Innovative Fixierungselemente für Pouch-Zellen

Batterien sind eine Schlüsselkomponente der Industrie, ob mobil oder stationär. Allen voran die Lithium-Batterie mit ihrer hohen Energiedichte. Großformatige Lithium-Batterie-Systeme sind bereits in einer Vielzahl von Applikationen im Einsatz. Dazu gehören Automobile mit Mikro-, Voll- und Plug-in-Hybriden sowie reine Elektrofahrzeuge. Batterien für die „Industrie“ finden sich in Gabelstaplern, Roboter- und Nutzfahrzeugen. Für die in großformatigen Systemen verwendeten Zellen kommen grundsätzlich drei verschiedene Bauformen in Betracht: Rundzellen und prismatische Zellen mit einem jeweils festen Gehäuse sowie Pouch-Zellen mit einer flexiblen, folienbasierten Umhüllung.

Pouch-Zellen bieten aufgrund ihres geringeren Gewichtes im Vergleich zu Zellformen mit festen Gehäusen eine höhere Leistungsdichte und die einfache Skalierbarkeit der Zellgröße. Hinzu kommen eine schnellere Produktion der kompletten Batterie-Systeme und niedrigere Herstellungskosten. Nachteilig ist bislang die Montierbarkeit der flexiblen Pouch-Zellen in ein festes Batterie-Gehäuse da die Ausdehnung der Zelldicke je nach Ladezustand berücksichtigt werden muss.

Pouch-Zellen mit Rahmendichtung

Um eine optimale Lösung zur Einbettung von Pouch-Zellen in Modulen/Gehäusen zu entwickeln, verfolgt Freudenberg Sealing Technologies zwei Konzepte. Das erste basiert auf einem Zell-Rahmen, der auf eine bestimmte Zellgröße optimiert ist; das zweite auf einer Profildichtung, die in einer Richtung flexibel ausgelegt ist. Die wesentliche Unterschiede liegen im Schwerpunkt der Anwendung: Während der Zell-Rahmen seine Vorzüge vor allem bei robusten Anforderungen ausspielt, folgt das profilbasierte Konzept den Forderungen der Batterie-Hersteller, möglichst schnell auf Zell-Design-Änderungen reagieren zu können. Bei beiden Lösungen sind die Zellen elastisch fixiert, damit die mechanische Belastung über die gesamte Lebensdauer so gering wie möglich ist. Zusätzlich kann eine Sicherheitsfunktion für die gerichtete Entfernung von Schadgasen bei ungeplanter Zellöffnung implementiert werden.

Im ersten Konzept wird ein fester thermoplastischer Rahmen für ein spezielles Zell-Design entwickelt, in dem die Zelle eingelegt wird. Das ermöglicht eine optimale Lagerung und die Integration von Zusatzfunktionen wie eine Sollbruchstelle für die Zellen mit Hilfe sogenannter „Abblas-Kanäle“. Im Falle einer schadhaften Funktion der Zelle (z.B. ein innerer Kurzschluss) – verbunden mit steigendem innerem Druck – stellt die umlaufende Dichtung mit integrierter Sollbruchstelle sicher, dass aus der Zelle freigesetztes Gas gezielt abgeführt wird. Das vermeidet dessen Kontakt mit stromführenden Bauteilen und daraus entstehende Risiken.

Da sowohl hohe als auch inhomogene Temperaturen die Lebensdauer der Batterien deutlich senken, werden die Zellen zusätzlich über die Rahmen temperiert. Entweder durch thermisch leitfähige, aber elektrisch isolierende Thermoplaste oder über die die Implementierung von Kühlkanälen in die Rahmen. Die zweite Variante erfolgt mit Rohren, die vertikal durch die Rahmen geführt werden oder mit im Rahmen integrierten Steckstücken, durch die ein Kühlmittel fließt.

Flexible Profildichtung

Das zweite Konzept zur Einbettung von Pouch-Zellen in Modulen/Gehäusen nutzt eine flexible Profildichtung. Dies unterstützt den Hauptvorteil der Pouch-Zelle gegenüber Rund- und prismatischen Zellen – die schnelle Realisierung von neuen Zellen-Außenabmessungen und deren Integration in ein System in sechs bis acht Wochen. Dieser Ansatz erlaubt zudem eine Adaption auf sehr große Stückzahlen. Auch die Werkzeugkosten sind moderat. Es stehen zwei Varianten zur Verfügung: Ein einzelnes Profil umschließt die Naht der Pouch-Zelle oder die Naht wird zwischen zwei benachbarten Profilen platziert. Umschließende Profile haben den Vorteil, dass sie die schädliche Permeation des Gases reduzieren. Das gilt sowohl für den Weg von Sauerstoff oder Wasser in das Zellinnere hinein, als auch die Elektrolyt-Permeation aus dem Zellinneren heraus. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Pouch-Zellen signifikant.