by weight, preferably from 2 to 30% by weight, more preferably from 5 to 20 wt.%.
  • the proportion of binder of the layer comprising microencapsulated PCM and additionally binder, which is applied to the graphite foil or graphite plate 1 to 40 wt.%, Preferably 2 to 30 wt.%, Particularly preferably 5 to 20 wt.%.
  • the proportion of binder is no longer sufficient for strength and with more than 40% by weight of binder, the proportion of binder is too high, so that the heat capacity of the layer, due to the microencapsulated PCM, negative being affected.
  • these may also contain a dispersing aid, the proportion being between 0 and 5% by weight.
  • a dispersing agent for example, polyvinylpyrrolidone (PVP) can be used.
  • the binder content ensures a firm and compact layer, whereas with a desired high enthalpy of fusion a correspondingly high proportion of microencapsulated PCM is to be selected.
  • conductive additives may consist, for example, of carbon nanotubes (CNTs), graphene, graphene oxide or hexagonal boron nitride.
  • the layer applied to the plate, foil, graphite plate or graphite foil can be applied to one or more sides of the plate, foil, graphite plate or graphite foil.
  • the at least one layer comprising microencapsulated PCM has a thickness of ⁇ 5 mm, preferably 1 to 3 mm, particularly preferably 100 to 500 ⁇ m. With a thickness of the layer of greater than 5 mm, the flexibility of the composite is negatively influenced by the thickness layer. In addition, there are adhesion problems of the coating on the carrier substrate.
  • the film or graphite foil has a thickness of 10 ⁇ m to 1 mm, preferably 25 to 500 ⁇ m, particularly preferably 25 to 100 ⁇ m. At less than 10 ⁇ m, no appreciable effect occurs due to the graphite foil.
  • the plate or graphite plate has a thickness of> 1 to 5 mm, preferably 2 to 4 mm, particularly preferably 2 to 3 mm. If greater than 5 mm, the effect according to the invention is not achieved.
  • the thermal conductivity of the at least one heat-dissipating element is above 150 W / (m-K).
  • Another object of the invention is a heat sink, which comprises graphite and microencapsulated PCM, wherein the heat dissipation element is formed as a plate or foil and on the plate or foil at least one layer comprising microencapsulated PCM is applied.
  • the present invention will be described purely by way of example with reference to advantageous embodiments and with reference to the accompanying drawings. The invention is not limited by the figures.
  • FIG. 1 shows a heat dissipation element in cross section.
  • FIG. 2 shows a heat dissipation element in cross section.
  • FIG. 3 shows a heat dissipation element in cross section.
  • FIG. 1 shows a heat dissipation element made from a graphite foil (1) and a layer of microencapsulated PCM (3) applied thereon with a binder (2).
  • Figure 2 shows a heat dissipation element as a graphite (4), microencapsulated PCM (3) and binder (2) plate.
  • Figure 3 shows a heat dissipation element as a graphite (4), microencapsulated PCM (3) and binder (2) plate and a microencapsulated PCM (3) and binder (2) layer applied thereto.
  • a heat dissipation element as a graphite (4), microencapsulated PCM (3) and binder (2) plate and a microencapsulated PCM (3) and binder (2) layer applied thereto.
  • a graphite foil with a thickness of 150 ⁇ and a density of 1.3 g / cm 3 (commercially available from SGL Carbon GmbH) is unilaterally with a mixture of
  • microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF), a rubber binder and a
  • composition of the mixture is 24.5 g of water, 1.5 g of Litex SX 1014, 10.4 g of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) and 0.1 g of polyvinylpyrrolidone (PVP).
  • the mixture is dispersed in an ultrasonic bath and applied to a coating system with a doctor blade height 500 ⁇ .
  • the result after drying is a 200 ⁇ thin layer on the graphite foil.
  • Embodiment 2 is a diagrammatic representation of Embodiment 1:
  • a graphite foil with a thickness of 150 ⁇ and a density of 1.3 g / cm 3 (commercially available from SGL Carbon GmbH) is double-sided with a mixture of
  • microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF), 5 ⁇ fine graphite powder, a
  • Rubber binder and a dispersing aid coated Rubber binder and a dispersing aid coated.
  • composition of the mixture is 31.5 g of water, 2 g of Litex SX 1014, 20 g of graphite powder, 10.4 g of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) and 0.1 g of polyvinylpyrrolidone (PVP).
