CN101861665A - 具有优异散热性能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，其中将阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在电池壳中，同时将所述电极组件连接至伸出到所述电池壳外的电极端子上，所述电池壳由包含树脂层和金属层的层压片形成，其中所述电池单元以通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分进行热传导以加速散热的结构构造。

Description

具有优异散热性能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
本发明涉及具有优异散热性能的电池单元，更特别地，涉及以如下结构构造的电池单元，其中将阴极/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，同时将所述电极组件连接至伸出到所述电池壳外的电极端子，其中所述电池单元以如下结构构造以加速散热，其中通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分进行热传导。
背景技术
随着越来越多地开发了移动装置，且这种移动装置的需求增加，电池单元的需求也急剧增加。具有高能量密度和工作电压及优异的储存和使用寿命特性的锂电池单元(lithium battery cell)就是其中的一种，所述锂电池单元已经被广泛用作各种电子产品以及移动装置的能源。
根据电池单元的外部和内部结构，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，电池单元已经引起了极大关注，已经开发了电池单元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，由于电池单元的优点而增加了使用电池单元的应用领域类型，其后，希望将电池单元应用于比现在更多的用途和产品中。
随着电池单元可应用的领域和产品种类增多，电池的种类也增多，使得电池能够提供相应于各种用途和产品的功率和容量。此外，强烈需要降低应用于相应领域和产品中电池的尺寸和重量。
例如，小型移动装置如移动电话、个人数字助理(PDA)、数字照相机和膝上型计算机，根据相应产品的尺寸和重量减少，每种装置使用一个或几个小型、轻质的电池单元。另一方面，中型或大型装置如电动车辆和混合电动车辆，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)(可以将其称作“电池包(batterypack)”)，这是因为中型或大型装置需要高功率和大容量。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，由于在对电池单元进行堆叠的同时，将电池单元相互连接以增大电池模块的容量，所以电池单元的散热问题变得严重。在锂电池单元充放电期间，由锂电池单元产生热。如果未有效地将所述热移除，则热量在各个锂电池单元中聚集，从而导致锂电池单元劣化，所述锂电池单元的安全性大大下降。特别地，对于如在电动车辆和混合电动车辆的电源中需要具有高速充放电特性的电池来说，在电池瞬间提供高功率的时候，由电池产生大量热。
此外，广泛用于电池模块中的袋形电池的层压型电池壳涂有具有低热导率的聚合物材料，从而难以有效降低电池的总体温度。
与此相关，例如日本专利申请公布2005-302502公开了一种承载电池单元的壳，所述电池单元包含其外表面由层压膜形成的电池元件，及连接至所述电池元件用于充放电的阴极端子和阳极端子，所述阴极端子和阳极端子从所述层压膜伸出，其中具有多个空间的板形构件构成框架的上部主体，所述板形构件在厚度方向上连接至另一个板形构件，所述框架上部主体的内圆周部充当在所述电池单元周围承载电池单元四个点的承载部，且所述框架上部主体的内圆周部与所述框架上部主体的外圆周部相通，使得所述空间相互连接。然而，上述技术的问题在于，需要以复杂的结构制造电池单元壳并将电池单元壳安装至电池，这是麻烦的，且当对电池进行堆叠而制造电池模块时，大大增加了电池模块的厚度和体积。
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，完成了本发明以解决上述问题和尚未解决的其它技术问题。
作为对切割框架进行的各种广泛和深入研究和实验的结果，本发明的发明人已经开发了一种以通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分进行热传导来加速散热的结构构造的电池单元，发现可以有效提高散热效率而不增加电池单元的厚度。本发明人根据这些发现而完成了本发明。
技术方案
