CN101529641A - 电池组、电池组的制造方法及设有电池组的车辆 - Google Patents

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Abstract

在电池组(10)中具有多个可再充电的单电池(12)，每个所述单电池设有具有正电极(32)和负电极(34)的电极体(30)、容纳所述电极体(30)和电解质的容器(14)以及配置在所述容器(14)外部的正电极端子(15)和负电极端子(16)，所述可再充电的单电池串联连接。所述多个单电池(12)按预定的方向配置，且在沿所述配置方向施加有预定载荷的状态下被紧固在一起。绝缘性填充料(25)被插入到至少一个单电池(12)的在所述容器(14)的内壁表面和所述电极体(30)之间的间隙中，且处于紧固状态的各个单电池(12)在所述配置方向上的厚度不变。

Description

电池组、电池组的制造方法及设有电池组的车辆
技术领域
本发明涉及一种电池组、制造此电池组的方法和设有此电池组的车辆，在所述电池组中多个可再充电的单电池串联连接。
背景技术
由多个单电池相串联连接而构成的电池组是一种能够获得高输出的电源，所述单电池可以是轻质且可获得高能量密度的锂离子电池(原电池)(在此说明书中，术语“电池”和“原电池”具有相同的意思且可替换使用)，镍-金属氢化物电池、其它二次电池或诸如电容器的蓄电元件。为此，电池组作为车载电源或用于个人电脑和便携式终端的电源而日益重要。例如，日本专利申请特开No.2001-57196(JP-A-2001-57196)描述了一种车载电池组的示例，该车载电池组通过配置多个相同形状的单独的镍-金属氢化物二次电池而构成且将各单电池的正电极端子和负电极端子串联连接。此外，由多个轻质、可获得高能量密度的锂离子电池串联连接在一起的电池组优选用作车载高输出电源。
但是，已知安装到例如汽车等车辆上的电池组受到安装空间的限制且将在发生振动的环境内使用。因此，如JP-A-2001-57196中描述的，电池组由多个单电池配置且紧固在一起而构成(即：各个电池相互固定)。在将单电池固定在一起时，在构成电池组的各个单电池上施加有较大载荷。另一方面，电池组自身必须质量轻，特别在电池组用于车辆中时更是如此。因此要求单电池的容器主体(即容纳电极体和电解质的外壳)的质量也很轻。例如，优选使用由薄的金属或合成树脂制成的容器。但是由这种薄型材料制成的容器在外载下易于变形。即，当使用设有这样的容器的单电池且将多个这样的单电池进行配置并按所配置的方向(即配置方向)紧固在一起时，单电池的容器主体易于在载荷的作用方向发生弯曲或变形。容器主体的这种变形使得设置在各个单电池上待串联连接的正负电极端子之间的距离及相对位置相对于最初的理想值而发生偏移或改变。当单电池被紧固在一起时正负电极端子之间的距离和相对位置使得制造成与理想值对应的形状和尺寸的端子连接部例如不可用。这样会导致与正负电极端子的连接工作相关的成本增加以及工作效率降低。此外，单电池紧固在一起时所发生的单电池容器的变形会导致单电池的容器和电极体不再密闭(气密)(即：会丧失密闭性(气密性))。
发明内容
因此，本发明提供一种电池组，构成该电池组的单电池的形状、特别是在单电池在预定的配置方向上施加有荷载的状态下被紧固在一起时在单电池配置方向上的厚度(尺寸)统一，且从而预先使得单电池之间的、更具体是指用于将单电池串联在一起的正负电极端子之间的距离和相对位置的变化最小化。本发明还提供一种用于制造该电池组的方法和设有该电池组的车辆。
本发明的第一方面涉及一种电池组，该电池组包括多个可再充电的单电池，每个所述单电池设有具有正电极和负电极的电极体、容纳所述电极体和电解质的容器以及配置在所述容器外部的正电极端子和负电极端子，所述可再充电的单电池串联连接。所述多个单电池按预定的方向配置，且在沿所述配置方向施加有预定载荷的状态下被紧固在一起。绝缘性填充料被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中，且处于紧固状态的各个所述单电池在所述配置方向上的厚度不变。
