WO2022218946A2 - Batteriezelle mit einer elektrischen sicherung - Google Patents

Batteriezelle mit einer elektrischen sicherung Download PDF

Info

Publication number
WO2022218946A2
WO2022218946A2 PCT/EP2022/059672 EP2022059672W WO2022218946A2 WO 2022218946 A2 WO2022218946 A2 WO 2022218946A2 EP 2022059672 W EP2022059672 W EP 2022059672W WO 2022218946 A2 WO2022218946 A2 WO 2022218946A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery cell
fuse
expansion material
battery
cell according
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/059672
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2022218946A3 (de
Inventor
Hyunchul Roh
Wonsup Han
Nina Zensen
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to CN202280023584.7A priority Critical patent/CN117121287A/zh
Priority to US18/286,798 priority patent/US20240204378A1/en
Publication of WO2022218946A2 publication Critical patent/WO2022218946A2/de
Publication of WO2022218946A3 publication Critical patent/WO2022218946A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/572—Means for preventing undesired use or discharge
    • H01M50/574—Devices or arrangements for the interruption of current
    • H01M50/583—Devices or arrangements for the interruption of current in response to current, e.g. fuses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/04—Fuses, i.e. expendable parts of the protective device, e.g. cartridges
    • H01H85/05—Component parts thereof
    • H01H85/055—Fusible members
    • H01H85/08—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member
    • H01H85/10—Fusible members characterised by the shape or form of the fusible member with constriction for localised fusing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/36—Means for applying mechanical tension to fusible member
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531—Electrode connections inside a battery casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus
    • H01H2085/025—Structural association with a binding post of a storage battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H01M2200/103—Fuse
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery cell with an electrical fuse, in particular a battery cell for a high-voltage battery.
  • lithium-ion battery In electrically driven motor vehicles such as electric vehicles, hybrid or plug-in hybrid vehicles, high-voltage batteries are used, which typically have one or more battery modules, each with a plurality of battery cells. Due to the high energy density that can be achieved, lithium-ion batteries in particular are used in motor vehicles.
  • lithium-ion battery is used synonymously for all terms commonly used in the prior art for lithium-containing galvanic elements and cells, such as lithium battery, lithium cell, lithium ion cell, lithium polymer cell and lithium ion battery.
  • rechargeable batteries secondary batteries
  • battery battery and “electrochemical cell” are also used synonymously with the term “lithium-ion battery”.
  • the lithium-ion battery can also be a solid-state battery, for example a ceramic or polymer-based solid-state battery.
  • a security element for a battery cell is described in the publication DE 102013204341 A1.
  • the battery cell includes a fuse located within the battery cell case between the positive terminal and the current collector associated with the positive terminal. It is an object of the invention to specify an improved battery cell with an electrical fuse, the battery cell being characterized by a further increase in safety and a reduced risk of thermal runaway.
  • the battery cell has an electrical fuse, the electrical fuse being a fuse.
  • the fuse has a groove or an opening, with an expansion material being arranged in the groove or the opening.
  • an “expansion material” is to be understood as a material that has a greater coefficient of thermal expansion than the material of the safety fuse.
  • the safety fuse is intended to interrupt the circuit of the battery cell in the event of an excessively high current intensity.
  • a very high current for example a current of more than 600 A, is required in order to heat the material of the fuse above its melting point, so that the destruction of the fuse interrupts the circuit.
  • the destruction of the safety fuse is assisted by the expansion material, which has a greater coefficient of thermal expansion than the material of the safety fuse.
  • the expansion material is placed in an opening or groove of the fuse. This opening or groove is a mechanically unstable area that acts as a predetermined breaking point when the expansion material expands.
