CN101855746B - 具有改善的热稳定性的电池单元和使用该电池单元的中型或大型电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到所述电池壳外部的电极端子相连接，其中所述电池壳设置在其外圆周端部处，并具有通过对所述层压片的上部和下部进行热焊接而形成的密封部，并且用于加速从所述电池单元散热的片型构件(“导热片”)延伸至所述密封部，同时所述导热片部分地覆盖所述电池单元。

Description

具有改善的热稳定性的电池单元和使用该电池单元的中型或大型电池模块
技术领域
本发明涉及一种具有改善的热稳定性的电池单元(battery cell)，并且更具体而言，涉及具有如下结构的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到所述电池壳外部的电极端子相连接，其中所述电池壳在其外部圆周端部处具有密封部，通过对层压片的上部和下部进行热焊接而形成所述密封部，并且用于加速从电池单元散热的片型构件(“导热片”)延伸到密封部，同时导热片部分地覆盖所述电池单元。
背景技术
由于已经开发了许多移动装置，并且这种移动装置的需求增加，因此二次电池的需求也急剧增加。其中，具有高能量密度和工作电压、以及优异的保存和使用寿命特性的锂二次电池，已经被广泛用作各种电子产品以及移动装置的能源。
基于二次电池的外部和内部结构，通常将它们分成圆柱形电池、棱柱形电池和袋形电池。特别地，能够以高集成方式堆叠且具有小的宽长比的棱柱形电池和袋形电池已经引起了极大关注。
此外，作为电动车辆和混合电动车辆的能源，二次电池已经引起了极大的关注，已经开发了二次电池来解决由使用化石燃料的现有汽油和柴油车辆所引起的诸如大气污染的问题。结果，由于二次电池的优势而增加了使用二次电池的各种应用，并且其后，期望将二次电池应用于比现在更多的用途和产品中。
随着使用二次电池的各种用途和产品的增多，各种电池也随着增多，使得电池能够提供满足与各种用途和产品相对应的功率和容量。此外，强烈需要降低应用于相应用途和产品中电池的尺寸和重量。
例如，根据相应产品的尺寸和重量的减小，诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、数字照相机和膝上型电脑的小型移动装置使用用于每个装置的一种或几种小型、轻质电池单元。另一方面，诸如电动车辆和混合电动车辆的中型或大型装置，因为需要为中型或大型装置提供高功率和大容量而使用具有多个相互电连接的电池单元的中型或大型电池模块(battery module)(将其称作“电池包(battery pack)”)。电池模块的尺寸和重量与相应中型和大型装置的接收空间和功率直接相关。基于这种原因，制造商试图制造小型、轻质的电池模块。
同时，由于电池单元相互连接，在对电池单元进行堆叠而增大电池模块容量的同时，电池单元的散热问题变得严峻。在锂二次电池的充放电期间，从锂二次电池中产生热量。如果不能有效地将热量去除，则热量在各个锂二次电池中累积，导致二次电池劣化，并且二次电池的安全性大大下降。特别地，用作电动车辆和混合电动车辆电源的电池需要高速充放电特性，在电池瞬间提供高功率时，电池产生大量热。
此外，广泛用于电池模块中袋形电池单元的层压式电池壳涂布有具有低热导率的聚合物材料，导致难以有效降低电池的总体温度。
与此相关的，例如韩国专利申请公布No.2006-0034130公开了一种用于电池的覆盖物构件，所述构件包括金属板、散热层和浇铸丙烯(CPP)层，所述金属板具有基本上平坦的第一表面和基本上平坦的第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对，在所述金属板的第一表面上形成具有预定厚度的所述散热层，并且在所述金属板的第二表面上形成具有预定厚度的浇铸丙烯层。即，以其中从电池内部顺序堆叠CPP层、金属层和散热层的结构来构造所公开的用于电池的覆盖物构件。因此，基本上将具有优异的耐久性的外部树脂层从层压式电池壳的外表面去除，导致电池壳的耐久性下降。另外，涂布散热层需要其他工艺，这使得制造方法复杂化。
因此，迫切需要一种能够从根本上解决上述问题的技术。
发明内容
技术问题
因此，作出本发明以解决上述问题和尚未解决的其他技术问题。
