WO2023247530A1 - Sicherheits-batteriesystem mit kontrollierter entgasungsfunktion - Google Patents

Sicherheits-batteriesystem mit kontrollierter entgasungsfunktion Download PDF

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WO2023247530A1
WO2023247530A1 PCT/EP2023/066625 EP2023066625W WO2023247530A1 WO 2023247530 A1 WO2023247530 A1 WO 2023247530A1 EP 2023066625 W EP2023066625 W EP 2023066625W WO 2023247530 A1 WO2023247530 A1 WO 2023247530A1
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WO
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sorption element
battery system
battery
sorption
safety
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/066625
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English (en)
French (fr)
Inventor
Branislav Zlatkov
Marc Rüggeberg
Piotr Wrzuszczak
Original Assignee
Volkswagen Ag
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Application filed by Volkswagen Ag filed Critical Volkswagen Ag
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    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • 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
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/392—Arrangements for facilitating escape of gases with means for neutralising or absorbing electrolyte; with means for preventing leakage of electrolyte through vent holes
    • 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
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/394—Gas-pervious parts or elements
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a safety battery system for controlled and active degassing.
  • the safety of batteries during charging, discharging, aging, leakage, thermal stress, mechanical damage or an accident plays a major role in many areas, for example in traffic.
  • thermal burnout can occur in a cell in a battery system. This can lead to a chain reaction and other cells can become inflamed. This means that the entire battery system of a vehicle or means of transport or a static storage version can be affected. The resulting gases can cause serious fires. What proves to be problematic is that the gas emerging from the individual cell housings initially spreads within the battery system and thermal energy is transferred to other cells via this spreading gas.
  • US 2013/0059175 A1 discloses a battery with a degassing system with a downward-pointing degassing opening, which leads into a collection area for resulting degradation substances.
  • the collection area has a shape to remove the degradation substances.
  • the gases will remain in the system and accumulate in the collection area, thus not reducing the risk of an explosive reaction.
  • DE 10 157 272 C2 describes batteries with a non-flammable sorbent for the adsorption and absorption, for example of organic solvents.
  • the sorbent is located in an area that is connected to the individual battery cells. It can be used as granules or powder or even as a molded part. Means for increasing mechanical stability such as nets or fleeces made of, for example, glass fiber or PTFE fibrids have also been described.
  • DE 102014 211 043 A1 discloses a lithium cell with foil packaging in a hard-shell cell housing and a fluorine absorber.
  • the fluorine absorber is arranged in the film packaging and/or the hard-shell cell housing, whereby hydrogen fluoride (HF), fluoride ions and other fluorine-containing decomposition chemicals can be neutralized or bound close or directly to the point of origin. RF development is therefore also contained directly at the point of origin, especially within the hard-shell cell housing.
  • the film packaging can be metal-free and stretchy, so that penetration of HF into the hard-shell cell housing can be delayed without the need for a degassing opening.
  • the hard-shell cell housing can also have a degassing opening, for example a safety burst membrane.
  • DE 102008 025422 A1 describes an energy storage cell with a safety burst membrane and an absorber attached directly to it.
  • This can be an absorbent mass at the exit point of the electrolyte, for example in the form of dried tablets or a powder.
  • the safety rupture membrane bursts, the escaping electrolyte is immediately sucked up by the absorber.
  • DE 102011 087 198 A1 also describes a battery cell with a closed degassing system, with an absorbent and a pressure valve or a version with a variable-volume gas receiving space in order to compensate for the increase in pressure when gas is formed.
  • the invention is based on the object of improving existing battery systems or battery modules, particularly with regard to safety.
  • the escaping gases or chemically reactive compounds contained therein, such as H2, CH4, C2H2 and so on, or gaseous electrolyte components, should be actively collected and then removed.
  • the changes are intended to enable the battery systems to be used broadly and safely for a wide variety of applications.
  • the subject of the invention is a safety battery system with a controlled degassing function in conditions of possible malfunction such as: charging, discharging, aging, leakage in the event of thermal and/or electrical and/or mechanical stress or accident, comprising at least one battery cell with a Venting membrane, and a sorption element for receiving the chemical compounds occurring during degassing, characterized in that a sensor (preferred) or an indicator for monitoring the saturation of the sorption element is included.
  • the invention also relates to the use of a sensor or indicator for monitoring the saturation of sorption elements in battery systems, in particular also of sorption elements in the safety battery system according to the invention.
  • the subject of the invention is the use of the safety battery system according to the invention in battery-operated means of transport and household appliances and in large-scale electrochemical storage systems.
  • the term “degassing” should also include gases, liquids or liquid vapors escaping. In most cases, however, gaseous compounds emerge during loading, unloading, aging, leakage, thermal and/or electrical and/or mechanical stress or accidents.
  • a battery cell may have one or more vent membranes.
  • the ventilation membranes come with or without a bursting membrane, which means that constant ventilation can take place.
  • the position of the ventilation membrane is arbitrary.
  • the vent membranes include one or more openings that are covered by a gas-permeable membrane.
  • venting membrane is designed to provide a bursting function.
  • sorption element With the help of the sorption element, dangerous gases or substances (e.g. CO2, H2, CO, CH4 etc. also moisture or electrolyte vapors, but also liquid escaping components) are bound and can no longer spread uncontrollably in the battery system.
  • gases or substances e.g. CO2, H2, CO, CH4 etc. also moisture or electrolyte vapors, but also liquid escaping components
  • the extent of damage can be significantly reduced or even neutralized by sorption elements if a sorption element permanently absorbs the gases of high temperature or high reactivity or even electrolyte components.
  • Consequential damage caused, for example, by ignition of the gases and propagation in the event of a thermal runaway through the entire battery system, which can have numerous battery cells, can be prevented or the extent can be minimized.
  • the invention also succeeds in preventing a slow leak from saturating the sorption element and this saturation remaining undetected. This is because the invention enables detection of the saturation state by means of the sensor or indicator according to the invention for monitoring the saturation of the sorption element. If saturation were not detected, the sorption element would otherwise become ineffective and further amounts of the gas would be able to spread in the battery system or, in the event of a more serious accident, controlled absorption by the sorption element would no longer be possible.