根据本发明的一个方面，通过提供一种以如下结构构造的电池单元能够完成上述和其它目的，其中将阴极/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，同时将所述电极组件连接至伸出到所述电池壳外的电极端子，其中所述电池单元以通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分的热传导加速散热的结构构造。
即，本发明的电池单元以通过未布置电极端子的电池壳密封部加速散热的结构构造，由此可以容易地将在电池单元充放电期间所产生的热释放至外部，因此可以将电池单元的散热效率最大化。
在优选实施方案中，所述通过密封部来加速散热的结构是如下结构，其中所述密封部的至少一部分延伸使得所述密封部的所述至少一部分比其余密封部长，或者其中导热构件联接至所述密封部。
如上所述，在具有延伸密封部的结构中或其中导热构件联接至密封部的结构中，通过所述延伸密封部或联接至密封部的导热构件，将在电池单元充放电期间因在阴极活性材料和阳极活性材料之间的离子吸留/脱吸反应(ion occlusion/deocclusion reaction)而由电池单元所产生的热吸收，然后将吸收的热有效释放至电池单元外部。
更优选地，将如上所述的电池单元用于电池模块的结构中，所述电池模块包含堆叠的多个电池单元。即，当电池单元以电池单元彼此紧密接触的结构、或者以电池单元彼此相邻的结构进行堆叠而构造电池模块时，由于电池单元相互靠近的结构，所以难以将电池单元所产生的热释放至外部。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，通过各个电池单元的密封部，可以有效地将电池单元所产生的热释放至外部。
此外，具有延伸密封部的结构或导热构件联接至密封部的结构，具有高散热性能，同时因简单的结构特性而不降低电池单元的产率。
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，可以将锂二次电池、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，将所述锂二次电池用作电池单元，这是因为所述锂二次电池提供了高的功率/重量比。
根据其形状，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。将本发明的电池单元应用于在外圆周端部区域热焊接有密封部的电池。在优选实施方案中，本发明的电池单元为以其中将电极组件安装在电池壳中的结构构造的轻质袋形电池，所述电池壳由包含内部树脂层、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。
优选适当将延伸密封部的尺寸调节在一定范围内，其中使电池单元的散热效率最大化，同时不增加电池单元的总体积。因此，例如所述延伸密封部的延伸长度可以等于其余密封部宽度的150～400％。
此外，延伸密封部可以为其中形成延伸密封部的电池单元的密封部长度的大于50％，优选大于70％。所述延伸密封部可以在密封部的纵向上以单调连续的结构或以两个以上不连续的结构延伸。
可以将导热构件联接至全体密封部或上述延伸密封部。更优选后者的联接结构。
在优选实施方案中，将导热构件的至少一部分结合至所述密封部的外表面上。
在这种结构中，例如所述导热构件可以由尺寸大于密封部宽度的板形构件形成。当导热构件的宽度比密封部的宽度大时，可以因散热表面积大而具有高散热性能。
可以以各种方式将导热构件联接至密封部。例如，可以以机械联接方式、以粘合剂方式或以热焊接方式将导热构件联接至所述密封部。
当以粘合剂方式将导热构件联接至密封部时，可以将粘合剂施加至导热构件的一个主面或与所述导热构件的一个主面相对应的密封部，然后将导热构件压在密封部上，使得导热构件附接至密封部。在此情况下，可以将任意一般的粘结剂用作粘合剂。根据情况，可以向粘合剂中添加添加剂以增大热导率。
当以热焊接方式将导热构件联接至密封部时，通过热焊接将薄板形导热构件联接至密封部的外表面上。这种联接结构几乎不增加电池单元的总厚度，因此当通过堆叠多个电池单元而制造紧凑电池模块时特别优选这种联接结构。
在另一个优选实施方案中，导热构件为尺寸大于密封部宽度的板形构件，且将所述导热构件的至少一部分热焊接至层压片，同时置于所述层压片的上部和下部之间。
通常，通过在由层压片形成的电池壳中放置电极组件并热焊接电池壳的外圆周，制造电池单元。在热焊接电池壳之前，在未布置电极端子的电池壳外圆周处，在上层压片和下层压片之间插入所述导热构件，然后，进行热焊接使得导热构件联接至上层压片和下层压片上。结果，不需要其它工艺，可以容易地制造联接有导热构件的电池单元。因此，通过这种联接结构，可以更稳定地将导热构件连接至电池壳，而不会将电池制造工艺复杂化。
同时，导热构件可以适当地调整成增大散热效率的结构，并联接至密封部。优选地，导热构件具有热焊接至密封部的外圆周末端，并且所述导热构件的外圆周末端以水平面上的凹凸结构构造，由此增大导热构件与层压片之间的联接力，同时确保在层压片的上部和下部之间大的热焊接面积。
