Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckmodul für wiederaufladbare Batterien, insbesondere für Lithium (Li) -lonenbatterien (LIBs). Das Druckmodul dient zur Kompensation von mechanischen Belastungen im Falle einer Volumenänderung der Batteriezelle im Betrieb (Laden und Entladen) und zugleich zur Kühlung bzw. Heizung/Temperierung. LIBs verfügen über eine hohe Leistungs- und Energiedichte bei vergleichsweise geringen Gewicht und Raumanspruch. Sie sind daher in zahlreichen Anwendungsbereichen für die effektive Energiespeicherung weit verbreitet. Ein besonders prominentes Anwendungsbeispiel ist die Elektromobilität, zum Beispiel als Energiequelle in Elektrofahrzeugen oder sogenannten Hybridfahrzeugen.

Typischerweise werden für den Einsatz in Elektrofahrzeugen eine definierte Anzahl von Batteriezellen zu einem Batteriemodul und zwei oder mehrere Batteriemodule zu einem Batteriepack oder -Stapel zusammengefasst.

Die Zellen und/oder Module können elektrisch in Reihe und/oder Serie geschaltet sein.

Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind die einzelnen Module miteinander verspannt, um zum Beispiel eine definierte Dimension des Gesamtmoduls zu gewährleisten und einer Beeinträchtigung der mechanischen Integrität durch Erschütterungen entgegen zu wirken.

Es gibt Batteriezellen in verschiedenen Größen und Gestalten, zum Beispiel Zylinderzellen oder flache Zellen, wie prismatische Zellen oder sogenannten Pouch-Zellen (Coffeebag-Zelle). Pouch-Zellen haben ein flexibles Gehäuse, das in der Regel aus beidseitig kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie besteht. Flache Zellen, wie Pouch-Zellen oder prismatische Zellen sind im Hinblick auf eine bessere Wärmeableitung und Stapelbarkeit bevorzugt. Ein typischer Aufbau einer LIB ist wie folgt, beginnend von der Anodenseite:

- eine Anode mit Stromableiter (in der Regel Kupfer), der zumindest auf der der Kathode zugewandten Seite mit aktiven Material (in der Regel Graphit) beschichtet ist,

- ein Separator für die elektronische Trennung der Elektroden, der aber für Li- lonen durchlässig ist, und

- eine Kathode mit Stromableiter (in der Regel Aluminium), der zumindest anodenseitig mit einem aktiven Material (häufig ein Übergangsmetalloxid mit Kobalt, Mangan oder Nickel) beschichtet ist, das bei der Ladung der Zelle als Li-Ionenquelle dient, und

- ein Elektrolyt (in der Regel flüssig oder fest), der als Vermittler zwischen den Reaktionen an den Elektroden fungiert und den Li-Ionentransport gewährleistet.

Geeignete Materialien für die Aktivmaterialien für die Kathode bzw. Anode, den Separator und Elektrolyt sind Stand der Technik.

Während des Ladevorgangs wandern Li-Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort in das Wirtsgitter ein (Interkalation), während der Entladung erfolgt der umgekehrte Vorgang, wobei Li-Ionen von der Anode zur Kathode wandern (Deinterkalation).

Im Betrieb bildet sich sowohl auf der Anode als auch Kathode ein Oberflächenfilm („solid electrolyte-interphase (SEI)), der für Ionen durchlässig ist. Dieser Oberflächenfilm dient als Passivierungsschicht und verhindert ungewollte Reaktionen des aktiven Elektrodenmaterials mit Elektrolyt.

Allerdings führt die Bildung der SEI auch zu einer Dickenzunahme der Zelle, die bis zu 2 - 10 % der ursprünglichen Zelldicke zu Beginn der Inbetriebnahme betragen kann.

Die LIBs dehnen sich während des Ladevorgangs senkrecht zu ihrem Schichtaufbau aus und ziehen sich während des Entladevorgangs wieder zusammen. Die Interkalation und Deinterkalation von Lithium-Ionen hat eine Volumenänderung der Elektrodenbeschichtung zur Folge, die bis zu 10% der Zelldicke betragen kann. Hierbei kommt es insbesondere zu einem Anschwellen (swelling) des Wirtsgitters, z.B. Graphitgitters, der Anode.

Das wiederholte An- und Abschwellen der Elektroden, insbesondere der Anode, sowie die alterungsbedingte Dickenzunahme der Zellen können in vorgespannten Modulen zu einem starken Anstieg der auf die Zellen wirkenden mechanischen Kräften führen, die wiederum zu einer vorzeitigen Alterung der Zellen führen. Zur Verhinderung eines vorzeitigen Ausfalls der Zellen müssen daher diese Kräfte kompensiert werden.

Für einen reibungslosen Betrieb der Batteriezelle ist es wichtig, dass die Anodenbeschichtung einen guten mechanischen und somit auch elektrischen Kontakt zu dem Stromableiter hat. Die mechanische Belastung infolge des An- und Abschwellens der Zellen verursacht eine partielle Ablösung der Schicht aus aktiven Material der Anode von dem Stromableiter, einen Kontaktverlust der Partikel aus aktiven Material untereinander sowie Zerlegung der einzelnen Partikel zu kleineren Körnern.