  • the mixture is dispersed in an ultrasonic bath and applied to a coating system at 55 ° C. with a doctor blade height 600 ⁇ m.
  • the result after drying is a 400 ⁇ thin layer on the graphite foil.
  • a plate with microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) for use as a heat sink is as follows: 135 g of graphite powder (50 ⁇ ), 67.5 g of graphite powder (150 ⁇ ), 810 g of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) and 337.5 g Elastosil M4642A as a binder and Elastosil M4642B as a hardener ,
  • Embodiment 4 The individual mixture components are added in succession in an Eirich mixer and mixed for a total of 10 minutes. Subsequently, the raw mass is pressed in a press in a 5 mm thick plate.
  • Embodiment 4 The individual mixture components are added in succession in an Eirich mixer and mixed for a total of 10 minutes. Subsequently, the raw mass is pressed in a press in a 5 mm thick plate.
  • a plate with microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) for use as a heat dissipation element The composition of the plate is as follows: 135 g of graphite powder (50 ⁇ ), 67.5 g of graphite powder (150 ⁇ ), 810 g of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) and 337.5 g Elastosil M4642A as a binder and Elastosil M4642B as a hardener ,
  • the individual mixture components are added successively in an Eirich mixer and mixed for a total of 10 minutes and pressed into a 5 mm thick plate. Subsequently, the plate is coated on one side with a mixture of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF), a rubber binder and a dispersing aid.
  • the composition of the mixture is 24.5 g of water, 1.5 g of Litex SX 1014, 10.4 g of microencapsulated PCM (Micronal 28, BASF) and 0.1 g of polyvinylpyrrolidone (PVP).
  • the mixture is dispersed in an ultrasonic bath and applied to a coating system with a doctor blade height 500 ⁇ m.
  • the result after drying is a 200 ⁇ thin layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeableitelement und dessen Verwendung zur Temperie- rung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, Lastkraftwagen (LKW) oder Pedelec.

Description

WAERMEABLEITELEMENT
Die Erfindung betrifft ein Wärmeableitelement und dessen Verwendung zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, Lastkraftwagen (LKW) oder Pedelec.
Für Li-Ionen Batterien im Automobil, LKW oder Pedelec werden Wärmeableitelemente verwendet, die aber das Problem aufweisen, dass bei niedrigen Temperaturen, wie es im Winter der Fall ist, immer ein oder mehrere Heizelemente benötigt werden, die die Li-Ionen Batterie vor dem Start vorheizen. Zudem nimmt die Kapazität der Li-Ionen Batterie bei niedrigen Temperaturen ab und die Ladezeit verlängert sich. Aber gerade zu Beginn einer Fahrt werden sowohl für die Temperierung der Fahrgastzelle als auch für die Fahrt selbst viel Energie benötigt. Die verwendeten Wärmeableitelemente aus Aluminium oder Graphitwerkstoffen können keine Temperaturen halten, was zur Folge hat, dass diese mit der gesamten Struktur auskühlen. Allgemein wird beispielsweise in der EP282561 1 A1 die Küh- lung durch Wärmeableitelemente beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, Wärmeelemente für Li-Ionen Batterien, die die Temperatur der Li-Ionen Batterie auf eine festgelegte Temperatur stabilisieren können und mit dem die oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwunden wer- den, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil, LKW oder Pedelec, umfassend Graphit und mikroverkapseltes Phase-Change-Material (PCM) gelöst.
Die Wärmeableitelemente werden in der Li-Ionen Batterie zwischen den sogenannten Pouchzellen angeordnet, so dass je nach Aufbau der Li-Ionen Batterie eine oder mehrere Wärmeableitelemente verwendet werden.
