CN101682018A - 电化学电池和储能组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有一对电极(A、K)的电化学电池(2)，所述电极布置为由隔离膜分离的一叠扁平电极薄膜(A1至An、K1至Kn)，其中：每个电极(A、K)的电极薄膜(A1至An、K1至Kn)通过内电极导体(4.A、4.K)实现相互间的电连接，不同电极(A、K)的内电极导体(4.A、4.K)设置在电极薄膜(A1至An、K1至Kn)无电极材料区域内电化学电池(2)的相对侧，每个内电极导体(4.A、4.K)通过预定数量、集成于各自电极(A、K)无电极材料区域内的焊点(5.1至5.z)与独立内导体件(6.A、6.K)连接。

Description

电化学电池和储能组件

优先权申明

本申请要求于2007年4月24日申请、申请号为102007019625.5以及于2007年4月27日申请、申请号为102007020465.7号和于2007年5月10日申请、申请号为102007022436.4的德国专利申请的优先权，其内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种电化学电池和一种包含若干所述电化学电池的储能组件，以及使用所述储能组件的电动汽车或混合动力电动汽车。所述储能组件(也称电池组)包含若干扁平电化学电池(也称蓄电池组电池)，每个电化学电池包含一对电极，该电极通过外向端子实现所述电化学电池的相互电连接。

背景技术

为满足电动汽车、混合动力汽车、电动工具等应用中较高的输入-输出电源要求，已开发出新的储能组件，例如铅酸电池、锂离子电池、镍-金属氢化物电池、镍镉电池和双电层电容器等。

所述新的储能组件为电驱动电机和车载电气系统提供动力。为控制储能组件的充放电程序，集成了管理充放电程序以及将制动能转化为电能(＝可再生制动能)等的控制器，以便在车辆运行时可对储能组件充电。

储能组件或各电化学电池应表现出良好的特性，如电流400A时以及高温等极端条件下电流达500A时，最高电压范围为100V至450V。根据应用情况，持续电流在80A至100A范围内甚至更高。

所述极端条件下，储能组件的电化学电池连接受到的极大应力。

通常，电化学电池通过压接件、螺钉或焊点进行连接。一般情况下，通过热应力和机械应力建立连接时电化学电池会受损。

因此，本发明旨在提供这样一种电化学电池和储能组件，在极端条件下(例如高振动高温车内)，这类电化学电池和储能组件的连接应表现出例如长达15年之久的很高的可靠性。而且，储能组件应表现出良好的载流量(即良好的载流能力，而连接电阻应小于电池内阻)、较高的耐热应力性和耐机械应力性。

发明内容

为达到所述目的，通过电极的新型连接形式提供一种载流量高、电流和热分布良好的电化学电池。

根据本发明的主要方面，电化学电池包含一对电极，所述电极设置为一叠至少由一种隔离膜隔开的扁平电极薄膜，其中：

-每个电极的电极薄膜通过内电极导体实现相互电连接，

-不同电极的内电极导体设置在电极薄膜无电极材料区域内电化学电池的相对侧，

-每个内电极导体通过各自电极的无电极材料区域内预定数量的焊点与独立导体件连接。

将独立导体件与内电极导体和内电极薄膜焊接的这种布置使电池可靠性高、载流量高，电流和热分布良好。而且，基于有效节省空间的电极薄膜包装使电池预期寿命长。如此布置的电化学电池可简单、有效、快速地生产。电化学电池导体尺寸(例如厚度和宽度)的挠性和可变性高，以便对电池尤其是对具活性电极材料的薄膜表面进行有效优化，以此实现高能量密度以及良好的空间节省特性。

作为优选，可将独立内导体件设置为导体棒。在一个可能的实施例中，作为阳极的所述独立内导体件(＝负电极或负端子)至少由铜制成。作为阳极(＝正电极或正端子)的独立内导体件至少由铝制成。