作为对切割框架进行的各种广泛和细致研究和实验的结果，本发明的发明人已经开发了一种电池单元，其具有如下结构：其中将加速从电池单元散热的片型构件延伸至在电池壳外圆周端部处形成的密封部，同时片型构件部分地覆盖电池单元；本发明人还发现，可以有效提高散热效率而不增加电池单元的厚度。基于这些发现完成了本发明。
技术方案
根据本发明的一个方面，通过提供一种电池单元能够完成上述和其他目的，该电池单元具有如下结构：其中以阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到电池壳外部的电极端子相连接，其中电池壳设置在其外部圆周端部处，所述电池壳具有通过对层压片的上部和下部进行热焊接而形成的密封部，用于加速从电池单元散热的片型构件(“导热片”)延伸至密封部，同时导热片部分地覆盖所述电池单元。
在根据本发明的电池单元中，导热片延伸至在电池壳外圆周端部处形成的密封部，同时所述导热片部分地覆盖电池单元。因此，在电池单元充放电期间在阴极活性材料和阳极活性材料之间所发生的离子吸留/脱吸反应(ion occlusion/deocclusion reaction)产生的热量被导热片吸收，然后将吸收的热量排放至电池单元外部，由此可将电池单元的散热效率最大化。
更优选地，将如上所述的电池单元用于电池模块的结构中，所述电池模块包括堆叠的多个电池单元。即，当电池单元彼此相邻时，由于各个电池单元之间接触紧密而使得即使在所述各个电池单元之间插入诸如金属板的换热构件，也难以将电池单元所产生的热散发掉。然而，即使在堆叠结构中，各个电池单元的密封部也不相互紧密接触。根据本发明，导热片延伸至电池单元的密封部，同时导热片覆盖电池单元，由此可以达到有效散热。
此外，以如下结构来构造根据本发明的电池单元，其中导热片薄，并且所述薄的导热片与电池单元密封部的外表面紧密接触。因此，可以在堆叠多个电池单元的同时，电池单元的总厚度不增加，由此制造紧凑的电池模块。
根据本发明，未对电池单元进行特殊限制，只要所述电池单元为能够进行充放电的二次电池即可。例如，可以使用锂二次电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)二次电池、或镍-镉(Ni-Cd)二次电池用作电池单元。优选地，将锂二次电池用作电池单元，因为锂二次电池提供了高的功率/重量比。
基于其形状，可以将锂二次电池分成圆柱形电池、棱柱形电池或袋形电池。将根据本发明的电池单元应用于具有密封部的电池，其在电池的外圆周端部区域处对密封部进行热焊接。在优选实施方案中，根据本发明的电池单元为以将电极组件安装在电池壳中的结构构造的轻质袋形电池，所述电池壳由包括内部树脂层、隔离金属层和外部树脂层的层压片形成，所述内部树脂层是可热焊接的，所述外部树脂层具有优异的耐久性。
未对导热片进行特殊限制，只要导热片由具有优异热导率的材料制成且以薄的形状形成即可。优选地，导热片由热导率比其他材料高的金属或碳板形成，或者导热片由热导率比其他材料高的含有金属粉末或碳粉末的聚合物膜形成。
优选以使导热片与电池单元外表面之间的接触面积最大化以使得散热效率最大化的结构来构造所述导热片。因此，导热片可以由根据电池单元的外部形状进行弯曲以使金属板与电池单元之间的接触面积最大化的金属板形成。
导热构件可以以各种方式来覆盖电池单元的外表面(包括密封部)。例如，所述导热构件可以以简单的可拆卸紧密接触方式、以机械连接方式、或以粘合方式来覆盖电池单元的外表面。优选地，通过粘合剂将导热构件附着到电池单元的外表面。在此情况中，可以将所有普通的粘结剂用作所述粘合剂。根据情况，可以向粘合剂中添加添加剂以提高热导率。
当导热片的厚度太大时，在因制造电池模块而对电池单元进行堆叠期间，电池模块的厚度或体积增大。另一方面，当导热片厚度太小时，难以达到期望的散热效果。因此，例如导热片的厚度可以等于或大于层压片的厚度。
延伸至密封部的导热片优选与密封部紧密接触，以有效地实现将从电池单元外表面传导的热量散掉。