此外，所述填充料可以为具有预定厚度的片状，且至少一个片状填充料被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中。
此外，所述正电极和所述负电极可以均为片状，并且在所述多个单电池的每一个中都可设置有由所述片状的正电极和所述片状的负电极缠绕形成的扁平状的缠绕电极体。所述多个单电池可配置成使得所述缠绕电极体的扁平表面彼此面对，且至少一个片状填充料可被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述缠绕电极体的扁平表面之间的间隙中。
在这种情况下，所述片状填充料的预定厚度可以是10μm到1000μm，包括10μm和1000μm。此外，所述片状填充料的预定厚度可以是100μm到200μm，包括100μm和200μm。
此外，所述填充料可以是多个配置成一排的细长棒状体。
此外，所述正电极和所述负电极可以均为片状；且所述电极体可以是通过将所述片状的正电极和所述片状的负电极与分隔器一起交替层叠而形成的。
在所述多个单电池之间可配置有在沿所述配置方向施加有载荷的状态下与所述多个单电池紧固在一起的间隔板。
所述填充料可由聚烯烃树脂制成。
所述单电池可以是锂离子电池。
本发明的第二方面涉及一种设有上述电池组的车辆。
本发明的第三方面涉及一种电池组制造方法，包括：a)构造多个可再充电的单电池，每个所述单电池设有具有正电极和负电极的电极体、容纳所述电极体和电解质的容器以及配置在所述容器外部的正电极端子和负电极端子；b)按预定的方向配置所述多个单电池；c)在沿所述配置方向施加有载荷的状态下将所述多个单电池紧固在一起；以及d)将所述多个单电池串联连接在一起。所述步骤a)进一步包括将绝缘性填充料插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中，且使得处于紧固状态的各个所述单电池在所述配置方向上的厚度不变。
附图说明
结合附图从以下示例性实施例的描述可显见本发明的前述和其它目的、特征和优点，其中相同的标号表示相同的元件，在附图中：
图1是示出根据本发明的一个示例性实施例的电池组的结构的框架形式的透视图；
图2是示出根据该示例性实施例的电池组的结构的框架形式的侧视图；
图3是示出缠绕电极体的一示例的框架形式的前视图；
图4是示出图2中所示处于紧固状态的单电池的容器内部的状态的框架形式的剖视图；
图5A是示出根据该示例性实施例的可插入电池组的单电池容器内的片状填充料的示例的框架形式的前视图；
图5B是图5A中示出的片状填充料的侧视图；
图6是示出设有根据本发明的示例性实施例的电池组的车辆的框架形式的侧视图。
具体实施方式
在以下的描述和附图中，将通过示例性实施例来更详细地描述本发明。根据本发明的电池组10能够用作特别是安装在诸如汽车的车辆中的电动机电源。因此，如图6中的框架形式中所示，本发明还提供一种设有这种电池组10的车辆(特别是设有电动机的车辆，例如混合动力车辆、电动车辆或燃料电池车辆)1。在本说明书中，术语“单电池”表示能够串联连接到另外的单个的蓄电元件(即单电池)以便形成电池组的单个的蓄电元件。
本发明的电池组可通过将多个作为单电池的可再充电的单个二次电池串联连接在一起而形成。但是，本发明的电池组并不限于这种单电池结构。实施本发明所需的单电池结构可以是锂离子电池、镍-金属氢化物电池或电气双层电容器等。由于锂离子电池是具有高能量密度的能够提供高输出的二次电池，所述它们使得电池组、特别是车载电池组(即电池模组)的性能很高。下面将利用单电池结构是锂离子电池(原电池)的示例详细描述本发明。
