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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einer Elektrodenanordnung, die in einem Gehäuse angeordnet ist, sowie ein Batteriemodul und ein Fahrzeug mit einer derartigen Batteriezelle.
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EP 0 878 861 A1 zeigt die Verwendung von Monomeradditiven, beispielsweise Thiophen, zur Verwendung in einer Lithium-Ionen-Batterie. Bei einer Überspannung der Batterie beginnt sich an der Kathode eine Schicht des Additivs abzusetzen, dringt durch Polymerisierung durch den Separator und kontaktiert die Anode, wodurch ein interner Kurzschluss erzeugt wird.
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EP 2 219 424 A1 zeigt ein Material, welches in Abhängigkeit von der angelegten Spannung leitfähig oder nicht leitfähig ist, beispielsweise in einer Polymermatrix eingebundene Carbon-Nanoröhrchen. Dies kann für Batterien eingesetzt werden, wobei das Material als Spurenelement auf einer Oberfläche eines Substrats verwendet wird und gegenüber Spannungsschäden schützt.
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EP 0 240 063 A1 zeigt den Einsatz von 3-Decylthiophen als Polymerschicht auf einer Batterieelektrode.
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Lithium-Ionen-Batterie-Packs für automobile Anwendungen bestehen aus einer Vielzahl von Batteriezellen, welche entsprechend miteinander verbunden sind, um die gewünschte Leistung bereitzustellen. Während der Ladezyklen werden diese bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung geladen.
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Wird diese Spannungsgrenze, zum Beispiel durch Überladung oder einen Defekt in einer Batteriezelle überschritten, beginnen Zersetzungsprozesse und eine Gasbildung in der Zelle und es besteht die Gefahr des thermischen Durchgehens der Batteriezelle. Zusätzlich kann ein solches Ereignis auch auf benachbarte Batteriezellen übergreifen. Dadurch werden Mensch und Umwelt gefährdet.
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Daher besteht ein anhaltendes Interesse daran, einen effektiven Überladungsschutz für Batteriezellen bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einer Elektrodenanordnung vorgeschlagen, die in einem Zellgehäuse angeordnet ist, wobei die Batteriezelle ein selektiv elektrisch leitendes Material umfasst, das bei Überschreiten einer kritischen Grenzspannung in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht und derart angeordnet ist, dass in dem elektrisch leitenden Zustand eine positive Elektrode und eine negative Elektrode der Elektrodenanordnung kurzgeschlossen sind.
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Das selektiv elektrisch leitende Material bezeichnet hierbei ein Material, das abhängig von der angelegten Spannung sein Leitfähigkeitsverhalten verändert. Bevorzugt sind dabei solche selektiv elektrisch leitenden Materialien, die bei kritischen Grenzspannungen > 4,3 V, bevorzugt zwischen 4,3 V und 4,5 V in einen elektrisch leitenden Zustand übergehen. Die kritische Grenzspannung bezeichnet dabei die Spannung, ab der sich die Leitfähigkeit des selektiv elektrisch leitenden Materials verändert und insbesondere von einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand übergeht.
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Bevorzugt weist das selektiv elektrisch leitende Material unterhalb der kritischen Grenzspannung eine geringe Leitfähigkeit σ < 10–15 S/m (Siemens pro Meter), bevorzugt < 10–11 S/m und besonders bevorzugt < 10–8 S/m aufweist. Oberhalb der kritischen Grenzspannung kann das selektiv elektrisch leitende Material eine Leitfähigkeit σ > 10–8 S/m (Siemens pro Meter), bevorzugt > 10–3 S/m und besonders bevorzugt > 101 S/m aufweist.
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Die Elektrodenanordnung der erfindungsgemäßen Batteriezelle umfasst Elektrodenlagen, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Um eine elektrische Verbindung zu den Elektrodenlagen bereitzustellen, werden die positiven oder die negativen Elektrodenlagen über Kollektoren zu Anschlussdurchführungen geführt, die aus dem Gehäuse hinausragen.