根据本发明的另一个方面，提供以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件被安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到电池壳外部的电极端子相连接，其中层压片包含内部树脂层、隔离金属层和外部树脂层，并且隔离金属层具有预定厚度，所述预定厚度足以加速从电池单元散热，或者所述隔离金属层由加速从电池单元散热(“导热加速材料”)的材料制成。
在根据本发明的电池单元中，层压片的隔离金属层具有预定的厚度或者由导热加速材料制成，从而能提高电池壳的散热效率。此外，在电池壳的外部不需要提供用于提高散热的其他换热构件，由此可以制造体积紧凑且体积效率优异的电池单元。
通常，插入到内部树脂层和外部树脂层之间的隔离金属层保持了电池壳的形状，保护电池壳内部免受外部冲击和压力，以及加速由具有低热导率聚合物材料制成的内部树脂层和外部树脂层之间的热扩散。
因此，优选隔离金属层具有足以使电池单元的强度和散热效果最佳化而不增加电池单元的厚度和体积的厚度。例如，隔离金属层的厚度可以为50～250μm，其大于常规电池单元金属层的厚度。
同时，未对导热加速材料进行特殊限制，只要所述导热加速材料具有预定的强度和散热效果即可。优选地，所述导热加速材料为铜或碳。
在根据本发明的另一个方面中，提供了以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件被安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到电池壳外部的电极端子相连接，其中电池壳设置在其外圆周端部处，所述电池壳具有由层压片热焊接的上部和下部形成的密封部，并且未形成电极端子的电池壳的至少一部分密封部延伸，使得密封部的至少一部分比其余密封部长。
即，以如下结构来构造电池单元，其中在电池壳外圆周端部处通过热焊接形成的密封部的至少一部分延伸，使得密封部的至少一部分比剩余密封部长，以改善散热。因此，在如前所述包括以紧密接触方式堆叠的多个电池单元的电池模块中，通过未相互紧密接触的密封部可以更有效地实现散热。
此外，可以仅通过延伸一部分密封部使得密封部比其余密封部长而不向电池单元附着附加的换热构件，由此不需要附加制造工艺即可提高电池单元的散热效果。
在这种结构中，优选在电池单元的散热效率最大化的范围内对延伸的密封部的大小进行适当调节，同时不增加电池单元的总体积。因此，例如，延伸的密封部的延伸长度可以等于其余密封部宽度的150～400％。
延伸密封部的长度为形成延伸密封部的电池单元密封部长度的50％以上，优选70％以上。所述延伸的密封部可以在密封部的纵向方向上以单个连续结构或以两个以上不连续结构延伸。
同时，将多个电池单元进行堆叠来构造中型或大型电池模块，使得所述中型或大型电池模块提供高功率和大容量。要求用作电池模块单位电池(unit cell)的电池单元具有更高的散热效率，这需要确保电池模块的安全性。
因此，在优选实施方案中，构成每个电池单元的电池壳设置在其至少一侧的密封部处，具有用于加速从电池单元散热的构件(“换热构件”)。即，在电池壳的一侧密封部或每侧密封部处提供换热构件，由此可以进一步加快电池单元的散热而不增加电池单元的厚度。
在这种结构中，换热构件可以为具有换热介质通道的导热构件，其中诸如水的换热介质流过所述通道。结果，进一步加速电池单元的散热。优选地，换热构件包括一对金属棒或碳棒，所述一对金属棒或碳棒中各自具有在其中形成的换热介质通道，将所述金属棒或碳棒安装到密封部的顶部和底部。
尤其优选提供所述棒，因为所述棒改善中型或大型电池模块的散热效果，同时用作保持电池单元堆叠状态的结构体，所述电池模块包括堆叠的多个电池单元。考虑到所述棒用作该结构体的事实，在将换热构件安装到密封部时换热构件的高度可以等于或大于每个电池单元的高度。
根据根据本发明的又一个方面，提供具有高功率和大容量的中型或大型电池模块，其中电池模块包括上述电池单元作为单位电池。
在优选实施方案中，以如下结构来构造电池模块，其中将预定高度的换热构件安装到相应的电池单元的相反侧的密封部处，并且通过换热构件保持电池单元的堆叠状态。
在以上述结构构造的电池模块中，如前所述，安装到相应的电池单元的相反侧密封部处的预定高度的换热构件，不仅吸收电池单元所产生的热并且将吸收的热释放至外部，而且用作支撑堆叠电池单元的结构体。
