電池組組件的製作方法

2023-06-02 00:34:51 1

電池組組件的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及電池組組件。電池組包括堆疊構造的多個稜柱形式電池。柔性石墨薄片熱傳播器置於堆疊中鄰近的稜柱電池之間。散熱器沿著稜柱形式電池堆疊的長度延伸。但是熱傳播器主表面接觸散熱器且延伸進入散熱器達散熱器的通厚的至少30％。
【專利說明】電池組組件

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電池組組件。

【背景技術】
[0002] 隨著更清潔和更高效的能量使用的不斷穩步推進，電池和它們的性能正變得越來 越重要。尤其，在運輸和質能存儲中電池的使用在增長。儘管如此，這些更高強度的應用趨 於產生更大量的熱量，且因此需要更加重視熱量的管理。
[0003] 通常，電池單元使用一對電極和位於其間的離子傳導電解質來形成。電池組通常 通過將多個電池單元堆放在一起而形成，因此使其具有更大的容量和/或功率。具體來說， 由於他們可充電並且具有最小的記憶效應，用於汽車應用和不同的商業電子器件的鋰離子 電池正變得越來越受歡迎。
[0004] 在優化的操作溫度下存儲和操作電池單元對於使電池在它的最高效率下操作來 說是重要的。進一步地，最小化溫度極值增加了電池單元的使用壽命。因此，存在改進現有 技術中電池組組件的機會，以最優化操作溫度進而確保最長的可能生命周期、額定容量、以 及標定充電和放電速率。 實用新型內容
[0005] 根據一個方面，電池組包括堆疊構造的多個稜柱形式電池。多個熱傳播器由柔性 石墨薄片製成，並且被插入在堆疊中鄰近的稜柱狀電池之間。每一熱傳播器包括相對的主 表面。散熱器沿著堆疊稜柱狀電池的長度延伸且包括在平行於多個熱傳播器的主表面的方 向的通厚（thru-thickness)。兩個熱傳播器的主表面均接觸散熱器且熱傳播器延伸進入散 熱器達散熱器通厚的至少30%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1是電池組組件的等距視圖。
[0007] 圖2是圖1的電池組組件的側視圖。
[0008] 圖3是圖1的電池組組件的頂視圖。
[0009] 圖4是去除電池和熱傳播器的電池組組件的散熱器的側視圖。
[0010] 圖5是電池組組件的替換實施例的等距視圖。
[0011] 圖6是在閉合構造中具有安裝板的圖5的電池組的右側視圖。
[0012] 圖7是在開啟構造中具有安裝板的圖5的電池組的右側視圖。
[0013] 圖8是電池組組件的第二替換實施例的等距視圖。
[0014] 圖9是圖8的電池組的側視圖。
[0015] 圖10是圖8的電池組的鎖定組件的等距視圖。
[0016] 圖11是圖8的電池組的鎖定組件的頂視圖。

【具體實施方式】
[0017] 稜柱形鋰離子電池相對於圓柱形電池單元以及其他電池形式具有一定的優點。具 體來說，他們不僅具有更高的能量密度，而且稜柱形式還實質上將組件簡化為多電池單元 電池組。電學地，電池組組件通過以下方式製成：組裝多個串聯的稜柱形鋰離子電池單元以 增加電壓，或者組裝多個並聯的鋰離子電池單元以增加容量。
[0018] 在一個實施例中，稜柱形鋰離子電池單元通常是矩形或方形形狀並且具有從大 約1mm到大約10mm的厚度。更加優選地，電池具有從大約3mm到大約6mm的厚度。在一 個電池組的實施例中，稜柱形鋰離子電池具有相對的主表面，每一個主表面的佔地面積 (footprint)至少是8平方英寸，更加優選地是至少16平方英寸的佔地面積。在一個實施 例中，佔地面積是從大約49平方英寸到大約400平方英寸。在另一個實施例中，佔地面積 是從大約16平方英寸到大約2500平方英寸，且最優選地佔地面積是從大約50平方英寸到 大約200平方英寸。
