DE102013224751A1 - Battery cell with auxetic components - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Batteriezelle (12) mit einer positiven Elektrode (4), einer negativen Elektrode (6) sowie einem Separator, welcher zwischen den Elektroden (4, 6) angeordnet ist, beschrieben, wobei mindestens eine Komponente der Batteriezelle (12) ein auxetisches Material (3) umfasst.A battery cell (12) having a positive electrode (4), a negative electrode (6) and a separator which is arranged between the electrodes (4, 6) is described, wherein at least one component of the battery cell (12) is an auxetic Material (3) includes.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batteriezelle, insbesondere eine Batteriezelle mit einer elementares Lithium enthaltenden Elektrode, wobei mindestens eine Komponente der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The present invention relates to a battery cell, in particular a battery cell with an elementary lithium-containing electrode, wherein at least one component of the battery cell comprises an auxetic material according to the preamble of the independent claims.
Stand der TechnikState of the art
Eine Batteriezelle 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 Windkraftanlagen, in Kraftfahrzeugen, die als Hybrid- oder Elektrokraftfahrzeuge ausgelegt sind, wie auch bei Elektronikgeräten neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.A battery cell is an electrochemical energy storage device that, when discharged, converts the stored chemical energy into electrical energy through an electrochemical reaction. It is becoming apparent that in the future, both in stationary applications, such as wind turbines, in motor vehicles, which are designed as hybrid or electric motor vehicles, as well as electronic devices, new battery systems will be used, to the very high demands in terms of reliability, safety, Performance and life are made.
Aufgrund ihrer großen Energiedichte wird insbesondere auf Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien sowie Lithium-Luft-Batterien als Energiespeicher für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge zurückgegriffen. Ein Aufquellen derartiger Batteriezellen, beispielsweise aufgrund deren Alterung, wird derzeit durch ein Stahlband vermindert, welches die Batteriezelle bzw. die Batteriezellen in Form hält.Due to their high energy density is used in particular lithium-ion batteries, lithium-sulfur batteries and lithium-air batteries as energy storage for electrically powered vehicles. A swelling of such battery cells, for example, due to their aging, is currently reduced by a steel strip, which holds the battery cell or the battery cells in shape.
In der
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelle mit mindestens einer Komponente aus auxetischem Material mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Dies beruht insbesondere darauf, dass auxetische Materialien durch eine negative Poisson‘sche Zahl (Querkontraktionszahl) charakterisiert sind, was bedeutet, dass diese Materialien sich bei einer Materialstreckung quer zur Zugrichtung ausdehnen. Umgekehrt zieht sich dieses Material bei einer Druckbelastung quer zur Druckrichtung zusammen und verfestigt sich. Dieser Effekt beruht auf der Struktur dieser Materialien welche beispielsweise gitter- oder wabenförmig ist. According to the invention, a battery cell is provided with at least one component of auxetic material having the characterizing features of the independent claims. This is due, in particular, to the fact that auxetic materials are characterized by a negative Poisson's number (transverse contraction number), which means that these materials expand in a material stretch transverse to the tensile direction. Conversely, this material contracts at a pressure load transversely to the printing direction and solidifies. This effect is based on the structure of these materials which, for example, is lattice or honeycomb.
Die Reaktion auxetischer Materialien auf verschiedene Bewegungen und Krafteinwirkungen unterscheidet sich zu der Reaktion von Materialien ohne auxetische Eigenschaften. The reaction of auxetic materials to different motions and forces differs from the reaction of materials without auxetic properties.