可以将根据本发明的中型或大型电池模块用作需要高功率和大容量电力并向其施加诸如振动和冲击的外力的装置的电源。优选地，将中型或大型电池模块用作电动车辆或混合电动车辆的电源。
中型或大型电池模块的结构和制造所述中型或大型电池模块的方法在本发明所涉及领域内是熟知的，因此，未给出其详细说明。
附图说明
参考附图，通过下列详细说明，将更加清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优势，其中：
图1为典型示出本发明优选实施方案的电池单元的平面图；
图2为典型示出本发明另一个优选实施方案的电池单元的图；
图3为典型示出本发明的又一个优选实施方案的电池单元的平面图；
图4为典型示出以如下结构构造的电池单元的垂直截面图，在所述结构中，将换热构件耦合到图1的电池单元的密封部；
图5为典型示出以如下结构构造的电池单元的垂直截面图，在所述结构中，将换热构件耦合到图2的电池单元的密封部；以及
图6为典型示出中型或大型电池模块的垂直截面图，所述电池模块包括堆叠的多个电池单元，所述多个电池单元中的一个示出在图4中。
具体实施方式
现在参考附图对根据本发明的优选实施方案进行详细描述。然而应理解，根据本发明的范围不受所示实施方案限制。
图1为典型示出根据本发明的优选实施方案的电池单元的平面图。
参考图1，通过对层压片进行热焊接而形成的密封部110位于电池单元100的外圆周端部处，并且由金属制成的导热片120延伸至电池单元100的密封部110，同时将导热片120附着到电池壳130的外表面的特定区域，以加速从电池单元100散热。特别地，在包括堆叠且同时相互紧密接触的多个电池单元100的中型或大型电池模块中，将在每个电池壳130中安装的电极组件140所产生的热通过密封部110释放至外部，因为导热片120紧密地附着到电池壳130和密封部110的外表面，所以密封部相互不会紧密接触。
图2为典型示出根据本发明的另一个优选实施方案的电池单元的图。
参考图2，电池单元200的每个层压片130包括内部树脂层210、隔离金属层220和外部树脂层230。隔离金属层220为铜层220，铜层220的热导率比常规铝层的高。因此，通过铜层220有效补偿因由聚合物树脂制成的内部树脂层210和外部树脂层230造成的低散热现象。
图3为典型示出根据本发明的又一个优选实施方案的电池单元的平面图。
以如下结构来构造图3的电池单元300，其中电池壳350的在不放置电极端子330和340的一侧密封部310处从电池单元300向外延伸，使得一侧密封部310的大小为2W，等于其余密封部320宽度W的大约两倍。
图4为典型示出以如下结构构造的电池单元的垂直截面图，其中将换热构件耦合到图1的电池单元的密封部。
以如下结构来构造图4的电池单元400，其中导热片120部分地覆盖电池壳130的外表面，并且将一对金属棒430在电池壳130每侧密封部处安装到密封部的顶部440和底部450。
在每个金属棒430中，形成换热介质通道432，其中换热介质流过所述通道。当将金属棒430安装到电池单元400密封部的顶部440和底部450时，金属棒430的总高度H大致等于电池单元400的高度h。
图5为典型示出以如下结构构造的电池单元500的垂直截面图，其中，将换热构件430耦合到图2的电池单元200的密封部。
除了电池单元的每个层压片包含铜层之外，图5的电池单元500的构造与图4的电池单元的构造相同，因此，不再对其进行详细描述。
在图3的电池单元结构以及图4和5的单元电池的结构中，除了一侧密封部外，可以延伸另一侧密封部，并且可以将图4或5的金属棒430安装到相反侧密封部。
图6为典型示出中型或大型电池模块的垂直截面图，所述电池模块包括堆叠的多个电池单元，所述多个电池单元中的一个示出在图4中。
参考图6，以如下结构来构造中型或大型电池模块600，其中，将金属棒430安装到电池单元400的相反侧密封部。这些金属棒430用作结构体，以用于保持电池单元400的堆叠状态。
此外，以如下结构来构造电池模块600，其中导热片120覆盖每个电池单元400的外表面，将金属棒430安装在电池单元400的密封部处，其中所述金属棒各自具有在其内部形成的换热介质通道432。因此，将限定在相邻电池单元400之间的用以形成附加空气通道的空间S最小化，这与常规空气冷却型的中型或大型电池模块(未示出)不同，由此可以更加紧凑的结构来制造电池模块600并获得高散热效率。
