具有包含雙極性電極的長方六面體形電池的電池組的製作方法

2023-05-19 18:52:21

專利名稱：具有包含雙極性電極的長方六面體形電池的電池組的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電池組，其具有多個自包含的基本上為長方六面體形的電池殼體，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極並且相對的側面被至少部分地構造成正極，其中電池殼體以極與極彼此相鄰的方式在正接觸部與負接觸部之間延伸，並且其中電池殼體分別被不導電的機械支承框架包圍。
背景技術：
從WO 2009/103527 Al中已知一種這樣的電池組。本發明意義上的原電池是一種用於將化學能轉換成電能的裝置。這涉及被填充有傳導離子的電解質的空間，在空間中布置有陽極和陰極。該電解質被保持在該空間中，使得離子不能離開該空間。陽極和陰極可以構造為多部分的。為了防止陽極與陰極之間的短路，可以在電極之間布置傳導離子的、電絕緣的隔板。在此所使用的意義上的活性材料是一種能夠儲存和放出離子的材料。陽極活性材料形成陽極，陰極活性材料形成陰極。陽極活性材料的相反活性材料是陰極活性材料；陰極活性材料的相反活性材料是陽極活性材料。至少兩個彼此電連接的原電池形成電池組。在此所使用的術語「電池殼體」是指容納至少一個原電池的機械組件。WO 2009/103527A1描述了適用於車輛應用的鋰離子高壓二次電池組的構造。在此，每個電池殼體容納恰好一個原電池；為了提高各個電池的容量，多個相同極性的電極膜在其中通過電流放電片(Stromableiterfahne)彼此電連接。電池殼體的各極之間的電壓因此直接由活性材料的選擇而得出；在例如所述鋰離子實施方式中，可預期每電池殼體3.6V的電池電壓。在所示電池組內，串聯了 30個電池殼體，使得電池組電壓大約為108V。這樣的電池組良好地適用於需要高容量的使用目的(高能量應用)。電池內部的通過電流放電片的接線的由原理造成的缺點是相對大的內阻，該內阻降低了充電和放電速度。此外，該內阻提高了製造成本。

發明內容
鑑於所述現有技術，本發明所基於的任務是，說明一種開頭所述類型的電池組，該電池組具有較小的內阻並且因此適用於要求迅速充電和放電的應用(高功率應用)。該任務通過至少一個由銅和鋁構成的平坦的雙金屬來解決，該雙金屬在銅側用陽極活性材料鍍層、在鋁側用陰極活性材料鍍層，所述雙金屬在電池殼體之一中被布置為使得其與電池殼體的極平行地延伸，以離子密封的方式連接在電池殼體的框架處並且通過這種方式將電池殼體劃分成至少兩個串聯的原電池。因此，本發明的主題是一種電池組，其具有多個自包含、基本上為長方六面體形的電池殼體，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極並且相對的側面被至少部分地構造成正極，其中電池殼體以極與極彼此相鄰的方式在正接觸部與負接觸部之間延伸，並且其中電池殼體分別被不導電的機械支承框架包圍，其中至少一種由銅和鋁構成的平坦的雙金屬在所述電池殼體之一內與該電池殼體的極平行地延伸，所述雙金屬在銅側用陽極活性材料鍍層、在鋁側用陰極活性材料鍍層，以離子密封的方式連接在電池殼體的框架處並且被構造為使得該電池殼體被劃分成至少兩個串聯的原電池。本發明的基本思想在於，在組件電池殼體內不僅設置一個原電池，而是設置至少兩個串聯的原電池。根據本發明，電接線通過雙金屬進行，該雙金屬同時充當陽極和陰極的匯流排。由於根據本發明雙金屬以離子密封的方式連接在框架處——這意味著，雙金屬兩側的電解質彼此不接觸一因此不允許越過雙金屬的離子交換。僅僅有電子穿過雙金屬並且因此提供了串聯所需的電連接。該裝置的優點在於，串聯的電極之間的電流可以流經雙金屬的整個表面，由此降低了內阻。