Vorteilhafterweise wird der Graphit aus der Gruppe bestehend aus Naturgraphit, syntheti- sehen Graphit, expandiertem Graphit oder Mischungen davon ausgewählt. Zur Herstellung von expandiertem Graphit mit einer wurmförmigen Struktur wird üblicherweise Graphit, wie Naturgraphit, mit einem Interkalaten, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, vermischt und bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise 600 °C bis 1200 °C wärmebehandelt. (DE10003927A1 )
Expandierter Graphit stellt einen Graphit dar, der im Vergleich zu natürlichem Graphit in der Ebene senkrecht zu den hexagonalen Kohlenstoffschichten beispielsweise um den Faktor 80 oder mehr expandiert ist. Aufgrund der Expansion zeichnet sich expandierter Graphit durch eine hervorragende Formbarkeit und gute Verzahnbarkeit aus. Expandierter Graphit kann in Folienform verwendet werden, wobei bevorzugt eine Folie mit einer Dichte von 0,7 bis 1 ,8 g/cm3 verwendet wird. Eine Folie aufweisend diesen Dichtebereich weist Wärmeleitfähigkeiten von 150 W/(m-K) bis 500 W/(m-K) auf. Die Wärmeleitfähigkeit wird mittels der Angström-Methode („Angström's Method of Measuring Thermal Conductivity"; Amy L. Lytle; Physics Department, The College of Wooster, Theses) bestimmt.
Unter einem Phase-Change-Material wird im Rahmen der Erfindung ein Material verstanden, welches einem Phasenübergang unterliegt, wenn Wärme zugeführt oder abgegeben wird. Dies kann beispielsweise ein Übergang von der festen in die flüssige Phase oder umgekehrt sein. Bei der Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr aus dem PCM, bleibt beim Errei- chen des Phasenübergangspunktes die Temperatur konstant, bis das Material vollständig umgewandelt ist. Die beim Phasenübergang zugeführte oder abgeführte Wärme, die keine Temperaturänderung in dem Material verursacht, wird als latente Wärme bezeichnet.
Vorteilhafterweise wird das PCM aus der Gruppe bestehend aus Zuckeralkoholen, Paraf- fine, Wachsen, Salzhydraten, Fettsäuren, bevorzugt aus der Gruppe bestehend als Paraffinen, Salzhydraten und Wachsen ausgewählt. Als Zuckeralkohole können beispielsweise Pentaerythritol, Trimethylolethan, Erythritol, Xylitol, Mannitol, Neopentylglykol und jede beliebige Mischung davon verwendet werden. Als Paraffine können gesättigte Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n+2 verwendet werden, wobei die Zahl n zwischen 18 und 32 liegen kann. Die molare Masse derartiger Paraffine liegt damit zwischen 275 und 600 Gramm pro Mol. Als Salzhydrate können beispielweise Calciumchlorid- hexahydrat, Magnesiumchloridhexahydrat, Lithiumnitrattrihydrat und Natriumacetattrihydrat eingesetzt werden. Als Fettsäuren könne beispielsweise Caprinsäure, Laurinsäure, Myrist- insäure, Palmitinsäure, Stearinsäure und jede beliebige Mischung davon zum Einsatz kommen. Die Auswahl des PCM hängt von dem Temperaturbereich in der Verwendung ab.
Vorteilhafterweise weist das PCM einen Schmelzbereich zwischen -20 und 130 °C, bevorzugt zwischen -10 und100 °C, besonders bevorzugt zwischen 0 und 70 °C auf.
Die Temperaturstabilisierung im Schmelzbereich von weniger als -20°C und größer als 130°C lässt sich durch Phasenwechselmaterialien nur durch erhöhten Aufwand und Gewicht realisieren. Darüber hinaus kommen diese Temperaturen selten vor, so dass das vorgehaltene Material fast ausschließlich ohne Funktion mitgeführt wird. Um dies vorzubeugen, ist der Temperaturbereich zwischen -20°C und 130°C ausgewählt. Durch die Auswahl des geeigneten PCMs wird die Temperatur der Li-Ionen Batterie stabilisiert, beispielsweise kann die Temperatur beim Abkühlen in der Nacht auf 6°C stabilisiert werden.
