CN101944578B - 用于电池中的密封框架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在电池中的密封框架(1)，包括基体(2)，其中基体(2)包围一开口(3)，其中基体(2)具有第一密封面(4)和相对置的第二密封面(5)，本发明目的在于，对电池这样加以设计和改进，使得该电池在正常运行中具有可靠的密封性能，但当出现故障情况时允许电解液毫无问题地逸出，其中第一密封面(4)和/或第二密封面(5)设计成可弹性压缩的。

Description

用于电池中的密封框架
技术领域
本发明涉及一种用于在电池中使用的密封框架，包括基体，其中所述基体包围一开口，其中基体具有第一密封面和相对置的第二密封面。
背景技术
较大的电池由单个的单电池构成。通常一个用于混合动力车辆或电动车辆的或者用于工业应用领域的电池包含有在二十个到几百个之间的单个的单电池。在此，单个的单电池可以设计为圆形单电池、棱形单电池或所谓的咖啡袋式单电池。咖啡袋式单电池包括柔性的、由薄膜构成的外套，单电池的电组件设置在该外套中。
为了在电池中实现最佳的空间利用首先采用咖啡袋式单电池。咖啡袋式单电池的特征还在于高容量的同时具有很小的重量。咖啡袋式单电池可以通过导热的薄膜良好地冷却。此外，这种结构形式的单电池可容易地定标，这是因为单电池的所有组件包括薄膜壳体在生产中可以容易地改变大小。
由于高的存储能量，较大的电池始终在出现故障时构成安全风险。在此，锂电池被视为特别危险的，这是因为其具有高的能量密度、可燃烧的电解液以及薄的隔板。最后，锂电池产生高的单电池-电压，从而使布置在单电池中的组件受到高的电化学的负荷。特别在使用寿命设定至少为8-10年的汽车电池和工业电池中，这是特别重要的。
前面所述的咖啡袋式单电池可以节省空间地安装。因此在电池中可以存储大的每体积单位的能量。但由此导致由结构带来的缺点。当咖啡袋式单电池充电或放电时，其尺寸由于柔性的外套而改变。这还导致体积膨胀。体积膨胀导致了单个的单电池的在充电和非充电状态之间的通常约5％的厚度变化。
当组装由多个单个的、串联的单电池组成的所谓的“堆叠”时，因此必须考虑的是，单个的单电池具有出可变化的体积。特别是必须注意到，即各单电池在其具有最大厚度的已充电状态中向相邻单电池的表面几乎不施加压力或者仅施加极小的压力。此外原则上也需要注意的是，柔性的单电池的厚度由于制造公差也不是统一的，而是存在波动的。
此外还需要这样一种装置，通过该装置，冲击或振动被缓冲和/或衰减，从而使电池的内部以及触点不受到损害。此外，导线电子设备和监控电子设备的接口必须尽可能不受机械负荷与电池连接。在串联电路中导线电子设备的几百个触点中的一个发生松脱就已经会导致电池的故障。当监控电子设备的触点发生故障时，随后不再受监控的单电池会逐渐到达临界的状态，这可能中期地导致整个电池的损坏或故障。
前面所述的咖啡袋式单电池的棱边具有密封接缝。该密封接缝连接一个单电池的两个薄膜，这些薄膜由此在这样所形成的空腔中封闭另外的部件。这些薄膜为此在内侧上涂布了电绝缘的、增粘的密封-热塑性塑料。这种密封-热塑性塑料可由功能性的聚烯烃构成。这种密封接缝构成咖啡袋式单电池的机械的薄弱部位。
此外，单电池的周边的空气压力可能是波动的。当电池的壳体密封紧密地封闭时，可产生典型地为0.2bar的受温度限制的压力波动。这种压力波动附加地对密封接缝加负荷。
密封接缝但也构成一种预定断裂位置，其在电池发生故障情况时应允许电解液排出。由此应避免电池发生爆炸。如果排出的可燃烧的电解液与电极相接触，则其可以被点燃并导致着火或爆炸。在咖啡袋式单电池的内部中的最大允许的超压在多数情况远低于0.1MPa，以便阻止密封接缝打开。特别危险的是，在咖啡袋式单电池中导出电流的电极的导通部是特别关键的。所述导通部通常具有约0.1至0.3mm的厚度。在该范围中，可能的泄漏也是特别危险的，这是因为在电极上的排出的电解液可能立刻被点燃。密封接缝通常被视为大型单电池的薄弱部位，这是因为其在数年时间经受到持续的、由循环工作引起的负荷。