[0019] 每一個電池單兀的外殼可以由硬化金屬和/或塑料殼體製成。替代地，夕卜殼可以 是鋁箔層壓塑料薄膜製成。電池單元外殼優選地由具有從大約20 μ m到大約200 μ m厚度 的鋁箔層壓塑料薄膜製成。更優選地，鋁箔層壓塑料薄膜具有從大約30 μ m到大約100 μ m 的厚度。最優選地，鋁箔層壓塑料薄膜具有從大約40μπι到大約50μπι的厚度。正電極可 以是鋰離子正電極，負電極可以是鋰離子負電極且電解質可以是鋰離子電解質。進一步，電 解質可以是液體鋰離子電解質或者聚合物鋰離子電解質。
[0020] 優選地，鋰離子電池單元具有大於200wh/kg的特定能量密度，更優選地大於 210wh/kg並且最優選地大約220wh/kg或更大。在又一個實施例中，鋰離子電池單元具有 至少450wh/L的能量密度，優選地至少500wh/L，更優選地至少510wh/L並且最優選地至少 520wh/L。在另一個實施例中，鋰離子電池組具有至少16kWh的能量存儲容量，優選地至少 24kWh，更優選地至少53kWh並且最優選地至少lOOkWh。
[0021] 如這裡所用，術語"單元（cell)"或者"電池 （battery cell)"意味著由至少一個 正電極、至少一個負電極、電解質以及分離隔膜製成的電化學電池單元。術語"單元（cell)" 和"電池單元（battery cell)"可互換使用。"電池（battery)"或"電池組（battery pack)" 意味著由多於2個電池單元製成的電存儲器件。術語"電池 （battery )"和"電池組（battery pack)"可互換使用。應該進一步認識到，儘管在此涉及的稜柱狀鋰離子型電池佔主導地位， 但其他類型的電池也被考慮到。
[0022] 稜柱狀電池單元有利地組裝成為堆疊構造的電池組，其中每一個電池單元的主表 面朝向臨近電池單元的主表面。這種堆疊布置最大化能量密度，但不益於從電池向外傳遞 熱量。這對於位於距電池組外表面之一相對遠的電池組的內部電池單元來說顯得尤為真 實。為了便於熱傳遞，熱傳導薄片或者板"熱傳播器（heat spreader)"可以被插入到堆疊 的稜柱狀電池單元之間的空間中。如將下文中更加詳細描述的，熱傳播器通過在薄片的平 面中減少熱梯度並且直接向電池組周圍或者向散熱器傳輸熱來改善電池的性能和壽命。
[0023] 現在參考圖1-4,示出了電池組且通常用附圖標記10來表示。電池組10包括多 個電池單元12,可以看出，其布置為堆疊構造。熱傳播器13位於每一個電池單元12之間。 為了清楚，在圖1-3中，電池單元12從一些熱傳播器13之間的間隔處移除以由此更加清楚 地示出其布置。在其他實施例中，熱傳播器13位於每個其他的電池單元12之間。在其他 實施例中，熱傳播器13位於接近堆疊中心的電池單元12之間。
[0024] 電池組10進一步地包括散熱器14,其臨近於電池單元12的堆疊的一側延伸。應 該認識到，在這個或其他實施例中，電池組可以被運載或者包含於外殼體(未示出）中，該外 殼體可以用於保護部件以防汙染、溫度、振動，和/或撞擊。因此，散熱器14可以集成至外 殼體，或形成外殼體的一部分。