Aufgrund der Alterung einer Batteriezelle oder aufgrund von Lade- und Entladevorgängen nimmt der Druck in ihrem Inneren zu, was zu einem Aufquellen der Batteriezelle führt. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn sich Batteriezellen nicht aufblähen, da ein Aufblähen mit einer Minderung derer Leistungsfähigkeit einhergeht. Es ist daher vorteilhalft, wenn Komponenten einer Batteriezelle auxetische Materialien umfassen, da Bewegungen der Batteriezelle durch diese verhindert oder zumindest vermindert werden. Dadurch werden Veränderungen der Batteriezelle, beispielsweise aufgrund von Alterserscheinungen, die die Lebenszeit einer Batteriezelle vermindern, unterdrückt. Somit steigt sowohl die Lebenszeit als auch die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle durch den Einsatz auxetischer Materialien in der Batteriezelle. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung auxetischer Materialien in der Batteriezelle ergibt sich durch die Absorption von stoßartigen Kräften durch das auxetische Material. Befindet sich die Batteriezelle beispielsweise in einem Batteriesystem eines Fahrzeugs, so werden stoßartige Kräfte, wie sie beispielsweise bei einem Aufprall, verursacht beispielsweise durch einen Unfall oder bei der Fortbewegung auf unebenen Fahrbahnen vorkommen, durch das auxetische Material abgefangen. Das auxetische Material zieht sich an der Stelle der Krafteinwirkung zusammen und verfestigt sich dadurch. Zudem haben auxetische Materialien eine hohe Bruchfestigkeit. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Batteriezellschädigung erheblich reduziert, was zusätzliche Sicherheit für Insassen eines Fahrzeuges bietet.Due to the aging of a battery cell or due to charging and discharging the pressure in its interior increases, resulting in a swelling of the battery cell. However, it is advantageous if battery cells do not inflate, since puffing is associated with a reduction in their performance. It is therefore advantageous if components of a battery cell comprise auxetic materials, since movements of the battery cell are prevented by these or at least reduced. As a result, changes in the battery cell, for example, due to aging, which reduce the lifetime of a battery cell, suppressed. Thus, both the lifetime and the performance of the battery cell increases by the use of auxetic materials in the battery cell. Another advantage of using auxetic materials in the battery cell is the absorption of impact forces by the auxetic material. For example, if the battery cell is in a battery system of a vehicle, jerky forces, such as those caused by an impact caused by, for example, an accident or when traveling on uneven roads, are intercepted by the auxetic material. The auxetic material contracts at the site of force and solidifies. In addition, auxetic materials have a high breaking strength. In this way, the risk of battery cell damage is significantly reduced, which provides additional security for occupants of a vehicle.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Batteriezelle mit mindestens einer Komponente aus auxetischem Material ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantageous embodiments of the present battery cell with at least one component of auxetic material emerge from the subclaims.
In einer ersten Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein poröser Kollektor einer Elektrode der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst. Unter dem Kollektor einer Elektrode einer Batteriezelle wird ein Trägermaterial verstanden, welches mit aktivem Elektrodenmaterial beschichtet ist und von welchem die Spannung der Batteriezelle abgegriffen wird.In a first embodiment, it is particularly advantageous if at least one porous collector of an electrode of the battery cell comprises an auxetic material. Under the collector of an electrode of a battery cell is understood a carrier material which is coated with active electrode material and from which the voltage of the battery cell is tapped.
Während eines Ladevorgangs kann das aktive Material der Elektrode schwammartig aufquellen, was zu einem Leistungsverlust der Batteriezelle und zu einem Druckanstieg in dieser führt. Kollektoren von Elektroden, welche ein auxetisches Material umfassen, absorbieren das Anschwellen des aktiven Elektrodenmaterials zumindest teilweise und mindern so den Druckanstieg in der Batteriezelle. Auf diese Weise bleibt der Innendruck in der Batteriezelle über einen Zeitraum konstant, wodurch mehr Ladezyklen möglich sind, was zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle führt. During a charging process, the active material of the electrode may swell up like a sponge, resulting in a loss of power of the battery cell and an increase in pressure therein. Collectors of electrodes comprising an auxetic material at least partially absorb the swelling of the active electrode material, thus reducing the pressure increase in the battery cell. In this way, the internal pressure in the battery cell remains constant over a period of time, whereby more charging cycles are possible, resulting in a longer life of the battery cell.
