Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten, die in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse angeordnet sind.

In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen wie Elektrofahrzeugen, Hybrid- oder Plug-In- Hybridfahrzeugen werden Hochvolt-Batterien eingesetzt, die typischerweise ein oder mehrere Batteriemodule mit jeweils mehreren Batteriezellen aufweisen. Aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte werden in Kraftfahrzeugen insbesondere Lithiumionen-Batteriezellen eingesetzt. Hier und im Folgenden wird der Begriff „Lithiumionen-Batteriezelle“ synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente und Zellen verwendet, wie beispielsweise Lithium-Batterie, Lithium-Zelle, Lithiumionen-Zelle, Lithium-Polymer-Zelle und Lithiumionen-Akkumulator. Insbesondere sind wieder aufladbare Batterien (Sekundärbatterien) inbegriffen. Die Lithiumionen-Batteriezelle kann auch eine Festkörper-Batteriezelle sein, beispielsweise eine keramische oder polymerbasierte Festkörper- Batteriezelle.

Im Falle eines mechanischen Aufpralls auf die Batteriezelle, der beispielsweise eine Deformation und/oder das Eindringen eines spitzen Gegenstands in die Batteriezelle bewirkt, oder bei einer Überladung der Batteriezelle, kann das Risiko einer Überhitzung der Batteriezelle bestehen. Durch exotherme Elektrodenreaktionen, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses der Elektroden, kann es zu einem thermischen Durchgehen (thermal runaway) der Batteriezelle kommen. Bei hohen Temperaturen kann es insbesondere zu einem Verdampfen des in der Batteriezelle enthalten Elektrolyten kommen, wodurch in der Batteriezelle ein kritischer Überdruck entsteht. In einem Batteriemodul mit mehreren Batteriezellen kann das thermische Durchgehen einer Batteriezelle zu einer Ausbreitung der Überhitzung auf die benachbarten Batteriezellen führen, so dass ein Risiko der Schädigung des gesamten Batteriemoduls oder sogar der gesamten Hochvoltbatterie bestehen kann, wenn dies nicht durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen verhindert wird.

Aus der Druckschrift 10 2012 205 810 A1 ist eine Batteriezelle mit einem Hartschalen- Batteriezellgehäuse bekannt, bei dem mehrere Elektrodeneinheiten, die jeweils als Zellwickel ausgebildet sind, in dem Hartschalen-Batteriezellgehäuse angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung mehrerer Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse kann das Risiko bestehen, dass sich ein thermisches Durchgehen einer Elektrodeneinheit in sehr kurzer Zeit auf die weiteren in dem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Elektrodeneinheiten ausbreitet.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Batteriezelle mit mehreren Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse anzugeben, bei der das Ausbreiten eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit auf benachbarte Elektrodeneinheiten verhindert oder zumindest verlangsamt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Batteriezelle gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batteriezelle mehrere Elektrodeneinheiten in einem gemeinsamen Batteriezellgehäuse. Die Elektrodeneinheiten sind beispielsweise Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel. Die Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel enthalten insbesondere jeweils eine Schichtfolge aus Anoden- und Kathodenschichten, die jeweils durch einen Separator voneinander getrennt sind. Die Batteriezelle kann insbesondere eine Lithiumionen-Batteriezelle sein.

Die Batteriezelle ist vorzugsweise eine prismatische Batteriezelle, die ein festes Batteriezellgehäuse aufweist, in dem die mehreren Elektrodeneinheiten angeordnet sind. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise eine rechteckige Grundfläche aufweisen und im Wesentlichen quaderförmig sein. Prismatische Batteriezellen können vorteilhaft leicht gestapelt und zu einem Batteriemodul zusammengesetzt werden. Das Batteriezellgehäuse kann beispielsweise einen Gehäusegrundkörper, der eine Bodenwand und Seitenwände aufweist, sowie einen Deckel aufweisen.