  • the prior art requires changing the sorption element at predetermined, regular time intervals or saturation, whichever occurs earlier. Once sorption elements have been removed for inspection, they can often no longer be used. This forward-looking change is rendered obsolete by the invention and intact sorption elements no longer have to be disposed of.
  • the advantage is that the operating costs of battery systems are significantly reduced, also due to the working time saved. From an ecological point of view, it is also advantageous that sorption elements that are still intact do not have to be disposed of as part of such a proactive change.
  • gases such as CO2, CO, CH4, C2H6, HF or electrolyte salts such as lithium hexafluorophosphate from the electrolyte, vapors of the electrolyte components (such as ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, ethyl propionate), acids and other dangerous media are absorbed by the sorption element .
  • the material contained in the sorption element is a non-reactive material that can consist of different elements and compositions and can be introduced in different forms. For example, granules, pellets, powder, a green compact, a compact, film or membrane are possible. It is important to establish contact with as large a surface as possible between the material of the sorption element and the substances flowing past.
  • the shape can be, for example, rectangular, circular, oval, square, trapezoidal or polygonal.
  • the vent membrane is a vent opening.
  • the senor is a resistance sensor, an optical sensor or a weight sensor.
  • a resistance sensor the changed resistance of the sorption element upon saturation is recorded, with an optical sensor the change in extinction or light transmission and with a weight sensor the change in the weight of the sorption element.
  • the sensory or indicator function can also be based on other physical principles.
  • the senor or indicator according to the invention is connected to a battery management control unit, which determines the saturation of the sorption element based on the data recorded by the sensor and can output.
  • a saturation limit value is exceeded by the determined value, a necessary replacement of the sorption element can be indicated.
  • the sorption element is a non-hydrophilic sorption element.
  • the material of the sorption element which is responsible for absorption or adsorption, is non-hydrophilic.
  • the advantage is that it is particularly suitable for absorbing compounds that most frequently emerge from battery cells, such as H2, CH4, C2H6 or organic solvents.
  • the invention is particularly preferably used for the controlled adsorption or absorption of gaseous substances.
  • the sorption element has a hybrid composition. The components that are in the material matrix can also absorb moisture.
  • the ventilation membrane is arranged on the top of the battery cell. This corresponds to an arrangement such that the degassing direction points upwards during operation of the safety battery system when it is used (for example in a car).
  • a protective space is provided on the ventilation membrane to protect against contamination (such as splash water) entering the battery cell.
  • contamination such as splash water
  • a battery tray forms the protective space.
  • the sorption element is further preferably attached within the protective space at its exit (viewed in the degassing direction).
  • the distance between the battery cell interior and the sorption element is advantageously as large as possible and the compounds emerging during degassing can cool down as much as possible before binding in the sorption element. The advantage is that this protects the sorption element.
  • the protective space has the shape of a channel and the sorption element fills the channel over the entire cross section in the ventilation flow direction. This is very useful for controlled degassing because there is less mixing of the emerging compounds, for example as gases. It is namely beneficial in case of a battery accident often The resulting different gases should be mixed with each other as little as possible in order to prevent reactions between them.
  • a mat is provided from the outside on the ventilation membrane (i.e. between the battery cell housing and the bottom opening of the protective space) and the sorption element is integrated in the mat.
  • the mat with integrated sorption element simultaneously creates a seal between the battery cell housing and the protective space (for example designed as a battery tray). This can also be seen schematically in FIG. 4. It is easy to replace the sorption element integrated into the mat. As a result, the seal is replaced at the same time, which contributes to the long, reliable functioning of the battery system.
  • At least two sorption elements are included, which are located at different positions between groups of battery cells.
  • a sorption element is not necessary per battery cell, but the absorption of the compounds formed during degassing is still sufficient. Sorption elements are saved. They can be placed accordingly. It is even advantageous to choose the placement in places where the probability of a leak is greatest, for example due to impact or heat, etc.
  • the sorption element has a shape selected from cuboid shape, rectangular shape and cylindrical shape, and the sorption element is located in a net-like carrier.
  • the advantage here is that the sorption element receives support, that is, it is stationary, without its surface being unnecessarily covered and deprived of adsorption or absorption. This means that the amount of compound(s) that can be absorbed is greater than if parts of the sorption element were covered.
  • the sorption element has a flat shape and is applied to a membrane (as a net-like support).
  • a cross-section through which flow can be provided with an evenly distributed (because of the same thickness) sorption element in such a way that even with greater pressure from the resulting compounds, i.e. large quantities, the sorption element can withstand and does not lose its shape or break, since it is affected by the ( in the direction of flow) is preferably supported behind the membrane.
  • the material contained in the sorption element is a material selected from: physical adsorbents, such as: zeolites, silica materials, MOF (metal organic framework), activated carbon, COF (covalent organic framework), carbon molecular sieves , materials based on alkali metals/metal oxides, ordered porous carbon, ACF (activated carbon fibers), graphene, CMS (carbon molecular sieve) and their composites, chemical adsorbents such as composite adsorbents prepared by impregnation with K2CO3, binary eutectic mixture (KNO3 and UNO3), NaNOs, AI2O3, ZrÜ2, TiÜ2, MnÜ2, ZnO, ionic liquid (IL), and aqueous amine (i.e., tetraethylenepentamine (TEPA), poly(allylamine) (PAA), poly(ethyleneimine) (PEI), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (D
  • Figure 1 shows a battery system according to a first exemplary embodiment of the invention in a sectional view
  • Figure 2 shows a battery system according to a second exemplary embodiment of the invention in a perspective view
  • Figure 3 shows a battery system according to a third exemplary embodiment of the invention in a perspective view
  • Figure 4 shows a battery system according to the third exemplary embodiment of the invention in a sectional view;
  • Figures 5a-d two-dimensional views of different shapes of a sorption element according to the invention;
  • Figures 6 and 6a show a battery system according to a fourth exemplary embodiment of the invention in two different sectional views.
  • Figure 7 shows an arrangement of a further exemplary embodiment.
  • each battery cell 11 has a ventilation membrane 13, which in this case is directed downwards, so that the gases, vapors, media, etc. can spread into the protective space 14 (underrun protection space) and then to the sorption element 15 ( here as an adsorber unit) where they can be adsorbed.