Dieser zunächst mechanisch ausgelöste Alterungsprozess führt zu Rissbildungen in und zwischen den Partikeln aus aktiven Material der Anodenbeschichtung, wodurch frische Oberflächen entstehen. Diese frischen Bruchflächen besitzen noch nicht den dünnen schützenden Oberflächenfilm (SEI), der erst durch chemische Reaktion zwischen dem Elektrolyten und den aus den Kathode kommenden Lithium-Ionen gebildet wird. Die an den frischen Oberflächen stattfindende Neubildung der SEI entzieht dem System Li-Ionen, die dann nicht mehr für den Lade-Entladezyklus zur Verfügung stehen und führt als Folge davon zu einer Verringerung der Ladekapazität.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt beim Betrieb einer Batteriezelle betrifft die Temperierung (Kühlung/Heizen) der Batteriezelle. LIBs sollten idealerweise in einem Temperaturbereich zwischen 15 bis 35 °C betrieben werden, um eine vorzeitige Alterung auch bei hohen Ladezyklen zu vermeiden. Mechanische und/oder thermische Belastung der Batteriezellen kann zu schweren Schäden bis hin zum Brand der Batteriezelle führen und im schlimmsten Fall zu einem sogenannten „Thermal Runaway“ mit unkontrollierter Ausbreitung eines Brandes bis hin zur Explosion.

Ein geeignetes Druckmodul sollte daher verschiedene Eigenschaften in sich vereinigen:

- es sollte mechanisch selbsttragend sein, aber eine gewisse Flexibilität hinsichtlich Verdrehen, Biegen und Ausdehnen zulassen,

- es sollte mit einem flüssigen Medium durchströmbar sein,

- es sollte idealerweise zur Kühlung und Heizung über die Batteriezellfläche anpassbar sein, beispielsweise zum Anwärmen der Batteriezellen mit einem heizbaren Wärmeübertragungsmedium durchströmt werden können,

- es sollte zu den Zellen hin eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und

- es sollte eine elastisch verformbare Oberflächenschicht zur besseren Ankopplung an unebene Flächen einer Batteriezelle und zur Verteilung der Druckbelastung auf die Anodenschichten eines Batteriestapels aufweisen, um einer mechanischen Deformation der Batteriezellen entgegenzuwirken.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Druckmodul für wiederaufladbare Batterien, insbesondere LIBs, bereitzustellen, dass die vorstehend genannten gewünschten Eigenschaften in sich vereinigt, d.h., dass die mechanische Belastung aufgrund des Swellings im Betrieb kompensieren oder zumindest effektiv reduzieren kann, und zugleich eine Temperierung der Zelle ermöglicht, womit im Betrieb ein gewünschter Temperaturbereich eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Druckmodul für eine Batteriezelle, wobei das Druckmodul eine Außenhülle aufweist, die einen Hohlraum mit einer Kanalstruktur umgibt, wobei die Außenhülle zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die über ihre Kanten miteinander verbunden sind, wobei an den Innenflächen der Hauptflächen Strukturelemente vorgesehen sind, die zueinander korrespondierend angeordnet sind und im Zusammenspiel die Kanalstruktur für die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmediums definieren und stabilisieren, und an der Außenhülle Anschlüsse für den Einlass und Auslass des Wärmeübertragungsmedium vorgesehen sind.

Die Anschlüsse können mit Leitungskanälen verbunden sein, die entlang gegenüberliegender Randbereiche der Hauptflächen vorgesehen sein können und sich von einem Ende zum gegenüberliegenden Ende der Hauptflächen erstrecken.

Das erfindungsgemäße Druckmodul vereinigt in sich verschiedene wichtige Aspekte für einen störungsfreien Betrieb einer wiederaufladbaren Batteriezelle wie einer LIB. Zum einem wird der mechanischen Belastung in Folge des„Swellings“ beim Laden/Entladen entgegen gewirkt und zum anderen wird gleichzeitig eine effiziente Temperierung der Batteriezelle ermöglicht, so dass die Batteriezelle im optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann. Weiter wird eine effektive Kühlung auch bei hohen Lade-/Entladeraten ermöglicht. Durch diese Maßnahmen werden die Belastungen erheblich reduziert, denen die Batteriezelle im Betrieb ausgesetzt ist, und als Folge davon die Lebensdauer bzw. Leistungsfähigkeit und Sicherheit signifikant verlängert bzw. erhöht.

Die Swellingkompensation kann durch die Durchleitung eines flüssigen Mediums durch das Druckmodul unterstützt werden. Erfindungsgemäß wird das flüssige Medium gleichzeitig zur Wärmeübertragung eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Druckmodul hat eine Außenhülle mit zwei sich gegenüberliegenden Hauptflächen, die entlang ihrer Kanten miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Hauptflächen kann auch über Seitenflächen erfolgen.

