Titel

Batteriezelle mit Isolationsschicht

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle mit einer elektrischen Isolationsschicht, auf eine Batterie sowie auf eine Verwendung der Batteriezelle und/oder der Batterie nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Eine Batterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der bei seiner Entladung die gespeicherte chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in elektrische Energie umwandelt. Es zeichnet sich ab, dass in der Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftan lagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei

Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Energiedichte werden insbesondere Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet.

Für eine optimale Leistungsbilanz und eine ausreichend hohe Lebensdauer derartiger Batteriesysteme ist es von Bedeutung, diese innerhalb eines optimalen Temperaturbereiches zu betreiben. Die Betriebstemperatur hat einen

wesentlichen Einfluss auf den Grad der Leistungsbereitstellung, das Ausmaß der Alterung, die erreichbare Lebensdauer und die Gewährleistung der

Betriebssicherheit eines Batteriesystems. Aus diesem Grund wird das Batteriesystem gezielt geheizt bzw. gekühlt. Standardmäßig werden dabei eines oder mehrere Batteriemodule in thermischem Kontakt mit einer sogenannten

Kühlplatte gebracht und durch direkte Wärmeleitung temperiert. Ein

Batteriemodul umfasst in der Regel mehrere Batteriezellen.

In der Druckschrift US 2013/0122331 ist ein Kühlsystem für eine Lithiumionenbatterie beschrieben. Das Kühlsystem umfasst einen geschlossenen abgedichteten Container, in welchen eine dielektrische Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet wird.

Die Druckschrift DE 10 2013 218 489 offenbart ein Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen, die von einem dielektrischen Kühlfluid umströmt werden.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein eine Batteriezelle mit einer elektrischen Isolationsschicht, eine Batterie sowie die Verwendung der Batteriezelle und/oder der Batterie mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt.

Erfindungsgemäß ist eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumionen- Batteriezelle, mit einem Zellgehäuse offenbart, wobei eine erste elektrische Isolationsschicht zumindest teilweise auf die Außenfläche des Zellgehäuses aufgebracht ist. Die elektrische Isolationsschicht schirmt die Batteriezelle vor Kühlmedien mit einem Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m (Ohm mal Meter), insbesondere einem Wasser-Glykol-Gemisch, zuverlässig ab, sodass die Batteriezelle direkt von dem Kühlmedium, insbesondere dem Wasser-Glykol- Gemisch, umströmt werden kann.

Vorteilhaft hierbei ist, dass eine Direktkühlung der Batteriezellen mit Kühlmedien mit einem Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m gewährleistet ist, und somit keine dielektrischen Kühlmedien verwendet werden müssen. Dadurch werden die

Nachteile dielektrischer Kühlmedien umgangen. Im Vergleich zu dielektrischen Kühlmedien sind die Viskosität und Oberflächenspannung von Kühlmedien mit einem Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m höher, sodass die Abdichtung der Batteriezellen gegenüber dem Kühlfluid einfacher ist und somit weniger

Dichtungsaufwand betrieben werden muss, was zudem Kosten, Bauteile und Arbeitszeit eingespart. Die elektrische Isolationsschicht ist besonders beständig gegenüber konventionell eingesetzten Kühlmedien mit einem Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, wie beispielsweise Wasser-Glykol-Gemischen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste elektrische

Isolationsschicht ein unverstärktes Polypropylen, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymer und/oder ein Polyethylenterephthalat.

Vorteilhaft hierbei ist, dass diese Materialien besonders beständig gegenüber Kühlmedien sind, insbesondere gegenüber Kühlmedien mit einem Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, und somit direkt mit diesen in Kontakt stehen können ohne beschädigt, porös und undicht zu werden.

Ein unverstärktes Polypropylen weist zudem unter anderem eine hohe Festigkeit auf, ist temperatur- und chemikalienbeständig und hat sehr gute elektrische

Isolationseigenschaften.

Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere weisen unter anderem eine hohe

Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber

Witterungseinflüssen auf.

Polyethylenterephthalate sind unter anderem sehr bruchfest und formbeständig.

In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Isolationsschicht

mehrschichtig aufgebaut. Vorteilhaft hierbei ist, dass somit ein nach Funktion getrennter Aufbau der elektrischen Isolationsschicht möglich ist, wobei jede

Schicht verschiedene vorteilhafte Eigenschaften aufweist. ln einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine zweite Isolationsschicht auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses und der ersten

Isolationsschicht angeordnet ist und Aluminium umfasst.