  • the safety fuse is electrically conductively connected to the current collector of the positive electrode of the battery cell.
  • the current collector of the positive electrode (cathode) of the battery cell can include or consist of aluminum, for example.
  • the arrangement of the fuse on the positive electrode current collector has the advantage that aluminum can be used as the material for the fuse, which has a lower melting point than the copper material typically used as the negative electrode current collector.
  • the fuse is preferably an integral part of the current collector of the positive electrode of the battery cell.
  • the safety fuse can be designed in particular as an opening or groove in the current collector. In the area of the opening or groove, the electrical resistance of the current collector is increased due to the reduction in cross-sectional area caused by the opening or groove. This area of the current collector therefore heats up considerably at high current levels and can in this way trigger the safety fuse.
  • the fuse is preferably formed from a metal or a metal alloy.
  • the safety fuse preferably has aluminum or consists of it.
  • the current collector preferably comprises or is made of aluminum.
  • the expansion material has a metal, a polymer or a ceramic.
  • Metals, polymers or ceramics are suitable whose coefficients of expansion are greater than that of the material of the safety fuse, for example aluminum.
  • the expansion material is advantageously thermally stable up to at least 100°C, preferably even up to 600°C.
  • the expansion material can include or consist of polyvinyl chloride (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE) or cellulose acetate (CA).
  • the expansion material can be a material that has an anisotropic linear expansion when the temperature increases. In this way, a mechanical stress with a preferred direction can be generated by the expansion material.
  • suitable materials with anisotropic linear expansion are (partly) crystalline n-alkanes (eg paraffins). In particular, due to the increased softening point Hard paraffin can be used.
  • Some types of PE are also suitable, in particular high-density polyethylene (HDPE, softening point around 145 °C).
  • fiber-reinforced plastics such as carbon-fiber-reinforced plastics (CFRP) or glass-fiber-reinforced plastics (GFRP) are also suitable, in which the thermal expansion in the direction of the fibers is typically greater than that perpendicular to the direction of the fibers.
  • CFRP carbon-fiber-reinforced plastics
  • GFRP glass-fiber-reinforced plastics
  • the expansion material is provided with a cover.
  • the cover can advantageously prevent a chemical reaction of the expansion material with the electrolyte and/or other components of the battery cell.
  • a material is chosen for the cover that does not react with the electrolyte and/or other components of the battery cell.
  • the cover has or consists of a polymer.
  • polymers that are also suitable as separator material can be used. Suitable polymers are, for example, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), or polyimide (PI).
  • a lithium-ion battery with several of the battery cells described herein and a motor vehicle with such a lithium-ion battery are also proposed. Due to the improved safety, the battery cell described here can advantageously be used in a lithium-ion battery, which can be used in particular as a traction battery in an electrically driven motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a housing of the battery cell according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic perspective representation of the current collector of the positive electrode of the battery cell according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view of the fuse area; and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the fuse area.
  • Components that are the same or have the same effect are each provided with the same reference symbols in the figures. The components shown and the proportions of the components among one another are not to be regarded as true to scale.
  • the battery cell 10 shown schematically in FIG. 1 is a prismatic battery cell 10 in the exemplary embodiment shown here.
  • the battery cell 10 can be designed as a round cell.
  • the battery cell 10 has a housing 14 which forms a mechanically strong casing for the electrode unit of the battery cell 10 arranged therein.
  • the electrode unit can be designed, for example, as an electrode stack or electrode coil.