  • the sorption element 15 can be placed in any position. In the embodiment of FIG. 1, the sorption element 15 is part of the outlet of the protective space 16 (i.e. the main ventilation) of the battery system.
  • a mat 18 is shown between the cell housing 12 or its ventilation membranes 13 and the bottom opening 19 on the battery tray 20.
  • FIG. 2 shows a complete module that is assembled from several groups of battery systems 21.
  • the groups 21 each consist of twelve battery cells 11. In total there are 192 battery cells that are installed in the battery tray 20.
  • the vent membranes 13 of battery cells are oriented downwards, as shown in Fig. 1.
  • the protective space 14 can be constructed in different ways and distributed over several groups. As a result, the sorption element 15 can be introduced not only to a central location, but also to any location.
  • the sorption element 15 consists of a material matrix which, when the sorbent material contained therein reaches saturation during adsorption or absorption, indicates, for example, a corresponding change in internal resistance.
  • a signal is sent via a supply line (between the sorption element and the battery management control unit) 22 to the BMS (battery management control unit). forwarded, which indicates that the sorption elements 15 are saturated and need to be replaced.
  • Material matrix of the sorption element these are complex material mixtures that depend on the type of cell chemistry (NMC, LFP, etc.), application, construction, etc. It can be assumed that many of the following material combinations (known from the literature) are possible: physical adsorbents, such as: zeolites, silica materials, MOF (metal organic framework), activated carbon, COF (covalent organic framework) or carbon molecular sieves, materials based on alkali metals/metal oxides, ordered porous carbon, ACF (activated carbon fibers), graphene, CMS (carbon molecular sieve) and their composites etc.
  • physical adsorbents such as: zeolites, silica materials, MOF (metal organic framework), activated carbon, COF (covalent organic framework) or carbon molecular sieves, materials based on alkali metals/metal oxides, ordered porous carbon, ACF (activated carbon fibers), graphene, CMS (carbon molecular sieve) and their composites etc
  • adsorbents composite adsorbents prepared by impregnation with K2CO3, binary eutectic mixture (KNO3 and LiNO3) , NaNO3, AI2O3, ZrO2, TiO2, MnO2, ZnO, ionic liquid (IL), and aqueous amine (i.e., tetraethylenepentamine (TEPA), poly(allylamine) (PAA), poly(ethyleneimine) (PEI), ethylenediamine ( EDA), diethylenetriamine (DETA), pentaethylenehexamine (PEHA), aminopropyl (AP), monoethanolamine (MEA), lysine, glycine, proline, alanine, arginine, triethylenetetramine (TETA) and 2-amino-2-methyl-1-propanol ( AMP) etc.) into the carrier adsorbent matrix etc.
  • KNO3 and LiNO3 binary eutectic mixture
  • AI2O3, ZrO2 TiO2, Mn
  • the material matrix can be combined in any way from different components, which essentially represents an adsorber compound.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the invention in the event that a leak occurs at any cell location and that the gases, vapors, etc. from the cell spread in the battery system between the battery cell 11 in an uncontrolled manner and do not make their way down into the protective space 14 can be found. They are discharged directly to the outside. This means that there are no bottom openings 19 on the bottom of the battery tray 20. Rather, the protective space there is designed as a channel 23, as shown in FIG. 4. In this case, the channel floor 24 represents a barrier and thereby allows the dangerous gases, vapors, etc. to remain there and not cause any undesirable damage to the vehicle or to passengers or even the environment.
  • the sorption element 15 is installed at different positions 15.1 between groups of battery cells 21.
  • the size and shape of the sorption elements 15.1 can be selected arbitrarily. They consist of the same materials as in embodiment 2.
  • Fig. 5 shows different shapes (2D representation) of the sorption element 15, which is filled with a sorption material/sorbent (pellets and/or powder and/or granules, etc.).
  • the sorption element can have: cuboid shape 15a, rectangular shape 15b, cylindrical shape 15c or a membrane shape 15.d.
  • the sorption material of the sorption element is contained in a net-like carrier 15.5 as a carrier bag (container), which consists of a permeable network.
  • Version d) in FIG. 5 is a sorption element 15 with a flat shape, which is attached (coated) to a membrane as a net-like carrier 15.5.
  • FIGS. 6 and 6a show a further exemplary embodiment in which the sorption element 15 is integrated in the mat 18 in such a way that it is coordinated with the ventilation membranes 13 of the respective cell 11 of the group of battery cells 19.
  • Fig. 6 shows the plane of the mat, below the groups of battery cells.
  • Fig. 6a shows, one level further up, the underside of the groups of battery cells with the ventilation membranes 13.
  • Fig. 6a schematically visualizes what the interface of battery cell group 21 and its battery cells 11 to mat 18 looks like.
  • the integrated sorption elements 15 have a rectangular basic shape in the embodiment shown. However, it can alternatively also have any other shape, in particular a circular, oval, square, trapezoidal, polygonal or other basic shape.
  • FIG. 7 shows schematically a sensor or an indicator 26 which is in connection with the sorption element 15 and which can indicate to the battery management system 25 the saturation of the sorption element 15 and signal a necessary replacement.

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Abstract

Sicherheits-Batteriesystem mit kontrollierter Entgasungsfunktion Die Erfindung betrifft ein Sicherheits-Batteriesystem (10) zur kontrollierten, aktiven Entgasung. Das Sicherheits-Batteriesystem (10) zur kontrollierten Entgasung bei Alterung, Leckage oder Unfall weist ein Sorptionselement (15) zur Aufnahme der bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen sowie einen Sensor oder Indikator zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements (15) auf. Beschrieben wird darüber hinaus die Verwendung eines Sensors oder Indikators zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen (15) in Batteriesystemen (10) und schließlich die Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems (10) in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln, Haushaltsgeräten oder elektrochemischen Großspeicheranlagen.

Description

Beschreibung
Sicherheits-Batteriesystem mit kontrollierter Entgasungsfunktion
Die Erfindung betrifft ein Sicherheits-Batteriesystem zur kontrollierten und aktiven Entgasung. Die Sicherheit von Batterien bei Laden, Entladen, Alterung, Leckage, thermische Beanspruchung, mechanische Beschädigung oder bei einem Unfall spielt in vielen Bereichen eine große Rolle, beispielsweise auch im Verkehr.