Vorteilhaft hierbei ist, dass die zweite Isolationsschicht aus Aluminium die Dichtheit hinsichtlich Dampf und Fluid zuverlässig sicherstellt und somit ein besonders dichter und sicherer Aufbau der elektrischen Isolationsschicht, umfassend die erste und die zweite Isolationsschicht, gewährleistet ist. Zudem hat Aluminium ein geringes Gewicht und ist einfach zu bearbeiten.

In einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine dritte Isolationsschicht auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses und der zweiten Isolationsschicht angeordnet ist und ein Polypropylen, ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer, ein Polyethylenterephthalat und/oder ein Polyamid umfasst.

Vorteilhaft hierbei ist dass die dritte Isolationsschicht die zweite Isolationsschicht aus Aluminium vor Einflüssen aus der Umgebung schützt und abdeckt, wie beispielsweise mechanische Einwirkungen und dadurch verursachte Schäden, Kontakt mit Sauerstoff und dadurch verursachte Korrosionsvorgänge. Des Weiteren werden durch die zweite Isolationsschickt elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen externen Bauteilen und der Aluminiumfolie verhindert.

In einer Ausführungsform weist die Batteriezelle eine vierte Isolationsschicht auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses und einer der Isolationsschichten angeordnet ist und ein Glasfaservlies und/oder ein Kohlefasernetz umfasst.

Vorteilhaft hierbei ist, dass die mechanischen Eigenschaften der Isolationsschicht weiter verbessert werden.

Ein Glasfaserflies ist sehr robust und reißfest, sodass der Isolationsschicht eine hohe Stabilität verliehen wird.

Ein Kohlefasernetz weist ein niedriges Gewicht auf, verleiht der Isolationsschicht eine hohe Festigkeit sowie eine gute Dämpfung gegenüber Bewegungen und ist gleichzeitig elastisch.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Isolationsschicht einstückig gefertigt, insbesondere durch Tiefziehen, Thermoformen, Spritzguss und/oder Laminieren. Vorteilhaft bei einer einstückigen Isolationsschicht ist, dass es im Bereich des Kontakts mit dem Kühlmedium keine Stoßstellen gibt und somit die Dichtigkeit der elektrischen Isolationsschicht gewährleistet ist.

Desweiteren kann die Isolationsschicht in einer Ausführungsform auf die Batteriezelle aufgeklebt oder aufgeschrumpft sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Isolationsschicht eine Dicke von 0,05-0,5 mm auf. Vorteilhaft bei dieser Dicke ist, dass die elektrische Isolationsschicht optimal abdichtet und isoliert, gleichzeitig aber ein geringes Gewicht aufweist und nur wenig Platz einnimmt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Isolationsschicht auf einer Bodenwand des Zellgehäuses und/oder auf zumindest einer Seitenwand des Zellgehäuses und/oder zumindest teilweise auf einer Deckplatte des Zellgehäuses aufgebracht.

Vorteilhaft hierbei ist, dass die Bodenwand des Zellgehäuses und/oder zumindest die eine Seitenwand des Zellgehäuses und/oder zumindest teilweise die Deckplatte des Zellgehäuses vor Kühlmedien, insbesondere mit einem Widerstand kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, elektrisch isoliert sind. Hierdurch kann die Batteriezelle sicher und gefahrenfrei betrieben werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Zellgehäuse die

Deckplatte und einen Zellcontainer auf, welcher die Bodenwand und die zumindest eine Seitenwand umfasst. Der Zellcontainer weist eine Öffnung auf, welche durch die Deckpatte verschließbar ist und die Deckplatte weist umlaufend größere Abmessungen auf als der Rand der Seitenwände, welcher die Öffnung des Zellcontainers begrenzt. Die elektrische Isolationsschicht ist auf der Bodenwand und der zumindest einen Seitenwand des Zellgehäuses sowie auf den in Richtung des Zellcontainers weisenden über den Rand der zumindest einen Seitenwand überstehenden Teil der Deckplatte aufgebracht.