Die Elektrodeneinheiten sind bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle jeweils mit einer Schutzfolie versehen. Die Schutzfolie weist gemäß einer Ausführungsform mindestens eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf. Die innere Schicht ist auf der Elektrodeneinheit und die äußere Schicht auf der inneren Schicht angeordnet. Die äußere Schicht weist vorteilhaft einen höheren Schmelzpunkt auf als die innere Schicht. Anders ausgedrückt ist die Schutzfolie mindestens zweilagig ausgeführt, wobei die äußere Schicht eine größere thermische Beständigkeit aufweist als die innere Schicht. Es ist auch möglich, dass die Schutzfolie mehr als zwei Schichten aufweist, beispielsweise drei Schichten.

Die Erfindung beruht insbesondere auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Im Fall eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit kann binnen Sekunden eine große Energie frei werden. Dies kann dazu führen, dass Elektrolyt verdampft und/oder sich die Aktivmaterialen der Elektroden zersetzen. Weiterhin kann durch die erhöhte Temperatur der Separator zwischen den Elektroden geschädigt werden, wodurch es zu einem großflächigen Kurzschluss der Elektroden kommen kann und sich die gesamte Energie der Elektrodeneinheit entlädt. Dies führt zu einem sehr starken Druckanstieg und der Freisetzung hoher Energien in sehr kurzer Zeit. Diese Energie erwärmt die Umgebung und kann zur Erreichung einer kritischen Temperatur benachbarter Elektrodeneinheiten führen. Bei der kritischen Temperatur, etwa bei T _cr it > 150 °C - 180 °C, kann ein thermisches Durchgehen der benachbarten Elektrodeneinheit erfolgen, wodurch weitere Energie frei wird. Die Energie kann über Seitenwände des Batteriezellgehäuses an weitere Batteriezellen abgegeben werden und so möglicherweise weitere Batteriezellen in einer Kettenreaktion schädigen. Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelle wird eine solche Kettenreaktion durch die Schutzfolie der Elektrodeneinheiten verhindert oder zumindest verlangsamt. Insbesondere eine geringere Wärmeleitfähigkeit der Schutzfolie verzögert die Energieabgabe der Elektrodeneinheit an benachbarte Elektrodeneinheiten. Die von der Elektrodeneinheit beim thermischen Durchgehen abgegebene Gesamtenergie ändert sich dadurch zwar nicht wesentlich, aber die Gesamtenergie wird verlangsamt an die Umgebung abgegeben. Dies ermöglicht die Wärmeabfuhr über andere Pfade, z.B. durch eine Kühlung, über den Deckel, Zuganker, etc. und verringert somit die Wärmemenge, die über die Seitenwände der Batteriezelle abgegeben wird. Im besten Fall ist der Effekt so stark, dass benachbarte Batteriezellen unter der kritischen Temperatur bleiben und somit eine Propagation des thermischen Durchgehens gestoppt wird. Auch wenn die benachbarte Batteriezelle die kritische Temperatur erreicht, geschieht dies jedoch verlangsamt. Bei einer mehrere Batteriezellen umfassenden Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs wird so das Risiko einer Schädigung der gesamten Hochvoltbatterie vermindert.

Die bevorzugte mindestens zweilagige Ausführung der Schutzfolie aus einer inneren Schicht und einer äußeren Schicht hat den Vorteil, dass die äußere Schicht die thermische Beständigkeit der Schutzfolie bis zu höheren Temperaturen sichern kann, als wenn nur die innere Schicht vorhanden wäre. Durch ein Aufschmelzen der inneren Schicht kann ein Teil der Energie absorbiert werden, während die äußere Schicht noch thermisch beständig ist.

Die zusätzlich vorhandene innere Schicht kann außerdem vorteilhaft für die mechanischen Eigenschaften der Schutzfolie sein. Insbesondere kann die innere Schicht ein Material mit einer geringeren Härte aufweisen als die äußere Schicht. Die weichere innere Schicht kann in diesem Fall den Druck auf die Elektrodeneinheit besser verteilen und so das Risiko vermindern, dass die Elektrodeneinheit bei äußerem Druck durch die härtere äußere Schicht der Schutzfolie geschädigt wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die innere Schicht Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PP) auf. Die äußere Schicht weist bevorzugt ein Polyethylenterephthalat (PET), beispielsweise Mylar, oder ein Polyimid, beispielsweise Kapton, auf.