Mit der Weiterentwicklung der Elektromobilität sind die Anforderungen an automotive Batterien wesentlich höher geworden. Anhand der Verbesserung der Zellchemie konnte die Zell- Performance hinsichtlich Energiedichte, Leistungsdichte, Sicherheit und Lifetime in den letzten zehn Jahre deutlich erhöht werden. Eine der größten Herausforderungen ist die Zellsicherheit so zu verbessern, dass im Fall eines unerwünschten Ereignisses kein großer Schaden entstehen würde beziehungsweise keine Gefahr für Passagier und Umwelt besteht. Es werden unterschiedliche Maßnahmen gesucht, die dazu beitragen, eine Kettenreaktion und die thermische Propagierung zu verhindern und damit Sicherheit und Robustheit garantieren.
Denn es ist allgemein bekannt, dass es in einer Zelle in einem Batteriesystem zu einem thermischen Durchbrennen kommen kann. Daraus kann eine Kettenreaktion entstehen und sich weitere Zellen entzünden. Damit kann das gesamte Batteriesystem eines Fahrzeugs oder eines Fortbewegungsmittels oder eine statische Speicherausführung in Mitleidenschaft gezogen werden. Die hierbei entstehenden Gase können Ursache schwerer Brände sein. Als problematisch erweist sich dabei, dass sich das aus den einzelnen Zellgehäusen austretende Gas zunächst innerhalb des Batteriesystems ausbreitet und über dieses sich ausbreitende Gas thermische Energie auf weitere Zellen übertragen wird.
Auch mit langsam fortschreitender Gasbildung steigt der Druck in der Zelle, was eine Anschwellung (Swelling) zur Folge hat, die bis zu einer plastischen Deformation einer Zelle führen kann. Weiterhin kann sich diese Batteriezelle öffnen, wodurch im Batteriemodul beziehungsweise Batteriesystem Gase, Dämpfe beziehungsweise Elektrolyt austreten und dabei unterschiedliche Schäden auslösen können. DE 102019 214 755 A1 schlägt eine Kühlung der Batteriezellen mittels Kühlkreislauf vor. Eine Trocknungseinrichtung, beispielsweise mit Kieselgel, Silikagel oder Zeolith, sorgt dafür, dass bei einem Druckausgleich von innen keine oder weniger Feuchtigkeit in das Batteriegehäuse dringen kann. Auch in der anderen Richtung wird ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Batteriezellen verhindert.
US 2013/0059175 A1 offenbart eine Batterie mit Entgasungssystem mit einer nach unten gerichteten Entgasungsöffnung, welche in einen Sammelbereich für entstehende Abbausubstanzen führt. Der Sammelbereich hat eine Ausformung zur Entfernung der Abbausubstanzen. Im Falle einer verlangsamten Leckage aus der Zelle werden die Gase allerdings im System bleiben und sich im Sammelbereich ansammeln, so dass das Risiko einer explosiven Reaktion nicht verringert wird.
DE 10 157 272 C2 beschreibt Batterien mit einem nicht-brennbaren Sorptionsmittel für die Ad- sowie die Absorption, beispielsweise von organischen Lösungsmitteln. Das Sorptionsmittel befindet sich in einem Bereich, der mit den Batterieeinzelzellen in Verbindung steht. Es kann als Granulat oder Pulver oder auch als Formteil verwendet werden. Auch Mittel zur Erhöhung der mechanischen Stabilität wie Netze oder Vliese aus beispielsweise Glasfaser oder PTFE- Fibriden wurden beschrieben.
DE 102014 211 043 A1 offenbart eine Lithium-Zelle mit Folienverpackung in einem Hartschalen-Zellgehäuse und einem Fluorabsorber. Der Fluorabsorber ist in der Folienverpackung und/oder dem Hartschalen-Zellgehäuse angeordnet, wodurch Fluorwasserstoff (HF), Fluoridionen und andere fluorhaltige Zersetzungschemikalien nah beziehungsweise direkt am Entstehungsort neutralisiert beziehungsweise gebunden werden können. Eine HF-Entwicklung wird damit ebenfalls direkt am Entstehungsort, insbesondere innerhalb des Hartschalen-Zellgehäuses, eingedämmt. Die Folienverpackung kann metallfrei und dehnbar ausgeführt sein, sodass ein Eindringen von HF in das Hartschalen-Zellgehäuse verzögert werden kann, ohne dass es einer Entgasungsöffnung bedarf. Das Hartschalen- Zellgehäuse kann aber auch eine Entgasungsöffnung, beispielsweise eine Sicherheitsberstmembran, aufweisen.
DE 102008 025422 A1 beschreibt eine Energiespeicherzelle mit Sicherheitsberstmembran und einem direkt daran angrenzend befestigten Absorber. Dieser kann eine saugfähige Masse am Austrittsort des Elektrolyten sein, beispielsweise in Form getrockneter Tabletten oder eines Pulvers. Beim Zerbersten der Sicherheitsberstmembran wird so der austretende Elektrolyt unmittelbar durch den Absorber aufgesaugt.
Auch DE 102011 087 198 A1 beschreibt eine Batteriezelle mit geschlossenem Entgasungssystem, mit einem Absorptionsmittel sowie Druckventil oder eine Ausführung mit volumenveränderlichem Gasaufnahmeraum, um die Druckerhöhung bei Gasbildung auszugleichen.