[0025] 在此的每一個實施例中，散熱器可以是冷板或者具有流過傳熱流體的管道或其他 通路的歧管。在其他實施例中，散熱器可以不包括傳熱流體，但替代地包括表面特徵，例如 翅片，以增加有效表面區域。在這個或其他實施例中，散熱器可以由熱傳導金屬（包括例如 銅或錯）製成。在進一步的實施例中，散熱器可以由石墨基材料製成。在進一步的實施例 中，散熱器可以由壓縮的膨脹天然石墨（compressed expanded natural graphite)製成。 在這個或其他實施例中，壓縮的膨脹天然石墨可以是樹脂浸漬的。在這個或其他實施例中， 散熱器可包括封裝或以其他方式包含在其中的相變材料。在又一實施例中，散熱器可以包 括器件的外表面或殼體。
[0026] 在此的每一個實施例中，熱傳播器13被插在堆疊中的至少一對臨近的電池單元 12之間，從而熱傳播器12的相對的主表面18接合臨近電池單元12的主表面。熱傳播器 13有利地插在堆疊中的每三個電池單元12之間，更有利地插在每兩個電池單元12之間並 且仍更有利地插在每一個電池單元12之間。有利地，熱傳播器13接觸朝向熱傳播器13的 電池單元12的主表面的至少70%。在其他實施例中，熱傳播器13接觸朝向熱傳播器13的 電池單元12的主表面的至少90%。在仍進一步的實施例中，熱傳播器13基本上接觸朝向熱 傳播器13的電池單元12的整個主表面。熱傳播器13用於傳播電池單元12中產生的熱量 以創造更加均勻的熱分布。熱傳播器13進一步用於向散熱器14傳導熱能。
[0027] 現在參考圖2-4,散熱器14包括多個間隔的平行接收通道20,其尺寸被規定為用 於接收熱傳播器13。因此，每一個熱傳播器13的一部分位於接收通道20中且固定在其中。 通道14可以具有一個寬度，其相同於或略大於熱傳播器13的厚度。熱傳播器13可以使用， 例如粘結劑，如樹脂或腈綸，固定於通道20中。有利地，這種構造使得熱傳播器13的兩個 側面均接觸散熱器14以最大化向散熱器14的熱傳導。
[0028] 每一個熱傳播器13可選擇地可以是薄的且薄片狀的，具有兩個相對的主表面。在 一個實施例中，熱傳播器13可以小於大約2_厚。在其他實施例中，熱傳播器13可以小於 大約1mm厚。在又一其他實施例中，熱傳播器13可以小於大約0.5mm厚。在一個實施例 中，石墨薄片材料可以是從10到1500微米厚。在其他實施例中，石墨薄片材料可以是從 20到40微米厚。根據一個或更多的實施例，熱傳播器13可以是壓縮的剝落石墨顆粒塊體 (compressed mass of exfoliated graphite particle)的薄片，石墨化聚醜亞胺薄片，或 其組合。
[0029] 每一個熱傳播器13可以具有在大約室溫時(使用Angstrom方法來測試室溫是大 約25°C)大於約250W/mK的平面內（in-plane)熱導率。在另一個實施例中，熱傳播器13 的平面內熱導率至少是約400W/mK。仍然在進一步的實施中，熱傳播器13的平面內熱導率 可以是至少大約550W/mK。在附加的實施例中，平面內熱導率可以從大約250W/mK到大約 1500W/mK。應該認識到每一個熱傳播器13可以具有相同的或不同的平面內熱導率。熱傳 播器13有利地是高度各向異性的。因此，熱傳播器優選具有小於大約20W/mK的通過平面 (thru-plane)熱導率，更優選地小於大約10W/mK，並且仍然更優選地小於大約5W/mK。在 這個或其他實施例中，通過平面熱導率是從大約lW/mK到大約10W/mK之間。在此方式中， 儘管熱能在平面內方向（即在從電池單元12到散熱器14汲取熱能的方向）是高度傳導的， 但是相對低的通過平面傳導率最小化了通過熱傳播器13的從一個電池單元13到鄰近電 池單元的熱能傳輸。合適的石墨薄片和薄片製作工藝在例如，美國專利No. 5, 091，025和 No. 3, 404, 061中被公開，其內容以參考的方式合併於此。
