Titel

Batteriezelle

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle, welche ein negatives Terminal, ein positives Terminal, eine in einem Zellgehäuse angeordnete Elektrodeneinheit, welche eine mit dem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit dem positiven Terminal verbundene Kathode aufweist, und eine

Schnellentladevorrichtung umfasst.

Stand der Technik Elektrische Energie ist mittels Batterien speicherbar. Batterien wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie um. Hierbei werden

Primärbatterien und Sekundärbatterien unterschieden. Primärbatterien sind nur einmal funktionsfähig, während Sekundärbatterien, die auch als Akkumulator bezeichnet werden, wieder aufladbar sind. In einem Akkumulator finden insbesondere sogenannte Lithium-Ionen-Batteriezellen Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.

Lithium-Ionen-Batteriezellen weisen eine positive Elektrode, die auch als Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, auf. Die beiden Elektroden der Elektrodeneinheit sind elektrisch mit Polen der Batteriezelle verbunden, welche auch als Terminals bezeichnet werden. Über die Terminals kann eine von der Batteriezelle zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Ferner kann die Batteriezelle über die Terminals auch geladen werden.

Im Falle eines Fehlers in der Batteriezelle, beispielsweise eines internen Kurzschlusses zwischen der Anode und der Kathode, kann es erforderlich sein, die Batteriezelle zu entladen um kritische Zustände, welche zu einer Überhitzung und Explosion der Batteriezelle führen könnten, zu vermeiden. Hierzu sind Schnellentladevorrichtungen bekannt. Eine solche Schnellentladevorrichtung ist ein Überbrückungselement, welches mit den Terminals der Batteriezelle verbunden ist. Im normalen Betrieb ist die Schnellentladevorrichtung offen und isoliert die Terminals der Batteriezelle elektrisch voneinander. Im Falle eines Fehlers wird die Schnellentladevorrichtung aktiviert und verbindet dann die Terminals der Batteriezelle elektrisch miteinander. Daraufhin fließt ein

Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung und die Batteriezelle wird entladen.

Das Dokument DE 10 2012 005 979 B4 offenbart ein elektrisches

Überbrückungselement zur Überbrückung einer Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers. Das Überbrückungselement umfasst dabei zwei elektrische Stromleitschienen und eine dazwischen angeordnete Schichtfolge. Die

Schichtfolge weist zwei Lotschichten auf, die an je eine der Stromleitschienen angrenzen, zwei Isolationsschichten, die zwischen den Lotschichten angeordnet sind, und einen reaktiven Schichtstapel, der zwischen den Isolationsschichten angeordnet ist. Wenn der reaktive Schichtstapel aktiviert wird, so findet eine exotherme Reaktion statt und die Isolationsschichten werden zersetzt. Dadurch gelangen die elektrisch leitfähigen Lotschichten in Kontakt miteinander und somit werden die Stromleitschienen elektrisch miteinander verbunden.

Aus dem Dokument DE 101 34 145 AI ist ein feuerhemmendes Batteriegehäuse bekannt. Eine Wandung des Batteriegehäuses enthält ein thermisch aktives Material. Bei einer Temperaturerhöhung erfährt das thermisch aktive Material bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen Phasenwechsel, wodurch

Wärmeenergie verbraucht wird. Dadurch wird ein weiterer Temperaturanstieg verzögert.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Batteriezelle vorgeschlagen, welche ein negatives Terminal und ein positives Terminal umfasst. Die Batteriezelle umfasst ferner ein Zellgehäuse, eine in dem Zellgehäuse angeordnete Elektrodeneinheit und eine

Schnellentladevorrichtung. Die Elektrodeneinheit weist eine mit dem negativen Terminal verbundene Anode und eine mit dem positiven Terminal verbundene Kathode auf. In einem passiven Zustand ist die Schnellentladevorrichtung ausgeschaltet und das erste Terminal ist elektrisch von dem zweiten Terminal isoliert.