最后，目前对于大型电池的冷却优选地使用基于水的冷却介质，或者当采用空调设备时使用氟化的碳氢化合物或二氧化碳。大多数冷却介质与单电池的内部的直接接触可能导致剧烈的化学反应。在基于水的冷却介质的情况下，例如会释放易于点燃并且可能导致爆炸的氢气。出于这个原因，在现有技术中通常不采用接触式冷却，其中通过能够导热的组件形成在单电池和冷却回路之间的热流并且冷却介质因此不能与单电池直接接触。
发明内容
本发明的目的在于，对电池这样加以设计和改进，使得电池在正常运行中具有可靠的密封性，但当出现故障情况时允许电解液毫无问题地并且定向地逸出。
本发明通过下述的特征来实现前面所述的目的。电池，包括：至少两个密封框架，每个所述密封框架包括基体，其中所述基体包围一开口，所述基体具有第一密封面和相对置的第二密封面，其特征在于，所述第一密封面和/或所述第二密封面构成为可弹性压缩的；和至少一个单电池，其中所述单电池定位在两个密封框架之间，所述单电池具有加厚的区域，所述加厚的区域延伸到在其基体的所述开口中，所述单电池具有收缩的区域，所述密封面密封地贴靠在所述收缩的区域上，其中，所述单电池设计为具有密封接缝的咖啡袋式单电池。
根据本发明认识到，可弹性压缩的密封面能够密封贴靠地围绕和包围预定断裂位置、如密封接缝那样。通过这种密封框架，在电池内部的单电池一方面机械地固定并且另一方面其体积能够在前侧和后侧的预定区域中略微地改变，而不会出现产生负荷的应力。可弹性压缩的密封面能够毫无问题地补偿单电池略微的体积变化，从而没有机械载荷传递到电接口上。此外，可弹性压缩的密封面能够衰减和缓冲振动。单电池的薄弱部位附加地受到密封，这是因为弹性的压紧力作用在所述薄弱部位处。由此显著地抑制电解液从内向外的流出。此外，可以使存在于外部的冷却介质、特别是水，或者从周围环境中形成的湿气远离电池内部。最后认识到，在可弹性压缩的密封面中能够毫无问题地在密封框架中设置一预定排出部位，在故障情况下该预定排除部位允许电解液从内向外排出。电解液由此被远离电极地排出并且由此不会在电极上被点燃。
为了实现简单的制造，基体可以由可弹性压缩的材料制成。在这个背景下具体地可以设想，基体一体地由弹性材料、如硅氧烷(Silikon)、硅橡胶、SBR或EPDM制成。由于密封件通常不经受直接的介质接触，因此也可考虑另外的弹性体、如NBR。采用硅氧烷允许密封件附加地重叠在电极上。当采用基于碳的橡胶时，在这种情况下不能总是排除的是，电极-导电体中的高电压导致弹性体表面的碳化以及进而导致了绝缘作用的损失。所述重叠允许机械地固定电极并有助于对其触点接通的稳定性。
第一密封面和/或第二密封面可以构成为可弹性压缩层或密封通道，其布设在非弹性的支承体上。由此可以制成非常稳定的密封框架，但该密封框架在重要的部位、也就是说密封面上设计成可弹性压缩的。在这个背景下具体地可以设想，非弹性的支承体以夹层形式包夹在两个可弹性压缩的层之间。也可以设想在非弹性的支承体上单侧地布设可弹性压缩的层。非弹性的支承体可能由热塑性塑料、热固性塑料或金属制成。热塑性塑料的优点是低重量和低成本。此外塑料是不导电的。金属具有良好的导热性并且因此可以用于冷却。在此，金属特别是在电极-引出片的区域中应完全地由可弹性压缩层包封地容纳。通过采用能导热的塑料、例如含有热塑性塑料的碳纤维，能够明显地改进塑料的导热性以及由此还有其热传递。最后可以设想，基体作为双组份部件用注塑技术制造。由此可实现快速制造。密封件可能通过硫化、喷涂、嵌入或粘结而布设在支承体上。
在第一密封面和/或第二密封面中可以构成有凹部。咖啡袋式单电池的密封接缝可以通过所述凹部与大气相接触。在这个背景下以设想，在一个密封面或在两个密封面中构成有凹部。如果两个密封框架彼此贴靠，则各凹部互补形成扩大的凹槽，通过该凹槽，密封接缝可以获得与大气的接触。在此，凹部在横截面中可以设计为弧形的、半圆形的或矩形的。弧形的、半圆形的设计方案允许无需压紧地贴靠在密封接缝上。由此实现预定排出部位，电解液可以通过所述预定排出部位排出到周围环境中。凹部应该与电极间隔开地布置。取代凹部也可以设想，在局部区域中以小的在密封接缝上的压紧力实现一密封件。这可以通过局部地布设的弹性体材料来实现，所述材料具有比密封面的弹性材料高的弹性。由此确保，在正常的过程条件下阻止湿气从外部进入到密封接缝上。在需要排出电解液的故障情况下，其超压足以使局部削弱的密封件扩张开。这种所期望的薄弱部位例如可能通过较软的弹性体、局部较小的压紧力或通过局部不同的布置来实现。可替换地，其可能由薄的薄膜覆盖。