[0030] 在可選擇的實施例中，一個或多個熱傳播器13可以是樹脂增強的。樹脂可以用 於，例如，增加熱傳播器13的剛性和/或熱傳播器13的不滲透性。結合樹脂增強，或可替 換地，一個或多個熱傳播器13可以包括碳和/或石墨纖維增強。熱傳播器13可以包括足 夠的增強量以協助或對其提供結構完整性。
[0031] 熱傳播器13是一種比用於組（in pack)中用於熱傳播的傳統材料(例如鋁）更一 致性的（conformal)材料。與電池單元12和傳統材料之間界面相比，熱傳播器13的使用 提供了熱傳播器13和電池單元12之間界面的熱傳遞熱阻的減少。由於熱傳播器13是更 一致性的，在具有非平坦（non-flat)主表面的電池單元12之間的界面熱傳遞優於傳統的 材料。一致性和界面熱傳遞熱阻的產生的減少可以減少或甚至消除向熱傳播器13的表面 施加熱導潤滑脂或膏劑的需求，正如普遍實行的以克服傳統材料的界面熱阻那樣。
[0032] 熱傳播器13是一種比用於組中用於熱傳播的傳統材料(例如鋁）更可壓縮的 (compressible)材料。熱傳播器13的使用提供能力以補償電池單元12的厚度變化，該變 化是隨著時間推移由於熱膨脹和老化的影響而產生的。由於熱傳播器13是比傳統的熱傳 播材料更可壓縮的，所以減小或消除了安裝可壓縮橡膠"間隔墊"的需求(如普通實行為補 償電池單元尺寸變化那樣)。
[0033] 如果需要電池單元間的電絕緣，熱傳播器13可以可選擇地在一個或兩個主表面 上塗敷有電絕緣薄膜，其中薄膜基本上足夠薄以不明顯阻礙向熱傳播器13的熱傳遞。典型 的薄膜包括PET和聚醯亞胺薄膜。
[0034] 在一個實施例中，熱傳播器與鄰近電池單元12之間的至少一個間隔可以被至少 部分地填充一層相變材料。在另一個實施例中，在鄰近的熱傳播器13之間或在熱傳播器13 和鄰近的電池單元12之間的至少一個間隔被完全填充一層相變材料。在這些或其他實施 例中，在熱傳播器13之間或在熱傳播器13和鄰近的電池單元12之間的基本上所有的間隔 均包括相變材料。相變材料可以是自由流動的且至少部分地通過熱傳播器13來容納或束 縛。替代地，相變材料可以物理吸收於運載基體中。例如，相變材料可以被吸收和運載於壓 縮的膨脹石墨墊或碳泡沫中。相變材料可以幫助減少電池組中溫度變化的幅度和速度。相 變材料的融化溫度範圍可以有利地大約等於電池組中用於電池單元的推薦操作溫度範圍。 合適的相變材料的一個實例是石蠟。
[0035] 在此的任一個或多個實施例中，熱傳播器13可以進一步是一種複合材料。例如， 每一個熱傳播器可以包括一對具有置於其中的相變材料的石墨薄片。相變材料可以是自由 流動的且通過石墨薄片來容納或束縛。替代地，相變材料可以物理吸收於位於相對的石墨 薄片之間的運載基體中。例如，相變材料可以被吸收於且運載在壓縮的膨脹石墨墊或碳泡 沫中。在替代方案中，複合材料可以包括固定至具有相變材料吸收在其中的單層運載基體 的單層石墨薄片。在又一個實施例中，熱傳播器13可以包括具有相變材料吸收在其中的單 層石墨薄片材料。
[0036] 現在參考圖5-7,示出了電池組的一個替換的實施例且通常用數字50來表示。應 該認識到，同樣的數字表示同樣的元件。電池組50包括多個電池單元12,可以看出，其布置 為堆疊構造。熱傳播器13位於每一電池單元12之間。為了清楚，在圖5-7中，電池單元12 從一些熱傳播器13之間的間隔處移除以由此更加清楚地示出其布置。在其他實施例中，熱 傳播器13位於每個其他的電池單元12之間。電池組50進一步包括散熱器52,其臨近於電 池單元12的堆疊的一側延伸。