Die Form des erfindungsgemäßen Druckmoduls richtet sich üblicherweise nach der Form der Batteriezellen. Beispielsweise kann es eine flache rechteckige Form haben, wenn es in Verbindung mit rechteckigen Batteriezellen verwendet werden soll wie prismatische Zellen oder Pouch-Zellen. Jedoch sind auch andere Formen vorstellbar und möglich. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Druckmodul eine quadratische, kreisförmige oder andere Form haben, abhängig von der Form der entsprechenden Batteriezelle, an die das Druckmodul ankoppeln soll.

Das erfindungsgemäße Druckmodul kann eine gekrümmte oder wellenförmige Platte sein, z.B. für die Anwendung für zylindrische Batteriezellen.

Die Dimensionen der Hauptflächen werden durch die Form des Druckmoduls bestimmt. In der Regel sind die längsten Abmessungen wie zum Beispiel bei rechteckigen oder quadratischen Grundformen, die Länge und Breite, bei runder Grundform der Durchmesser. Beispielsweise haben rechteckige Pouch-Zellen eine typische Abmessung von L= 350 mm und B= 100 mm und prismatische Zellen von z. B. 230 mm x 1 15 mm.

Im Hinblick auf eine kompakte Anordnung des Batteriesystems und dem gewünschten möglichst geringen Raumbedarf ist die Dicke des erfindungsgemäßen Druckmoduls vorteilhaft im Vergleich zu den Dimensionen der Hauptflächen dünn.

Die Dicke des Druckmoduls kann z. B. bei 0,7 bis 1 ,2 mm und insbesondere bei 0,8 bis 1 ,0 mm liegen. Je nach Anforderungen des Anwendungsfalls kann die Dicke aber auch geringer oder größer gewählt werden.

Die Außenhülle ist aus einem zumindest teilweise flexiblen Elastomermaterial gebildet wie z. B. einem Silikonelastomer oder Polyurethanelastomer. Die teilweise flexiblen Elastomermaterialien haben vorzugsweise eine Shorehärte A von A 20 bis A 60 bzw. eine Shorehärte 00 von 0020 bis 0080.

Die Außenhülle kann mittels eines herkömmlichen Gießverfahrens, wie sie für Elastomermaterialien bekannt sind, hergestellt werden, wobei Strukturen wie Leitungskanäle, Anschlüsse an ein Heiz-/Kühl-System und / oder kanalbildende Strukturelemente je nach Bedarf gleichfalls mit angegossen werden können.

Das teilweise flexible Elastomermaterial verleiht der Außenhülle die gewünschte elastische Verformbarkeit für eine bessere Ankopplung auch an unebene Flächen. Weiter dient die Außenhülle zur homogenen Druckübertragung auf die Batteriezelle. Es lassen sich damit Drücke von 0,3 bis 0,6 MPa sicher übertragen mit vollständiger Rückstellung bei Druckentlastung.

Für Batteriezellen oder Batteriezellstapel mit strukturierter unebener Oberfläche können weichere Polymermaterialien für die Außenhülle verwendet werden, die sich den Oberflächenstrukturen leichter anpassen können, so dass ein guter Kontakt zwischen dem Druckmodul und der Oberfläche der Batteriezelle gewährleistet werden kann.

Ein guter Kontakt zwischen Druckmodul und Oberfläche der Batteriezelle ist Voraussetzung für eine gute Wärmeübertragung. Auch sollte das Druckmodul zu den Batteriezellen eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/mK aufweisen, und vorzugsweise von mindestens 1 W/mK.

Die Außenhülle umgibt einen Hohlraum mit einer Kanalstruktur für die Durchleitung eines Wärmeübertragungsmediums. Die Innenseiten der Hauptflächen weisen erhabene Strukturelemente auf, die in den Hohlraum hineinragen und eine zueinander korrespondierende Anordnung haben.

Die Strukturelemente definieren im Zusammenspiel die Kanalführung für das Wärmeübertragungsmedium und stabilisieren die Kanalführung, so dass auch bei Druckbelastung von außen ein freies Querschnittsvolumen offengehalten wird und für das Medium durchströmbar bleibt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform weisen die Strukturelemente eine Reihe von stegförmigen Abschnitten auf, die im Abstand voneinander entlang der Längenerstreckung der Innenflächen angeordnet sind. Zwischen benachbarten Abschnitten befindet sich jeweils eine rinnenförmige Vertiefung, die einen Fließkanal definiert, der mit den Leitungskanälen verbunden ist.

