Titel

Batteriezelle Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelle mit einem formstabilen

Batteriezellengehäuse umfassend einen Polanschluss und einen Leiter, wobei der Leiter den Polanschluss mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet. Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, als auch bei Elektronikgeräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen, neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe

Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.

In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen Batterien zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den

Antrieb unterstützt bzw. als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien

Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Zellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die

Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein- (Interkalation) oder wieder auslagern

(Deinterkalation) können.

Batteriezellen besitzen als Schutzmechanismus oftmals eine Art innere

Sicherung, die sicherstellt, dass bei einem zu hohen Überstrom der Stromfluss durch die Batteriezelle unterbrochen wird und damit andere Batteriezellen im Zellverband geschützt werden. Diese Art der Sicherung findet vor allem bei Lithium-Ionen-Akkus in Form eines sogenannten CID (current Interrupt device) Anwendung.

Beispielsweise beschreibt die US 2010/0255351 A1 eine prismatische

Batteriezelle mit einem nachgiebigen Batteriezellengehäuse, welches durch eine Folie realisiert ist. Die elektrischen Anschlüsse an die Batteriezelle sind als Blechstreifen ausgeführt, wobei ein elektrischer Anschluss eine Perforierung aufweist, so dass der Polanschluss als Sicherung dient.

Bei Batteriezellen mit einem formstabilen Batteriezellengehäuse (Hardcase Batteriezellengehäuse) besteht die Möglichkeit der Absicherung der Batteriezelle darin, gewöhnliche Schmelzsicherungen außerhalb der Batteriezelle zu montieren, um hier ein Abschalten zu erzwingen. In der Regel ist eine Sicherung jedoch im Inneren der Batteriezelle assembliert. Eine Sicherung im Inneren einer elektrochemischen Zelle kann beim Auslösen zu ungünstigen

Spannungsverteilungen (teilweise zu einer Spannungsumkehr) innerhalb der Batteriezelle führen, was zu ungewollten Folgereaktionen führen kann.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit einem formstabilen

Batteriezellengehäuse umfassend einen Polanschluss und einen Leiter zur Verfügung gestellt, wobei der Leiter den Polanschluss mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch verbindet. Der Leiter bildet einen Sicherungsbereich mit einem Hohlraum aus, wobei ein Leiterquerschnitt eine um den Hohlraum umlaufende Gestalt aufweist und der Leiterquerschnitt im Sicherungsbereich des Hohlraumes kleiner ist als in den angrenzenden Bereichen des Leiters, derart, dass der Leiter im Sicherungsbereich als Schmelzsicherung wirkt.

Der Leiter kann je nach Bedarf mit einer Anode als auch mit einer Kathode der Batteriezelle verschaltet sein.

Wie beschrieben ist gemäß dem Stand der Technik bei prismatischen

Batteriezellen mit formstabilen Batteriezellengehäusen (Hardcase Batteriezellen) in der Regel eine Sicherung im Inneren des Batteriezellengehäuses angeordnet. Dadurch konnte es bisher durch das Auslösen der Sicherung im Inneren der Batteriezelle zu einer ungünstigen Potenzialverteilung kommen, wodurch ungewollte Nachfolgereaktionen initiiert werden können (z. B. Korrosion des Batteriezellengehäuses oder eines Stromkollektors - jener Teil, welcher mit einer Elektrode der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist). Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Sicherungsbereiches im Leiter, der den Polanschluss mit dem Stromkollektor verbindet, wird es ermöglicht, den

Sicherungsbereich z. B. außerhalb des Batteriezellengehäuses anzuordnen. Bevorzugt ist der Leiter ein Teil des Stromkollektors und insbesondere bevorzugt ist der Leiter mit dem Stromkollektor einstückig ausgeführt. Ferner ist es durch die Erfindung möglich, den Sicherungsbereich des Leiters räumlich von einem chemisch aktiven Teil der Batteriezelle zu trennen. Dadurch werden die

Potenzialverteilungen im Inneren der Batteriezelle nicht verändert. Dies bewirkt stabile elektrochemische Verhältnisse und Prozesse, während die vollständige Funktionalität und Zuverlässigkeit einer Schmelzsicherung in die Batteriezelle integriert ist.