由此提高了充電和放電速度，而且還從電池組排出較少的熱。還取消了電池殼體內的電流放電片，這簡化了並有利於電池殼體的製造。根據本發明的單個電池殼體的容量在體積相同的情況下無疑小於現有技術中描述的電池殼體；但是這在高功率應用中不取決於此。在此更有利的是，單個電池殼體的各極之間的電壓在相同活性材料的情況下為現有技術中的至少兩倍大。總的來看，本發明將公知的高能量電池組的構造優點轉移到高功率電池組上。電池殼體的負極有利地由扁平的、在內側用陽極活性材料鍍層的銅體構成；電池殼體的正極應當相應地由扁平的、在內側用陰極活性材料鍍層的鋁體構成。通過這種方式，電池殼體為特別緊湊的，並且其內阻被進一步降低。如果極在其內側被用活性材料鍍層，則這適合於在電池殼體內在雙金屬上疊層的活性材料與在極上疊層的相反活性材料一起構成原電池。通過這種方式，電池殼體結果為特別緊湊的。還可能的是，在框架內放置兩個或多個雙金屬，並且通過這種方式將電池殼體劃分成三個或更多原電池。為此，由銅和鋁構成的平坦的第二雙金屬以離子密封的方式連接在電池殼體的框架處並且被構造為使得電池殼體被劃分成至少三個串聯的原電池，所述第二雙金屬在銅側用陽極活性材料鍍層、在鋁側用陰極活性材料鍍層，所述第二雙金屬在電池殼體內與第一雙金屬平行地延伸，其中在第一雙金屬上疊層的活性材料與在第二雙金屬上疊層的相反活性材料一起構成原電池。本發明的一個特別的擴展方案規定:電池殼體藉助於至少一個包圍電池殼體的框架的夾緊裝置被夾緊成疊層。於是，夾緊力直接在夾緊裝置與電池殼體的框架之間傳遞。通過這種方式，產生一種機械上非常穩定的電池組，該電池組具有電池殼體的各極之間的良好接觸。電池組的電池化學優選地在鋰離子基礎上來實施。對此，可以使用常用的活性材料。這對於陽極活性材料為:石墨；無定形碳材料；鋰記憶金屬和鋰合金，包括納米晶體矽或非晶矽以及碳矽複合物，錫、鋁和銻；以及Li4Ti5O12，或者它們的混合物。本發明的一個特別適宜的實施方式可以通過使用含鈦酸鋰的陽極材料(所謂的LT0)來實現:也就是，在將鈦酸鋰(Li4Ti5O12)用作陽極材料的情況下可以放棄雙金屬並且取而代之使用由鋁構成的「單金屬」、即純粹的鋁箔。該鈦酸鹽可以由於其高電勢而作為陽極材料也鍍層到鋁箔上。鋁單金屬於是適於作為用於陽極和陰極的載體材料，並且因此也可以用作隔離層。由於LTO陽極，鋁單金屬進一步簡化了電池，取消了材料過渡，內阻可能進一步變得更小並且電池變得更廉價。除此之外，電池組與在雙金屬情況下構造相同。因此，本發明的主題還有一種電池組，其具有多個自包含、基本上為長方六面體形的電池殼體，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極並且相對的側面被至少部分地構造成正極，其中電池殼體以極與極彼此相鄰的方式在正接觸部與負接觸部之間延伸，其中電池殼體分別被不導電的機械支承框架包圍，並且其中至少一個由鋁構成的平坦的單金屬在電池殼體之一內與該電池殼體的極平行地延伸，所述單金屬在一側用含鈦酸鋰的陽極活性材料鍍層、在另一側用陰極活性材料鍍層，以離子密封的方式連接在電池殼體的框架處並且被構造為使得該電池殼體被劃分成至少兩個串聯的原電池。對用於單金屬和雙金屬電池的陰極材料的選擇是自由的，在單金屬電池的情況下僅僅將陽極材料確定為鈦酸鋰。對於陰極活性材料可以相應地在兩個實施方式中使用下列材料:
LiMxO2 類型的鋰金屬氧化物，包括 LiCoO2 ；LiNi02 ；LiN1^xCoxO2 ^iNia85CoaiAlatl5O2;Li1+X (NiyCo1^2yMny) ^xO2, O^ x ^