[0037] 散熱器52由多個獨立平板部分54形成，平板部分54可以通過，例如在一個或更 多的安裝杆58相對端部的緊固件56來壓縮在一起，其中安裝杆58沿著至少電池單元堆疊 的長度延伸。例如，安裝杆58可以具有螺紋的端部，以及可以通過相應地旋轉螺紋機械緊 固件56來完成壓縮。每一個平板部分54和熱傳播器13可以包括一個或多個配置為接收 安裝杆58的通孔（thru-hole)或缺口。在此方式中，平板部分54和熱傳播器13可以在其 上滑動，簡化對準並且易於裝配。因此，圖5和6示出了壓縮裝配構造的電池組50並且圖 7示出了非壓縮構造的電池組50,這可能是電池組50的裝配過程中的情況。
[0038] 安裝杆58可以是實心的或中空的。在一個實施例中，安裝杆58可以被配置為在 其中運載熱傳導流體。例如，相對冷的流體可以被引導通過一個或更多的安裝杆58以移除 通過熱傳播器13傳遞至平板部分54的熱能。
[0039] 每一個平板部分54包括在其相對的側上用於接合熱傳播器13的大致平面的接觸 表面60。當在壓縮裝配構造中，熱傳播器13在鄰近的平板部分54之間被壓縮，且因此形成 與鄰近平板部分54的接觸表面60的有效熱界面。有利地，熱傳播器13接合鄰近接觸表面 60的表面區域的至少50%，更優選地鄰近接觸表面60的表面區域的至少75%且仍然更優選 地鄰近接觸表面60的表面區域的基本上100%。在這個或其他的實施例中，在相對於電池單 元12的平板部分54的側部處，熱傳播器13可以超過平板部分54延伸以用作散熱器鰭片， 用以增加用於自然的或強迫對流的表面區域。
[0040] 現在參考圖8-11，示出了電池組的一個替換的實施例並且通常用數字100來表 示。應該認識到，同樣的數字表示同樣的元件。電池組100包括多個電池單元12,可以看出， 其布置為堆疊構造。熱傳播器13位於每個其他的電池單元12之間。為了清楚，在圖8和9 中，電池單元12從一些熱傳播器13之間的間隔處移除以由此更加清楚地示出其布置。在 其他實施例中，熱傳播器13位於每一電池單元12中。電池組100進一步包括散熱器102, 其臨近於電池單元12的堆疊的一側，沿著熱傳播器13的主表面的邊緣延伸。
[0041] 散熱器102包括多個間隔的平行通道104,其尺寸用於在其中接收熱傳播器13的 一部分；還包括緊固機構106,其用於在通道104中固定熱傳播器13。特別參考圖10和11， 緊固機構可以楔形壓板形式，其由一對楔形端件108與在其相對端上具有傾斜表面112的 中間接合部件110形成。螺紋連接器114通過楔形壓板延伸從而其旋轉向內拉動楔形端件 108。隨著楔形端件108向內移動，中間接合部件110相對於楔形端件108被橫向推動。因 此，熱傳播器13和緊固機構106可以插入到通道104中。此後，螺旋連接器114可以旋轉 以使楔形端件108向內移動。這轉而使中間接合部件110的接合表面116接合熱傳播器13 以向通道104的側壁推動它。
[0042] 因此，在上述的實施例中，熱傳播器13的主表面接合鄰近的電池單元12的主表 面。熱量通過熱傳播器13傳播並且傳導到散熱器，其中如上描述的散熱器和熱傳播器之間 的界面有利地提供至散熱器的有效的熱傳導。的確，在上述的任一實施例中，有利地至少 5%，更有利地至少10%並且仍然更有利地至少20%的熱傳播器13的表面區域接合散熱器 14/52/102。通過提供與散熱器接觸的增加的表面區域，以及使散熱器接觸熱傳播器13的 兩側，可以實現改進的熱性能。
[0043] 相對於接觸散熱器的外部，通過使熱傳播器進入散熱器來實現進一步的優點。在 此方式中，向散熱器主體中的熱傳導被優化。在每一上述實施例中散熱器包括在平行於散 熱器13和電池單元12的主表面的方向中的通厚（thru-thickness)T。在任一上述的實施 例中，有利地，熱傳播器延伸進入散熱器至少30%的散熱器通厚，更有利地至少50%的散熱 器通厚，仍然更有利地至少75%的散熱器通厚。在這些或其他實施例中，熱傳播器可以延伸 進入散熱器從大約50%的散熱器通厚到大約100%的散熱器通厚。