未对在导热构件外圆周末端处形成的凹凸结构进行特殊限制，只要所述凹凸结构能够增大导热片与密封部之间的联接力即可。例如，所述凹凸结构可以为锯齿形凹凸结构或波浪形凹凸结构。
在另一个实例中，导热构件可以具有热焊接至密封部的外圆周末端，并且所述导热构件的外圆周末端可以以垂直截面上的凹凸结构构造，由此增大导热构件和层压片之间的联接力。
在水平面上的凹凸结构或垂直截面上的凹凸结构增大了导热构件和密封部之间的联接力，并还大大增加了所述导热构件与所述密封部之间的接触界面。因此，可以进一步提高电池的散热效率。
根据情况，所述导热构件可以具有热焊接至密封部的外圆周末端，并且可以在所述导热构件的外圆周末端中形成一个或多个通孔，使得所述层压片的上部和下部通过所述通孔彼此部分地热焊接。
未对导热构件进行特殊限制，只要所述导热构件由具有优异热导率的材料制成且形成为薄的形状即可。优选地，所述导热构件由金属板或碳板形成，其热导率比其它材料高，或者所述导热构件由含有金属粉末或碳粉末的聚合物片形成，其热导率比其它材料高。
当导热构件的厚度太大时，在对电池单元进行堆叠而制造电池模块期间，电池模块的体积和重量可能增加。另一方面，当导热构件厚度太小时，难以预期所需的散热效果，且难以处理导热构件。因此，例如所述导热构件的厚度可以等于或大于所述层压片的厚度。
同时，对多个电池单元进行堆叠以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。用作电池模块单位电池的电池单元需要具有高散热效率，这是确保电池模块的安全性及操作性能所必需的。
因此，所述导热构件可以以接触换热介质的结构构造。例如，接触换热介质的结构可以为其中具有供换热介质(例如冷却剂)流过的通道的换热构件与导热构件相接触的结构。
即，换热构件与导热构件不包括联接至密封部的换热构件末端的特定区域接触，因此，可以进一步加速电池单元的散热而不增加电池单元的厚度。
优选地，导热构件被弯曲，从而在导热构件与联接至密封部的导热构件区域相对的末端处部分包裹换热构件。
由于导热构件被弯曲，从而在导热构件与联接至密封部的导热构件区域相对的末端处部分包裹换热构件，所以进一步容易地实现通过所述导热构件和所述换热构件对电池单元进行散热。因此，上述结构可更有效地应用于通过堆叠多个电池单元而制得的中型或大型电池模块。
根据本发明的另一个方面，提供了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上述电池单元作为单位电池。
可以将所述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外力如振动和冲击的装置的电源。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属领域内是熟知的，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，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1为典型显示本发明优选实施方案的电池单元的俯视图；
图2为典型显示本发明另一个优选实施方案位于导热构件和电池壳的密封部之间的联接区域的俯视图；
图3～5为典型显示本发明其它优选实施方案位于导热构件和电池壳的密封部之间的联接区域的垂直截面图；
图6典型显示了本发明各个优选实施方案的电池单元的各种结构；及
图7为显示以如下结构构造的电池单元的透视图，其中将换热构件进一步联接至图1的电池单元。
具体实施方式
现在，参考附图，对本发明的优选实施方案进行详细描述。然而，应当理解，本发明的范围不限于所示的实施方案。
图1为典型显示本发明优选实施方案的电池单元的俯视图。
参考图1，电池单元100包含阴极/隔膜/阳极结构的电极组件120，伸出电池壳130外的电极端子140和142，及联接至未布置电极端子140和142的电池壳130密封部110的导热构件150，所述电极组件120安装在由层压片形成的电池壳130中。
导热构件150的宽度W比密封部110的宽度w大，从而可以确保大的散热表面积。因此，通过密封部110和导热构件150，将电极组件120充放电期间所产生的热释放至外部，所述导热构件150形成为板形。
图2为典型显示本发明另一个优选实施方案位于导热构件和电池壳的密封部之间的联接区域的俯视图。
参考图2，位于电池壳密封部110和导热构件150之间的联接区域以水平面上的锯齿形凹凸结构152构造。因此，当将导热构件150插入电池壳的上部层压片和下部层压片(未示出)之间，然后将导热构件150焊接至上部层压片和下部层压片时，在上部和下部层压片之间以及在导热构件150和各个层压片之间的接触界面151增大，因此可以增强导热构件150与层压片之间的联接力，同时确保了各个层压片之间大的热焊接面积。
图3～5为典型显示本发明其它优选实施方案位于导热构件和电池壳的密封部之间的联接区域的垂直截面图。