0.17, O < y < 0.5 ;經摻雜或未經摻雜的LiMn2O4尖晶石；以及經摻雜或未經摻雜的鋰金屬磷酸鹽 LiMPO4,包括 LiFeP04、LiMnP04、LiCoP04、LiVP04;以及如氟化鐵(III) (FeF3)的轉換材料，或者它們的混合物。所述活性材料以本身公知的方式與可能的電導率添加物和粘接劑錯開地塗覆到極體或雙金屬上。雙金屬優選以本身公知的方式通過將鋁箔和銅箔冷焊接在一起由這兩種箔製成。為此，所述箔首先在稍後的界面處配備(打磨)高的表面質量，並且然後在沒有特別的熱效應、但在高壓下被彼此壓緊。通過箔的緊密接近和小的粗糙度，界面處的表面粘力變得起作用，該表面粘力將所述箔保持在一起。Cu/Al雙金屬箔的製造本身是現有技術。本發明的主題還有根據本發明的電池組的電池殼體。


現在將根據實施例參考附圖進一步闡述本發明。對此:
圖O示意性地示出了圖列說明；
圖1示意性地以截面圖示出了包含兩個原電池的電池殼體；
圖2示意性地以截面圖示出了包含三個原電池的電池殼體；
圖3示意性地以俯視圖示出了電池殼體；
圖4示意性地以側視圖示出了電池組；
圖5示意性地以俯視圖示出了電池組。
具體實施例方式
圖1以其最簡單的形式示出了根據本發明的電池組O的電池殼體I。電池殼體I為基本上長方六面體形的和扁平的；如尤其是從圖1中的截面圖的總覽圖和圖3中的俯視圖中得出。在截面圖中，電池殼體I被示出為誇張地厚；在實際中，電池殼體I可以被實施為更扁平的。
電池殼體I的支承部分是由不導電的塑料製成的框架2。框架2在端面側一側被銅體3包封並且另一側被鋁體4包封。兩個金屬體3、4是平坦的箔，它們形成長方六面體形電池殼體I的相對的側面。銅體3充當電池殼體的負極(_);鋁體4充當正極(+ )。銅體3在其內側被用陽極活性材料5鍍層；而鋁體4被用陰極活性材料6鍍層。因此，金屬體3、4還充當兩個電極的匯流排。通過框架I來防止金屬體3、4之間的短路，該框架I就此而言也充當絕緣體。兩種活性材料5、6是本身公知的鋰離子二次電池的混合物；即對於陽極為:石墨；無定形碳材料；鋰記憶金屬和鋰合金，包括納米晶體矽或非晶矽以及碳矽複合物、錫、鋁和銻；以及Li4Ti5O12或者它們的混合物；並且對於陰極為=LiMxO2類型的鋰金屬氧化物，包括LiCo02、LiNi02、LiN1^CoxO2> LiNia85Co0.Ala05O2' Li1+X (NiyCo1^yMny) ^xO2, O < x < 0.17, 0Sy < 0.5 ;經摻雜或未經摻雜的LiMn2O4尖晶石；以及經摻雜或未經摻雜的鋰金屬磷酸鹽LiMPO4，包括 LiFeP04、LiMnP04、LiCoP04、LiVPO4;以及如氟化鐵(ΠΙ) (FeF3)的轉換材料或它們的混合物。兩個金屬體3、4上的活性材料5、6在一起並不形成原電池，而是與大致中心地包括到電池殼體I中的雙金屬7上的相應的相反活性材料6、5 —起形成原電池。雙金屬7由銅箔7.1和鋁箔7.2組成。為此，兩個箔7.1,7.2在朝向它們的側配備高表面質量(通過打磨等等而非常小的粗糙度)的情況下在高壓下被彼此壓緊，使得出現冷焊接並且箔7.1,7.2實際上不可揭下地接合成雙金屬7。平坦的雙金屬7與兩個極(+)、(-)平行地大致中心地穿過電池殼體I延伸並且將該電池殼體I劃分成兩個原電池。雙金屬對於兩個原電池分別充當電極、即對於朝向負極(-)的電池充當陰極並且對於朝向正極(+ )的電池充當陽極。為此，雙金屬7的朝向負極(_)的鋁箔7.2被用陰極活性材料8鍍層；雙金屬7的朝向正極(+)的銅箔7.1相應地被用陽極活性材料9鍍層。在雙金屬7的兩側，電池殼體I被填充電解質10。作為電解質可以以本身公知的方式例如使用 LiPF6、LiBF4、LiC104、LiAsF8、LiCF3S03、LiC104、雙草酸硼酸鋰(Libob)和 / 或雙(三氟甲烷磺醯)亞胺鋰(BTA，LiN(SO2CF3)2)在碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲丙酯(PMC)、碳酸丁烯酯(BC)、碳酸二乙酯(DEC)、Y-丁內酯(Y-BL)、SOCl2和/或SO2中的溶液。