Die Breite der Abschnitte ist geringer als die Querschnittsbreite der rinnenförmigen Vertiefungen. Die Höhe der Abschnitte kann der Tiefe der rinnenförmigen Vertiefungen entsprechen, kann jedoch bei Bedarf auch geringer oder größer sein. Die stegförmigen Abschnitte der gegenüberliegenden Innenflächen sind versetzt zueinander angeordnet, so dass in der Anordnung ein Abschnitt auf der einen Innenfläche oberhalb einer Vertiefung, das heißt eines Fließkanals, der anderen Innenfläche zu liegen kommt. Es ergibt sich eine alternierende Abfolge von stegförmigen Abschnitten und Fließkanälen entlang der Längenerstreckung der Innenflächen.

Bei Druckbelastung werden die Abschnitte der Innenflächen in die Vertiefungen der gegenüberliegenden Innenfläche hineingedrückt. Eine maximale Annäherung ist erreicht, sobald die Stirnflächen der Abschnitte den Boden der jeweils gegenüberliegenden Vertiefung berühren und sich darauf stützen.

Da die Breite der stegförmigen Abschnitte geringer als die Querschnittsbreite der Fließkanäle ist, bleiben auch bei Druckbelastung seitliche Querschnittbereiche der Fließkanäle offen und können den freien Durchfluss gewährleisten.

Sobald die Stirnflächen der Abschnitte den Boden der jeweils gegenüberliegenden Vertiefung erreicht haben und sich darauf abstützen, ist eine weitergehende Druckkompensation nur noch über Deformation der Kanalstrukturen, und/oder der Außenhülle möglich.

Die rinnenförmigen Vertiefungen bzw. Fließkanäle können parallel zur Querachse über die Modulfläche verlaufen. Sie können aber auch eine andere Verlaufsform aufweisen, z. B. Schlangenlinien- oder mäanderförmig. Die Anzahl und Breite der Abschnitte, das heißt der Fließkanäle, können je nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise kann die Querschnittsbreite der Fließkanäle zwischen 0, 1 - > 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm - 3 mm, variieren.

Auch die Tiefe der durchströmbaren Kanalstrukturen kann je nach Bedarf gewählt werden und kann typischerweise zwischen 0, 1 - 0,3 mm und insbesondere 0, 1 mm - 0,3 mm liegen.

Anstelle der stegförmigen Abschnitte mit dazwischenliegenden rinnenförmigen Vertiefungen können auch weitere Formen von Strukturelementen verwendet werden, die im Zusammenspiel eine durchströmbare Kanalstruktur ausbilden. Weitere Strukturelemente können beliebig geformte Erhebungen, z. B. Noppen, sein, die an den Innenflächen vorgesehen sind und in den Hohlraum ragen.

Analog zur Fließkanalstruktur der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit Abschnitten und Fließkanälen sind die Noppen der einen Innenfläche versetzt zu den Noppen an der gegenüberliegenden Innenfläche angeordnet. Im Druckmodul liegen sich die mit den Noppen versehenen Innenflächen der Hauptflächen einander gegenüber, wobei die Noppen auf der einen Seite oberhalb der freien Querschnittsflächen zwischen den Noppen auf der gegenüberliegenden Seite zu liegen kommen. Bei Druckbelastung werden die Noppen der einen Seite in die freien Querschnittsflächen der anderen Seite hineingedrückt, wobei jedoch die Noppen nicht das gesamte freie Zwischenvolumen besetzen, sondern freie Bereiche zwischen den Noppen als offene durchströmbare Querschnittsflächen verbleiben.

Die Form der Noppen kann beliebig gewählt werden. Die Noppen können eine Zylinderform, Kegelstumpfform oder eine Form mit mehreckiger Querschnittsfläche aufweisen. Vorzugsweise haben sie eine ebene Stirnfläche, die im Druckmodul bei Druckbelastung an einer freien Querschnittsfläche der gegenüberliegenden Seite aufliegen und die Hauptflächen des Druckmoduls gegeneinander abstützen können.

Die Anordnung und Zahl der Noppen kann je nach Bedarf variieren, ist jedoch so ausreichend zu wählen, dass sie die durchströmbare Querschnittsfläche auch bei Druckbelastung stabilisieren können und die durchströmbare Querschnittsfläche für das Wärmeübertragungsmedium passierbar gehalten wird.

In dieser Ausgestaltung mit noppenförmigen Erhebungen kann auf Leitungskanäle verzichtet werden, da der Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums durch das Druckmodul vom Einlass bis zum Auslass durch die freie Querschnittsfläche zwischen den Noppen gewährleistet ist.

Sobald ab einer bestimmten Druckbelastung die Stirnflächen der stegförmigen Abschnitte bzw. Noppen an der einen Innenfläche den Boden der freien Querschnittflächen an der anderen Innenfläche berühren, kann weiterer Druck nur noch mittels elastischer Verformung der Außenhülle kompensiert werden. Hierzu können in ausgewählten Bereichen der Außenhülle komprimierbare Materialien vorgesehen sein, z.B. Schaumstoffe, wie Schaumstoffe auf Elastomerbasis.

So können entlang der Seitenränder der Außenhülle zwischen den Hauptflächen Bereiche aus Schaumstoff vorgesehen sein. Es kann eine Zwischenlage aus Schaumstoff entlang der Seitenränder zwischen den Hauptflächen verlaufen.