Durch den im Sicherungsbereich kleineren Leiterquerschnitt verglichen mit den an den Sicherungsbereich angrenzenden Bereichen, ergibt sich im

Leiterquerschnitt ein erhöhter Widerstand. Bei unzulässig hohen Strömen erwärmt sich der Leiter im Sicherungsbereich so stark, dass das Material des Leiters im Sicherungsbereich schmilzt und den Strom unterbricht. Dadurch, dass die Verkleinerung des Leiterquerschnittes im Sicherungsbereich durch einen Hohlraum und nicht durch eine Einengung des Leiters bewirkt wird, wird die Biegesteifigkeit des Leiters im Vergleich zu einem Vollkörper mit gleichem Außendurchmesser nur unwesentlich verringert.

Eine Sensitivität des Sicherungsbereiches des Leiters kann beispielsweise durch die Formgestaltung, zum Beispiel durch die Länge des Sicherungsbereiches in Leiterrichtung und den Leiterquerschnitt im Sicherungsbereich eingestellt werden. Bevorzugt weist der Leiter im Sicherungsbereich eine rohrförmige Kontur auf. Solche Strukturen sind kostengünstig herzustellen und lassen sich gut in den Leiter integrieren. Vorzugsweise ist der Leiter im Sicherungsbereich dazu ausgelegt, bei einem

Strom > 25 % des Kurzschlussstroms der voll geladenen Batteriezelle zu schmelzen. Dadurch wird ein unzulässig hoher Strom durch die Batteriezelle unterbunden, bevor sich die Batteriezelle zu stark erwärmen kann und es durch die Erwärmung zu Folgeschäden kommt.

Eine weitere Beeinflussung der Sensitivität des Sicherungsbereiches kann erfolgen, indem die Oberfläche des Leiters im Sicherungsbereich eine Struktur und/oder Textur aufweist. Beispielsweise können durch gezielte Verjüngungen des Leiterquerschnittes der Wärmefluss und der lokale Widerstand beeinflusst werden. Bei den Strukturen können die gleichen Strukturen verwendet werden, wie sie in den klassischen Schmelzsicherungen z. B. bei

Überstromabsicherungen im Haushalt, Industrieanlagen usw. eingebracht werden. Vorzugsweise umfasst der Leiter im Sicherungsbereich wenigstens eine Verjüngung des Leiterquerschnittes. Gemäß einer weiteren bevorzugten

Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Leiter im Sicherungsbereich in

Leiterrichtung alternierende Verdickungen und Verjüngungen des

Leiterquerschnittes. Die Verjüngungen fungieren als Hitzequellen, während die Verdickungen als Hitzesenken wirken. Hierdurch erfolgt ein bevorzugtes

Aufschmelzen der Verjüngungen, die Funktion der Sicherung findet somit an einem definierten Ort statt.

Eine weitere Möglichkeit das Verhalten des Sicherungsbereiches des Leiters einzustellen, ist die Verwendung ausgewählter Materialien für den

Sicherheitsbereich. So kann der Leiter im Sicherungsbereich Wolfram, Kupfer, Aluminium oder Silber enthalten oder aus denselben bestehen. Ebenso eignen sich Legierungen, wie zum Beispiel eine Legierung aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan (bekannt unter dem Markennamen Konstantan der Firma ThyssenKrupp). Des Weiteren geeignet sind Bronzen, insbesondere bevorzugt Zinn-, Zink- oder Aluminiumbronze. Diese Materialien können beispielsweise als Zylinderrohre in den Sicherungsbereich eingebracht werden und mit

angrenzenden Teilen des Leiters mittels klassischer Verbindungstechniken wie z. B. Laserschweißen, Einpressen, Nieten usw. verbunden werden. Ferner sind auch Ausformungen des Leiters im Sicherungsbereich mittels

Halbleiterelementen oder leitfähigen Keramiken denkbar. Bevorzugt ist in den Hohlraum ein Löschmedium eingebracht. Das Löschmedium kann während des Schmelzens des Leiters im Sicherungsbereich die sich bildende Metallschmelze aufnehmen und binden. Zudem können Lücken, welche durch das Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich entstehen, durch einen Eintritt des Löschmediums gefüllt und dadurch sich in den Lücken entstehende Lichtbögen gelöscht werden. Der Stromfluss wird hierdurch schnell unterbrochen.