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In einer Ausführungsform ist das selektiv elektrisch leitende Material unterhalb einer kritischen Grenzspannung nicht elektrisch leitend und die positive Elektrode ist von der negativen Elektrode isoliert. Damit wirkt das selektiv elektrisch leitende Material als Isolator und ein Potentialabfluss zwischen der positiven und der negativen Elektrode ist im Wesentlichen nicht möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält das selektiv elektrisch leitende Material ein selektiv elektrisch leitendes Polymer. Besonders bevorzugt besteht das selektiv elektrisch leitende Material aus einem selektiv elektrisch leitenden Polymer.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält das selektiv elektrisch leitende Material ein Polythiophene, insbesondere Poly(3-Decyl Thiophen).
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung einen Elektrodenwickel beziehungsweise eine gewickelten Elektrodenanordnung oder einen Elektrodenstapel beziehungsweise eine gestapelte Elektrodenanordnung mit positiven und negativen Elektrodenlagen. In Stapelkonfiguration sind die Elektrodenlagen mit dazwischen liegenden Separatorlagen gestapelt. Bei Wickelzellen, auch als Jelly-Rolls bezeichnet, sind die Elektrodenlagen mit dazwischen angeordneten Separatorlagen zu einem Wickel aufgerollt. Dabei sind die Elektrodenlagen und die Separatorlagen etwa aus einem flexiblen Material gefertigt, um den Wickel zu realisieren.
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Die positive Elektrodenlage und die negative Elektrodenlage können insbesondere eine leitende Folie oder eine leitende Platte umfassen, die mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Das Aktivmaterial, mit dem die Platten oder Folien beschichtet sind, stellt hierbei die entsprechenden Eigenschaften bereit, um die Elektrodenlagen als Akzeptor oder Donor eines bestimmten Ions auszugestalten. Folien können dabei eine Dicke von 75 µm bis 200 µm aufweisen, beispielsweise Cu-Folie (Kupfer-Folie) zwischen 7 µm und 15 µm oder Al-Folie (Aluminium-Folie) zwischen 10 µm und 20 µm. Diese eignen sich insbesondere für gewickelte Elektrodenanordnungen. Platten können eine Dicke von 75 µm bis 250 µm aufweisen und eignen sich insbesondere für gestapelte Elektrodenanordnungen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Batteriezelle als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgestaltet. Dabei ist das Aktivmaterial Akzeptor oder Donor für Lithium-Ionen. So stellt die beschichtete positive Elektrodenlage ein Medium bereit, in das positiv geladene Lithium-Ionen beim Entladen der Batterie eingelagert werden können.
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Die positive Elektrodenlage kann beispielsweise eine Aluminiumfolie umfassen, die mit einem Aktivmaterial, wie Lithium-Metall Oxiden, Vanadium Oxiden, Olivinen und wiederaufladbaren Lithium Oxiden, beschichtet ist. Derartige Beschichtungen enthalten zum Beispiel Übergangsmetalloxide (LiMO2, M=Co, Ni, Fe, Mn, Al), Lithium-Kobaltoxid (LiCo2O4), Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4) oder Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid oder Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid.
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Die negative Elektrodenlage stellt dagegen die positiv geladenen Lithium-Ionen bereit und kann beispielsweise Kupferfolie umfassen, die mit einem Aktivmaterial, wie Lithium, Graphit, Softcarbon, Hardcarbon, Silizium, Zinnlegierungen, Lithium legiertem Material oder Intermetallen beschichtet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umgibt das selektiv elektrisch leitende Material die Elektrodenanordnung, insbesondere einen Elektrodenwickel. Dabei kann das selektiv elektrisch leitende Material die Elektrodenanordnung derart umgeben, dass Enden des Elektrodenwickels einen Bereich bereitstellen, in dem die positiven und die negativen Elektrodenlagen jeweils durch einen Kollektor kontaktiert sind.