Erfindungsgemäß umfasst das Zellgehäuse eine erste elektrisch leitfähige Gehäusewand und eine zweite elektrisch leitfähige Gehäusewand, wobei die erste Gehäusewand elektrisch mit dem negativen Terminal verbunden ist, und die zweite Gehäusewand elektrisch mit dem positiven Terminal verbunden ist. Die Schnellentladevorrichtung ist durch die Gehäusewände und eine zwischen den Gehäusewänden vorgesehene Trennschicht gebildet, wobei die

Trennschicht ein Phasenwechselmaterial aufweist, welches derart beschaffen ist, dass durch eine Erwärmung des Phasenwechselmaterials über eine

Grenztemperatur ein spezifischer Widerstand des Phasenwechselmaterials sprunghaft sinkt.

Bei einer Temperatur von beispielsweise 25°C ist der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials verhältnismäßig hoch, beispielsweise 1000 Qcm, und das Phasenwechselmaterial ist in einem passiven Zustand. Auch die

Schnellentladevorrichtung ist in dem passiven Zustand. Die

Schnellentladevorrichtung ist dabei ausgeschaltet und die Terminals sind voneinander elektrisch isoliert. Im Fall eines internen Kurzschlusses in der Elektrodeneinheit erfolgt eine Erwärmung der Batteriezelle und damit auch des Phasenwechselmaterials über die Grenztemperatur von beispielsweise 175°C hinaus.

Dabei sinkt der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials sprunghaft, beispielsweise auf 0,001 Qcm, und das Phasenwechselmaterial gelangt in einen aktiven Zustand. Auch die Schnellentladevorrichtung gelangt in einen aktiven Zustand. Die Schnellentladevorrichtung ist dann eingeschaltet und die Terminals sind über die Gehäusewände und die Trennschicht elektrisch miteinander verbunden. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung und die Batteriezelle wird entladen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das

Phasenwechselmaterial in dem passiven Zustand eine amorphe Struktur und einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand auf. Das

Phasenwechselmaterial weist in dem aktiven Zustand eine kristalline Struktur und einen verhältnismäßig geringen spezifischen Widerstand auf.

Der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials ist im passiven Zustand beispielsweise 10 ⁶ mal so hoch wie im aktiven Zustand. Ein typisches Verhalten von Phasenwechselmaterialien ist beispielsweise in "Phase-Change- Materials: Disorder can be good" von Michael Schreiber, Nature Materials 10, 170-171 (2011) beschrieben. Unter einem sprunghaften Sinken des spezifischen Widerstands ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials im passiven Zustand mindestens 10 ³ mal so hoch ist wie im aktiven Zustand.

Derartige Phasenwechselmaterialien sind beispielsweise Chalcogenide, welche als Phase-Change-Memory bei der Herstellung von CDs verwendet werden. Auch aus der Druckschrift DE 603 19 424 T2 sind Phasenwechselmaterialien sowie deren Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf Änderung des elektrischen Widerstands, bekannt. Der Artikel "Phase Change Memory" von Matthew J. Breitwisch, 2008 I EEE offenbart die Verwendung von GST

(Ge2Sb2Te5) als Phasenwechselmaterial in Speicherzellen.

Vorzugsweise ist der Wechsel des Phasenwechselmaterials von der amorphen Struktur zu der kristallinen Struktur irreversibel. Nachdem durch das

Phasenwechselmaterial also einmal eine elektrische Verbindung zwischen den Terminals hergestellt ist, bleibt diese Verbindung auch dauerhaft bestehen, auch wenn die Temperatur wieder sinkt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das

Phasenwechselmaterial Germaniumtellurid (GeTe) auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Phasenwechselmaterial Antimontellurid (Sb2Te3) auf.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Phasenwechselmaterial GST (Ge2Sb2Tes) auf. Bevorzugt sind die Gehäusewände dabei konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Trennschicht zwischen den Gehäusewänden angeordnet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf einer der

Trennschicht abgewandten Fläche der ersten Gehäusewand eine erste

Isolationsschicht aufgebracht. Die erste Isolationsschicht besteht beispielsweise aus einem Kunststoff.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf einer der

Trennschicht abgewandten Fläche der zweiten Gehäusewand eine zweite Isolationsschicht aufgebracht. Die zweite Isolationsschicht besteht beispielsweise aus einem Kunststoff.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennschicht in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet.