Eine Überwachung der Druckentlastung in einem umschlossenen, zellenartigen Hohlraum mittels eines Sensors, beispielsweise bei Öffnung einer Deckeleinheit durch Drucküberschreitung, wird beschrieben in DE 202019 106 891 U1.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bestehende Batteriesysteme beziehungsweise Batteriemodule zu verbessern, insbesondere in Bezug auf die Sicherheit. Die austretenden Gase oder darin enthaltene chemisch reaktive Verbindungen, wie H2, CH4, C2H2 und so weiter, oder auch gasförmiger Elektrolytkomponenten, sollen aktiv gesammelt und danach entfernt werden. Die Veränderungen sollen die breite und sichere Einsetzbarkeit der Batteriesysteme für verschiedenste Anwendungen ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Sicherheits-Batteriesystem mit kontrollierter Entgasungsfunktion bei Zuständen einer möglichen Fehlfunktion wie zum Beispiel: Laden, Entladen, Alterung, Leckage bei einer thermischen- oder/und elektrischen- oder/und mechanischen Beanspruchung oder Unfall, umfassend mindestens eine Batteriezelle mit einer Entlüftungsmembran, und ein Sorptionselement zur Aufnahme der bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (bevorzugt) oder ein Indikator zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements umfasst ist.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines Sensors beziehungsweise Indikators zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen in Batteriesystemen, insbesondere auch von Sorptionselementen in dem erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystem.
Des Weiteren ist der Gegenstand der Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln und Haushaltsgeräten und in elektrochemischen Großspeicheranlagen. Der Begriff „Entgasung“ soll im Sinne der Erfindung auch umfassen, dass Gase, Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsdämpfe austreten. Bei Laden, Entladen, Alterung, Leckage bei einer thermischen- oder/und elektrischen- oder/und mechanischen Beanspruchung oder Unfall treten im häufigsten Fall allerdings gasförmige Verbindungen aus.
Es ist auch umfasst, dass eine Batteriezelle eine oder mehrere Entlüftungsmembranen haben kann. Die Entlüftungsmembranen kommen mit oder ohne Berstmembran aus, das heißt es kann eine ständige Entlüftung stattfinden. Die Position der Entlüftungsmembran ist beliebig. Um zu verdeutlichen: die Entlüftungsmembrane beinhalten eine oder mehrere Öffnungen, die mittels einer gasdurchlässigen Membran abgedeckt ist.
Falls notwendig, ist die Entlüftungsmembran so ausgebildet, dass eine Berstfunktion zur Verfügung gestellt wird.
Mit Hilfe des Sorptionselements werden gefährliche Gase oder Stoffe (beispielsweise CO2, H2, CO, CH4 etc. auch Feuchte oder Elektrolytdämpfe, aber auch flüssige austretende Bestandteile) gebunden und können sich nicht mehr unkontrolliert in dem Batteriesystem ausbreiten. Im Falle eines schädigenden Ereignisses kann durch Sorptionselemente das Schadensausmaß deutlich verringert oder sogar neutralisiert werden, wenn ein Sorptionselement die Gase hoher Temperatur oder hoher Reaktivität oder auch Elektrolytanteile dauerhaft aufnimmt. Ein Folgeschaden durch beispielsweise Entzündung der Gase und Propagierung im Falle eines Thermal Runaways durch das ganze Batteriesystem, welches zahlreiche Batteriezellen aufweisen kann, kann so verhindert werden beziehungsweise das Ausmaß minimiert werden.
Es gelingt mit der Erfindung auch, zu verhindern, dass eine langsame Leckage das Sorptionselement sättigt und diese Sättigung unerkannt bleibt. Denn die Erfindung ermöglicht mittels des erfindungsgemäßen Sensors beziehungsweise Indikators zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements eine Detektion des Sättigungszustands. Bei unerkannter Sättigung würde das Sorptionselement sonst wirkungslos und weitere Mengen des Gases würden sich im Batteriesystem verbreiten können beziehungsweise bei einem schwereren Unfall wäre eine kontrollierte Aufnahme durch das Sorptionselement nicht mehr möglich.
Um diese Gefahr zu umgehen, ist im Stand der Technik ein Wechsel des Sorptionselements in vorbestimmten, regelmäßigen Zeitintervallen oder eine Sättigung, je nachdem was früher auftritt, erforderlich. Einmal zur Inspektion ausgebaute Sorptionselemente können häufig nicht mehr verwendet werden. Dieser vorausschauende Wechsel wird durch die Erfindung obsolet und es müssen keine intakten Sorptionselemente mehr entsorgt werden. Vorteil ist somit, dass sich die Betriebskosten von Batteriesystemen, auch aufgrund der eingesparten Arbeitszeit, nennenswert verringern. Auch aus ökologischer Sicht ist es vorteilhaft, dass noch intakte Sorptionselemente nicht im Rahmen solch eines vorausschauenden Wechsels entsorgt werden müssen.
Mit Hilfe dieser Erfindung werden Gase wie zum Beispiel CO2, CO, CH4, C2H6, HF oder Elektrolytsalze, wie Lithiumhexafluorophosphat aus dem Elektrolyten, Dämpfe der Elektrolytbestandteile (wie Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Diethylcarbonat, Ethylpropionat), Säuren und andere gefährliche Medien durch das Sorptionselement aufgenommen.