電解質溶液通常具有0.1至5mol/l並且特別優選地0.5至2mol/l的導電鹽。電解質10分別填充雙金屬7和金屬體3、4之間的空間，在所述空間中分別布置有金屬體或雙金屬的陽極和陰極，使得在雙金屬7的兩側分別形成原電池。電極分別被允許離子通過、但是電絕緣的隔板11彼此隔開，以便避免電極之間的短路。雙金屬7被安裝在框架2處並且在接觸區域中利用密封體12被離子密封，使得通過雙金屬不產生離子橋。由陽極5/陰極8以及陽極9和陰極6構成的兩個原電池因此彼此離子隔離，但是通過雙金屬產生電連接，使得在電池殼體I的兩極( + )、(_)之間串聯兩個原電池。根據本發明還可能的是，藉助於兩個雙金屬將電池殼體劃分成三個原電池。圖2中示出了具有第二雙金屬7*的相應分層。當然，也可以通過使用兩個以上雙金屬來進一步提高每電池殼體的電池數目 。圖4和5示出了可以如何由多個電池殼體I合併成一個電池組O。為此，具有相反極——分別(+ )與(-)彼此相鄰——的電池殼體I (在所繪的示例中數目為六個)被堆疊在兩個接觸部、即負接觸部13與正接觸部14之間並且藉助於夾緊裝置15被夾緊。通過這種方式，產生各個電池殼體的串聯。如果電池化學基於3.6V鋰離子技術並且每個電池殼體I根據圖1包含兩個原電池，則接觸部13、14之間的電池組電壓總共為43.2V。為了提高容量，可以在電壓保持不變的情況下並聯兩個這樣的電池組O。作用於電池O的外部和內部力由各個電池殼體I的夾緊裝置15和框架2來接受。機械敏感的電極和隔板因此保持不受有害力作用。電池組和電池殼體僅僅被示意性示出。合適的構造可以如WO 2009/103527A1中所示那樣進行。在此方面參考該文獻的公開內容。此外，電池組可以配備本身公知的功能單元、如冷卻機組和/或電池組管理系統。附圖標記列表
0電池組
1電池殼體
2框架
3銅體
4鋁體
5銅體上的陽極活性材料
6鋁體上的陰極活性材料
7雙金屬
71雙金屬的Cu箔
72雙金屬的Al箔 7* 第二雙金屬
8雙金屬上的陰極活性材料
9雙金屬上的陽極活性材料
10電解質
11隔板
12密封體
13負接觸部
14正接觸部
15夾緊裝置 (-)負極
(+ )正極
權利要求
1.一種電池組(0)，具有多個自包含的基本上為長方六面體形的電池殼體(I )，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極(-)並且相對的側面被至少部分地構造成正極( + )，其中電池殼體(I)以極(_)與極(+ )彼此相鄰的方式在正接觸部(14)與負接觸部(13)之間延伸，並且其中電池殼體(I)分別被不導電的機械支承框架(2)包圍， 其特徵在於， 至少一個由銅和鋁構成的平坦的雙金屬以離子密封的方式連接在電解槽殼體(I)的框架(2)處並且被構造為使得將電池殼體(I)劃分成至少兩個串聯的原電池，所述雙金屬在銅側用陽極活性材料(9)鍍層、在鋁側用陰極活性材料(8)鍍層，所述雙金屬在電池殼體(I)之一內與所述電池殼體的極( + )、(-)平行地延伸。
2.根據權利要求1所述的電池組， 其特徵在於， 電池殼體(I)的負極(_)由扁平的、在內側用陽極活性材料(5)鍍層的銅體(3)構成。
3.根據權利要求1或2所述的電池組， 其特徵在於， 電池殼體(I)的正極(+ )由扁平的、在內側用陰極活性材料(6)鍍層的鋁體(4)構成。
4.根據權利要求2或3所述的電池組， 其特徵在於， 在電池殼體(I)內在雙金屬(7 )上疊層的活性材料(8 )、( 9 )與在極( + )、(_)上疊層的相反活性材料(5)、(6) 一起構成原電池。