Die Schutzfolie ist vorzugsweise zwischen einschließlich 20 pm und einschließlich 200 pm dick. Unter der Dicke der Schutzfolie ist bei einer mehrlagigen Schutzfolie die Gesamtdicke der Schichten zu verstehen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schutzfolie mehrere Öffnungen auf. Die Öffnungen erleichtern das Eindringen des Elektrolyten in die Elektrodeneinheiten. Die Öffnungen in der Schutzfolie sind vorzugsweise der Bodenfläche des Batteriezellgehäuses zugewandt. Die Anzahl der Öffnungen beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 20.

Die Batteriezelle ist vorzugsweise eine Lithiumionen-Batteriezelle. Lithiumionen-Batteriezellen zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus und sind deshalb insbesondere für die Verwendung in Hochvolt-Batterien in Kraftfahrzeugen geeignet.

Es werden weiterhin eine Lithium-Ionenbatterie mit mehreren der hierin beschriebenen Batteriezellen sowie ein Kraftfahrzeug mit der Lithiumionen-Batterie vorgeschlagen. Die hierin beschriebene Batteriezelle kann aufgrund der verbesserten Sicherheit vorteilhaft in einer Lithiumionen-Batterie verwendet werden, die insbesondere als Traktionsbatterie in einem elektrisch angetrieben Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Batteriezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Elektrodeneinheiten,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Schutzfolie an der Unterseite einer Elektrodeneinheit und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Elektrodeneinheit.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.

Die in Figur 1 schematisch in einer Explosionsdarstellung dargestellte Batteriezelle 20 ist eine prismatische Batteriezelle 20. Die Batteriezelle 20 weist ein Batteriezellgehäuse auf, das durch einen Gehäusegrundkörper 9 und einen Deckel 4 gebildet wird. Das Batteriezellgehäuse bildet einen mechanisch festen Mantel für die darin angeordneten Elektrodeneinheiten 10a, 10b aus. In der Batteriezelle sind bei dem gezeigten Beispiel zwei Elektrodeneinheiten 10a, 10b in dem Batteriezellgehäuse angeordnet. In den Elektrodeneinheiten 10a, 10b können die Elektrodenschichten beispielsweise als Stapel (Stack) oder Wickel (Jelly Roll) vorliegen. Das Batteriezellgehäuse weist bei dem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Grundfläche auf und ist im Wesentlichen quaderförmig. Der Gehäusegrundkörper 9 und der Deckel 4 des Batteriezellgehäuses können aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium gebildet sein. Es ist möglich, dass das Batteriezellgehäuse zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist.

Die Batteriezelle 20 weist ein erstes Terminal 1 und ein zweites Terminal 2 auf, wobei die Terminals 1 , 2 an dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses angeordnet sind. Die Terminals 1 , 2 sind zur elektrischen Kontaktierung der Pole der Batteriezelle 20 vorgesehen und können jeweils durch eine isolierende Platte 3 von dem Deckel 4 elektrisch isoliert sein. Die Terminals 1 , 2 sind bei dem gezeigten Beispiel jeweils durch ein Niet 6, der durch den Deckel 4 geführt ist, mit Stromkollektoren 8 der Elektrodeneinheit 10 verbunden. Zur Abdichtung der Durchführungen durch den Deckel 4 sind Dichtungen 5 vorgesehen. Die Elektrodeneinheiten 10a, 10b können durch eine Halterung 7, die zwischen den Elektrodeneinheiten 10 und dem Deckel 4 angeordnet ist, und seitliche Halterungen 11 in dem Batteriezellgehäuse fixiert sein.