Bei dem im Sorptionselement enthaltenen Material handelt sich um ein nicht reaktives Material, das aus unterschiedlichen Elementen und Zusammensetzungen bestehen kann und in unterschiedlicher Form eingebracht werden kann. In Frage kommen beispielsweise Granulat, Pellets, Pulver, ein Grünling, ein Pressling, Folie oder Membrane. Wichtig ist eine Kontaktherstellung mit möglichst großer Oberfläche zwischen dem Material des Sorptionselements und den vorbeiströmenden Stoffen. Die Form kann dabei beispielsweise rechteckig, kreisrund, oval, quadratisch, trapezförmig oder polygonförmig sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Entlüftungsmembran eine Entlüftungsöffnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein Widerstandssensor, ein optischer Sensor oder ein Gewichtssensor. Es ist dabei auch umfasst, dass im Falle mehrerer Sensoren, diese unterschiedliche Messmethoden verfolgen. Vorteil dieser Methoden ist eine gute und zuverlässige Eignung zur Anzeige der Sättigung des Sorptionselements. Bei einem Widerstandssensor wird der veränderte Widerstand des Sorptionselements bei Sättigung erfasst, bei einem optischen Sensor die Änderung der Extinktion beziehungsweise Lichtdurchlässigkeit und bei einem Gewichtssensor die Änderung des Gewichts des Sorptionselements. Die sensorische oder indikatorische Funktion kann auch auf weiteren physikalischen Prinzipien basieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Sensor beziehungsweise Indikator mit einer Batteriemanagement-Steuereinheit verbunden, die die Sättigung des Sorptionselements basierend auf den vom Sensor erfassten Daten ermitteln und ausgeben kann. Vorteilhaft kann so bei Überschreitung eines Sättigungsgrenzwerts durch den ermittelten Wert ein notwendiger Austausch des Sorptionselements angezeigt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sorptionselement ein nicht-hydrophiles Sorptionselement ist. Das bedeutet, das Material des Sorptionselements, das für die Absorption beziehungsweise Adsorption zuständig ist, ist nicht-hydrophil. Vorteil ist, dass es besonders gut geeignet ist für die Aufnahme solcher Verbindungen, die am häufigsten aus Batteriezellen austreten, wie beispielsweise H2, CH4, C2H6 oder organische Lösungsmittel. Besonders bevorzugt dient die Erfindung der kontrollierten Ad- beziehungsweise Absorption von gasförmigen Stoffen. In einer weiteren sekundären Ausführung weist das Sorptionselement eine Hybridzusammensetzung auf. Dabei können die die Anteile, die in der Material matrix sind, auch Feuchte aufnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entlüftungsmembran an der Oberseite der Batteriezelle angeordnet. Das entspricht einer Anordnung derart, dass die Entgasungsrichtung im Betrieb des Sicherheits-Batteriesystems bei dessen Anwendung (beispielsweise im PKW) nach oben weist.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Sicherheits-Batteriesystems ist an der Entlüftungsmembran ein Schutzraum zum Schutz vor eintretenden Verunreinigungen (wie beispielsweise Spritzwasser) in die Batteriezelle vorgesehen. Beispielsweise eine Batteriewanne bildet den Schutzraum. Vorteil ist, dass der Schutz der Batteriezellen vergrößert wird. Es wird mit dieser Ausführungsform aber auch möglich, die Entfernung von Sorptionselement und Batteriezell-Innerem zu vergrößern und so eine Abkühlung der austretenden Verbindungen zu ermöglichen, bevor sie vom Sorptionselement gebunden werden.
So ist weiter bevorzugt bei dieser Variante das Sorptionselement innerhalb des Schutzraums an dessen Ausgang (in Entgasungsrichtung betrachtet) angebracht. Vorteilhaft ist dabei der Abstand zwischen Batteriezell-Innerem und Sorptionselement maximal groß und die bei der Entgasung austretenden Verbindungen können so vor dem Binden im Sorptionselement größtmöglich abkühlen. Vorteil ist, dass dadurch das Sorptionselement geschont wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführung dieser oben genannten Variante hat der Schutzraum die Form eines Kanals und das Sorptionselement füllt den Kanal über den gesamten Querschnitt in Entlüftungsströmungsrichtung aus. Dies ist für eine kontrollierte Entgasung sehr nützlich, denn es kommt zu weniger Durchmischung der austretenden Verbindungen, beispielsweise als Gase. Es ist nämlich von Vorteil, die bei einem Batterieunfall häufig entstehenden verschiedenen Gase möglichst wenig miteinander zu vermischen, um Reaktionen zwischen ihnen zu verhindern.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführung dieser oben genannten Variante mit Schutzraum ist eine Matte von außen an der Entlüftungsmembran (das heißt zwischen Batteriezellgehäuse und Bodenöffnung des Schutzraumes) vorgesehen und das Sorptionselement ist in der Matte integriert. Vorteilhaft findet bei der Matte mit integriertem Sorptionselement gleichzeitig eine Abdichtung zwischen Batteriezellgehäuse und Schutzraum (beispielsweise als Batteriewanne ausgestaltet) statt. Schematisch ist dies auch in Fig. 4 erkennbar. Es ist leicht, das Sorptionselement, welches in der Matte integriert ist, auszutauschen. Dabei findet folglich gleichzeitig ein Tausch der Dichtung statt, was einer langen, sicheren Funktionsdauer von Batteriesystem zuträglich ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherheits- Batteriesystem sind mindestens zwei Sorptionselemente umfasst, die sich an unterschiedlichen Positionen zwischen Gruppen von Batteriezellen befinden. Solch eine Ausführung ist in Fig. 3 gezeigt. Vorteil dabei ist, dass nicht pro Batteriezelle ein Sorptionselement nötig ist, dass aber die Aufnahme der bei Entgasung entstehenden Verbindungen trotzdem ausreichend ist. Es werden Sorptionselemente eingespart. Sie können entsprechend verteilt platziert werden. Vorteilhaft ist sogar möglich, die Platzierung an Stellen zu wählen, an denen die Wahrscheinlichkeit einer Leckage am größten ist, beispielsweise durch Aufprall oder durch eine Hitzeeinwirkung etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Sorptionselement eine Form, ausgewählt aus Quaderform, Rechteckform und Zylinderform, und das Sorptionselement befindet sich in einem netzartigen Träger. Vorteil ist dabei, dass das Sorptionselement Halt erhält, das heißt ortsfest ist, ohne dass seine Oberfläche unnötig verdeckt und der Ad- beziehungsweise Absorption entzogen wird. Denn die aufnehmbare Menge an Verbindung(en) ist dadurch größer, als wenn Teile des Sorptionselements verdeckt würden.
In einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung hat das Sorptionselement eine flache Form und ist auf einer Membran (als netzartigem Träger) aufgebracht. Vorteilhaft kann damit ein durchströmter Querschnitt mit gleichverteiltem (weil gleich dickem) Sorptionselement so versehen werden, dass auch bei größerem Druck der entstehenden Verbindungen, das heißt großen Mengen, das Sorptionselement standhält und seine Form nicht verliert und auch nicht bricht, da es von der (in Strömungsrichtung) bevorzugt dahinter liegenden Membran gestützt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem im Sorptionselement enthaltenen Material um ein Material ausgewählt aus: physikalischen Adsorbentien, wie zum Beispiel: Zeolithe, Silika Materialien, MOF (metal organic framework), Aktivkohle, COF (Covalent organic framework), Kohlenstoffmolekularsiebe, Materialien auf Basis von Alkalimetallen/Metalloxiden, geordneter poröser Kohlenstoff, ACF (activated carbon fibres), Graphen, CMS (carbon molucular sieve) und deren Verbundwerkstoffe, chemische Adsorptionsmittel, wie Verbundadsorptionsmittel, hergestellt durch Imprägnierung mit K2CO3, binärem eutektischem Gemisch (KNO3 und UNO3), NaNOs, AI2O3, ZrÜ2, TiÜ2, MnÜ2, ZnO, ionische Flüssigkeit (IL), und wässriges Amin (das heißt, Tetraethylenpentamin (TEPA), Poly(allylamin) (PAA), Poly(ethylenimin) (PEI), Ethylendiamin (EDA), Diethylentriamin (DETA), Pentaethylenhexamin (PEHA), Aminopropyl (AP), Monoethanolamin (MEA), Lysin, Glycin, Prolin, Alanin, Arginin, Triethylentetramin (TETA) und 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP) etc.) in einer Träger- Adsorptionsmittel-Matrix.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Batteriesystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht;
Figur 2 ein Batteriesystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
Figur 3 ein Batteriesystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
Figur 4 ein Batteriesystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht; Figur 5a-d zweidimensionale Ansichten unterschiedliche Formen eines erfindungsgemäßen Sorptionselements;
Figur 6 und 6a ein Batteriesystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei unterschiedlichen Schnittansichten; und
Figur 7 eine Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Es ist zweckdienlich die genannten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.
Fig. 1 dient der Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Batteriesystems 10 mit zwei Batteriezellen 11 , die unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sind, wobei der Blick jeweils auf eine Polseite des Zellgehäuses 12 gerichtet ist. In der Darstellung lässt sich erkennen, dass jede Batteriezelle 11 eine Entlüftungsmembrane 13 hat, die in diesem Fall nach unten gerichtet sind, sodass sich die Gase, Dämpfe, Medien etc. in den Schutzraum 14 (Unterfahrschutzraum) ausbreiten können und danach zum Sorptionselement 15 (hier als Adsorbereinheit) gelangen, wo sie adsorbiert werden können. Das Sorptionselement 15 kann beliebig auf eine Position gebracht werden. In der Ausführungsform der Fig. 1 ist das Sorptionselement 15 Bestandteil des Ausgangs des Schutzraums 16 (das heißt der Hauptentlüftung) des Batteriesystems. Eine Matte 18 ist zwischen Zellgehäuse 12 beziehungsweise deren Entlüftungsmembranen 13 und der Bodenöffnung 19 an der Batteriewanne 20 abgebildet.
Fig. 2 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein komplettes Modul, das aus mehreren Gruppen von Batteriesystemen 21 zusammengebaut ist. Die Gruppen 21 bestehen aus jeweils zwölf Batteriezellen 11. In der Summe sind es 192 Batteriezellen, die in der Batteriewanne 20 verbaut sind. Die Entlüftungsmembranen 13 von Batteriezellen sind nach unten ausgerichtet, wie in Fig. 1 dargestellt. Auf der Seite des Batteriesystem 10 (siehe Pfeil) befindet sich als Ausgang des Schutzraums die Hauptentlüftung 16, die in dem Unterfahrschutzraum als Schutzraum 14 eine oder mehrere Sorptionselemente 15 beinhaltet. Der Schutzraum 14 kann konstruktiv unterschiedlich abgebildet werden und auf mehrere Gruppen verteilt werden. Dadurch kann das Sorptionselement 15 auf nicht nur eine zentrale Stelle, sondern auch auf beliebige Stellen eingebracht werden. Das Sorptionselement 15 besteht aus einer Materialmatrix, die, wenn das darin enthaltene Sorbentmaterial bei der Ad- oder Absorption in die Sättigung kommt, beispielsweise eine entsprechende Innenwiderstandveränderung anzeigt. Dabei wird ein Signal über eine Zuleitung (zwischen Sorptionselement und Batteriemanagement-Steuereinheit) 22 an die BMS (Batteriemanagement-Steuereinheit) weitergeleitet, welche anzeigt, dass die Sorptionselemente 15 gesättigt und auszutauschen sind.
Material matrix des Sorptionselements: hier handelt es sich um komplexe Materialmischungen, die von der Art der Zellenchemie (NMC, LFP etc.), Anwendung, Konstruktion etc. abhängig sind. Es ist davon auszugehen, dass sehr viele folgende Materialkombinationen (aus der Literatur bekannt) möglich sind: physikalische Adsorbentien, wie zum Beispiel: Zeolithe, Silika Materialien, MOF (metal organic framework), Aktivkohle, COF (Covalent organic framework) beziehungsweise Kohlenstoffmolekularsiebe, Materialien auf Basis von Alkalimetallen/Metalloxiden, geordneter poröser Kohlenstoff, ACF (activated carbon fibres), Graphen, CMS (carbon molucular sieve) und deren Verbundwerkstoffe etc. chemische Adsorptionsmittel: Verbundadsorptionsmittel, hergestellt durch Imprägnierung mit K2CO3, binärem eutektischem Gemisch (KNO3 und LiNO3), NaNO3, AI2O3, ZrO2, TiO2, MnO2, ZnO, ionische Flüssigkeit (IL), und wässriges Amin (das heißt., Tetraethylenpentamin (TEPA), Poly(allylamin) (PAA), Poly(ethylenimin) (PEI), Ethylendiamin (EDA), Diethylentriamin (DETA), Pentaethylenhexamin (PEHA), Aminopropyl (AP), Monoethanolamin (MEA), Lysin, Glycin, Prolin, Alanin, Arginin, Triethylentetramin (TETA) und 2-Amino-2-methyl-1-propanol (AMP) etc.) in die Träger- Adsorptionsmittel-Matrix etc.