Es ist besonders bevorzugt, wenn beim langsamen Abkühlen mindestens ein Teil des Phasenübergangs (vorzugsweise der gesamte Phasenübergang) des PCM in einem Temperaturbereich von 20 bis 0 °C erfolgt. Dies lässt sich kalorimetrisch feststellen, indem man die Temperatur im Wärmeableitelement misst und aufzeichnet, während man das Wärmeableitelement in einem Kalorimeter einer Atmosphäre mit definierter Temperatur aussetzt, und diese Temperatur von 20 K oberhalb des Schmelzpunktes des PCM (mit dem höchsten Schmelzpunkt) kontinuierlich um 0,1 K/min verringert, bis zu einer
Temperatur 20 K unterhalb des Schmelzpunkts des PCM (mit dem niedrigsten
Schmelzpunkt). Im Thermogramm lassen sich Beginn und Ende von Phasenübergängen (flüssig zu fest) leicht feststellen. Mikroverkapseltes Phase-Change-Material (PCM) mit Phasenübergang in diesem Temperaturbereich ist von der Firma Mikrotek Laboratories Inc., Dayton, Ohio 43459, erhältlich und unter den Bezeichnungen MPCM 6 und MPCM 18 angeboten. Mit Hilfe solcher PCM wird ein weiteres Auskühlen der Batterie des geparkten Fahrzeugs gegen Ende der Nacht und am frühen Morgen besonders effizient verzögert. Das PCM stellt dann an vielen Wintermorgen genau die Energie bereit, die andernfalls der Li-Ionen Batterie vor dem Start unter aktiver Zufuhr von Wärme mit Heizlelementen zugeführt werden müsste.
Dies hat den Vorteil, dass die Batterie im Stillstand nicht so stark abkühlt, was wiederum bedingt, dass die Kapazität der Li-Ionen Batterie auf einem höheren Niveau bleibt und mehr Energie beispielsweise zur Erwärmung der Fahrgastzelle zur Verfügung steht. Darüber hinaus lässt sich die Batterie, die durch den Einsatz des Phasenwechselmaterials auf einer höheren Temperatur bleibt, schneller laden. Letztlich wird durch die vorliegende Erfindung also über das gesamte Jahr hinweg morgens ein Startzustand des Fahrzeugs mit besonders hohem Fahr- und Ladekomfort und hoher Reichweite des Fahrzeugs erreicht, ohne dafür zusätzliche Energie von außen zuführen zu müssen. An typischen Wintertagen kommt es dann auch wenn das Fahrzeug tagsüber nicht betrieben wird, allein durch die Sonneneinstrahlung zu einem wenigstens partiellen
Schmelzen von PCM, so dass es in der nächsten Nacht wieder als thermischer Puffer fungieren kann. Eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Verwendung führt zu einer Verringerung der für die Vorbeheizung der Li-Ionen Batterie erforderlichen Energie, wenn das Automobil oder LKW oder Pedelec stark ausgekühlt ist, z.B. auf eine Temperatur im Bereich von -5°C bis 5°C. Das mikroverkapselte Phase-Change-Material (PCM) kann mehrere PCM mit
unterschiedlichen Schmelz- bzw. Erstarrungsbereichen umfassen. Die Phasenübergänge von flüssig zu fest (Erstarrung) erfolgen beim langsamen Abkühlen dann für die PCM je bei unterschiedlichen Temperaturen. Vorzugsweise erfolgt dann von mindestens zwei
Phasenübergängen je mindestens ein Teil in dem vorgenannten Temperaturbereich von 20 bis 0 °C. Besonders bevorzugt erfolgen mindestens zwei Phasenübergänge vollständig in dem Temperaturbereich von 20 bis 0 °C. Vorzugsweise ist die Temperatur, bei der ein PCM zu erstarren beginnt, mindestens 8K höher, als die Temperatur, bei der ein anderes PCM, welches bei einer niedrigeren Temperatur erstarrt, vollständig erstarrt ist. Auch dies ist aus dem Thermogramm leicht ablesbar.
Die unterschiedlichen PCM sind vorzugsweise räumlich voneinander getrennt, z.B. indem sie in unterschiedlichen Mikrokapseln vorliegen.
Denkbar ist auch, dass nicht alle PCM mikroverkapselt sind.
Ausführungsformen mit PCM mit unterschiedlichen Schmelzbereichen erreichen die gewünschten Verbesserungen des Startzustands des Fahrzeugs bei einer größeren Bandbreite unterschiedlicher Umgebungstemperaturen. Dies ist wünschenswert, da die Tiefsttemperaturen, die in Winternächten erreicht werden, von Nacht zu Nacht stark variieren können.
Erfindungsgemäß weist das mikroverkapselte PCM eine Größe von < 5 mm, bevorzugt < 1 mm, besonders bevorzugt < 100 μηη auf.