Vorzugsweise umgibt die Trennschicht dabei die in dem Zellgehäuse

angeordnete Elektrodeneinheit zumindest teilweise.

Eine erfindungsgemäße Batteriezelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV), oder in einem Consumer-Elektronik-Produkt. Unter Consumer-Elektronik-Produkten sind insbesondere Mobiltelefone, Tablet-PCs oder Notebooks zu verstehen. Auch weitere Anwendungen für eine

erfindungsgemäße Batteriezelle sind denkbar.

Vorteile der Erfindung

Im Falle eines internen Kurzschlusses wird das Phasenwechselmaterial in der Nähe des Kurzschlusses lokal erwärmt und kristallisiert dadurch. Der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials sinkt dabei signifikant und die

Trennschicht wird lokal niederohmig. Durch die niederohmige Trennschicht fließt ein Entladestrom. Durch den Entladestrom wird Wärmeenergie frei, wodurch angrenzende Bereiche des Phasenwechselmaterials kristallisieren. In der Folge wird die komplette Trennschicht leitfähig. Es entsteht ein großflächiger, niederohmiger, selbsthaltender Kurzschluss. Die Batteriezelle wird hierdurch kontrolliert entladen. Auch nach Abkühlen der Batteriezelle bleibt das

Phasenwechselmaterial kristallin und schließt die defekte Batteriezelle zuverlässig kurz. Die Kaskade der übrigen seriell verschalteten Batteriezellen in einem Batteriemodul kann somit nach Ausfall der defekten Batteriezelle weiter genutzt werden. Das Phasenwechselmaterial kann im passiven, hochohmigen Zustand Leckströme, welche zur Selbstentladung der Batteriezelle führen, gering halten und im aktiven, niederohmigen Zustand einen hohen Entladestrom tragen. Eine durch den Entladestrom verursachte Verlustleistung verteilt sich annähernd gleichmäßig über das ganze Zellgehäuse und kann somit verhältnismäßig gut abgeführt werden. Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Batteriezelle ist verhältnismäßig kostengünstig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren

Batteriezellen,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle, Figur 3 einen Schnitt durch ein Zellgehäuse und

Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls mit mehreren

Batteriezellen aus Figur 2.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 mit mehreren Batteriezellen 2. Die Batteriezellen 2 sind dabei seriell verschaltet. Jede

Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit 10, welche jeweils eine Anode 11 und eine Kathode 12 aufweist. Die Anode 11 der Elektrodeneinheit 10 ist dabei mit einem negativen Terminal 15 verbunden. Die Kathode 12 der

Elektrodeneinheit 10 ist mit einem positiven Terminal 16 verbunden. Zur seriellen Verschaltung des Batteriemoduls 5 ist jeweils das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 elektrisch verbunden.

Jede Batteriezelle 2 weist ferner eine Schnellentladevorrichtung 20 auf. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist mit dem negativen Terminal 15 sowie mit dem positiven Terminal 16 der Batteriezelle 2 elektrisch verbunden. Die

Schnellentladevorrichtung 20 ist in der hier gezeigten Darstellung ausgeschaltet, also in einem passiven Zustand. Das bedeutet, das negative Terminal 15 und das positive Terminal 16 der Batteriezelle 2 sind durch die

Schnellentladevorrichtung 20 nicht elektrisch miteinander verbunden.