  • the housing 14 has a rectangular base area and is essentially cuboid.
  • the housing 14 can have a bottom wall, side walls and a cover 15, for example.
  • prismatic battery cells 10 can easily be stacked and assembled into a battery module.
  • the housing 14 may be formed from a metal or metal alloy, preferably aluminum. It is possible for the housing 14 to have an electrically insulating coating at least in regions.
  • the battery cell 10 has a positive terminal 11 and a negative terminal 12, the terminals 11, 12 being arranged on the cover 15 of the housing 14, for example.
  • the terminals 11, 12 form the external electrical connections of the battery cell 10 and are each electrically conductively connected to a current collector of an electrode.
  • FIG. 1 also shows a cover 13 which is arranged on the cover 15 of the housing and which is arranged, for example, in the area between the electrical terminals 11, 12.
  • An overpressure safety device such as a bursting membrane can be arranged under the cover 13 .
  • FIG. 2 shows the current collector 20 of the positive pole (cathode) of the battery cell 10.
  • the current collector 20 is connected to at least one current conductor of a positive electrode of the battery cell 10 and establishes the connection to the positive terminal 11 on the housing 14.
  • the current collector has a safety fuse 21 .
  • the fuse 21 protects the battery cell from excessive currents, especially in the case a short circuit of the electrodes. Such a short circuit of the electrodes can be the result, for example, of a deformation of the housing 14 or of the penetration of a pointed object into the housing 14, for example in the event of an accident.
  • the fuse 21 is shown in Figures 3 and 4 in a perspective view and in a cross section.
  • the safety fuse 21 is formed by a region of the current collector 20 which has a groove 23 or alternatively an opening.
  • the cross-sectional area of the current collector 20 is locally reduced by the groove 23 or an opening, so that this area melts at high current intensities due to strong heating and in this way functions as a safety fuse.
  • the current collector 20 and the portion of the groove 23 that forms the fuse 21 include or are made of aluminum, for example.
  • the expansion material 22 is arranged in the groove 23 .
  • the expansion material 22 has a larger coefficient of thermal expansion than the material of the fuse 21, such as aluminum.
  • the expansion material 22 has, for example, a metal, a polymer or a ceramic.
  • the expansion material can include or consist of polyvinyl chloride (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE) or cellulose acetate (CA).
  • PVC polyvinyl chloride
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • CA cellulose acetate
  • the critical current strength at which the safety fuse trips is reduced by the expansion material.
  • the critical current can be about 600 A to 800 A.
  • the fuse may be configured to tolerate a charging or discharging current with a C-rate of at least 7C, at least 8C, or even at least 10C.
  • a C rate of 1 C is the current required to charge or discharge the cell in one hour.
  • the fuse can be configured to break the circuit at a critical C-rate ranging from 15C to 50C.
  • the expansion material 22 is advantageously a material that has anisotropic thermal expansion, in particular the thermal expansion perpendicular to the longitudinal direction of the groove 23 can be greater than parallel to the longitudinal direction of the groove 23.
  • the expansion material 22 has, for example, a hard paraffin, a high Density polyethylene (HDPE) or a fiber-reinforced plastic with anisotropic linear expansion.
  • HDPE high Density polyethylene
  • the expansion material 22 is preferably provided with a cover 24 .
  • the cover 24 can be provided to protect the expansion material 22 from chemical reactions with the electrolyte and/or other components of the battery cell 10 and preferably has a polymer that does not react with the electrolyte used.
  • the cover 24 can include or consist of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), or polyimide (PI).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Es wird eine Batteriezelle (10) mit einer elektrischen Sicherung angegeben, wobei die elektrische Sicherung eine Schmelzsicherung (21) ist, die eine Nut (23) oder eine Öffnung aufweist, wobei in der Nut (23) oder der Öffnung ein Expansionsmaterial (22) angeordnet ist, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Schmelzsicherung (21).