组成电池组的单电池包括由预定的电池结构材料(即，正电极和负电极的活性材料、正电极和负电极的集电部、分隔器等)构成的电极体和容纳该电极体和合适的电解质的容器。作为示例，如图1和图2所示，在此描述的电池组10包括多个单电池12(在此示例实施例中，附图中示出四个单电池)。各个单电池12包括容器14，该容器形成为使得能够容纳后面将描述的扁平的缠绕电极体的形状(例如，盒形)。容器14上形成有与缠绕电极体的正电极电连接的正电极端子15，以及与缠绕电极体的负电极电连接的负电极端子16。如图1所示，一个单电池12的正电极端子15与相邻的单电池12的负电极端子16电连接。从而通过以这种方法将单电池12串联连接在一起而构造成具有所要求电压的电池组10。此外，也可在这些容器14中设置未示出的、使得容器内产生的气体逸出的安全阀等。省略了对容器14自身结构的详细描述。
容器14的材料没有特别限制，但是质量要较轻，且在将单电池12紧固在一起时所施加的载荷下可变形。例如，可使用涂有绝缘树脂涂层的金属容器，或诸如聚丙烯的聚烯烃树脂或其它合成树脂容器。可选地，容器可以是树脂薄膜容器，例如具有三层结构的层叠薄膜容器，即：由熔点高的树脂(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯或聚酰胺树脂)制成的外层(保护层)、由金属箔(例如铝或钢)制成的阻挡层(即能够阻挡气体和湿气的层)以及由热粘合树脂(即熔点较低的树脂，例如诸如乙烯-乙酸乙烯酯或聚乙烯或聚丙烯之类的聚烯烃树脂)制成的粘合层。顺便提及，在此实施例中将描述由聚丙烯制成的柔性容器14。
如图1和图2所示，多个形状相同的单电池12在使得容器14的宽表面(即与缠绕电极体30的扁平表面对应的表面，缠绕电极体30容纳在容器14内且将在后面进行描述)14A相互面对的方向上进行配置，每个单电池12相对于相邻的单电池12倒置/颠倒，使得正电极端子15和负电极端子16以不变的间隔交替配置。此外，预定形状的间隔板(例如间隔件)18配置成靠近如此配置的单电池12之间的容器14的宽表面14A，且配置在单电池12所配置的方向(即配置方向)的两外侧端部上。这些间隔板18的材料或形状使得它们能够用作热辐射构件，用于耗散单电池在使用期间所产生的热。例如，可使用优质的热传导金属间隔板，或质轻、较硬的聚丙烯或其它合成树脂间隔板。此外，间隔板18可由薄金属或合成树脂制成、且成形为可在单电池12之间引入冷却流体(例如空气)的框架(例如从侧面看为凹凸形状)，如图2所示。
然后，如图1和图2所示，围绕这样配置的单电池12和间隔板18而配置根据示例性实施例的紧固构件(此后，这些将总称为“单电池群”)。即，如图1和图2所示，一对紧固板20A和20B配置在间隔板18’的外侧上且与间隔板18’紧密接触，该间隔板18’配置在单电池群的两外侧端部。此外，紧固梁构件21附装于单电池群的两个端表面以便使得该对紧固板20A和20B横向连接。从而，如图2所示，单电池群可通过利用螺栓22将梁构件21的端部紧固和固定到紧固板20A和20B上而被紧固，使得可在配置方向上施加预定荷载(例如容器14的壁表面上的表面压力约为2×106至5×106Pa)。
此时，与梁构件21的紧密程度对应的紧固载荷(表面压力)沿紧固方向(即配置方向)施加到各个单电池12的容器宽表面14A上。顺便提及，在此示例性实施例中，间隔板18紧密地配置在相邻的单电池12之间，这样，当单电池12紧固在一起时，由间隔板18向单电池容器14的宽表面14A上与间隔板18接触的部分施加压力(即载荷)。如上所述，在此示例性实施例中的容器14是柔性地，这样它们可根据载荷而变形。特别地，当容器主体和容器14内的电极体之间有间隙时，容器14可发生很大的变形(弯曲)。