Bei Druckbelastung werden die komprimierbaren Bereiche zusammengepresst und nehmen den Druck auf.

Die kanalbildenden erhabenen Strukturelemente wie die stegförmigen Abschnitte und Noppen können unmittelbar auf den Innenseiten der Hauptflächen des Druckmoduls aufgebracht sein. Beispielsweise können sie an die Innenflächen angeformt sein und mit der Außenhülle eine integrale Einheit bilden.

Es kann eine Verstärkungsplatte zwischen Innenfläche und Hohlraum vorgesehen sein, wobei die Strukturelemente in diesem Fall auf der Seite der Verstärkungsplatte vorgesehen sind, die dem Hohlraum zugewandt ist.

Besonders geeignet sind Verstärkungsplatten aus einem Faserverbundkunststoff. Die Wahl des Kunststoffs für die Polymermatrix richtet sich nach dem Anwendungserfordernissen. Es kann ein Elastomer, Duroplast oder Thermoplast verwendet werden.

Auch das Fasermaterial kann in Abhängigkeit der Anwendungsanforderungen gewählt werden. Geeignete Beispiele sind keramische Faser, aber auch Kohlenstoffasern.

Es ist günstig, Fasermaterialien als Gewebe oder Gelege mit multiaxialer Faserorientierung anzuordnen. Es können auch zwei oder mehr unidirektionale Faserlagen mit unterschiedlicher Faserorientierung eingesetzt werden.

Bei Bedarf können dem Polymermaterial für die Matrix Füllstoffe zur mechanischen Stabilisierung zugesetzt werden. Beispiele für geeignete Füllstoffe für die mechanische Stabilisierung sind keramische Füllstoffe, wie z. B. A Os-Partikel, besonders günstig haben sich keramische Füllstoffe in bimodalen Mischungen erwiesen, denen der Füllstoff in unterschiedlicher Körnung aus einen Grobkorn und einem Feinkorn zugesetzt wird. Hierdurch lassen sich besonders dichte Packungen erzielen, da die kleinen Körner in die durch die Grobkörner gebildeten Hohlräume oder Lücken einlagern können.

Auf der freien Fläche zwischen den erhabenen Strukturelementen kann eine dünne Schicht aus einem komprimierbaren Material vorgesehen sein.

Das komprimierbare Material kann ein komprimierbarer Kunststoff, insbesondere ein Schaumstoff, sein.

Zur Steigerung der Druckkompensation kann entlang des Randbereichs des Druckmoduls rund um den Hohlraum zwischen den Hauptflächen herum eine Zwischenlage aus Schaumstoff verlaufen.

Der Schaumstoff für die dünne Schicht auf den freien Flächen und/oder Zwischenlage kann aus einem Elastomer, Duroplast oder Thermoplast hergestellt sein. Bevorzugt ist im Hinblick auf die Verformbarkeit ein Schaumstoff aus einem Elastomer.

Prinzipiell können die Strukturelemente aus einem beliebigen Polymermaterial gefertigt sein, z. B. einem Elastomer, Thermoplasten oder Duroplasten. Die Auswahl eines geeigneten Materials für die Strukturelemente richtet sich nach der Konfiguration des Druckmoduls einerseits und der Funktion der Strukturelemente andererseits. So dienen die Strukturelemente einerseits als Abstandshalter der Stabilisierung der Kanalstruktur und können andererseits auch zur Druckentlastung beitragen.

Im Hinblick auf diese beiden Funktionen sind Strukturelemente aus einem Elastomer besonders zweckmäßig.

Es können aber auch Strukturelemente aus Thermoplasten oder Duroplasten verwendet werden.

Für Ausführungsformen mit komprimierbaren Zwischenlagen, wie z. B. einen Randstreifen zwischen den Hauptflächen aus einem Schaumstoff etc., kann die Druckentlastung durch Komprimierung des Schaumstoffes bewirkt werden, so dass ohne weiteres auch wenig verformbare Strukturelemente einsetzbar sind, wie z. B. Strukturelemente aus einem Thermoplasten oder Duroplasten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert. In den Figuren 1 bis 13 sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Druckmoduls für die Anwendung an flachen Zellen wie zum Beispiel prismatischen Zellen oder Pouch- Zellen dargestellt. Selbstverständlich kann das Druckmodul auch ohne weiteres für andere Batteriezellformen angepasst und eingesetzt werden.