首先参考图3，将导热构件150的末端154热焊接至电池壳密封部的上部层压片112和下部层压片114，同时将所述导热构件150的末端154置于所述上部层压片112和所述下部层压片114之间。
参考图4，将导热构件150的末端154以垂直截面上的凹凸结构156构造。因此，在将导热构件150的末端154焊接至上部层压片112和下部层压片114时，可以因大的联接界面而在导热构件与层压片之间提供高联接力。
参考图5，在导热构件150的末端154中形成一个或多个通孔158。因此，通过通孔158直接将上部层压片112的一部分和下部层压片114的一部分彼此热焊接，由此进一步增大导热构件和层压片之间的联接力。
图6典型显示了本发明各个优选实施方案电池单元的各种结构。
参考图6，可以将未布置电极端子240的电池单元200的密封部210以三种不同的结构构造，从而加速散热。
在第一种结构中，一侧的密封部211延伸，使得一侧的密封部211比另一侧的密封部216长。在第二种结构中，将导热构件220联接至密封部210的底部。在第三种结构中，将导热构件220的末端热焊接至密封部210的上部层压片212和下部层压片214上，同时将所述导热构件220的末端置于所述上部层压片212和下部层压片214之间。
图7为显示以如下结构构造的电池单元的透视图，其中将换热构件进一步联接至图1的电池单元。
参考图7，将板形导热构件150联接至电池单元300密封部110的特定区域。将导热构件150的末端弯曲，从而部分包裹具有供冷却剂流过的通道312的换热构件310。因此，在这种结构中，可以进一步加速电池单元300的散热而不增加电池单元300的厚度。因此，可有效地将这种结构的电池单元应用于中型或大型电池模块(未示出)。
工业实用性
从上述说明显而易见，本发明的电池单元以通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分的热传导加速散热的结构构造。因此，可以有效提高散热效率而不增加电池单元的厚度。
此外，可以以简单的结构制造散热效率得到提高的电池单元。在这种情况下，可以均匀控制电池单元的内部温度。因此，可以大大提高电池单元的使用寿命和安全性。
尽管出于示例性目的而公开了本发明的优选实施方案，但是本领域技术人员应当理解，各种修改、添加和替换是可能的，而不背离所附权利要求书中所公开的本发明的范围和主旨。

Claims (14)

1.一种电池单元，其以如下结构构造，其中将阴极/隔膜/阳极结构的电极组件安装在电池壳中，同时将所述电极组件连接至伸出到所述电池壳外的电极端子，所述电池壳由包含树脂层和金属层的层压片形成，其中
所述电池单元以通过未布置电极端子的电池壳密封部的至少一部分进行热传导来加速散热的结构构造。
2.如权利要求1所述的电池单元，其中所述通过密封部来加速散热的结构是如下结构，其中所述密封部的至少一部分延伸使得所述密封部的所述至少一部分比其余密封部长，或者是如下结构，其中将导热构件联接至所述密封部。
3.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。
4.如权利要求2所述的电池单元，其中将所述导热构件的至少一部分结合至所述密封部。
5.如权利要求2所述的电池单元，其中所述导热构件为尺寸比所述密封部的宽度大的板形构件，所述导热构件的至少一部分热焊接至所述层压片，同时置于所述层压片的上部和下部之间。
6.如权利要求5所述的电池单元，其中所述导热构件具有热焊接至所述密封部的外圆周末端，所述导热构件的外圆周末端以水平面上的凹凸结构构造，由此增大所述导热构件与所述层压片之间的联接力，同时确保所述层压片的上部和下部之间大的热焊接面积。
7.如权利要求5所述的电池单元，其中所述导热构件具有热焊接至所述密封部的外圆周末端，所述导热构件的外圆周末端以垂直截面上的凹凸结构构造，由此增大所述导热构件与所述层压片之间的联接力。
8.如权利要求5所述的电池单元，其中所述导热构件具有热焊接至所述密封部的外圆周末端，在所述导热构件的外圆周末端中形成有一个或多个通孔，使得所述层压片的上部和下部通过所述通孔部分地彼此热焊接。
9.如权利要求2所述的电池单元，其中所述导热构件由金属板或碳板，或者含有金属粉末或碳粉末的聚合物片形成。
10.如权利要求2所述的电池单元，其中所述导热构件以接触换热介质的结构构造。
11.如权利要求10所述的电池单元，其中所述接触换热介质的结构是如下结构，其中具有供换热介质流过的通道的换热构件与所述导热构件接触。
12.如权利要求11所述的电池单元，其中所述导热构件是弯曲的，以在与联接至所述密封部的所述导热构件区域相对的导热构件末端处部分地包裹所述换热构件。
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1～12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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