Zudem werden lokale Druckspitzen, wie sie beispielsweise bei einem Stoß oder einem Aufprall auftreten, gleichmäßig über die gesamte Fläche des Kollektors der Elektrode verteilt. Solch ein Aufprall oder Stöße können beispielsweise in einem Fahrzeug, in welchem die Batteriezelle in ein Batteriesystem integriert ist, bei einem Unfall oder bei der Fortbewegung auf unebenen Fahrbahnen, auftreten. Die Absorption und Verteilung von auf den Kollektor der Elekrode einwirkenden Kräften verlängert die Lebensdauer der Elektrode und somit der Batteriezelle und schützt vor Beschädigungen und deren Folgen, wie beispielsweise einem Druchgehen der Batteriezelle. Auf diese Weise werden auch Fahrzeuginsassen geschützt.In addition, local pressure peaks, as they occur, for example, in a shock or an impact, evenly distributed over the entire surface of the collector of the electrode. Such an impact or impact may occur, for example, in a vehicle in which the battery cell is integrated into a battery system, in an accident or when traveling on uneven roads. The absorption and distribution of forces acting on the collector of the electrode extends the life of the electrode and thus the battery cell and protects against damage and its consequences, such as a drifting of the battery cell. In this way, vehicle occupants are protected.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das auxetische Material, welches der poröse Kollektor der Elektrode umfasst, ein metallischer Schaum ist, da bevorzugt Schäume, insbesondere offenporige Schäume, aufgrund ihrer niedrigen Dichte als Ausgangsmaterial für die Herstellung auxetischer Materialien verwendet werden. Durch deren geringe Dichte bleibt mehr Platz um die beispielsweise zunächst wabenförmigen Wandungen der Poren bei der Herstellung auxetischer Materialien zu deformieren, was den Herstellprozess vereinfacht.It is furthermore advantageous if the auxetic material which comprises the porous collector of the electrode is a metallic foam, since foams, in particular open-pore foams, are preferably used as starting material for the production of auxetic materials because of their low density. Due to their low density, there is more space around the, for example, initially honeycomb walls of the pores in the production of auxetic materials to deform, which simplifies the manufacturing process.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Kollektor der Elektrode, welcher einen metallischen Schaum umfasst, durch Auflaminieren einer metallischen Folie beschichtet. Eine Aufbringung der Beschichtung durch Laminieren ist im Vergleich zu anderen Methoden kostengünstig. Weiterhin vorteilhaft ist, dass der metallische Schaum durch die auflaminierte Beschichtung geschützt wird. Eine auflaminierte Beschichtung ist ein idealer Abriebschutz und zudem beständig gegen Chemikalien, sowie nahezu unzerreissbar. So kann die Lebensdauer des auxetischen Materials durch eine auflaminierte Beschichtung verlängert werden. In a preferred embodiment, the porous collector of the electrode comprising a metallic foam is coated by laminating a metallic foil. Application of the coating by lamination is inexpensive compared to other methods. It is further advantageous that the metallic foam is protected by the laminated coating. A laminated coating is an ideal abrasion protection and also resistant to chemicals, as well as almost unbreakable. Thus, the life of the auxetic material can be extended by a laminated coating.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der poröse Kollektor der Elektrode, welcher einen metallischen Schaum umfasst, durch Tränken mit flüssigem Schwefel beschichtet. Die Poren des metallischen Schaumes werden hierbei durch eine Vakuumtränkung mit geschmolzenem Schwefel gefüllt. Auf diese Weise werden gleichmäßige Beschichtungen von guter Qualität erhalten. Zudem ist die Herstellung der Beschichtung vergleichsweise einfach.In a further preferred embodiment, the porous collector of the electrode, which comprises a metallic foam, is coated by impregnation with liquid sulfur. The pores of the metallic foam are filled by a vacuum impregnation with molten sulfur. In this way, uniform coatings of good quality are obtained. In addition, the production of the coating is relatively simple.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn mindestens eine Folie im Inneren der Batteriezelle ein auxetisches Material umfasst. Einem altersbedingten oder durch Lade- und Entladevorgänge in der Batteriezelle bedingten Anschwellen der Batteriezelle wirken Folien mit auxetischen Eigenschaften entgegen, indem sie den Druckanstieg an den entsprechenden Stellen absorbieren und somit mindern. Auftretende lokale Druckspitzen werden zudem gleichmäßig über die gesamte Fläche der Folie verteilt. Auf diese Weise bleibt der Innendruck in der Batteriezelle über einen Zeitraum konstant, wodurch mehr Ladezyklen möglich sind, was zu einer längeren Lebensdauer der Batteriezelle führt.A further advantageous embodiment results if at least one film in the interior of the battery cell comprises an auxetic material. An age-related or caused by charging and discharging in the battery cell swelling of the battery cell act against films with auxetic properties by absorbing the pressure increase at the appropriate points and thus reduce. Occurring local pressure peaks are also distributed evenly over the entire surface of the film. In this way, the internal pressure in the battery cell remains constant over a period of time, whereby more charging cycles are possible, resulting in a longer life of the battery cell.