Wenn die Partikelgrößen 5 mm überschreiten, kommt es zu einem signifikanten Abfall des Wärmeeintrages in die Kapsel selbst und das PCM im Inneren der Kapsel schmilzt nur noch sehr langsam auf. Dies heißt, dass oftmals nicht die gesamte Wärmekapazität genutzt werden kann. Wird die Kapsel zu klein ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis von PCM und nichtaktiver Kapselhülle, was die Wärmekapazität wiederum negativ beeinflusst. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet, welche Graphit und mikroverkapseltem PCM umfasst oder als eine Platte oder eine Folie ausgebildet, umfassend Graphit und mikroverkapseltem PCM, wobei auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltem PCM aufgebracht ist. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Wärmeableitelement oder als eine Graphitfolie oder Graphitplatte ausgebildet und umfasst mindestens eine aufgebrachte Schicht mikro- verkapseltem PCM.
Die verschiedenen Ausführungsformen des Wärmeableitelements können in beliebiger Kombination für die Temperierung einer Li-Ionen-Batterie verwendet werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM in der Platte oder Folie umfassend Graphit, mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder 10 Gew.% bis 98 Gew.%, bevorzugt 20 Gew.% bis 80 Gew.%, besonders bevorzugt 45 Gew.% bis 70 Gew.%.
Bei einem Anteil von weniger als 10 Gew.% an mikroverkapseltem PCM wird, wenn überhaupt, nur eine geringfügige Stabilisierung der Temperatur der Li-Ionen Batterie durch Phasenwechsel erreicht. Bei mehr als 98 Gew.% ist der Effekt der Wärmeleitfähigkeit, welcher durch den Anteil an Graphit im Wärmeableitelement erhalten wird, sehr gering.
Erfindungsgemäß beträgt der Anteil an Binder an der Platte umfassend Graphit, mikroverkapseltem PCM und zusätzlich Binder 2 bis 30 Gew%, bevorzugt 5 bis 20 Gew%.
Durch den Binderanteil lässt sich die Festigkeit des Verbundwerkstoffes steigern und die Wärmekapazität wird nur geringfügig beeinflusst. Im bevorzugten Fall wird die Wärmekapazität nur um 10 % verringert.
Erfindungsgemäß kann der Binder aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen (wie beispielsweise Araldite 2000 (2014)), Phenolharzen, Silikonharzen, Acrylatharzen, Kautschuk (z.B. Litex SX1014) oder Thermoplasten ausgewählt werden.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 10 bis 98 Gew.%, bevorzugt 15 bis 95 Gew.%, besonders bevorzugt 30 bis 88 Gew.%. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.%.
Bei einem Anteil von weniger als 10 Gew.% an mikroverkapseltem PCM in der Schicht wird, wenn überhaupt, nur eine geringfügige Stabilisierung der Temperatur der Li-Ionen Batterie durch Phasenwechsel erreicht. Bei einem Anteil von mehr als 98 Gew.%
mikroverkapseltem PCM in der Schicht kann die Stabilität der Schicht nicht gewährleistet werden. Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an Binder der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 1 bis 40 Gew.%, bevorzugt 2 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 20 Gew.%.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil an Binder der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 1 bis 40 Gew.%, bevorzugt 2 bis 30 Gew.%, besonders bevorzugt 5 bis 20 Gew.%.
Bei weniger als 1 Gew.% Binder reicht der Anteil an Binder nicht mehr für genügend Festigkeit aus und bei mehr als 40 Gew.% Binder ist der Anteil an Binder zu hoch, so dass die Wärmekapazität der Schicht, bedingt durch das mikroverkapselte PCM, negativ beeinflusst wird.
Neben den aufgeführten Bestandteilen der Platte, Folie oder Schicht können diese noch ein Dispergierhilfsmittel enthalten, wobei der Anteil zwischen 0 bis 5 Gew.% beträgt. Als Dispergierhilfsmittel kann beispielsweise Polyvinylpyrolidon (PVP) verwendet werden.
Um die erfindungsgemäßen Eigenschaften der Schicht zu erreichen, können alle Kombinationen der Komponenten der Schicht gewählt werden. Der Binderanteil sorgt für eine feste und kompakte Schicht, wohingegen bei einer gewünschten hohen Schmelzenthalpie ein entsprechend hoher Anteil an mikroverkapseltem PCM zu wählen ist. Je nach Anwendung und Anforderungsprofil kann es nötig sein, dass bei der Herstellung der Platte oder Folie oder der Schicht weitere hochwärmeleitfähige Additive beigemischt werden. Diese Leitadditive können beispielsweise aus Carbon Nanotubes (CNTs), Graphen, Graphenoxid oder hexagonales Bornitrid bestehen.