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In einer weiteren Ausführungsform verbindet das selektiv elektrisch leitende Material den Kollektor der negativen Elektrode mit dem Gehäuse, wobei der Kollektor der positiven Elektrode unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Damit liegt das Gehäuse auf dem Potential der positiven Elektrode und ist von der negativen Elektrode isoliert.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusedeckel mit Anschlussdurchführungen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode auf, der das selektiv elektrisch leitende Material umfasst. Bevorzugt ist der Gehäusedeckel aus dem selektiv elektrisch leitenden Material gefertigt. In dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig weitere Durchführungsisolationen zwischen dem Gehäusedeckel und den Anschlussdurchführungen vorzusehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das selektiv elektrisch leitende Material als Durchführungsisolation zwischen dem Gehäuse und einer Anschlussdurchführung einer positiven Elektrode und/oder einer negativen Elektrode vorgesehen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Kern der Elektrodenanordnung das selektiv elektrisch leitende Material, wobei der Kern zumindest teilweise mit Elektrodenlagen der Elektrodenanordnung verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Batteriemodul vorgeschlagen, das mindestens zwei der erfindungsgemäßen Batteriezellen umfasst. Die Batteriezellen können dabei in Serie oder parallel geschaltet sein. Weiterhin können mehrere Batteriezellen in einer Matrix verschaltet sein, wobei die Batteriezellen strangweise in Serie oder parallel geschaltet sind.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung mindestens einer erfindungsgemäßen Batteriezelle in einem Fahrzeug, insbesondere als Antriebsaggregat in einem Fahrzeug, sowie ein Fahrzeug, das mindestens eine erfindungsgemäße Batteriezelle insbesondere als Antriebsaggregat umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Verwendung eines selektiv elektrisch leitenden Materials kann ein effektiver Überladungsschutz für Batteriezellen bereitgestellt werden. So kann das selektiv elektrisch leitende Material im leitenden Zustand eine positive Elektrode und eine negative Elektrode kurzschließen. Durch die Anordnung des selektiv elektrisch leitfähigen Materials, kann sichergestellt werden, dass bei Überschreiten der kritischen Grenzspannung überschüssiges Potential abfließen kann. Somit wird eine Überladung der Batteriezelle verhindert und daraus folgende Zersetzungsprozesse, ein Temperaturanstieg und die Gasbildung in der Batteriezelle verhindert. Dazu eignen sich insbesondere Polymere als elektrisch leitendes Material, die in Abhängigkeit von der angelegten Spannung leitfähig oder nicht leitfähig sind und damit unterhalb der kritischen Grenzspannung Isolatoren beziehungsweise oberhalb der kritischen Grenzspannung Leiter darstellen. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Batteriezelle nicht geschädigt wird und reversibel in den Normalzustand zurückgeführt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle mit gewickelter Elektrodenanordnung, die von einem selektiv elektrisch leitenden Material umgeben ist,
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2 eine seitliche Schnittansicht einer Batteriezelle mit gewickelter Elektrodenanordnung, die von dem selektiv elektrisch leitenden Material umgeben ist,
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3 eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle, in der ein Gehäuse und eine Elektrode der Elektrodenanordnung durch das selektiv elektrisch leitende Material miteinander verbunden sind,
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4 eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle, in der ein Gehäusedeckel aus dem selektiv elektrisch leitenden Material gefertigt ist,
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5 eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle, in der eine Durchführungsisolation zwischen einem Gehäusedeckel und einer Anschlussdurchführung aus dem selektiv elektrisch leitenden Material gefertigt ist, und
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6 eine seitliche Schnittansicht einer Batteriezelle, in der ein Kern einer Elektrodenanordnung aus dem selektiv elektrisch leitenden Material gefertigt ist und mit den Elektroden verbunden ist.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei in Einzelfällen auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle 10 mit einer gewickelten Elektrodenanordnung 12, die von einem selektiv elektrisch leitenden Material 22 umgeben ist. 2 zeigt eine Schnittansicht der Batteriezelle 10 entlang des Schnitts A-A.