Description

Batteriezelle mit einer elektrischen Sicherung
Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer elektrischen Sicherung, insbesondere eine Batteriezelle für eine Hochvolt-Batterie.
In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In- Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batterien eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batterie“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Auch werden die Begriffe „Batterie“ und „elektrochemische Zelle“ synonym zum Begriff „Lithiumionen-Batterie“ genutzt. Die Lithiumionen-Batterie kann auch eine Festkörperbatterie sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörperbatterie.
Im Falle eines mechanischen Aufpralls auf die Batteriezelle, der beispielsweise eine Deformation und/oder das Eindringen eines spitzen Gegenstands in die Batteriezelle bewirkt, kann das Risiko eines elektrischen Kurzschlusses der Elektroden bestehen. Durch exotherme Elektrodenreaktionen, die beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses der Elektroden in Gang gesetzt werden, kann Wärme freigesetzt werden, die zu einer Überhitzung der Batteriezelle führen kann. In diesem Fall kann es zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) der Batteriezelle kommen. In einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen kann das thermische Durchgehen einer Batteriezelle zu einer Ausbreitung der Überhitzung auf die benachbarten Batteriezellen führen, so dass ein Risiko der Schädigung des gesamten Batteriemoduls oder sogar der gesamten Hochvoltbatterie bestehen kann, wenn dies nicht durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen verhindert wird.
In der Druckschrift DE 102013204341 A1 wird ein Sicherheitselement für eine Batteriezelle beschrieben. Die Batteriezelle enthält eine Schmelzsicherung, die innerhalb des Batteriezellgehäuses zwischen dem positiven Terminal und dem Stromkollektor, der dem positiven Terminal zugeordnet ist, angeordnet ist. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Batteriezelle mit einer elektrischen Sicherung anzugeben, wobei sich die Batteriezelle durch eine weitere Erhöhung der Sicherheit und ein vermindertes Risiko eines thermischen Durchgehens auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Batteriezelle eine elektrische Sicherung auf, wobei die elektrische Sicherung eine Schmelzsicherung ist. Die Schmelzsicherung weist eine Nut oder eine Öffnung auf, wobei in der Nut oder der Öffnung ein Expansionsmaterial angeordnet ist. Unter einem „Expansionsmaterial“ ist hier und im Folgenden ein Material zu verstehen, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Schmelzsicherung.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Die Schmelzsicherung ist dazu vorgesehen, den Stromkreis der Batteriezelle im Fall einer zu hohen Stromstärke zu unterbrechen. Bei herkömmlichen Schmelzsicherungen ist eine sehr hohe Stromstärke, beispielsweise eine Stromstärke von mehr als 600 A, erforderlich, um das Material der Schmelzsicherung über dessen Schmelzpunkt zu erhitzen, so dass es durch die Zerstörung der Schmelzsicherung zu einer Unterbrechung des Stromkreises kommt. Bei der hierin beschriebenen Batteriezelle wird die Zerstörung der Schmelzsicherung durch das Expansionsmaterial, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Schmelzsicherung, unterstützt. Das Expansionsmaterial ist in einer Öffnung oder Nut der Schmelzsicherung angeordnet. Diese Öffnung oder Nut ist ein mechanisch wenig stabiler Bereich, der bei einer Ausdehnung des Expansionsmaterials als Sollbruchstelle fungiert. Ein Auslösen der Schmelzsicherung kann daher durch die bei einer Temperaturerhöhung wirkenden mechanischen Kräfte des Expansionsmaterials bewirkt oder zumindest unterstützt werden. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der Schmelzsicherung erhöht. Weiterhin können vorteilhaft geringere Stromstärken ausreichen, um ein Auslösen der Schmelzsicherung zu bewirken. Die Sicherheit der Batteriezelle wird auf diese Weise erhöht. Gemäß einer Ausführungsform ist die Schmelzsicherung mit dem Stromkollektor der positiven Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden. Der Stromkollektor der positiven Elektrode (Kathode) der Batteriezelle kann beispielsweise Aluminium aufweisen oder daraus bestehen. Die Anordnung der Schmelzsicherung an dem Stromkollektor der positiven Elektrode hat den Vorteil, dass Aluminium als Material für die Schmelzsicherung verwendet werden kann, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das typischerweise als Stromkollektor der negativen Elektrode verwendete Material Kupfer aufweist.