根据本发明的另一方面，独立内导体件的厚度至少为1mm，作为优选，应为约1.5mm。厚度根据特定应用情况(例如单个电化学电池的尺寸)会有不同。电池越大，独立内导体件越厚。

在一个可能的实施例中，独立内导体件包含预定数量、与集成在内电极导体中的焊点相对应的集成式凸起或旋钮。作为优选，内电极导体包含作为焊点的集成式凸起或旋钮。而且，集成于独立内导体件中的凸起或旋钮数量与集成于内电极导体的焊点数量相同。连接点用于通过内电极导体进行内电极薄膜和独立内导体件的焊接连接，如此设置的连接点高度节省了电池空间，并使电池预期寿命长、固定连接明确，电流分布高。

本发明的另一实施例中，通过对独立内导体件的集成式凸起或旋钮与内电极导体的集成式焊点进行的焊接，将外向电极导体连接至独立内导体件和内电极导体。

在一个可能的实施例中，外向电极导体包含预定数量的集成式凸起或旋钮，其与独立内导体件的凸起或旋钮以及内导体焊点的数量和形状相对应，并且为共同焊接，尤其适用于超声波焊接。

另外，外向电极导体至少由涂有保护层的铜制成。为达到良好的耐腐蚀性，保护层由锡、镍或合金(例如铝锰合金或铝铜合金)制成。作为选择，外向电极导体至少可由经表面处理(例如经电子束表面处理)的铜制成。

根据本发明的另一方面，每个外向电极导体的厚度至少为1mm。根据特定应用情况，例如电化学电池的尺寸变化，厚度可有不同。电池越大，外向电极导体越厚。例如，厚度应在约1至3mm范围内。因为所需导体截面由新的导体厚度决定，所以相同的电池外表面会有不同的有效电极表面。而且，所述导体厚度使内电池和外电池之间的过渡面减少，从而提高所述过渡面的紧装程度。

所述电化学电池与其他电化学电池相连接时，每个外向电极导体与相应的外向端子连接。

作为本发明的又一方面，通过所谓的防错接法(即通过防故障安全接触设计的接触件，使电化学电池相互之间不会错接)使所述电化学电池等储能组件具有牢固的、安全防故障的连接特性。

根据本发明的主要方面，所述储能组件包含若干扁平电化学电池，每个扁平电化学电池包含一对电极，该电极通过外向端子使电化学电池之间实现相互电连接，每个电化学电池包含作为一对外向端子的直外向端子和弯曲外向端子，电化学电池相互连接时，一个电化学电池的直外向端子与相邻电化学电池的弯曲外向端子相连接。

外向端子的这种设计使电化学电池不会错接。而且，这种设计使电化学电池在分组(例如电池组或储能组)中的布置既高效又节省空间，其中扁平电化学电池在分组中相互堆叠。这种堆叠布置允许简单有效地将电池堆分成若干电池模块。

为实现固定、持久、可靠的连接以及实现高载流量，每个外向端子至少包含一个凸起，优选情况下包含两个凸起。

根据本发明的另一方面，每个外向端子的厚度至少为1mm。根据特定应用，例如储能组件的尺寸变化，尤其是单个电化学电池的尺寸变化，厚度可有不同。组件或电池越大，外向端子越厚。例如，厚度应在约1至3mm范围内。因为所需端子截面由新端子厚度决定，所以相同的电池外表面会形成不同的活性电极表面。而且，所述端子厚度使内电池和外电池间的过渡面减少，从而提高所述过渡面的紧装程度。

本发明一个可能的实施例中，每个外向端子至少由铜制成。另一个可能的实施例中，每个外向端子至少由涂有保护层的铜制成。例如，保护层由锡、镍或合金(例如铝锰合金或铝铜合金)制成。

根据应用，电化学电池为串联连接、并联连接或串并联连接。

本发明可用于电动汽车、混合动力电动车辆，尤其适用于并联式混合动力电动车辆、串联式混合动力电动车辆或串并联式混合动力电动车辆。而且，本发明还可用于存储风能以及例如太阳能等其他形式的能量。