Vorzugsweise enthält das Löschmedium Quarzsand. Ebenso kommen

Mischungen aus Quarzsand mit anderen Mineralien, z. B. Aluminiumoxid in Betracht. Die Mischungen, und Parameter wie Korngrößen usw. orientieren sich unter anderem daran, wie schnell der Strom beim Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich unterbrochen werden soll und wie heiß der Sicherungsbereich beim Auslösen werden soll.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (Sekundärzelle). Lithium-Ionen-Batteriezellen zeichnen sich durch eine hohe Leistungs- und Energiespeicherdichte aus, wodurch besonders im Bereich der Elektromobilität weitere Vorteile entstehen.

Ferner wird eine Batterie umfassend eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Batteriezellen zur Verfügung gestellt. Die Batteriezellen sind dazu parallel und/oder in Reihe miteinander über ihre Polanschlüsse verschaltet.

Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie zur Verfügung gestellt, wobei das Batteriemodul in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben oder der Beschreibung zu entnehmen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, Figur 2 eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich der Batteriezelle gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, und

Figur 3 eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich der Batteriezelle gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer

erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer ersten bevorzugten

Ausführungsform. Ein Leiter 10 ist durch eine Öffnung im Batteriezellendeckel 34 (Cap Plate), welcher einen Teil eines Batteriezellengehäuses darstellt, aus dem

Inneren der Batteriezelle nach außen geführt. Außerhalb des

Batteriezellengehäuses ist der Leiter 10 über eine elektrisch leitfähige

Verbindung 30 mit einem Polanschluss 14 verbunden, wobei in der Regel sowohl der Leiter 10 als auch der Polanschluss 14 aus Metall sind. Der in Figur 1 untere Teil des Leiters 10, welcher sich innerhalb des Batteriezellengehäuses befindet, ist mit einem Stromkollektor der Batteriezelle elektrisch leitfähig verbunden.

Bevorzugt kann der Leiter 10 auch ein Teil des Stromkollektors sein und insbesondere bevorzugt ist der Leiter 10 mit dem Stromkollektor einstückig ausgeführt. Um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Leiter 10 und dem Batteriezellendeckel 34 zu verhindern, wird der Leiter 10 vom

Batteriezellendeckel 34 durch elektrische Isolatoren 32 getrennt. Der Leiter 10 bildet einen Sicherungsbereich 16 mit einem Hohlraum 12 aus. Der Hohlraum 12 kann beispielsweise eine Bohrung in einem zylindrischen Leiter 10 sein, wodurch der Leiter 10 im Sicherungsbereich eine rohrförmige Kontur aufweist. Der Sicherungsbereich 16 weist verglichen mit den, an den Sicherungsbereich 16 angrenzenden Bereichen des Leiters 10 über eine Sicherungslänge 18 einen kleineren Leiterquerschnitt 20 (stromdurchflossene Fläche) auf. Der in der Figur gezeigte Leiterquerschnitt 20 des Sicherungsbereiches 16 bezeichnet einen ringförmigen Leiterquerschnitt 20, welcher durch zwei konzentrische Kreise mit unterschiedlichen Radien begrenzt wird. Die Bemaßung des Leiterquerschnittes

20 zeigt also die Differenz der Radien der beiden konzentrischen Kreise.