An dem Deckel 4 des Batteriezellgehäuses ist eine Notentlüftungsöffnung 13 angeordnet. Die Notentlüftungsöffnung 13 ist beim normalen Betrieb der Batteriezelle 20 verschlossen, beispielsweise durch eine Berstmembran. Wenn der Innendruck in der Batteriezelle 20 über eine kritische Grenze steigt (typischerweise zwischen 6 bar und 15 bar), öffnet die Berstmembran, so dass der Druck entweichen kann. Die Berstmembran (nicht dargestellt) kann beispielsweise durch Laserschweißen in der Notentlüftungsöffnung 13 befestigt sein. Die Berstmembran kann beispielsweise eine Dicke von 80 pm bis 400 pm, vorzugsweise von 100 pm bis 300 pm, aufweisen.

Die in der Batteriezelle angeordneten Elektrodeneinheiten 10a, 10b weisen jeweils eine Schutzfolie 12 auf. Die Schutzfolie 12 bedeckt die Elektrodeneinheiten 10a, 10b vorteilhaft im Wesentlichen vollständig. „Im Wesentlichen vollständig“ kann insbesondere bedeuten, dass die Folie die Elektrodeneinheiten abgesehen von eventuellen Öffnungen für elektrische Durchführungen und/oder Öffnungen für das Eindringen eines flüssigen Elektrolyten bedeckt.

Eine schematische Ansicht der Elektrodeneinheiten 10a, 10b im Querschnitt ist in Figur 2 gezeigt. Bei dem gezeigten Beispiel sind zwei Elektrodeneinheiten 10a, 10b nebeneinander angeordnet. Es ist aber möglich, dass die Batteriezelle mehr als zwei Elektrodeneinheiten aufweist, wobei die mehreren Elektrodeneinheiten seriell oder parallel verschaltet sein können. Die Schutzfolie 12 auf den Elektrodeneinheiten 10a, 10b ist vorteilhaft zweilagig ausgeführt. Die Schutzfolie weist eine innere Schicht 12a und eine äußere Schicht 12b auf. Die äußere Schicht 12b weist einen möglichst hohen Schmelzpunkt auf, vorzugsweise von mehr als 150 °C oder sogar mehr als 200 °C. Die äußere Schicht 12b ist insbesondere dazu vorgesehen, die thermische Beständigkeit der Schutzfolie 12 bei einem thermischen Durchgehen einer Elektrodeneinheit 10a, 10b sicherzustellen. Vorzugsweise weist die äußere Schicht 12b ein Polyethylenterephthalat, beispielsweise Mylar, oder ein Polyimid, beispielsweise Kapton, auf. Die innere Schicht 12a kann einen niedrigeren Schmelzpunkt als die äußere Schicht 12b aufweisen. Wenn der Schmelzpunkt der inneren Schicht 12a im Fall eines thermischen Durchgehens einer Elektrodeneinheit überschritten ist und die innere Schicht 12a dadurch geschädigt wird, bleibt die äußere Schicht 12b vorteilhaft noch länger intakt. Die innere Schicht 12a ist vorteilhaft aus einem weicheren Kunststoff als die äußere Schicht 12b gebildet. Die innere Schicht 12a kann insbesondere die Druckverteilung auf die Elektrodeneinheiten 10a, 10b verbessern. Vorzugsweise weist die innere Schicht 12a Polypropylen oder Polyethylen auf. Die zweilagige Schutzfolie 12 weist vorteilhaft eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Schutzfolie vermindert den Wärmetransport zwischen den benachbarten Elektrodeneinheiten 10a, 10b. Bei einem thermischen Durchgehen einer Elektrodeneinheit, beispielsweise der Elektrodeneinheit 10a, wird so ein thermisches Durchgehen der benachbarten Elektrodeneinheit 10b verhindert oder zumindest verzögert. Die in der Batteriezelle entstehende Wärme wird so langsamer frei, so dass die Wärme besser abgeführt werden kann, beispielsweise über den Deckel des Batteriezellgehäuses oder eine Kühlung. Wenn mehrere Batteriezellen in einer Batterie angeordnet sind, wird so einer Schädigung der gesamten Batterie entgegengewirkt.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Schutzfolie 12 an einer dem Boden des Gehäusegrundkörpers 9 zugewandten Fläche. In diesem Bereich ist die Schutzfolie 12 vorteilhaft perforiert. Beispielsweise weist die Schutzfolie 12 in diesem Bereich etwa 10 bis 20 Öffnungen 14 auf. Durch die Öffnungen 14 in der Schutzfolie 12 kann vorteilhaft der Elektrolyt in die Elektrodeneinheiten 10a, 10b eindringen, wenn die Batteriezelle mit einem flüssigen Elektrolyt befüllt wird.