[0044] 關於此申請的所有引用的專利和公布的公開在此以參考的形式全部納入在內。在 此公開的不同實施例可以以其任意組合的形式實施。上述的描述旨在使得本領域技術人員 能夠實施本實用新型。目的不是為了詳述對於本領域技術人員來說通過閱讀描述將變得明 顯的所有的可能變形和修改。然而目的在於，所有這些修改和變形均被包括於所附的權利 要求所限定的本實用新型的範圍之內。權利要求旨在覆蓋以任意布置或順序表示的、有效 滿足本實用新型的目標的元件和步驟，除非上下文明確表明相反。
【權利要求】
1. 一種電池組，包括： 呈堆疊構造的多個稜柱形式電池； 由柔性石墨薄片製造的多個熱傳播器，每一個所述熱傳播器被插在所述堆疊中鄰近的 所述稜柱形式電池之間，每一個所述熱傳播器具有相對的主表面；以及 沿著堆疊的多個稜柱形式電池的長度延伸的散熱器，所述散熱器包括在平行於所述多 個熱傳播器的所述主表面的方向上的通厚；以及 其中兩個所述熱傳播器的主表面接觸所述散熱器且所述熱傳播器延伸進入所述散熱 器達所述散熱器的所述通厚的至少30%。
2. 如權利要求1所述的電池組，其中所述柔性石墨薄片包括壓縮的剝落石墨顆粒塊體 的薄片。
3. 如權利要求1所述的電池組，其中所述柔性石墨薄片是石墨化聚醯亞胺薄片。
4. 如權利要求1所述的電池組，其中所述柔性石墨薄片包括至少大約250W/mK的平面 內熱導率。
5. 如權利要求1所述的電池組，其中所述柔性石墨薄片包括至少大約400W/mK的平面 內熱導率。
6. 如權利要求1所述的電池組，其中所述散熱器包括多個通道，每一個所述通道配置 為在其中接收所述熱傳播器之一的至少一部分。
7. 如權利要求6所述的電池組，其中所述熱傳播器包括一定厚度且所述通道包括一定 寬度以及所述熱傳播器厚度基本上與所述通道寬度相等。
8. 如權利要求6所述的電池組，其中所述熱傳播器通過粘結劑固定於所述通道中。
9. 如權利要求6所述的電池組，進一步包括緊固機構，所述熱傳播器和所述熱傳播器 之一的所述至少一部分被接收在每個所述通道中，所述緊固機構在所述通道中固定所述熱 傳播器。
10. 如權利要求9所述的電池組，其中所述緊固機構包括一對楔形端件，在其相對端具 有傾斜表面的中間接合部件以及通過所述緊固機構延伸的螺紋連接器，從而其旋轉向內拉 動所述楔形端件且迫使所述中間接合部件相對於所述楔形端件橫向地移動。
11. 如權利要求1所述的電池組，其中所述散熱器包括多個平板部分和至少一個安裝 杆，所述平板部分被承載於所述至少一個安裝杆上。
12. 如權利要求11所述的電池組，其中所述平板部分通過一對緊固件壓縮在一起，該 一對緊固件位於所述至少一個安裝杆的相對端。
13. 如權利要求11所述的電池組，其中所述每一個所述平板部分和所述熱傳播器包括 配置為接收所述安裝杆的至少一個通孔或缺口。
14. 如權利要求11所述的電池組，其中每一個所述平板部分包括用於接合所述熱傳播 器的基本上平面的接觸表面，且其中所述熱傳播器接合所述平面的接觸表面的至少50%。
15. 如權利要求14所述的電池組，其中所述熱傳播器接合所述平面的接觸表面的至少 75%。
【文檔編號】H01M10/6555GK203850397SQ201320544482
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年6月4日 優先權日:2012年6月4日
【發明者】R·A·拜爾勒二世, I·A·麥克卡倫, M·D·斯馬爾奇, J·A·泰勒, R·J·韋恩 申請人:格拉弗技術國際控股有限公司