Ein elektrischer Widerstand bei einem Stromfluss durch den Leiter 10 wird im Wesentlichen durch den elektrischen Widerstand im Sicherheitsbereich 16 des Leiters 10 bestimmt. Der elektrische Widerstand berechnet sich entsprechend der physikalischen Formel: R = p ^* I / A. Mit R = ohmscher Widerstand des Sicherungsbereiches 10, p = spezifischer Widerstand des verwendeten

Materials, I = Sicherungslänge 18, und A = Leiterquerschnitt 20. Der spezifische Widerstand ist eine Materialkonstante, wodurch der elektrische Widerstand des Sicherungsbereiches bei gegebenem Material durch die Sicherungslänge 18 und den Leiterquerschnitt 20 eingestellt werden kann. Im gezeigten Beispiel ist die

Sicherungslänge 18 die freie Länge des hohlzylindrischen Leiters 10, die nicht mit anderen metallischen und somit leitenden Materialien verbunden ist. Der Leiter kann aber in Verbindung mit Isolatoren, z. B. Kunststoffen oder Keramiken stehen.

Im Falle eines Kurzschlusses wird die komplette Verlustleistung P _Ve riust = l ^2* R in Wärmeleistung Pwärme = C _p ^* m ^* AT / At umgesetzt. Mit C _p = spezifische

Wärmekapazität, m = Masse des Leiters im Sicherungsbereich 16, AT =

Temperaturdifferenz des Leiters im Sicherungsbereich, wobei die obere

Temperatur die Schmelztemperatur des Leiters im Sicherungsbereich und die untere Temperatur die Raumtemperatur ist, At = Zeitspanne bis zum Schmelzen des Leiters im Sicherungsbereich.

So ergibt sich beispielsweise für Kupfer als Leitermaterial im Sicherungsbereich ein AT Wert von ca. 1330 K. Dieser AT Wert sollte als Zielvorgabe im

Kurzschlussfall beispielsweise innerhalb von 50 ms quasi-adiabatisch mit der Umgebung bei einem Stromfluss von 2000 A erreicht werden. Aus diesen Parametern können die Sicherungslänge 18 und der Leiterquerschnitt 20 für die Auslegung der Sicherung ermittelt werden. Die Formel m = p _m ^* I ^* A, mit p _m = Dichte des Leitermaterials im Sicherungsbereich stellt den Zusammenhang zwischen den oben genannten Formeln des ohmschen Widerstandes R und der Wärmeleistung P _W ärme her.

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer

erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer zweiten bevorzugten

Ausführungsform. Im Unterschied zur in Figur 1 gezeigten ersten

Ausführungsform weist der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 eine

Sicherungsstruktur 22 auf. Dazu kann der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 und beispielsweise über die gesamte Sicherungslänge 18 in Leiterrichtung alternierende Verdickungen und Verjüngungen des Leiterquerschnittes 20 umfassen. Bei unzulässig hohen Strömen durch den Leiter 10 fungieren die Verjüngungen als Wärmequellen, während die Verdickungen als Wärmesenken wirken, wodurch der Leiter 10 im Sicherungsbereich 16 innerhalb der

Verjüngungen zu schmelzen beginnt.

Figur 3 zeigt eine Schnittansicht durch einen Anschlussbereich einer erfindungsgemäßen Batteriezelle gemäß einer dritten bevorzugten

Ausführungsform. In den Hohlraum 12 ist im Sicherungsbereich 16 ein

Löschmedium 26 eingebracht. Damit das Löschmedium 26 bei

Vibrationsbelastungen oder bei Bewegungen, bei welchen der Leiter oder die Batteriezelle über Kopf gelagert wird, nicht herausfällt, ist der Hohlraum 12 mit einem Verschluss 28 verschlossen. Bei Löschmedien 26, welche auf Sand basieren, kann das Verschließen erfolgen, indem der oberste Teil des Sandes durch eine Flamme mit hoher Temperatur angeschmolzen wird. Hierdurch entsteht ein Glaspfropfen, welcher kombiniert mit einer entsprechenden geometrischen Anpassung des Leiters 10 ein Herausfallen des Löschmediums 26 verhindert. In Figur 3 ist diese Anpassung des Leiters als rundum laufende Nut auf Höhe des Verschlusses 28 ersichtlich.