Die Figur 4 zeigt ein Beispiel des Schichtstapels in einer Elektrodeneinheit 10a. Die Elektrodeneinheit 10a umfasst Kupferfolien 15, die mit einem Anodenaktivmaterial 16 beschichtet sind, und Aluminiumfolien 19, die mit einem Kathodenaktivmaterial 18 beschichtet sind.

Das Anodenaktivmaterial 16 ist beispielsweise ein Material aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffhaltigen Materialien, Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Aluminiumlegierungen, Indium, Indiumlegierungen, Zinn, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Anodenaktivmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus synthetischem Graphit, Naturgraphit, Graphen, Mesokohlenstoff, dotiertem Kohlenstoff, Hardcarbon, Softcarbon, Fulleren, Silizium-Kohlenstoff-Komposit, Silizium, oberflächenbeschichteten Silizium, Silizium-Suboxid, Siliziumlegierungen, Lithium, Aluminiumlegierungen, Indium, Zinnlegierungen, Cobaltlegierungen und Mischungen davon.

Das Kathodenaktivmaterial 18 kann ein Schichtoxid wie beispielsweise ein Lithium-Nickel- Mangan-Cobalt-Oxid (NMC), ein Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA), ein Lithium- Cobalt-Oxid (LCO) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Oxid (LNCO) aufweisen. Das Schichtoxid kann insbesondere ein überlithiiertes Schichtoxid (OLO, overlithiated layered oxide) sein. Andere geeignete Kathodenaktivmaterialien sind Verbindungen mit Spinellstruktur wie z.B. Lithium-Mangan-Oxid (LMO) oder Lithium-Mangan-Nickel-Oxid (LMNO), oder Verbindungen mit Olivinstruktur wie z.B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) oder Lithium-Mangan-Eisen-Phosphat (LMFP).

Das Anodenaktivmaterial 16 ist jeweils durch einen Separator 17 von dem Kathodenaktivmaterial 18 getrennt. Der Separator 17 ist insbesondere eine Folie und weist ein Material auf, das für Lithiumionen durchlässig, aber für Elektronen undurchlässig ist. Als Separatoren können Polymere eingesetzt werden, insbesondere ein Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, Polyacrylnitrilen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinyliden-Hexafluoropropylen, Polyetherimid, Polyimid, Aramid, Polyether, Polyetherketon, synthetische Spinnenseide oder Mischungen davon. Der Separator kann optional zusätzlich mit keramischem Material und einem Binder beschichtet sein, beispielsweise basierend auf AI2O3.

In der Elektrodeneinheit 10a kann sich eine Schichtenfolge S, die eine beidseitig mit dem Anodenaktivmaterial 16 beschichtete Kupferfolie 15, eine beidseitig mit dem Kathodenaktivmaterial 18 beschichtete Aluminiumfolie 19 und Separatoren 17 aufweist, mehrfach wiederholen (in der Zeichnung angedeutet als N * S). Den Abschluss der Elektrodeneinheit 10a bildet auf beiden Seiten eine mit dem Anodenaktivmaterial 16 beschichtete Kupferfolie 15.

Obwohl die Erfindung im Detail anhand von Ausführungsbeispielen illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können andere Variationen der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste

1 erstes Terminal

2 zweites Terminal

3 isolierende Platte

4 Deckel

5 Dichtung

6 Niet

7 Halterung

8 Stromkollektor

9 Gehäusegrundkörper

10 Elektrodeneinheit

11 seitliche Halterung

12 Schutzfolie

12a innere Schicht

12b äußere Schicht

13 Notentlüftungsöffnung

14 Öffnung

15 Kupferfolie

16 Anodenaktivmaterial

17 Separator

18 Kathodenaktivmaterial

19 Aluminiumfolie

20 Batteriezelle