Die auf die Platte, Folie, Graphitplatte oder Graphitfolie aufgebrachte Schicht kann sowohl auf einer als auch auf mehreren Seiten der Platte, Folie, Graphitplatte oder Graphitfolie aufgebracht werden. Vorteilhafterweise weist die mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM eine Dicke von < 5 mm, bevorzugt 1 bis 3mm, besonders bevorzugt 100 bis 500 μηη auf. Bei einer Dicke der Schicht von größer als 5 mm wird durch die Dicke Schicht die Flexibilität des Verbundes in erheblichen Maße negativ beeinflusst. Darüber hinaus kommt es zu Adhäsionsproblemen der Beschichtung auf dem Trägersubstrat.
Erfindungsgemäß weist die Folie oder Graphitfolie eine Dicke von 10 μηη bis 1 mm, bevorzugt 25 bis 500 μηη, besonders bevorzugt 25 bis 100 μηη auf. Bei kleiner als 10 μηη tritt kein durch die Graphitfolie bedingter, nennenswerter Effekt mehr auf. Vorteilhafterweise weist die Platte oder Graphitplatte eine Dicke von >1 bis 5 mm, bevorzugt 2 bis 4mm, besonders bevorzugt 2 bis 3 mm auf. Bei größer als 5 mm wird der erfindungsgemäße Effekt nicht erzielt.
Erfindungsgemäß liegt die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Wärmeableitelements oberhalb von 150 W/(m-K).
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeableitelement, das Graphit und mikroverkapseltes PCM umfasst, wobei das Wärmeableitelement als Platte oder Folie ausgebildet ist und auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM aufgebracht ist. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung wird durch die Figuren nicht beschränkt.
Figur 1 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt.
Figur 2 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt.
Figur 3 zeigt ein Wärmeableitelement im Querschnitt. Figur 1 zeigt ein Wärmeableitelement aus einer Graphitfolie (1 ) und einer darauf aufgebrachten Schicht aus mikroverkapseltes PCM (3) mit einem Binder (2).
Figur 2 zeigt ein Wärmeableitelement als eine Platte aus Graphit (4), mikroverkapseltem PCM (3) und Binder (2).
Figur 3 zeigt ein Wärmeableitelement als eine Platte aus Graphit (4), mikroverkapseltem PCM (3) und Binder (2) und eine darauf aufgebrachte Schicht aus mikroverkapseltem PCM (3) und Binder (2). Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
Ausführungsbeispiel 1 :
Eine Graphitfolie mit einer Dicke von 150 μηη und einer Dichte von 1 ,3 g/cm3 (kommerziell erhältlich bei der SGL Carbon GmbH) wird einseitig mit einer Mischung aus
mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), einem Kautschukbinder und einem
Dispergierhilfsmittel beschichtet.
Die Zusammensetzung der Mischung ist 24,5 g Wasser, 1 ,5 g Litex SX 1014, 10,4 g mikro- verkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1 g Polyvinylpyrolidon (PVP).
Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage mit einem Rakel, Rakelhöhe 500 μηη aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 200 μηη dünne Schicht auf der Graphitfolie.
Ausführungsbeispiel 2:
Eine Graphitfolie mit einer Dicke von 150 μηη und einer Dichte von 1 ,3 g/cm3 (kommerziell erhältlich bei der SGL Carbon GmbH) wird doppelseitig mit einer Mischung aus
mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), 5 μηη feinem Graphitpulver, einem
Kautschukbinder und einem Dispergierhilfsmittel beschichtet.
Die Zusammensetzung der Mischung ist 31 ,5 g Wasser, 2 g Litex SX 1014, 20 g Graphitpulver, 10,4 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1 g Polyvinylpyrolidon (PVP).
Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage bei 55°C mit einem Rakel, Rakelhöhe 600 μηη aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 400 μηη dünne Schicht auf der Graphitfolie.