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Die Batteriezelle 10 umfasst ein Gehäuse 14, in dem eine Elektrodenanordnung 12 mit einer positiven Elektrode 17 und einer negativen Elektrode 18 aufgenommen ist. Die Elektrodenanordnung 12, die im Gehäuse 14 aufgenommen ist, umfasst eine negative Elektrodenlage und eine positive Elektrodenlage, zwischen denen eine Separatorlage eingebettet ist. Die Elektrodenanordnung 12 kann dabei gewickelt oder gestapelt sein.
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Das Gehäuse 14 ist als Hardcase in zylindrischer Form mit eckiger Grundfläche ausgeführt. Weiterhin ist das Gehäuse 14 mit einem Gehäusedeckel 16 verschlossen, der zur elektrischen Anbindung an die Elektrodenlagen der Elektrodenanordnung 12 Anschlussdurchführungen oder Terminals 21, 23 aufweist. Dazu sind Kollektoren 20, 25 jeweils mit einer positiven und einer negativen Elektrodenlage der Elektrodenanordnung 12 und den Anschlussdurchführungen 21, 23 elektrisch verbunden. Die negative Elektrode 18 weist zusätzlich eine Durchführungsisolation 24 auf, die die Anschlussdurchführung 21 vom Gehäusedeckel 16 isoliert. Der Gehäusedeckel 16 liegt damit auf dem Potential der positiven Elektrode 17.
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Weiterhin ist die Elektrodenanordnung 12 der 1 von einem selektiv elektrisch leitenden Material 22, insbesondere Poly(3-Decyl Thiophen) beispielsweise in Form einer Folie umgeben. Dabei ist die Folie aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 so ausgeführt, dass diese in direktem Kontakt zu den Kollektoren 20, 25 steht. Bevorzugt ist die Folie aus Poly(3-Decyl Thiophen) gefertigt. Die Folie erstreckt sich somit zwischen der negativen und der positiven Anschlussdurchführung 21, 23. Steigt die Spannungsdifferenz zwischen der negativen und der positiven Anschlussdurchführung 21, 23 über eine kritische Grenzspannung, wird die Folie aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 elektrisch leitend und das Potential kann über die beiden Pole fließen. So kann eine Überladung der Batteriezelle 10 verhindert werden und ein effektiver Überladungsschutz bereitgestellt werden. Fällt die Spannungsdifferenz wieder ab, zum Beispiel durch die Beendigung eines Ladevorganges, wird die Folie aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 wieder elektrisch nicht-leitend und die Batteriezelle 10 kann normal betrieben werden.
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3 zeigt eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle 10, in der das Gehäuse 14 und eine negative Elektrode 18 durch das selektiv elektrisch leitende Material 22 miteinander verbunden sind.
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Die in 3 dargestellte Batteriezelle 10 entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Batteriezelle 10. Im Unterschied zu 1 ist das selektiv elektrisch leitfähige Material 22, insbesondere Poly(3-Decyl Thiophen), in 3 zwischen dem Kollektor 20 und dem Gehäuse 14 angeordnet. Zusätzlich sieht der Kollektor 20, an dem das selektiv elektrisch leitfähige Material 22 angeordnet ist, eine Durchführungsisolation 24 im Bereich des Gehäusedeckels 16 vor. Damit liegt das Gehäuse 14 auf dem Potential der positiven Elektrode 17. Die negative Elektrode 18 ist über den Kollektor 20 mit der Anschlussdurchführung 21 verbunden und vom Gehäusedeckel 16 durch die Durchführungsisolation 24 isoliert. Übersteigt nun die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode 17, 18 die kritische Grenzspannung des selektiv elektrisch leitfähigen Materials 22, fließt das Potential über dieses ab. Fällt die Spannungsdifferenz wieder unter die kritische Grenzspannung des selektiv elektrisch leitenden Materials 22, wird das selektiv elektrisch leitende Material 22 elektrisch isolierenden und die Batteriezelle 10 kann normal betrieben werden.