Im Fall eines Fehlers in der Batteriezelle 2 kann die Schnellentladevorrichtung 20 aktiviert werden. Nach der Aktivierung befindet sich die

Schnellentladevorrichtung 20 in einem aktiven Zustand, in welchem die

Schnellentladevorrichtung 20 einen Kurzschluss zwischen dem negativen Terminal 15 und dem positiven Terminal 16 bildet. Daraufhin fließt ein

Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung 20 und die Batteriezelle 2 wird dadurch entladen.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Batteriezelle 2. Die

Batteriezelle 2 weist ein Zellgehäuse 3 auf, in dem die Elektrodeneinheit 10 angeordnet ist. Das Zellgehäuse 3 ist vorliegend prismatisch und annähernd quaderförmig ausgeführt. Auch andere geometrische Ausführungen des

Zellgehäuses 3 sind denkbar. Das Zellgehäuse 3 umfasst einen Zellkörper 46, der auf einer Seite von einem Zelldeckel 45 verschlossen ist. Das negative Terminal 15 und das positive Terminal 16 ragen beabstandet voneinander durch den Zelldeckel 45 aus dem Zellgehäuse 3 heraus. Auf einer dem Zelldeckel 45 gegenüberliegenden Seite ist der Zellkörper 46 von einem Zellboden

verschlossen.

Der Zellkörper 46 des Zellgehäuses 3 umfasst eine erste elektrisch leitfähige Gehäusewand 21 und eine zweite elektrisch leitfähige Gehäusewand 22. Die erste Gehäusewand 21 ist mittels eines negativen Kontaktelements 41 elektrisch mit dem negativen Terminal 15 verbunden. Die zweite Gehäusewand 22 ist mittels eines positiven Kontaktelements 42 elektrisch mit dem positiven Terminal 16 verbunden.

Die Gehäusewände 21, 22 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei vorliegend die erste Gehäusewand 21 weiter außen liegt und somit die weiter innen liegende zweite Gehäusewand 22 umgibt. Das negative Kontaktelement 41 ist vorliegend einteilig mit der ersten Gehäusewand 21 ausgebildet, und das positive Kontaktelement 42 ist vorliegend einteilig mit der zweiten Gehäusewand 22 ausgebildet.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch das in Figur 2 dargestellte Zellgehäuse 3 entlang einer Schnittlinie A - A zwischen den Terminals 15, 16 durch den Zellkörper 46 des Zellgehäuses 3. Die Elektrodeneinheit 10 ist innerhalb des Zellengehäuses 3 angeordnet.

Zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Gehäusewand 21 und der zweiten elektrisch leitfähigen Gehäusewand 22 ist eine Trennschicht 35 angeordnet. Auf einer der Trennschicht 35 abgewandten Fläche der ersten Gehäusewand 21 ist eine erste Isolationsschicht 23 aufgebracht. Auf einer der Trennschicht 35 abgewandten Fläche der zweiten Gehäusewand 22 ist eine zweite

Isolationsschicht 24 aufgebracht.

Die erste Isolationsschicht 23 dient zur elektrischen Isolation der ersten

Gehäusewand 21 gegen das Zellgehäuse 3 einer benachbart angeordneten Batteriezelle 2. Die zweite Isolationsschicht 24 dient zur elektrischen Isolation der zweiten Gehäusewand 22 gegen die Elektrodeneinheit 10, welche im Inneren des Zellgehäuses 3 angeordnet ist.

Die zwischen den Gehäusewänden 21, 22 angeordnete Trennschicht 35 ist somit konzentrisch zu den Gehäusewänden 21, 22 angeordnet. Insbesondere ist die Trennschicht 35 in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet. Die Trennschicht 35 weist also eine Grundfläche sowie einen äußeren Mantel und einen inneren Mantel auf. Der äußere Mantel der Trennschicht 35 liegt an der ersten

Gehäusewand 21 an und der innere Mantel der Trennschicht 35 liegt an der zweiten Gehäusewand 22 an. Die Grundfläche der Trennschicht 35 ist vorliegend nicht kreisförmig und die Trennschicht ist somit nicht kreiszylindrisch

ausgestaltet. Die Trennschicht 35 umgibt die Elektrodeneinheit 10, welche in dem Zellgehäuse 3 angeordnet ist.