Ausführungsbeispiel 3:
Eine Platte mit mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF) zur Anwendung als Wärmeableitelement. Die Zusammensetzung der Platte ist wie folgt: 135 g Graphitpulver (50 μηη), 67,5 g Graphitpulver (150 μηι), 810 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 337,5 g Elastosil M4642A als Binder und Elastosil M4642B als Härter.
Die einzelnen Mischungsbestandteile werden nacheinander in einem Eirichmischer zuge- geben und insgesamt 10 Minuten vermischt. Anschließend wird die Rohmasse in einer Presse in eine 5 mm starke Platte verpresst. Ausführungsbeispiel 4:
Eine Platte mit mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF) zur Anwendung als Wärme- ableitelement. Die Zusammensetzung der Platte ist wie folgt: 135 g Graphitpulver (50 μηη), 67,5 g Graphitpulver (150 μηι), 810 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 337,5 g Elastosil M4642A als Binder und Elastosil M4642B als Härter.
Die einzelnen Mischungsbestandteile werden nacheinander in einem Eirichmischer zugegeben und insgesamt 10 Minuten vermischt und zu eine 5 mm starke Platte verpresst. Anschließend wird die Platte einseitig mit einer Mischung aus mikroverkapseltem PCM (Micronal 28, BASF), einem Kautschukbinder und einem Dispergierhilfsmittel beschichtet. Die Zusammensetzung der Mischung ist 24,5 g Wasser, 1 ,5 g Litex SX 1014, 10,4 g mikroverkapseltes PCM (Micronal 28, BASF) und 0,1 g Polyvinylpyrolidon (PVP).
Die Mischung wird im Ultraschallbad dispergiert und auf einer Beschichtungsanlage mit ei- nem Rakel, Rakelhöhe 500 μηη aufgebracht. Das Ergebnis nach dem Trocknen ist eine 200 μηη dünne Schicht.
Bezugszeichenliste
1 Graphitfolie
2 Binder
3 mikroverkapseltes PCM
4 Graphit
5 Wärmeableitelement

Claims

Patentansprüche
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement, umfassend Graphit und mikroverkapseltes Phase-Change-Material (PCM) zur Temperierung einer Li-Ionen Batterie im Automobil oder LKW oder Pedelec.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit aus der Gruppe bestehend aus Naturgraphit, synthetischen Graphit, expandiertem Graphit oder Mischungen davon ausgewählt wird.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das PCM aus der Gruppe bestehend aus
Zuckeralkoholen, Paraffinen, Wachsen, Salzhydraten, Fettsäuren oder
Mischungen davon ausgewählt wird.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroverkapselte PCM einen Schmelzbereich zwischen -20 und 130 °C aufweist.
Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroverkapselte PCM eine Größe von < 5 mm aufweist.
Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet ist oder, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Platte oder eine Folie ausgebildet ist, wobei auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltem PCM aufgebracht ist.
7. Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeableitelement als eine Graphitfolie oder Graphitplatte ausgebildet ist und mindestens eine aufgebrachte Schicht mikroverkapseltem PCM umfasst.
8. Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die aus Graphit und mikroverkapseltem PCM umfassende Platte oder Folie aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.% beträgt.
9. Verwendung eines Wärmeableitelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an mikroverkapseltem PCM der Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM und zusätzlich Binder, die auf die Graphitfolie oder Graphitplatte aufgebracht ist, 10 Gew.% bis 98 Gew.% beträgt.
10. Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mindestens einen Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM < 5 mm ist.
1 1 .Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte umfassend mikroverkapseltes PCM oder Graphitplatte eine Dicke von >1 mm bis 5 mm aufweist.
12. Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie oder Graphitfolie eine Dicke von 10 μηη bis 1 mm aufweist.
13. Verwendung von mindestens einem Wärmeableitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit oberhalb von 150 W/(m liegt.
14. Wärmeableitelement zur Verwendung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeableitelement Graphit und mikroverkapseltes PCM umfasst, wobei das Wärmeableitelement als Platte oder Folie ausgebildet ist und auf der Platte oder Folie mindestens eine Schicht umfassend mikroverkapseltes PCM aufgebracht ist.
15. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder Wärmeableitelement nach Anspruch 14, wobei beim langsamen Abkühlen mindestens ein Teil des
Phasenübergangs des PCM in einem Temperaturbereich von 20 bis 0 °C erfolgt.
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