Bevorzugt ist die Schmelzsicherung ein integraler Bestandteil des Stromkollektors der positiven Elektrode der Batteriezelle. Die Schmelzsicherung kann insbesondere als eine Öffnung oder Nut in dem Stromkollektor ausgebildet sein. In dem Bereich der Öffnung oder Nut ist der elektrische Widerstand des Stromkollektors aufgrund der durch die Öffnung oder Nut bewirkten Verringerung der Querschnittsfläche erhöht. Dieser Bereich des Stromkollektors erhitzt sich deshalb bei hohen Stromstärken stark und kann auf diese Weise die Schmelzsicherung auslösen.
Die Schmelzsicherung ist vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Bevorzugt weist die Schmelzsicherung Aluminium auf oder besteht daraus. Wenn die Schmelzsicherung ein integraler Bestandteil des positiven Stromkollektors ist, weist der Stromkollektor vorzugsweise Aluminium auf oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Expansionsmaterial ein Metall, ein Polymer oder eine Keramik auf. Geeignet sind Metalle, Polymere oder Keramiken, deren Ausdehnungskoeffizienten größer als der des Materials der Schmelzsicherung, beispielsweise Aluminium, sind. Weiterhin ist das Expansionsmaterial vorteilhaft temperaturstabil bis mindestens 100 °C, vorzugsweise sogar bis zu 600 °C. Das Expansionsmaterial kann insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Celluloseacetat (CA) aufweisen oder daraus bestehen.
Das Expansionsmaterial kann bei einer Ausgestaltung ein Material sein, das bei einer Temperaturerhöhung eine anisotrope Längenausdehnung aufweist. Auf diese Weise kann durch das Expansionsmaterial eine mechanische Spannung mit einer Vorzugsrichtung erzeugt werden. Geeignete Materialien mit anisotroper Längenausdehnung sind z.B. (teil)kristalline n- Alkane (z.B. Paraffine). Insbesondere kann aufgrund der erhöhten Erweichungstemperatur ein Hartparaffin verwendet werden. Außerdem sind einige PE-Typen geeignet, insbesondere High- Density Polyethylen (HDPE, Erweichungstemperatur etwa 145 °C). Darüber hinaus eignen sich auch faserverstärkte Kunststoffe wie carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), bei denen die thermische Ausdehnung in Faserrichtung typischerweise größer ist als quer zur Faserrichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Expansionsmaterial mit einer Abdeckung versehen. Die Abdeckung kann vorteilhaft eine chemische Reaktion des Expansionsmaterials mit dem Elektrolyten und/oder anderen Bestandteilen der Batteriezelle verhindern. Entsprechend wird für die Abdeckung ein Material gewählt, dass nicht mit dem Elektrolyten und/oder anderen Bestandteilen der Batteriezelle reagiert. Die Abdeckung weist insbesondere ein Polymer auf oder besteht daraus. Es können zum Beispiel solche Polymere eingesetzt werden, die auch als Separator material geeignet sind. Geeignete Polymere sind zum Beispiel Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), oder Polyimid (PI).
Es werden weiterhin eine Lithium-Ionenbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Lithium-Ionenbatterie vorgeschlagen. Die hierin beschriebene Batteriezelle kann aufgrund der verbesserten Sicherheit vorteilhaft in einer Lithium-Ionenbatterie verwendet werden, die insbesondere als Traktionsbatterie in einem elektrisch angetrieben Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses der Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung des Stromkollektors der positiven Elektrode der Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Bereichs der Schmelzsicherung und Fig. 4 eine schematische Darstellung des Bereichs der Schmelzsicherung im Querschnitt. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Batteriezelle 10 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine prismatische Batteriezelle 10. Alternativ sind auch andere Ausgestaltungen der Batteriezelle möglich, beispielsweise kann die Batteriezelle 10 als Rundzelle ausgebildet sein.
Die Batteriezelle 10 weist ein Gehäuse 14 auf, das einen mechanisch festen Mantel für die darin angeordnete Elektrodeneinheit der Batteriezelle 10 ausbildet. Die Elektrodeneinheit kann beispielsweise als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel ausgebildet sein. Das Gehäuse 14 weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Das Gehäuse 14 kann beispielsweise eine Bodenwand, Seitenwände und einen Deckel 15 aufweisen. Prismatische Batteriezellen 10 können vorteilhaft leicht gestapelt und zu einem Batteriemodul zusammengesetzt werden.