现特别参考以下附图中的实施例进一步描述本发明。但是应该理解，所述实施例仅为创新教学中有益使用的实例。

附图说明

图1显示一种具有若干电化学电池的储能组件视图，所述电化学电池通过每个电池的成对外向端子相互连接；

图2显示其中一个具有内电极导体和外向电极导体的电化学电池视图；

图3显示其中一个具有外向电极导体的电化学电池视图，

图4显示其中一个独立内导体件视图。

具体实施方式

本发明涉及一种电化学电池和一种包含若干所述电池的储能组件。本发明具有不同应用领域，例如可用于具有驱动电机和内燃机的混合动力电动车辆，其中所述储能组件为所述驱动电机提供动力驱动。作为选择，储能组件还可用于一种驱动电机由所述储能组件提供动力驱动的电动汽车。此外，所述储能组件还可用于存储风能或太阳能，对此可将所述储能组件集成于风能或太阳能设备中。

图1显示一种具有若干扁平电化学电池2(也称为蓄电池组电池或单个原电池或方形蓄电池)的储能组件1(也称为电池组)。

每个电化学电池2包含一对电极A和K，其中一个电极A为阳极，另一个电极K为阴极。

为电化学电池2的相互电连接，每个电池2的电极A和K均与外向端子3.A和3.K连接。根据应用情况，电化学电池2可通过外向端子3.A和3.K并联、串联或串并联连接。

根据图1所示的实施例展示串联连接的电化学电池2。

图2更详细地展示其中一个电化学电池2。

每个电化学电池2为扁平电池，其包含作为电极A与K的若干内电极薄膜A1至An和K1至Kn，其中不同的电极薄膜A1至An和K1至Kn由未示出的隔离膜隔开。用(例如)非水电解质冲洗所述隔离膜。作为选择也可用隔板代替所述电极薄膜A与K。

根据电池2的类型，例如锂离子电池，将电极薄膜A1至An和K1至Kn分为两个不同的组。一组电极薄膜A1至An代表阴极或负电极K，例如金属锂，另一组电极薄膜K1至Kn代表阳极或正电极A，例如锂石墨。

为了连接外向端子3.A、3.K和每个电化学电池2的相应电极A、K，电池2包含内电极导体4.A、4.K。更具体地说，各个电极A、K的内电极薄膜A1至An和K1至Kn通过内电极导体4.A、4.K实现相互间的电连接，其中不同电极A、K的内电极导体4.A、4.K设置在各个电极薄膜A1至An和K1至Kn无电极材料区域内电化学电池2的相对侧。

为了实现每个电极A、K的内电极薄膜A1至An和K1至Kn的固定连接，各电极A、K的各电极薄膜A1至An和K1至Kn无电极材料区域内，每个内电极导体4.A、4.K设有预定数量的焊点5.1至5.z。内电极薄膜A1至An和K1至Kn的此种固定连接还使设置于电极薄膜A1至An和K1至Kn之间的隔离膜固定连接。

此外，每个内电极导体4.A、4.K与隐藏的独立内导体件6.A、6.K(虚线为隐藏的独立内导体件6.A、6.K)连接。

独立内导体件6.A、6.K设置为(例如)内导体棒。作为优选，阴极K的独立内导体件6.K至少由铝制成。另一个独立内导体件6.A代表阳极A，至少由铜制成。每个独立内导体件6.A、6.K的厚度大约为1mm，特殊情况下大约为1.5mm。

为了独立内导体件6.A、6.K与内电极导体4.A、4.K、内电极薄膜A1至An以及K1至Kn连接，独立内导体件6.A、6.K包含若干形状和数量上与内电极导体4.A、4.K的焊点5.1至5.z相对应的凸起7.1至7.z或旋钮等，以便共同焊接，连接内电极导体4.A、4.K和各个独立内导体件6.A、6.K。