工业应用
从上述说明中可清晰看出，以如下结构来构造根据本发明的电池单元，其中用于加速从电池单元中散热的片型构件(“导热片”)延伸至在电池壳外圆周端部处形成的密封部，同时导热片部分地覆盖电池单元。因此，可以有效提高散热效率而不增加电池单元的厚度。由于提高了散热效率，因此可以均匀控制电池单元的内部温度，由此大大提高电池单元的寿命期和安全性。
尽管出于示例性目的而公开了根据本发明的优选实施方案，但是本领域技术人员应理解，可以完成各种变形、添加和替代而不背离附属权利要求书中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (15)

1.一种以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到所述电池壳外部的电极端子相连接，其中
所述电池壳设置在其外圆周端部处，所述电池壳具有通过对所述层压片的上部和下部进行热焊接而形成的密封部，
作为导热片的用于加速从所述电池单元散热的片型构件延伸至所述密封部，同时所述导热片部分地覆盖所述电池单元，
其中所述电池壳设置在其至少一侧的密封部处，具有用于加速从所述电池单元散热的换热构件。
2.如权利要求1所述的电池单元，其中所述层压片包含内部树脂层、隔离金属层和外部树脂层，所述内部树脂层是可热焊接的，所述外部树脂层具有优异的耐久性。
3.如权利要求1所述的电池单元，其中所述导热片由金属板或碳板形成，或者由含有金属粉末或碳粉末的聚合物膜形成。
4.如权利要求1所述的电池单元，其中所述导热片由金属板形成，所述金属板根据所述电池单元的外部形状而弯曲，以使所述金属板与所述电池单元之间的接触面积最大化。
5.如权利要求1所述的电池单元，其中通过粘合剂将所述导热片附着到所述电池单元的外表面。
6.一种以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到所述电池壳外部的电极端子相连接，其中
所述层压片包含内部树脂层、隔离金属层和外部树脂层，所述隔离金属层具有足够的预定厚度以加速从所述电池单元散热，或者所述隔离金属层由用于加速从所述电池单元散热的导热加速材料制成，
其中所述电池壳设置在其至少一侧的密封部处，具有用于加速从所述电池单元散热的换热构件。
7.如权利要求6所述的电池单元，其中所述导热加速材料为铜或碳。
8.一种以如下结构构造的电池单元，其中阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在由包含树脂层和金属层的层压片形成的电池壳中，同时所述电极组件与伸出到所述电池壳外部的电极端子相连接，其中
所述电池壳设置在其外圆周端部处，所述电池壳具有通过对所述层压片的上部和下部进行热焊接而形成的密封部，并且所述电池壳的未形成所述电极端子的密封部的至少一部分延伸，使得所述密封部的至少一部分比其余密封部长，
其中所述电池壳设置在其至少一侧的密封部处，具有用于加速从所述电池单元散热的换热构件。
9.如权利要求8所述的电池单元，其中所述延伸的密封部的延伸长度等于所述其余密封部的宽度的150～400％。
10.如权利要求1所述的电池单元，其中所述换热构件为具有换热介质通道的导热构件，其中换热介质流过所述换热介质通道。
11.如权利要求10所述的电池单元，其中所述换热构件包括一对金属棒或碳棒，所述一对金属棒或碳棒各自具有在其内部形成的换热介质通道，所述金属棒或碳棒安装于所述密封部的顶部和底部。
12.如权利要求11所述的电池单元，其中在将所述换热构件安装到所述密封部时，所述换热构件的高度等于或大于所述电池单元的高度。
13.一种具有高功率和大容量的中型或大型电池模块，其中所述电池模块包含权利要求1至12中任一项的电池单元作为单位电池。
14.如权利要求13所述的中型或大型电池模块，其中具有预定高度的换热构件安装在相应的电池单元的相反侧的密封构件处，并且通过所述换热构件保持所述电池单元的堆叠状态。
15.如权利要求14所述的中型或大型电池模块，其中所述电池模块用作电动车辆或混合电动车辆的电源。
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