然后，将结合附图详细描述根据本发明的此示例性实施例的单电池12的容器14中的结构，以及单电池12的构造。顺便提及，图3是示出从宽的扁平侧看时容纳在容器14中的缠绕电极体30的前视图。图4是示出图2中示出的处于紧固状态的单电池12的容器14内的状态的框架形式的剖视图。如图3所示，在此示例性实施例中的缠绕电极体30是使得片状正电极32(此后称为“正电极片32”)和片状负电极34(此后称为“负电极片34”)与两个片状分隔件36(此后简称为“分隔片36”)层叠。此外，扁平的缠绕电极体30是通过将正电极片32和负电极片34彼此稍稍偏置地进行缠绕，然后从侧面挤压(squash)所得到的缠绕体而制成的。
如图3中所示，缠绕电极体30的正电极片32和负电极片34的端部的部分从缠绕芯部31(即形成正电极片32的部分的正电极活性材料层、形成负电极片34的部分的负电极活性材料层以及分隔片36紧密缠绕的部分)伸出。正电极引出端子32B形成于正电极侧部突出部分(即，正电极活性材料层未形成的部分)32A上，且负电极引出端子34B形成于负电极侧部突出部分(即，负电极活性材料层未形成的部分)34A上。上述正电极端子15电连接于正电极引出端子32B，且上述负电极端子16电连接于负电极引出端子34B。
顺便提及，形成缠绕电极体30的材料和构件自身并没有特别的限制。例如，正电极片32可通过将用于锂离子电池的正电极活性材料层施加于长的正电极集电体(collector)而构成。铝箔(在此示例实施例中)或其它适于用作正电极的金属箔可用作正电极集电体。类似于通常的锂离子电池中使用的材料，例如LiMn2O4、LiCoO2或LiNiO2可用作正电极活性材料。例如，正电极片32可通过这样获得：使用约2到4m(例如2.7m)长、8到12cm(例如10cm)宽、5到20μm(例如15μm)厚的铝箔作为集电体，并根据常规方法在表面的预定区域内使用锂镍氧化物作为主要成分(例如锂镍氧化物的质量百分比为88％，乙炔黑的质量百分比为10％，聚四氟乙烯的质量百分比为1％，且羧甲基纤维素的质量百分比为1％)形成用于锂离子电池的正电极活性材料层。
同时，负电极片34可通过将用于锂离子电池的负电极活性材料层施加于长的负电极集电体而构成。铜箔(在此示例性实施例中)或其它适于用作负电极的金属箔可用作负电极集电体。类似于常规锂离子电池中使用的材料，诸如石墨碳或无定形碳的碳基材料，或者包含迁移金属氧化物或迁移金属氮化物的锂可用作负电极活性材料。例如，负电极片34可通过这样获得：使用约2到4m(例如2.9m)长、8到12cm(例如10cm)宽、5到20μm(例如10μm)厚的铜箔作为集电体，并根据常规方法在表面的预定区域上用石墨作为主要成分(例如石墨的质量百分比为98％，苯乙烯-丁二烯橡胶的质量百分比为1％，羧甲基纤维素的质量百分比为1％)形成用于锂离子电池的负电极活性材料层。另外，在正电极片32和负电极片34之间使用的分隔片36可由多孔聚烯烃树脂制成。例如，可使用2到4m(例如3.1m)长、8到12cm(例如11cm)宽、5到30μm(25μm)厚的合成树脂(例如，诸如聚乙烯的聚烯烃)多孔分隔片。顺便提及，当使用的电解质是固体电解质或凝胶电解质时，可不需要分隔件。即，在此情况下，电解质自身可作为分隔件。
然后，所得到的扁平缠绕电极体30A、30B、30C和30D容纳于单电池12的容器14内。此时，如图4所示，根据缠绕的状态和范围，缠绕电极体30A到30D的厚度趋于变得不平均。因此，单电池12的容器14中的间隙的尺寸(即：容器14内的空间在厚度方向(即配置方向)上的尺寸和电极体30A到30D在该方向上的厚度之差)会根据缠绕电极体30A到30D而完全不同。这里，如图5B所示，在此示例性实施例中，单电池12的容器14中的间隙能够通过使用薄片状绝缘填充料25(此后简称为“填充料片25”)而闭合。更具体地，使用的填充料片25可由诸如聚丙烯的聚烯烃树脂制成，且厚度等于或小于1mm(例如10到1000μm，且优选地为100到200μm)。