Das Gehäuse 14 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sein, vorzugsweise aus Aluminium. Es ist möglich, dass das Gehäuse 14 zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Die Batteriezelle 10 weist ein positives Terminal 11 und ein negatives Terminal 12 auf, wobei die Terminals 11, 12 beispielsweise an dem Deckel 15 des Gehäuses 14 angeordnet sind. Die Terminals 11, 12 bilden die äußeren elektrischen Anschlüsse der Batteriezelle 10 und sind jeweils mit einem Stromkollektor einer Elektrode elektrisch leitend verbunden. In der Figur 1 ist weiterhin eine an dem Deckel 15 des Gehäuses angeordnete Abdeckung 13 zu sehen, die beispielsweise im Bereich zwischen den elektrischen Terminal 11, 12 angeordnet ist. Unter der Abdeckung 13 kann eine Überdruck- Sicherheitsvorrichtung wie zum Beispiel eine Berstmembran angeordnet sein.
Die Figur 2 zeigt den Stromkollektor 20 des positiven Pols (Kathode) der Batteriezelle 10. Der Stromkollektor 20 ist mit mindestens einem Stromableiter einer positiven Elektrode der Batteriezelle 10 verbunden und stellt die Verbindung zum positiven Terminal 11 an dem Gehäuse 14 her. Der Stromkollektor weist eine Schmelzsicherung 21 auf. Die Schmelzsicherung 21 schützt die Batteriezelle vor zu hohen Strömen, insbesondere im Fall eines Kurzschlusses der Elektroden. Ein solcher Kurzschluss der Elektroden kann beispielsweise die Folge einer Deformation des Gehäuses 14 oder des Eindringens eines spitzen Gegenstands in das Gehäuse 14, etwa bei einem Unfall, sein.
Die Schmelzsicherung 21 ist in den Figuren 3 und 4 in einer perspektivischen Ansicht und in einem Querschnitt dargestellt. Die Schmelzsicherung 21 wird durch einen Bereich des Stromkollektors 20 gebildet, der eine Nut 23 oder alternativ eine Öffnung aufweist. Durch die Nut 23 oder eine Öffnung wird die Querschnittsfläche des Stromkollektors 20 lokal vermindert, so dass dieser Bereich bei hohen Stromstärken durch starke Erhitzung schmilzt und auf diese Weise als Schmelzsicherung fungiert. Der Stromkollektor 20 und der Bereich der Nut 23, der die Schmelzsicherung 21 ausbildet, weisen zum Beispiel Aluminium auf oder bestehen daraus.
In der Nut 23 ist ein Expansionsmaterial 22 angeordnet. Das Expansionsmaterial 22 weist einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das Material der Schmelzsicherung 21 wie zum Beispiel Aluminium. Das Expansionsmaterial 22 weist beispielsweise ein Metall, ein Polymer oder eine Keramik auf. Das Expansionsmaterial kann insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Celluloseacetat (CA) aufweisen oder daraus bestehen. Bei einer Temperaturerhöhung wird durch das Expansionsmaterial 22 eine mechanische Spannung im Bereich der Schmelzsicherung 21 erzeugt, Das Auslösen der Schmelzsicherung 21 kann bei einer Temperaturerhöhung durch das Aufschmelzen und/oder durch eine mechanische Zerstörung aufgrund der vom Expansionsmaterial erzeugten mechanischen Spannung erfolgen. Insbesondere können diese Effekte Zusammenwirken und auf diese Weise die Zuverlässigkeit der Schmelzsicherung erhöhen. Es ist vorteilhaft möglich, dass sich die die kritische Stromstärke, bei der die Schmelzsicherung auslöst, durch das Expansionsmaterial vermindert. Bei einer herkömmlichen Schmelzsicherung kann die kritische Stromstärke beispielsweise etwa 600 A bis 800 A betragen.
Die Schmelzsicherung kann beispielsweise derart konfiguriert sein, dass eine Lade- oder Entladestromstärke mit einer C-Rate von mindestens 7 C, mindesten 8 C oder sogar mindestens 10 C toleriert. Eine C-Rate von 1 C ist hierbei die Stromstärke, die benötigt wird, um die Zelle in einer Stunde zu laden oder zu entladen. Die Schmelzsicherung kann so konfiguriert sein, dass sie den Stromkreis bei einer kritischen C-Rate unterbricht, die im Bereich von 15 C bis 50 C liegt. Das Expansionsmaterial 22 ist vorteilhaft ein Material, das eine anisotrope thermische Ausdehnung aufweist, insbesondere kann die thermische Ausdehnung senkrecht zur Längsrichtung der Nut 23 größer sein als parallel zur Längsrichtung der Nut 23. In diesem Fall weist das Expansionsmaterial 22 beispielsweise ein Hartparaffin, ein High-Density Polyethylen (HDPE) oder einen faserverstärkten Kunststoff mit anisotroper Längenausdehnung auf.
Das Expansionsmaterial 22 ist vorzugsweise mit einer Abdeckung 24 versehen. Die Abdeckung 24 kann dazu vorgesehen sein, das Expansionsmaterial 22 vor chemischen Reaktionen mit dem Elektrolyten und/oder anderen Bestandteilen der Batteriezelle 10 zu schützen und weist vorzugsweise ein Polymer auf, dass mit dem verwendeten Elektrolyten nicht reagiert. Beispielsweise kann die Abdeckung 24 Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), oder Polyimid (PI) aufweisen oder daraus bestehen.
Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Batteriezelle 11 positives Terminal
12 negatives Terminal
13 Abdeckung für Berstmembran
14 Gehäuse
15 Deckel 20 Stromkollektor
21 Schmelzsicherung
22 Expansionsmaterial
23 Nut
24 Abdeckung