Es zeigt:

Figur 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Druckmodul in rechteckiger Form;

Figur 2 einen Längsschnitt durch das Druckmodul nach Figur 1 mit anliegender Pouch-Zelle ohne Druckbelastung;

Figur 3 den Längsschnitt durch ein Druckmodul nach Figur 1 unter

Druckbelastung; Figur 4 einen Querschnitt durch das Druckmodul gemäß Figur 1 unter

Druckbelastung;

Figur 5a eine Verstärkungsplatte mit Kanalstruktur aus stegförmigen

Abschnitten und dazwischenliegende rinnenförmige Vertiefungen;

Figur 5b eine Verstärkungsplatte mit korrespondierender Kanalstruktur zur

Verstärkungsplatte gemäß Figur 5a;

Figur 6 einen Querschnitt durch ein rechteckiges Druckmodul mit

Verstärkungsplatten gemäß Figuren 5a und 5b mit einer Kanalstruktur aus durchströmbaren Kanälen; Figur 7 ein Paar korrespondierende Verstärkungsplatten mit noppenförmigen Strukturelementen für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckmoduls; Figur 8 einen Querschnitt durch ein Druckmodul mit den Verstärkungsplatten gemäß Figur 7 mit noppenförmigen Strukturelementen unter Druckbelastung;

Figur 9 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß Figur 8 ohne

Druckbelastung mit anliegender Pouch-Zelle;

Figur 10 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß Figur 9 unter

Druckbelastung;

Figur 11 einen Schnitt parallel zu den Kurzseiten durch eine

Druckmodulanordnung aus zwei Druckmodulen gemäß Figur 9;

Figur 12 einen Längsschnitt durch ein Druckmodul gemäß einer weiteren

Ausführungsform mit Schaumstoffeinlage ohne Druckbelastung; und

Figur 13 einen Längsschnitt durch das Druckmodul gemäß Figur 12 unter

Druckbelastung.

Eine Draufsicht auf eine Ausführungsform für ein rechteckiges Druckmodul 1 zeigt Figur 1. Das Druckmodul 1 ist von einer Außenhülle 2 umgeben. Weiter sind Anschlüsse 4, 5 für den Einlass bzw. Auslass eines Wärmeübertragungsmediums, hier an den gegenüberliegenden Kurzseiten 6, 7, vorgesehen. Die Anschlüsse 4, 5 sind hier unmittelbar an die Außenhülle 2 angeformt. Ein Längsschnitt durch das Druckmodul 1 entlang der Linie AA in Figur 1 ist in Figur 2 gezeigt. Die Außenhülle 2 umgibt einen Hohlraum 9 mit den Strukturelementen an den Innenflächen 7, 8. Die Strukturelemente sind in dieser Ausführungsform stegförmige Abschnitte 10a, 10b, die entlang der

Längenerstreckung der Innenfläche 7, 8 in Abständen angeordnet sind, und dazwischenliegende rinnenförmige Vertiefungen 1 1a, 1 1 b, die durch die Abstände zwischen benachbarten Abschnitten 10a, 10b einer Innenfläche 7, 8 definiert werden. Die Abschnitte 10a, 10b einer jeden Innenfläche 7, 8 sind jeweils einer rinnenförmigen Vertiefung 1 1a, 1 1 b auf der anderen Innenfläche gegenüberliegend angeordnet, wobei die Breite der Abstände 10a, 10b geringer ist als die Querschnittsfläche der Vertiefungen 1 1a, 1 1 b. Im Ergebnis bilden die stegförmigen Abschnitte 10a und die rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a sowie die stegförmigen Abschnitte 10b und rinnenförmigen Vertiefungen 1 1 b miteinander korrespondierende Paare von Strukturelementen, die die Kanalführung und durchströmbare Volumen für das Wärmeübertragungsmedium definieren.

Weiter ist eine Pouch-Zelle gezeigt, die auf einer der Hauptflächen des Druckmoduls 1 anliegt.

Der Längsschnitt durch das Druckmodul 1 gemäß Figuren 1 und 2 unter Druckbelastung zeigt Figur 3. Durch die Druckbelastung werden die stegförmigen Abschnitte 10a, 10b in die jeweils gegenüber angeordneten rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a, 1 1 b hineingedrückt, bis die Stirnfläche 13a, 13b jedes stegförmigen Abschnitts 10a, 10b auf dem Boden der gegenüberliegenden rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11 b zu liegen kommt. Eine weitere

Druckkompensation ist dann nunmehr durch Verformung der Strukturelemente sowie des Druckmoduls 1 möglich.

Da die Breite der stegförmigen Abschnitte 10a, 10b geringer ist, als die Querschnittsbreite der Vertiefungen 11 a, 1 1 b verbleibt auch unter Druckbelastung ein freies Querschnittsvolumen 14, das die Durchströmbarkeit für das Wärmeübertragungsmedium ermöglicht.

In dem Querschnitt durch das druckbelastete Druckmodul 1 in Figur 4 sind die alternierend nebeneinanderliegenden stegförmigen Abschnitte 10a, 10b mit den dazwischenliegenden freien durchströmbaren Querschnittsvolumen 14 zu sehen. Entlang der Randbereiche an den Längsseiten des Druckmoduls 1 erstreckt sich jeweils ein Leitungskanal 15, 16, die über die rinnenförmigen Vertiefungen 11 a, 1 1 b bzw. im druckbelasteten Zustand über die verbleibenden durchströmbaren Querschnittsvolumen miteinander kommunizieren können. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist ein Leitungskanal 15 mit dem Anschluss für den Mediumeinlass 5 und der andere Leitungskanal 16 mit dem Anschluss für den Mediumauslass 6 verbunden.