Vorteilhaft bei einer Deckplatte, welche umlaufend größere Abmessungen als der Rand der Seitenwände, welcher die Öffnung des Zellcontainers begrenzt, aufweist ist, dass die Isolationsschicht auch auf den in Richtung des Zellcontainers weisenden, über den Rand der zumindest einen Seitenwand überstehenden Teil der Deckplatte aufgebracht werden kann. Somit ist die Dichtigkeit der Batteriezelle gewährleistet und die Gefahr, dass Kühlmedium an der Verbindungsstelle zwischen dem Zellcontainer und der Deckplatte in die Batteriezelle eindringen kann wird verhindert.

Es ist außerdem von Vorteil, wenn die elektrische Isolationsschicht auf der Bodenwand und der zumindest einen Seitenwand des Zellgehäuses sowie auf den in Richtung des Zellcontainers weisenden über den Rand der zumindest einen Seitenwand

überstehenden Teil der Deckplatte aufgebracht ist, da somit alle Außenflächen der Batteriezelle, welche mit dem Kühlmedium mit insbesondere einen Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, in Berührung kommen bzw. kommen könnten von diesem durch die elektrische Isolationsschicht zuverlässig abgeschirmt sind. Die Batteriezelle ist hierdurch dicht und kann sicher und gefahrenfrei betrieben werden.

Zudem ist eine Batterie mit einem Batteriegehäuse offenbart, umfassend zumindest zwei erfindungsgemäße Batteriezellen wobei die Batteriezellen derart in der Batterie angeordnet sind, dass die elektrische Isolationsschicht auf allen in das

Batteriegehäuse hineinragenden Außenflächen des Zellgehäuses aufgebracht ist. Außenflächen des Zellgehäuses, auf weiche keine elektrische Isolationsschicht aufgebracht ist, insbesondere die von der Batteriezelle weg weisende Oberfläche der Deckplatte des Zellgehäuses, ragen aus dem Batteriegehäuse heraus. In das Innere des Batteriegehäuses ist ein Kühlmedium mit einem Widerstand kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch einbringbar, sodass die Batteriezellen von diesem umströmt werden.

Vorteilhaft hierbei ist, dass alle Außenflächen der Batteriezellen der Batterie, welche mit dem Kühlmedium mit insbesondere einen Widerstand von kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, in Berührung kommen bzw. kommen könnten von diesem durch die elektrische

Isolationsschicht zuverlässig abgeschirmt sind. Die Batterie kann hierdurch sicher und gefahrenfrei betrieben werden.

Die elektrische Isolationsschicht der Batteriezellen kann beispielsweise auch als Abdichtung zwischen dem Inneren und der Umgebung des Batteriegehäuses dienen. Hierzu stehen die elektrische Isolationsschicht auf der Unterseite der Deckplatte, insbesondere des überstehenden Teils der Deckplatte und ein Isolationsbauteil des Batteriegehäuses, in welches die Batteriezelle/n eingebracht sind, in direktem Kontakt miteinander. Desweiteren ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle bzw. Batterie in einem Elektrofahrzeug, in einem Hybridfahrzeug oder in einem Plug-In- Hybridfahrzeug Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Alternativ findet die Batterie beispielsweise Anwendung in Schiffen, Zweirädern, Flugzeugen, stationären

Energiespeichern, Elektrowerkzeugen, Unterhaltungselektronik, Smartphones und/oder Haushaltsgeräten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht in einem

Schnitt durch eine erfindungsgemäße Batteriezelle mit einer elektrischen Isolationsschicht,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer frontalen Draufsicht auf die

Bodenwand der erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß Figur 1 mit einer elektrischen Isolationsschicht,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer frontalen Draufsicht auf die

Deckplatte der erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Batteriezelle 10. Die Batteriezelle 10 weist ein Zellgehäuse 1 auf, in welchem die, in Figur 1 nicht dargestellten, Batteriezellkomponenten aufgenommen sind. Das Zellgehäuse 1 umfasst beispielsweise Aluminium, Stahl und/oder einen Kunststoff.