Claims

Patentansprüche
1. Batteriezelle (10) mit einer elektrischen Sicherung, wobei
- die elektrische Sicherung eine Schmelzsicherung (21) ist, die eine Nut (23) oder eine Öffnung aufweist, und
- in der Nut (23) oder der Öffnung ein Expansionsmaterial (22) angeordnet ist, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der Schmelzsicherung (21).
2. Batteriezelle nach Anspruch 1 , wobei die Schmelzsicherung (21) mit einem Stromkollektor (20) einer positiven Elektrode der Batteriezelle (10) elektrisch leitend verbunden ist.
3. Batteriezelle einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelzsicherung (21) ein integraler Bestandteil des Stromkollektors (20) der positiven Elektrode der Batteriezelle (10) ist.
4. Batteriezelle einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelzsicherung (21) Aluminium aufweist.
5. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsmaterial (22) ein Metall, ein Polymer oder eine Keramik aufweist.
6. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsmaterial (22) Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Celluloseacetat (CA) aufweist.
7. Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Expansionsmaterial (22) einen anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
8. Batteriezelle nach einem der Anspruch 7, wobei das Expansionsmaterial ein Hartparaffin, ein Polyethylen (PE), ein hochdichtes Polyethylen (HDPE) oder einen faserverstärkten Kunststoff aufweist.
9. Batteriezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Expansionsmaterial (22) mit einer Abdeckung (24) versehen ist.
10. Lithium-Ionenbatterie, umfassend mehrere Batteriezellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2022/059672 2021-04-16 2022-04-12 Batteriezelle mit einer elektrischen sicherung WO2022218946A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280023584.7A CN117121287A (zh) 2021-04-16 2022-04-12 具有电气保险装置的电池单体
US18/286,798 US20240204378A1 (en) 2021-04-16 2022-04-12 Battery Cell Having an Electrical Fuse

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021109628.6A DE102021109628A1 (de) 2021-04-16 2021-04-16 Batteriezelle mit einer elektrischen Sicherung
DE102021109628.6 2021-04-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2022218946A2 true WO2022218946A2 (de) 2022-10-20
WO2022218946A3 WO2022218946A3 (de) 2022-12-08