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4 zeigt eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle 10, in der der Gehäusedeckel 16 aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 gefertigt ist.
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Die in 4 gezeigte Batteriezelle 10 entspricht im Wesentlichen den Batteriezellen 10 der 1 und 2. Im Unterschied zu den 1 und 2 umfasst die Batteriezelle 10 der 4 einen Gehäusedeckel 16, der aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 gefertigt ist. Übersteigt somit die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode 17, 18 die kritische Grenzspannung, wird das selektiv elektrisch leitende Material 22, insbesondere Poly(3-Decyl Thiophen), elektrisch leitend und das Potential kann zwischen der positiven und der negativen Elektrode 17, 18 abfließen. Fällt die Spannungsdifferenz wieder, zum Beispiel durch die Beendigung des Ladevorganges, wird das selektiv elektrisch leitfähige Material 22 wieder isolierend und die Batteriezelle 10 kann normal betrieben werden.
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5 zeigt eine frontale Schnittansicht einer Batteriezelle 10, in der die Durchführungsisolation 24 zwischen dem Gehäusedeckel 16 und der Anschlussdurchführung 21 aus dem selektiv elektrisch leitenden Material 22 gefertigt ist.
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Die Batteriezelle 10 der 5 entspricht im Wesentlichen den Batteriezellen 10 gezeigt in den 1, 3, 4. Im Unterschied zu den vorherigen Figuren ist die Durchführungsisolation 24 zwischen dem Gehäusedeckel 16 und den Anschlussdurchführungen 21, 23 aus dem selektiv elektrisch leitfähigen Material 22, insbesondere Poly(3-Decyl Thiophen), gefertigt. Steigt somit die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlussdurchführungen 21, 23 über eine kritische Grenzspannung, wird das selektiv elektrisch leitfähige Material 22 leitend und das Potential kann abfließen. Sinkt die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlussdurchführungen 21, 23 wieder unter die kritische Grenzspannung, so kann die Batteriezelle 10 wieder normal betrieben werden.
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6 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer Batteriezelle 10, in der der Kern 26 der Elektrodenanordnung 12 aus dem selektiv elektrisch leitfähigen Material 22 gefertigt ist und mit den Elektrodenlagen der Elektrodenanordnung 12 verbunden ist.
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Die Batteriezelle 10 der 6 entspricht im Wesentlichen der in den 1 und 2 gezeigten Batteriezelle 10. Im Unterschied zu der in den 1 und 2 gezeigten Batteriezelle 10 umfasst die Elektrodenanordnung 12 einen Kern 26, der aus dem selektiv elektrisch leitfähigen Material 22 gefertigt ist. Zusätzlich ist der Kern 26 über ein Kontaktierungselement 28, das ebenfalls aus dem selektiv elektrisch leitfähigen Material 22 gefertigt ist, mit positiven sowie negativen Elektrodenlagen der Elektrodenanordnung 12 verbunden. Liegt die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrodenlage unter der kritischen Grenzspannung des selektiv elektrisch leitenden Materials 22, sind der Kern 26 und das Kontaktierungselement 28 nicht-leitend und isolieren die positive von der negativen Elektrodenlage. Übersteigt dagegen die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrodenlage die kritische Grenzspannung des selektiv elektrisch leitenden Materials 22, so werden diese leitend und das Potential zwischen den Elektrodenlagen kann abfließen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele oder die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0878861 A1 [0002]
- EP 2219424 A1 [0003]
- EP 0240063 A1 [0004]