也就是说，如图4所示，单电池12的容器14中的间隙通过在它们中插入与所述间隙的尺寸相对应的合适数量的填充料片25而闭合。在图4示出的示例中，根据各个单电池12中的间隙尺寸而具有一到四个填充料片25。通过这种方法使用相同形状的填充料片25使得单电池容器14内的不同尺寸的间隙有效地被填充。如上所述，使用填充料(即填充料片25)消除了在紧固过程中会发生变形的单电池容器14中的间隙，使得单电池12在配置方向(即施加紧固荷载的方向)上的厚度均匀。结果，可制成具有合适形状的可靠性高的电池组。
特别地，如图1所示，相邻单电池12的正电极端子15和负电极端子16可使用单一的连接器17相互连接，这是因为能够确保配置方向上相互邻近的两个单电池12之间的正电极端子15和负电极端子16的合适的预设尺寸，以及这些端子的合适的预设相对位置。因此，可有效地制造电池组10而无需进行诸如测量相邻的单电池12的端子15和16之间的距离然后选择与这些距离对应的连接器、以及使用可调节距离的连接器调节两个正负电极端子连接部分之间的距离之类的繁琐工作。
当插入多个填充料片25时，至少一个填充料片25可插入到电极体30A到30D的两侧，使得电极体30A到30D不接触容器14的内壁表面。当通过这种方法将填充料配置在电极体30A到30D的两侧时，它用作保护电极体的表面免于变形的缓冲壁或屏障。也就是说，即使当多个单电池12在配置方向上紧固在一起时容器14的壁表面发生变形(即，例如图4中所示，即使容器主体的壁表面由于间隔板18的凸起部分施加在某些区域上的压力而变形为波纹形状)，填充料也将防止电极体的表面以反映(复制)该变形的方式而变形(即，例如，防止电极表面的部分变形为反映变形后的容器主体壁表面的波纹形状的波纹或弯曲形状)。因此，根据本发明的此示例性实施例，能够防止多个可再充电的单电池的各个单电池中的电极体的变形，所述多个单电池以预定的配置方向紧固在一起以便形成电池组。即，在此描述的填充料用作缓冲壁材料，并插入到各个单电池的容器中的电极体(例如缠绕电极体)和容器主体之间。这样，当在配置方向上施加有载荷的状态下将单电池紧固在一起时，能够防止容纳在按预定方向进行配置的多个单电池的容器中的电极发生变形。
此示例性实施例的单电池12通过这样而构成：将缠绕电极体30A到30D与合适数量的填充料片25一起插入容器14；注入诸如碳酸乙酯和碳酸亚乙酯的混合溶液(例如，质量比为1∶1)之类的无水电解质溶液，该混合溶液包括预定量(例如浓度为1M)的电解质(例如诸如LiPF6的锂盐)；以及将它们密封。然后将得到的单电池12按预定的方向配置并将单电池群在上述配置方向上紧固在一起。如上所述，在此示例性实施例的电池组10中，紧固的单电池12中不会发生变形，从而也不会发生由于这种变形而导致的单电池容器的密闭性(气密性)的丧失。此外，容器14的内壁表面和缠绕电极体30A到30D之间的间隙被填充料25闭合。从而，能够防止这些间隙对电池性能的任何不利影响，例如，由于例如电极体30A到30D倾斜时电极活性材料不均匀分布而造成的电流分布不均匀或电极活性材料的局部退化。这样，此示例性实施例的电池组10可应用于车辆中以及其他用途。
到此为止，详细描述了根据本发明的电池组制造方法以及能够根据此方法制造的电池组的示例性实施例。但是，本发明并不局限于在此示例性实施例中描述的制造方法和电池组。例如，在前述示例性实施例中，采用了片状填充料，但是本发明并不局限于此。例如，可将多个细长棒状或圆柱状填充料密集地排成一排插入容器的间隙内。此外，容纳在单电池的容器中的电极体也并不局限于缠绕类型。例如，它可以是层叠电极体，其中正电极片和负电极片与分隔器(或者固体或凝胶电解质)一起交替层叠。此外，单电池不局限于上述锂离子电池(原电池)。即，单电池可由具有不同电解质体结构材料和电解质的各种电池的任何一种代替。例如，它可以是使用锂金属或锂合金作为负电极的锂二次电池、镍-金属氢化物电池、镍-镉电池或电气双层电容器。此外，尽管图1所示的电池组10的结构为了描述本发明的目的已经被简化，但本领域技术人员将理解可在不丧失本发明的结构和效果的范围内进行各种修改和添加。例如，当电池组安装在诸如汽车的车辆中时，可串联连接更多的单电池，可设置外罩以便保护电池组的主要部分(即单电池群等)，并可设置用于将多个电池组(即电池模块)连接在一起的部件等。但是，它们的存在与否不影响本发明的技术范围。