Das Zellgehäuse 1 umfasst einen Zellcontainer 3 und eine Deckplatte 5. Die Deckplatte 5 weist ein positives Terminal 7a und ein negatives Terminal 7b auf. Der Zellcontainer 3 umfasst eine Bodenwand 3a und vier Seitenwände 3b, von welchen in der Schnittansicht in Figur 1 zwei Seitenwände 3b sichtbar sind. Alternativ umfasst der Zellcontainer 3 beispielsweise nur eine Seitenwand 3b, insbesondere bei runden Batteriezellen. Der Zellcontainer 3 weist eine Öffnung auf, welche durch die Deckpatte 5 verschließbar ist. Die Deckplatte 5 weist umlaufend größere Abmessungen auf als der Rand der Seitenwände 3b, welcher die Öffnung des Zellcontainers 3 begrenzt. Auf die Bodenwand 3a und die Seitenwände 3b des Zellcontainers 3 sowie auf den in Richtung des Zellcontainers 3 weisenden, über den Rand der Seitenwände 3b überstehenden Teil 5a der Deckplatte 5 ist eine elektrische Isolationsschicht 9 aufgebracht. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform steht die Deckplatte 5 nicht über die Seitenwände 3b des Zellcontainers 3 hinaus.

Die elektrische Isolationsschicht 9 schirmt die Batteriezelle 10 vor Kühlmedien insbesondere mit einem Widerstand kleiner als 10 ¹⁰ 0*m, wie beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, ab. Die Batteriezelle 10 kann direkt von dem Kühlmedium umströmt werden.

Die elektrische Isolationsschicht 9 umfasst beispielsweise eine erste elektrische Isolationsschicht 9a umfassend ein unverstärktes Polypropylen, ein Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymer und/oder ein Polyethylenterephthalat.

Die elektrische Isolationsschicht 9 ist beispielsweise mehrschichtig aufgebaut. Hierbei weist die Batteriezelle 10 beispielsweise zudem eine zweite

Isolationsschicht 9b auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses 1 und der ersten Isolationsschicht 9a angeordnet ist und Aluminium umfasst.

Desweiteren weist die Batteriezelle 10 beispielsweise eine dritte Isolationsschicht 9c auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses 1 und der zweiten Isolationsschicht 9b angeordnet ist und ein Polypropylen, ein Acrylnitril-Butadien- Styrol-Copolymer, ein Polyethylenterephthalat und/oder ein Polyamid umfasst. Die Batteriezelle 10 weist außerdem beispielsweise eine vierte Isolationsschicht 9d auf, welche zwischen der Außenfläche des Zellgehäuses 1 und einer der ersten, zweiten oder dritten Isolationsschichten 9a, 9b, 9c angeordnet ist und ein Glasfaservlies und/oder ein Kohlefasernetz umfasst. Die verschiedenen

Isolationsschichten 9a, 9b, 9c, 9d sind in Figur 1 nicht separat voneinander, sondern als eine einzige Schicht dargestellt.

Die elektrische Isolationsschicht 9 ist beispielsweise einstückig gefertigt insbesondere durch Tiefziehen, Thermoformen, Spritzguss und/oder Laminieren. Die elektrische Isolationsschicht 9 weist beispielsweise eine Dicke von 0,05-0,5 mm auf.

Figur 2 zeigt die Batteriezelle 10 gemäß Figur 1 in einer Draufsicht auf die Bodenwand 3a, auf weiche die elektrische Isolationsschicht 9 aufgebracht ist. Es ist auch der in Richtung des Zellcontainers 3 weisende, über den Rand der Seitenwände 3b überstehenden Teil 5a der Deckplatte 5 sichtbar, auf weichen ebenfalls die elektrische Isolationsschicht 9 aufgebracht ist.

Figur 3 zeigt die Batteriezelle 10 gemäß Figur 1 in einer Draufsicht auf die Oberseite der Deckpatte 5. Die Deckplatte 5 weist ein positives Terminal 7a und ein negatives Terminal 7b auf, welche als Stromabgriff fungieren. Durch die Deckplatte 5 wird die Öffnung des Zellcontainers 3 verschlossen. Der Rand der Seitenwände 3b des sich unter der Deckplatte 5 befindlichen Zellcontainers 3 ist durch die gestrichelte Linie 11 angedeutet. Die Deckplatte 5 weist umlaufend größere Abmessungen auf als der Rand der Seitenwände 3b. Dieser über den Rand der Seitenwände 3b des Zellcontainers 3 überstehende Teil 5a der Deckplatte 5 ist in Figur 3 sichtbar. Auf die Oberseite der Deckplatte 5 ist keine elektrische Isolationsschicht 9 aufgebracht. In einer alternativen Ausführungsform ist die elektrische Isolationsschicht 9 auch auf die Oberseite der Deckplatte 5 aufgebracht.