Je nach Bedarf können jedoch auch beide Leitungskanäle 15, 16 jeweils mit einem Ein- und Auslass bzw. Ein- bzw. Auslass auf derselben Seite des Druckmoduls vorgesehen sein. Die Position für Ein- bzw. Auslass des

Wärmeübertragungsmediums richtet sich selbstverständlicherweise nach den Anforderungen des konkreten Einsatzzweckes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können in dem Druckmodul 1 Trägerplatten 17, 18 zum Einsatz kommen, an denen die Strukturelemente aufgebracht sind.

Die Trägerplatten 17, 18 können der Verstärkung des Druckmoduls 1 dienen.

In Figur 5 ist eine Draufsicht auf ein Ensemble aus zwei Trägerplatten 17, 18 mit korrespondierend zueinander angeordneten Strukturelementen, wobei für die Ausbildung der Kanalstruktur auf den Trägerplatten 17, 18 stegförmige Abschnitte 10a, 10b in Abständen aufgebracht sind, wobei durch die Abstände die rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11b definiert werden. Analog zu der Ausführungsformen der Figuren 1 bis 4 bilden die Strukturelemente im Zusammenspiel die Kanalführung für die Durchleitung des Wärmeübertragungsmediums aus. Das Zusammenspiel der Strukturelemente ist in Figur 6 dargestellt, die einen Querschnitt durch ein Druckmodul 1 mit strukturierten Trägerplatten 17, 18 zur Ausbildung der Kanalführung unter Druckbelastung zeigt.

Die stegförmigen Abschnitte 10a, 10b der beiden Trägerplatten 17, 18 liegen abwechselnd in einem Abstand voneinander entlang der Längenerstreckung des Druckmoduls 1 nebeneinander, wobei das Wärmeübertragungsmedium durch das freie Querschnittsvolumen 14 der rinnenförmigen Vertiefungen 11a, 11 b ungehindert fließen kann, und somit die Durchström barkeit durch das Druckmodul 1 gewährleistet bleibt. Die rinnenförmigen Vertiefungen 1 1a, 11 b sind mit Leitungskanälen 15, 16 verbunden, die wiederum mit einem Einlass 5 bzw. Auslass 6 für das Wärmeübertragungsmedium verbunden sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Strukturelemente für die Ausbildung einer Kanalführung in einem erfindungsgemäßen Druckmodul ist in Figur 7 gezeigt.

Die Strukturelemente sind hier Noppen 19, die über die Modulfläche angeordnet sind.

In Figur 7 ist ein Ensemble aus zwei Trägerplatten 17, 18 gezeigt, mit zueinander korrespondierender Anordnung von Noppen 19 mit kreisförmigen Querschnitt. Die Noppen 19 sind zueinander versetzt angeordnet und bilden im Zusammenspiel die durchströmbaren Kanalstrukturen, wobei unter Druckbelastung zwischen den Noppen 19 ein freies Flächenvolumen verbleibt, das auch bei Druckbelastung für eine freie Durchströmbarkeit des Druckmoduls 1 ermöglicht, wie aus Figur 8 ersichtlich ist.

Figur 8 zeigt ein Druckmodul 1 mit strukturierten Trägerplatten 17, 18 mit zueinander versetzt angeordneten Noppen 19 unter Druckbelastung. Durch das freie Flächenvolumen zwischen den Noppen 19 kann das

Wärmeübertragungsmedium ungehindert vom Einlass 5 zum Auslass 6 strömen.

Ein Schnitt durch die Linie DD gemäß Figur 8 zeigt Figur 9. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, haben die Noppen 19a, 19b eine Kegelstumpfform. Die Kanalstruktur befindet sich in Figur 9 in einem Zustand, wo die Stirnflächen der Noppen 19a, 19b noch nicht auf der gegenüberliegenden Trägerplatte 17, 18 aufliegen. In Figur 9 ist das Druckmodul 1 an einer Pouch-Zelle angeordnet, dargestellt.

Unter voller Druckbelastung liegen die Stirnflächen auf der jeweils gegenüberliegenden Trägerplatte 17, 18 auf, wie in Figur 10 gezeigt. Eine weitere Druckkompensation ist nunmehr durch Verformung der Strukturelemente und/oder der Außenhülle möglich. Hierfür kann entlang der Randbereiche der Außenhülle 2 zwischen den zwei Modulhälften eine streifenförmige Zwischenlage 22 aus einem Schaumstoff aus einem Elastomer vorgesehen werden.