5.根據權利要求1至4之一所述的電池組， 其特徵在於， 至少一個由銅和鋁構成的平坦的第二雙金屬(7*)以離子密封的方式連接在電池殼體(I)的框架(2)處並且被構造為使得電池殼體(I)被劃分成至少三個串聯的原電池，所述第二雙金屬(7*)在銅側用陽極活性材料(5)鍍層、在鋁側用陰極活性材料(6)鍍層，所述第二雙金屬(7*)在電池殼體(I)內與第一雙金屬(7 )平行地延伸，其中在第一雙金屬(7 )上疊層的活性材料與在第二雙金屬(7*)上疊層的相反活性材料一起構成原電池。
6.根據權利要求1至5之一所述的電池組， 其特徵在於， 電池殼體(I)藉助於至少一個包圍框架(2 )的夾緊裝置(15 )被夾緊成堆疊。
7.根據權利要求1至6之一所述的電池組， 其特徵在於， 陽極活性材料(5)、(9)選自包括下列各項的組:石墨；無定形碳材料；鋰記憶金屬和鋰合金，包括納米晶體娃或非晶娃以及碳娃複合物，錫、招和鋪；以及Li4Ti5O12,或者它們的混合物。
8.根據權利要求1至7之一所述的電池組， 其特徵在於， 陰極活性材料(6)、(8)選自包括下列各項的組=LiMxO2類型的鋰金屬氧化物，包括 LiCoO9 ;LiNi02 ^iNhCoxO2 ^iNia85Co0.Alaci5O2ILiLx(NiyCcv2yMny) ^O2, O^x-0.17，O Sy < 0.5 ;經摻雜或未經摻雜的LiMn2O4尖晶石；以及經摻雜或未經摻雜的鋰金屬磷酸鹽LiMPO4，包括LiFeP04、LiMnPO4, LiCoPO4, LiVPO4;以及如氟化鐵(III)(FeF3)的轉換材料，或者它們的混合物。
9.根據權利要求1至8之一所述的電池組， 其特徵在於， 雙金屬(7 )是與鋁箔(72 )冷焊接在一起的銅箔(71)。
10.一種電池組(0)，具有多個自包含的基本上為長方六面體形的電池殼體(I )，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極(-)並且相對的側面被至少部分地構造成正極( + )，其中電池殼體(I )以極(_)與極(+ )彼此相鄰的方式在正接觸部(14)與負接觸部(13)之間延伸，並且其中電池殼體(I)分別被不導電的機械支承框架(2)包圍， 其特徵在於， 至少一個由鋁構成的平坦的單金屬以離子密封的方式連接在電池殼體(I)的框架(2)處並且被構造為使得電池殼體(I)被劃分成至少兩個串聯的原電池，所述單金屬在一側用含鈦酸鋰(Li4Ti5O12)的陽極活性材料(9)鍍層、在另一側用陰極活性材料(8)鍍層，所述單金屬在電池殼體(I)之一內與所述電池殼體(I)的極( + )、(-)平行地延伸。
11.根據前述權利要求之一所述的電池組(O)的電池殼體(I)。
全文摘要
本發明涉及一種電池組(0)，具有多個自包含的基本上為長方六面體形的電池殼體(1)，其中分別有一個側面被至少部分地構造成負極(-)並且相對的側面被至少部分地構造成正極(+)，其中電池殼體(1)以極(-)與極(+)彼此相鄰的方式在正接觸部(14)與負接觸部(13)之間延伸，並且其中電池殼體(1)分別被不導電的機械支承框架(2)包圍。本發明基於的任務在於，說明一種這樣的電池組，該電池組具有較小的內阻並且因此適用於要求迅速充電和放電的應用(高功率應用)。該任務通過至少一個由銅和鋁構成的平坦的雙金屬(7)來解決，所述雙金屬(7)在銅側用陽極活性材料(9)鍍層、在鋁側用陰極活性材料(8)鍍層，所述雙金屬在電池殼體(1)之一內與所述電池殼體的極(+)、(-)平行地延伸，以離子密封的方式連接在電池殼體(1)的框架(2)處並且被構造為使得電池殼體(1)被劃分成至少兩個串聯的原電池。
文檔編號H01M4/66GK103119764SQ201180035353
公開日2013年5月22日 申請日期2011年7月18日 優先權日2010年7月20日
發明者P.皮爾格拉姆, H.哈恩, E.R.巴倫舍 申請人:贏創利塔裡安有限責任公司