Die zwischen den Gehäusewänden 21, 22 angeordnete Trennschicht 35 weist ein Phasenwechselmaterial 30 auf. Das Phasenwechselmaterial 30 weist vorliegend Germaniumtellurid (GeTe) oder Antimontellurid (Sb2Te3) auf. Aber auch andere Phasenwechselmaterialien 30 sind denkbar. Das

Phasenwechselmaterial 30 ist derart beschaffen, dass durch eine Erwärmung des Phasenwechselmaterials 30 über eine Grenztemperatur ein spezifischer Widerstand des Phasenwechselmaterials 30 sprunghaft sinkt.

Die erste elektrisch leitfähige Gehäusewand 21, die zweite elektrisch leitfähige Gehäusewand 22 und die zwischen den Gehäusewänden 21, 22 angeordnete Trennschicht 35 bilden eine Schnellentladevorrichtung 20. Das

Phasenwechselmaterial 30 der Trennschicht 35 weist bei einer normalen

Betriebstemperatur von beispielsweise 25°C einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand auf und ist in einem passiven Zustand. Somit sind die Gehäusewände 21, 22 elektrisch voneinander isoliert und die

Schnellentladevorrichtung 20 ist in einem passiven Zustand. Dabei ist die Schnellentladevorrichtung 20 ausgeschaltet und die Terminals 15, 16 sind voneinander elektrisch isoliert.

Beispielsweise im Fall eines internen Kurzschlusses in der Elektrodeneinheit 10 erfolgt eine signifikante Erwärmung der Batteriezelle 2. Dabei wird auch das Phasenwechselmaterial 30 in der Trennschicht 35 über die Grenztemperatur von beispielsweise 175°C erwärmt. Dabei sinkt der spezifische Widerstand des Phasenwechselmaterials 30 signifikant ab und das Phasenwechselmaterial 30 gelangt in einem aktiven Zustand.

Dadurch entsteht eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den

Gehäusewänden 21, 22 und die Schnellentladevorrichtung 20 ist in einem aktiven Zustand. Die Schnellentladevorrichtung 20 ist somit eingeschaltet und die Terminals 15, 16 sind über die Gehäusewände 21, 22 und die dazwischen angeordnete Trennschicht 35 elektrisch miteinander verbunden. Daraufhin fließt ein Entladestrom durch die Schnellentladevorrichtung 20 und die Batteriezelle 2 wird entladen.

Vorliegend umfasst das Phasenwechselmaterial 30 Germaniumtellurid (GeTe) oder Antimontellurid (Sb2Te3). Damit weist das Phasenwechselmaterial 30 in dem passiven Zustand eine amorphe Struktur und einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand auf. Das Phasenwechselmaterial 30 weist in dem aktiven Zustand eine kristalline Struktur und einen verhältnismäßig geringen spezifischen Widerstand auf.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Batteriemoduls 5 mit mehreren Batteriezellen 2 aus Figur 2. Die Batteriezellen 2 sind dabei derart nebeneinander angeordnet, dass die Zellkörper 46 von benachbarten

Batteriezellen 2 sich berühren. Benachbarte Batteriezellen 2 sind somit jeweils durch die erste Isolationsschicht 23 ihrer Zellkörper 46 voneinander elektrisch isoliert.

Die Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 sind ferner derart nebeneinander angeordnet, dass das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 neben dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 angeordnet ist. Je ein negatives Terminal 15 einer Batteriezelle 2 und ein positives Terminal 16 einer benachbarten Batteriezelle 2 sind mittels eines Zellverbinders 50 miteinander elektrisch verbunden. So entsteht die in Figur 1 gezeigte Serienschaltung des Batteriemoduls 5. Zwischen benachbarten Batteriezellen 2 des Batteriemoduls 5 ist ferner eine hier nicht dargestellte thermische Isolation vorgesehen. Die thermische Isolation verhindert, dass bei einer Aktivierung der Schnellentladevorrichtung 20 von einer Batteriezelle 2 die benachbarte Batteriezelle 2 auch derart erwärmt würde, dass das Phasenwechselmaterial 30 in dieser Batteriezelle 2 kristallisiert und deren Schnellentladevorrichtung 20 somit auch aktiviert würde.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.