Eine derartige Ausführungsform ist in Figur 11 im Querschnitt gezeigt, wobei das Druckmodul 1 druckunbelastet ist. Unter Druckbelastung werden nicht nur die Stirnflächen 13a, b der erhabenen Strukturelemente, hier von Noppen 19, gegen die gegenüberliegende Fläche gedrückt, sondern zudem die Schaumstoffstreifen der Zwischenlage 22 entlang des Randes zusammengepresst.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Druckmoduls 1 gemäß Figuren 8 bis 10 zeigt Figur 1 1. In Figur 1 1 , wird eine prismatische Zelle 20, zwischen zwei erfindungsgemäßen Druckmodulen 1 gehalten. Zur besseren Ankopplung der prismatischen Zelle 20 weisen die Hauptflächen des Druckmoduls 1 , an denen die prismatische Zelle 20 zu liegen kommt, zwischen den Bereichen mit den Leitungskanälen eine Vertiefung oder Mulde 21 auf, die die prismatische Zelle 22 sicher halten kann. Die Anordnungsfolge aus erfindungsgemäßen Druckmodul 1 / Zelle usw. kann je nach Bedarf fortgeführt werden.

BEISPIELE:

1 ) Herstellung eines Druckmoduls auf Elastomer-Basis:

Die Herstellung erfolgte mittels eines Gießverfahrens, wobei für jede Hälfte des Druckmoduls eine Negativformen mit den jeweiligen Strukturen für die Innenflächen der Hauptflächen verwendet wurde.

Das Gießpolymer war ein bei Raumtemperatur additionsvernetzendes Zellkomponenten-Silikonelastomer mit Shore A 20-40. Die erhaltenen beiden Hälften wurden mit einem Fügeelastomer verklebt. Anschließend wurden die beiden miteinander verklebten Hälften des Druckmoduls bei 120 °C für 7 Stunden vulkanisiert, um so das fertige Druckmodul zu erhalten. 2a) Herstellung einer strukturierten Verstärkungsplatte:

Als Matrix wurde ein keramisch hochgefülltes Epoxidharz verwendet.

Der keramische Füllstoff war AI ₂ O ₃ in bimodaler Mischung mit einem Mischungsverhältnis von 60 % Grobkorn mit D50 ~ 15 pm und 40 % Feinkorn mit einem D50-Wert, der um einen Faktor 10 kleiner war als der des Grobkorns.

Diese Mischung wurde in eine entsprechend strukturierte Negativform aus Stahl eingestrichen.

Anschließend wurden zwei Lagen aus Glasseide mit einem Flächengewicht von 25g/m ² mit 0/90 Orientierung darauf abgelegt und angedrückt.

Die Glasseidenlagen wurden vor Ablegen mit dem ungefüllten Epoxidharz eingestrichen.

Die Form wurde geschlossen und in einer Heißpresse bei Drücken zwischen 10 - 50 bar und Temperaturen von circa 80 °C - 100 °C für 30 Minuten verpresst.

Nach Erkalten wurde die Pressform geöffnet und die strukturierte Glasfaserkompositplatte entnommen. Die Struktur bestand ausschließlich aus dem hochgefüllten Epoxidharz und wies eine innige Verbindung mit dem darunterliegenden Faserkomposit auf.

Die erhaltenen strukturierten Platten wurden in einem Wärmeschrank bis zur maximalen Festigkeit der Harzmatrix getempert. Jeweils zwei Faserkompositplatte mit korrespondierender Struktur wurden anschließend mit einem Elastomer umgossen, um das Druckmodul fertiggestellt.

2b) Herstellung einer unstrukturierten Faserkompositplatte:

Die Herstellung erfolgt analog zu 2a), wobei jedoch eine Form ohne Strukturen eingesetzt wurde.

Die Faserkompositplatte hatte eine Dicke von 0,1 mm und war noch flexibel. 3) Herstellung eines Druckmoduls mit komprimierbarer Zwischenlage:

Die nach 1) oder 2a) erhaltenen korrespondierenden Hälften eines Druckmoduls wurden mit einem Schaumelastomer als Fügeelastomer miteinander verbunden. Bei Druckbelastung wird der Schaumstoff komprimiert und bewirkt so die Druckkompensation.

Bezugszeichenliste

1 Druckmodul

2 Außenhülle

3 Kurzseite (linke Bildseite)

4 Kurzseite (rechte Bildseite)

5 Anschluss für einen Einlass

6 Anschluss für einen Auslass

7, 8 Innenflächen der Hauptflächen des Druckmoduls

9 Hohlraum

10a, 10b stegförmiger Abschnitt

11a, 11 b rinnenförmige Vertiefung

12 Pouch-Zelle

13a, 13b Stirnflächen

14 Durchströmbares freies Volumen

15 Leitungskanal (in der Figur am Einlass 5)

16 Leitungskanal (in der Figur am Auslass 6)

17, 18 T rägerplatten

19a, 19b Noppen

20 Prismatische Batteriezelle

21 Vertiefung bzw. Mulde auf der Hauptfläche der Außenhülle 22 Zwischenlage

22 Zwischenlage 22 im komprimierten Zustand

23 Schaumstoffauflage auf freier Fläche

23‘ Schaumstoffauflage 23 im komprimierten Zustand