Die Materialmatrix kann aus unterschiedlichen Bestandteilen beliebig kombiniert werden, das quasi ein Adsorber Compund darstellt.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung für den Fall, dass eine Leckage an einer beliebigen Zellenstelle entsteht und dass sich die Gase, Dämpfe etc. aus der Zelle im Batteriesystem zwischen der Batteriezelle 11 unkontrolliert ausbreiten und nicht den Weg nach unten in den Schutzraum 14 finden können. Dabei werden sie direkt nach außen abgeführt. Das heißt konstruktiv am Boden der Batteriewanne 20 sind keine Bodenöffnungen 19 vorhanden. Vielmehr ist dort der Schutzraum als Kanal 23 ausgebildet, wie in der Fig. 4 abgebildet. Der Kanalboden 24 stellt in diesem Fall eine Barriere dar und ermöglicht dadurch, dass die gefährlichen Gase, Dämpfe etc. dort bleiben und keinen unerwünschten Schaden im Fahrzeug oder bei Insassen oder auch der Umgebung verursachen können. In dieser Ausführungsform ist das Sorptionselement 15 an unterschiedlichen Positionen 15.1 zwischen Gruppen von Batteriezellen 21 eingebaut. Die Größe und Form der Sorptionselemente 15.1 kann beliebig ausgewählt werden. Sie bestehen aus den gleichen Materialien, wie in Ausführungsbeispiel 2. Fig. 5 zeigt unterschiedliche Formen (2D-Darstellung) des Sorptionselements 15, das mit einem Sorptionsmaterial/Sorptionsmittel (Pellets und/oder Pulver und/oder Granulate etc.) gefüllt ist. Das Sorptionselement kann aufweisen: Quaderform 15a, Rechteckform 15b, Zylinderform 15c oder eine Membranform 15.d. Bei Quader-, Rechteck- und Zylinderform ist das Sorptionsmaterial des Sorptionselements in einem netzartigen Träger 15.5 als Trägertasche (Container) enthalten, der aus einem durchlässigen Netz besteht. Bei der Ausführung d) in Fig. 5 handelt es sich um ein Sorptionselement 15 mit flacher Form, das auf einer Membran als netzartigen Träger 15.5 angebracht (beschichtet) ist. Wir gehen davon aus, dass weitere Designformen möglich sind.
Fig. 6 und 6a zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Sorptionselement 15 in der Matte 18 so integriert ist, dass es an den Entlüftungsmembranen 13 von der jeweiligen Zelle 11 der Gruppe von Batteriezellen 19 abgestimmt ist.
Fig. 6 zeigt dabei die Ebene der Matte, unterhalb der Gruppen von Batteriezellen.
Fig. 6a zeigt eine Ebene weiter oben die Unterseite der Gruppen von Batteriezellen mit den Entlüftungsmembranen 13. Fig. 6a visualisiert dabei schematisch, wie die Schnittstelle von Batteriezellgruppe 21 und deren Batteriezellen 11 zur Matte 18 aussieht. Die integrierten Sorptionselemente 15 haben in der gezeigten Ausführungsform eine rechteckige Grundform. Es kann jedoch alternativ auch eine beliebige andere Form aufweisen, insbesondere eine kreisrunde, ovale, quadratische, trapezförmige, polygonförmige oder sonstige Grundform.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Sensor oder einen Indikator 26, der in Verbindung mit dem Sorptionselement 15 steht und der dem Batteriemanagementsystem 25 die Sättigung des Sorptionselements 15 anzeigen und einen notwendigen Austausch signalisieren kann.
Bezugszeichenliste
10 Sicherheits-Batteriesystem
11 Batteriezelle
12 Batteriezellgehäuse
13 Entlüftungsmembran
14 Schutzraum
15 Sorptionselement
15.1 Sorptionselement an unterschiedlichen Positionen
15.5 Netzartiger Träger
15a Quaderform
15b Rechteckform
15c Zylinderform
15d Membranform
16 Ausgang des Schutzraums (Hauptentlüftung)
18 Matte
19 Bodenöffnung der Batteriewanne
20 Batteriewanne (besondere Ausführung des Schutzraums)
21 Gruppen von Batteriesystemen
22 Zuleitung zwischen Sorptionselement und Batteriemanagement-Steuereinheit
23 Schutzraum als Kanal ausgebildet
24 Kanalboden
25 Batteriemanagement-Steuereinheit
26 Sensor beziehungsweise Indikator

Claims

Patentansprüche Sicherheits-Batteriesystem (10) mit kontrollierter Entgasungsfunktion bei Alterung, Leckage oder Unfall, umfassend
• mindestens eine Batteriezelle (11) mit einer Entlüftungsmembran (13),
• ein Sorptionselement (15) zur Aufnahme von bei der Entgasung auftretenden chemischen Verbindungen, und
• einen Sensor oder einen Indikator (26) zur Überwachung der Sättigung des Sorptionselements (15). Sicherheits- Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ein Widerstandssensor, ein optischer Sensor, ein Gewichtssensor ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) ein nicht-hydrophiles Sorptionselement ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsmembran (13) an der Oberseite der Batteriezelle (11) angeordnet ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Entlüftungsmembran (13) ein Schutzraum (14) zum Schutz vor eintretenden Verunreinigungen in die Batteriezelle (11) vorgesehen ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) innerhalb des Schutzraums (14) an dessen Ausgang (16) angebracht ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzraum (14) die Form eines Kanals (23) hat und das Sorptionselement (15) den Kanal über den gesamten Querschnitt in Entlüftungsströmungsrichtung ausfüllt. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matte (18) von außen an der Entlüftungsmembran (13) der Batteriezelle zwischen Batteriezelle (11) und Schutzraum (14) vorgesehen ist und dass das Sorptionselement (15) in der Matte (18) integriert ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sorptionselemente (15) umfasst sind, die sich an unterschiedlichen Positionen (15.1) zwischen Gruppen von Batteriezellen (21) befinden. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) eine Form hat, ausgewählt aus Quaderform, Rechteckform und Zylinderform, und dass sich das Sorptionselement (15) in einem, beispielsweise netzartigen, Träger (15.5) befindet. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionselement (15) eine flache Form hat und auf einer Membran als netzartigem Träger (15.5) aufgebracht ist. Sicherheits- Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder Indikator (26) mit einer Batteriemanagement- Steuereinheit (25) verbunden ist, die die Sättigung des Sorptionselements (15) ermitteln und ausgeben kann. Verwendung eines Sensors oder eines Indikators (26) zur Sättigungsüberwachung von Sorptionselementen (15) in einem Batteriesystem (10). Verwendung eines Sicherheits-Batteriesystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in akkubetriebenen Fortbewegungsmitteln, Haushaltsgeräten oder elektrochemischen Großspeicheranlagen.
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