独立内导体件6.A、6.K的凸起7.1-7.z穿过电池2周围的电池外壳9，例如薄膜外壳，尤其是铝层压薄膜外壳。

图3显示外向电极导体8.A、8.K。其中一个外向电极导体8.A或8.K代表电极A或K。外向电极导体8.A、8.K通过共同焊接的凸起或旋钮与独立内导体件6.A、6.K相连。详细地说，每个外向电极导体8.A、8.K都包含若干集成式凸起或旋钮(未示出)，其在数量和形状上与内电极导体4.A、4.K的集成式焊点5.1至5.z以及独立内导体件6.A、6.K的集成式凸起7.1至7.z相对应。

作为优选，外向电极导体8.A、8.K至少可由额外涂有保护层的铜制成，保护层由(例如)锡、镍或合金(例如铝锰合金或铝铜合金)制成。外向电极导体8.A、8.K还可设置为导体棒。

作为优选，外向电极导体8.A、8.K至少可由经表面处理(例如表面经电子束处理)的铜制成。此外，每个外向电极导体8.A、8.K的厚度至少为1mm。根据特定应用，例如电化学电池2的尺寸变化，厚度可有不同。电池2越大，外向电极导体8.A、8.K越厚。例如，厚度应在约1至3mm范围内。

如图3所示，每个外向电极导体8.A、8.K也与相应的外向端子3.A、3.K连接。

可用外壳9包裹带隔离膜的电极薄膜A1至An、K1至Kn的布置。外壳9可设为绝缘所述电池2和其他电池的薄膜外壳或板状外壳。

作为优选，电池2至少相互电绝缘。另外，根据所用材料，电池2还可相互绝热。作为选择，可通过外壳表面实现电池2的电连接。所提供的另一替代实施例中，电池2之间可充填一种材料(例如树脂)用于电绝缘。

还可用未示出的外壳包裹，例如板状外壳或薄膜外壳(也称为“软包”)包裹整个储能组件1。

作为优选，如温度传感器等传感器元件可直接集成于外向端子3.A、3.K中。这可非常有效地进行温度测量。

特别值得提出的是，根据储能组件1的尺寸，每个外向端子3.A、3.K的厚度可在1至3mm范围内变化。在一个实施例中，每个外向端子3.A、3.K的厚度至少为1mm。作为选择，根据可用空间、规定密度和密封性，外向端子3.A、3.K可在上述范围内具有不同厚度。

而且，可以不同的形式形成外向端子3.A、3.K，以便有效进行各电池2的电流分布。例如，每个外向端子3.A、3.K的连接端可为锥形。每个外向端子3.A、3.K的连接端为端子3.A、3.K与其连接各个外向电极导体8.A、8.K的端部。

为进行防故障的安全安装和组装，尤其是电化学电池2相互之间无故障的安全连接，每个电池2的成对外向端子3.A、3.K可设计成如下形式：其中一个外向端子(例如外向阳极端子3.A)为直型；同一电池2的另一个外向端子(例如外向阴极端子3.K)为弯曲型，反之亦然。而且，相互连接的相邻电化学电池2的外向端子3.A、3.K也可为不同设计，即电化学电池2中一个连接的外向端子(例如外向阳极端子3.A)为直型；如果所述电池2相互并联，相邻电化学电池2的外向阳极端子3.A则为弯曲型。

换言之：为节省整个储能组件1的空间并进行防故障安全安装和组装，根据连接类型，例如串联、并联或串并联，以其中一个电化学电池2的直外向端子3.A或3.K连接相邻电化学电池2的弯曲外向端子3.A或3.K，以此方式实现电化学电池2的相互连接。

作为优选，每个外向端子3.A、3.K至少由铜制成。每个外向端子3.A、3.K由相同材料制成。这样就允许采用相同的焊接温度。而且，每个外向端子3.A、3.K至少由涂有保护层的铜制成。作为优选，保护层由耐腐蚀的锡或镍制成。保护层很薄。例如厚度仅为几微米。