Desweiteren können durch eine Reduzierung der Eigenbewegung der Batteriezellen durch mindestens eine auxetische Folie Bauteile, die an die Batteriezelle angrenzen, wie beispielsweise ein Zellverbinder, unbeweglicher ausgeführt sein, ohne Schaden zu nehmen.Furthermore, by reducing the proper movement of the battery cells by at least one auxetic film components that are adjacent to the battery cell, such as a cell connector, immobile to run without damage.
Ein weiterer Vorteil bei dem Einsatz mindestens einer auxetischen Folie im Inneren der Batteriezelle ist, dass die auxetische Struktur Poren enthält, aufgrund welcher diese Folien gute thermische Isolatoren sind. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen Batteriezellen verhindert oder gemindert, was beispielsweise bei einem Druchgehen der Batteriezelle vorteilhaft ist. Another advantage of using at least one auxetic film inside the battery cell is that the auxetic structure contains pores, which makes these films good thermal insulators. As a result, the heat transfer between battery cells is prevented or reduced, which is advantageous, for example, when the battery cell is passed.
Es ist von Vorteil wenn die auxetische Folie im Inneren der Batteriezelle eine Separatorfolie ist, da eine Separatorfolie unmittelbar an die Elektroden angrenzt, also an den Ort, an dem das Anschwellen der Batteriezelle, beispielsweise während eines Ladevorgangs, seinen Ursprung nimmt. Durch das Anschwellen der Batteriezelle werden die einzelnen Lagen, bestehend aus Anode, Separatorfolie und Kathode, zusammengepresst. Die dadurch auf die mindestens eine Separatorfolie wirkenden Kräfte werden durch diese aufgenommen und gleichmäßig in der Separatorfolie verteilt. An dem Ort der Krafteinwirkung versteift sich das auxetische Material der Separatorfolie durch ein Zusammenziehen der Poren und stellt so einen erhöhten Widerstand gegen eine Krafteinwirkung dar. Dadurch wird ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle verhindert.It is advantageous if the auxetic foil inside the battery cell is a separator foil, since a separator foil directly adjoins the electrodes, that is to say to the place where the swelling of the battery cell, for example during a charging process, originates. Due to the swelling of the battery cell, the individual layers, consisting of anode, Separatorfolie and cathode, compressed. The forces acting on the at least one separator film are absorbed by these and distributed evenly in the separator film. At the location of the force, the auxetic material of the separator film stiffens by a contraction of the pores and thus provides an increased resistance to a force. This prevents further swelling of the battery cell.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die auxetische Folie als Inletfolie ausgeführt ist. Unter einer Inletfolie wird eine Folie verstanden, welche im Inneren der Batteriezelle angeordnet ist und vorteilhaft die gewickelten oder gestapelten Komponenten, bestehend aus Anode, Separatorfolie und Kathode, umschließt.In an alternative or additional embodiment, it is advantageous if the auxetic film is designed as an inlet film. Under an Inletfolie is understood a film which is arranged in the interior of the battery cell and advantageously the wound or stacked components consisting of anode, separator film and cathode encloses.
Ein Anschwellen der gewickelten oder gestapelten Komponenten kann durch die Inletfolie gemindert werden, indem sich die Inletfolie an den Stellen versteift, an denen eine durch die anschwellenden Komponenten verursachte Kraft auf diese einwirkt. Dadurch erhöht sich der Widerstand der Inletfolie gegen die Krafteinwirkung, wodurch ein weiteres Anschwellen der Batteriezelle verhindert wird.Swelling of the wound or stacked components can be alleviated by the inlet sheet by stiffening the inlet sheet at the locations where force applied by the intumescent components acts thereon. As a result, the resistance of the inlet foil increases against the action of force, whereby further swelling of the battery cell is prevented.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the present invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
In
In
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform liegen die einzelnen Schichten bestehend aus Anoden
In einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein beschriebener auxetischer poröser Kollektor
Durch eine Reduzierung der Eigenbewegungen von Batteriezellen
Beispielsweise kann ein nicht dargestellter Zellverbinder, welcher beispielsweise Aluminium, Nickel, Kupfer oder eine Metalllegierung enthält, steifer ausgeführt sein, da keine oder gegebenenfalls minimale Bewegungen der Batteriezellen
Es gibt auch Materialien mit einer positiven Querkontraktionszahl, welche wabenähnliche Gitterstrukturen aufweisen, die sich jedoch wie auxetische Materialien
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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