Claims (12)

1.一种电池组，包括：
多个可再充电的单电池，每个所述单电池设有具有正电极和负电极的电极体、容纳所述电极体和电解质的容器以及配置在所述容器外部的正电极端子和负电极端子，所述可再充电的单电池串联连接，
其中，所述多个单电池按预定的方向配置，且在沿所述配置方向施加有预定载荷的状态下被紧固在一起，以及绝缘性填充料被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中，且处于紧固状态的各个所述单电池在所述配置方向上的厚度不变。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述填充料为具有预定厚度的片状，且至少一个片状填充料被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中，所述正电极和所述负电极均为片状；在所述多个单电池的每一个中都设置有由所述片状的正电极和所述片状的负电极缠绕形成的扁平状的缠绕电极体；所述多个单电池配置成使得所述缠绕电极体的扁平表面彼此面对；且至少一个片状填充料被插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述缠绕电极体的扁平表面之间的间隙中。
4.根据权利要求2或3所述的电池组，其中，所述片状填充料的预定厚度是10μm到1000μm，包括10μm和1000μm。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述片状填充料的预定厚度是100μm到200μm，包括100μm和200μm。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述填充料是多个配置成一排的细长棒状体。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述正电极和所述负电极均为片状；且所述电极体是通过将所述片状的正电极和所述片状的负电极与分隔器一起交替层叠而形成的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池组，其中，在所述多个单电池之间配置有在沿所述配置方向施加有载荷的状态下与所述多个单电池紧固在一起的间隔板。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池组，其中，所述填充料由聚烯烃树脂制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池组，其中，所述单电池是锂离子电池。
11.一种设有根据权利要求1至10中任一项所述的电池组的车辆。
12.一种电池组制造方法，包括：
a)构造多个可再充电的单电池，每个所述单电池设有具有正电极和负电极的电极体、容纳所述电极体和电解质的容器以及配置在所述容器外部的正电极端子和负电极端子；
b)按预定的方向配置所述多个单电池；
c)在沿所述配置方向施加有载荷的状态下将所述多个单电池紧固在一起；以及
d)将所述多个单电池串联连接在一起，
其中，步骤a)还包括将绝缘性填充料插入到至少一个单电池的在所述容器的内壁表面和所述电极体之间的间隙中，且使得处于紧固状态的各个所述单电池在所述配置方向上的厚度不变。
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