图4显示独立内导体件6.A一个可能的实施例，其具有用于与各内电极导体4.A的集成式点5.1至5.z和各外向电极导体8.A未示出的集成式凸起同时焊接的集成式凸起7.1至7.z。根据应用情况和/或电池2的尺寸，焊点5.1至5.z和凸起7.1至7.z的形状和数量可变。

数字符号表

1储能组件

2电化学电池

3.A阳极外向端子

3.K阴极外向端子

4.A内电极导体(阳极导体)

4.K内电极导体(阴极导体)

5.1至5.z焊点

6.1至6.m开口

7.A独立内导体件(阳极导体)

7.K独立内导体件(阴极导体)

A阳极

K阴极

Claims (21)

1.一种具有一对电极(A、K)的电化学电池(2)，所述电极布置为由隔离膜隔开的一叠扁平电极薄膜(A1至An、K1至Kn)，其中：

-每个电极(A、K)的电极薄膜(A1至An、K1至Kn)通过内电极导体(4.A、4.K)实现相互之间的电连接，

-不同电极(A、K)的所述内电极导体(4.A、4.K)设置在所述电极薄膜(A1至An、K1至Kn)无电极材料区域内所述电化学电池(2)的相对侧，

-每个内电极导体(4.A、4.K)通过预定数量的、集成于各电极(A、K)的所述无电极材料区域的焊点(5.1-5.z)与独立内导体件(6.A、6.K)连接。

2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述独立内导体件(6.A、6.K)设计为内导体棒。

3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述独立内导体件(6.A)作为阳极(A)至少由铜制成。

4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述独立内导体件(6.K)作为阴极(K)至少由铝制成。

5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述独立内导体件(6.A、6.K)包含预定数量的集成式凸起(7.1至7.z)，其形状与所述内电极导体(4.A、4.K)内集成的焊点(5.1至5.z)形状相对应。

6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述内电极导体(4.A、4.K)包含作为焊点(5.1至5.z)的集成式凸起或旋钮。

7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中集成于所述独立内导体件(6.A、6.K)的凸起(7.1至7.z)数量与集成于所述内电极导体(4.A、4.K)的焊点(5.1至5.z)数量相同。

8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中通过同时焊接所述集成式凸起(7.1至7.z)和焊点(5.1至5.z)将外向电极导体(8.A、8.K)连接至所述独立内导体件(6.A、6.K)和所述内电极导体(4.A、4.K)。

9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述外向电极导体(8.A、8.K)至少由涂有保护层的铜或铝制成。

10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中所述保护层由锡、镍或合金，如铝锰合金或铝铜合金制成。

11.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述外向电极导体(8.A、8.K)至少由经表面处理，例如经电子束表面处理的铜制成。

12.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述每个外向电极导体(8.A、8.K)与相应的外向端子(3.A、3.K)连接。

13.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述独立内导体件(6.A、6.K)的所述凸起(7.1至7.z)穿过所述电池(2)周围的电池外壳(9)。

14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述电池外壳(9)为薄膜外壳，例如铝层压薄膜外壳。

15.一种具有若干根据权利要求1所述的扁平电化学电池(2)的储能组件(1)。

16.根据权利要求15所述的储能组件(1)，其中每个电池(2)包含一对通过所述外向端子(3.A、3.K)使所述电化学电池(2)相互电连接的电极(A、K)。

17.根据权利要求15所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为串联连接。

18.根据权利要求15所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为并联连接。

19.根据权利要求15所述的储能组件(1)，其中所述电化学电池(2)为串并联连接。

20.一种驱动电机由根据权利要求15所述的储能组件(1)提供动力驱动的电动汽车。

21.一种具有驱动电机和内燃机的混合动力电动汽车，其中所述驱动电机由根据权利要求15所述的储能组件(1)提供动力驱动。

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