Family

ID=81595847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/059672 WO2022218946A2 (de) 2021-04-16 2022-04-12 Batteriezelle mit einer elektrischen sicherung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240204378A1 (de)
CN (1) CN117121287A (de)
DE (1) DE102021109628A1 (de)
WO (1) WO2022218946A2 (de)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013204341A1 (de) 2013-03-13 2014-09-18 Robert Bosch Gmbh Sicherheitselement für Batteriezelle

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000311575A (ja) * 1999-02-26 2000-11-07 Sanyo Electric Co Ltd ヒューズとヒューズを内蔵するパック電池
DE102007020905B4 (de) 2007-04-26 2021-03-04 Varta Microbattery Gmbh Galvanisches Element mit Sicherungsmittel
KR101683209B1 (ko) 2011-12-06 2016-12-07 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지
KR20140125657A (ko) * 2013-04-19 2014-10-29 삼성에스디아이 주식회사 이차전지
JP6724785B2 (ja) 2014-10-27 2020-07-15 日本電気株式会社 二次電池、電動車両、蓄電システム、および製造方法
EP3154107B1 (de) * 2015-10-06 2018-09-12 Samsung SDI Co., Ltd. Stromschiene
JP6707367B2 (ja) * 2016-02-29 2020-06-10 三洋電機株式会社 二次電池及び組電池
KR102611657B1 (ko) 2018-01-29 2023-12-08 삼성에스디아이 주식회사 이차 전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013204341A1 (de) 2013-03-13 2014-09-18 Robert Bosch Gmbh Sicherheitselement für Batteriezelle

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021109628A1 (de) 2022-10-20
CN117121287A (zh) 2023-11-24
US20240204378A1 (en) 2024-06-20
WO2022218946A3 (de) 2022-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012213100B4 (de) Batterie mit Thermoschalter und pneumatisch betätigbarem Schalter und Verfahren zum sicheren Betreiben der Batterie
DE102009032050A1 (de) Sekundärbatterie mit Schnellladefähigkeit
WO2010136174A2 (de) Elektrodenwickel
DE10328862B4 (de) Lithiumbatterie mit Überladeschutz
WO2014032768A1 (de) Elektrochemische energiespeicherzelle und elektrochemische energiespeichervorrichtung mit wenigstens einer solchen elektrochemischen energiespeicherzelle
DE102007020905B4 (de) Galvanisches Element mit Sicherungsmittel
WO2018077637A1 (de) Batteriezelle mit strukturiertem aktivmaterial
WO2020078649A1 (de) Schutzeinheit für ein batteriemodul einer hochvoltbatterie, batteriemodul sowie hochvoltbatterie
DE102016225219A1 (de) Zelldesign für erhöhte Sicherheit
WO2022218946A2 (de) Batteriezelle mit einer elektrischen sicherung
WO2022073677A1 (de) Batteriezelle mit mehreren elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen batteriezellgehäuse
WO2014146862A1 (de) Batteriezelle für eine batterie sowie verfahren zur herstellung einer batteriezelle
DE102020111243A1 (de) Lithiumionenbatterie und Batteriemodul
DE102013203190B4 (de) Schutzeinrichtung für elektrochemische Zellen
WO2014111306A1 (de) Schutzmechanismus für batteriezellen
DE102020118843A1 (de) Batteriezelle mit einer elektrischen Sicherung
DE102013203620A1 (de) Schutzmechanismus für Batteriezellen
WO2015007459A1 (de) Baugruppe zur absicherung einer elektrochemischen speicherzelle
DE102011089700A1 (de) Batterie mit pneumo-elektrischem Schalter
DE102020121945A1 (de) Batteriezelle
DE202023002698U1 (de) Sekundärbatteriezelle
DE102022106076A1 (de) Batteriezelle mit Berstmembran
DE102023132240A1 (de) Batteriezelle und batterievorrichtung einschliesslich einer batteriezelle
DE102020118846A1 (de) Batteriezelle und Batteriemodul
DE102023132244A1 (de) Batteriezelle und Batterievorrichtung einschließlich einer Batteriezelle

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18286798

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22722245

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2