在密封框架的开口中可设置有板条，各所述板条的厚度小于基体的厚度。所述板条允许弹性地隔开单电池的单电池壳体的加厚的、球状的区域。
基体可以具有孔。通过这些孔可以将不同的并排设置的密封框架相互连接。在这个背景下也可以设想，将两个密封框架以键-槽连接的方式相互连接。在此具体地可以设想，在基体中布置盲孔或穿孔，它们容纳另一个密封框架的销柱。
各所述孔可以在从基体中突出的连板中构成。连板一方面允许毫无问题地抓握密封框架，另一方面使得不会由于孔而削弱或减小密封面。此外所述孔还允许严格平行地并排布置单电池。
基体可以设有粘结剂。在这个背景下具体地可以设想，在基体上布置胶带。通过粘结剂或胶带可以将两个密封框架相互粘接或者将密封框架粘结到密封接缝上。由此能够实现快速的和工艺可靠的堆叠结构。
在密封框架中可以集成冷却装置。由此，密封框架可以应用在较大的电池中，在这种电池中需要对各单电池进行冷却。在这个背景下可以设想，将冷却装置构成为金属体，该金属体以夹层式地容纳在两个可弹性压缩的层之间。此时密封接缝的弹性的密封件可以在另外的区域中用于附加地密封冷却回路，其中从单电池到冷却装置上的热传递优选通过贴靠在金属体上的密封接缝实现。在此，金属体应该特别地封装地容纳在电极-引出片的区域中并且完全地由所层包围。冷却装置的另外的设计方案包括导热特别良好的漆、能够导热的热塑性塑料或能够导热的弹性体。冷却装置可以包括导热的弹性体，该弹性体与外部的冷却回路或散热片相接触。该设计方案构成一种被动的冷却。在主动的冷却中，可以在弹性的密封框架中或之间安装有冷却通道，冷却介质流动通过所述冷却通道。在此，冷却介质可以流动通过多个连接成一堆叠的密封框架并因此对多个单电池调温。由此单电池能够可靠地冷却并可以均匀地调温。
电池可以包括至少两个在此所述类型的密封框架和至少一个单电池，其中单电池定位在两个密封框架之间，其中单电池具有加厚的区域，该加厚的区域延伸到其基体的开口中，以及其中单电池具有收缩的区域，所述密封面密封地贴靠在该收缩的区域上。收缩的区域对应于密封接缝。通过单电池的这种布置可以使得其位于收缩的区域上的预定断裂位置夹层式地由两个密封框架所围绕。这种根据本发明的电池适于移动的应用场合，特别是在车辆和飞机中，以及适于固定的应用场合，例如用于需要不中断供电的系统。
在这个背景下，密封面可以至少局部地夹层式地在其之间容纳所述收缩的区域并彼此密封地贴靠。具体地可以设想，密封面夹层式地在朝向开口的局域中围绕收缩的区域，并且在背向开口的局域中直接地彼此贴靠。在上方的、背向开口的局域中，密封面密封地彼此贴靠并且密封单电池的内部以防止有害介质。
在密封框架之间可以容纳单电池的电极的引出片，该引出片越过密封框架伸出。密封框架密封地贴靠在引出片上，从而有害介质不会出现从外向内或从内向外通过。引出片在此越过密封框架伸出，从而使所述引出片能够毫无问题地触点接通。
在密封框架之间可以布置至少一个检测压力的传感器。通过这种传感器、特别是压力传感器可以毫无问题地检测充气膨胀的单电池。强烈地充气膨胀的单电池是对于损坏的单电池是常见的现象。
单电池可以设计成具有密封接缝的咖啡袋式单电池，其中单电池的收缩的区域设计为密封接缝。咖啡袋式单电池的特征在于单位结构体积的高容量。具体地，咖啡袋式单电池具有柔性的单电池壳体。单电池壳体更多地是薄膜，单电池的内部与咖啡包装中的咖啡相类似而焊接封入该薄膜中。这种薄膜可以设计为在两侧有涂层的金属薄膜。这种技术使得能够实现制造较薄的单电池和较大的设计灵活性。另外的优点在于通过紧凑的结构实现的较高的能量密度和较低的制造成本。设计的灵活性使得单电池对于移动电话市场和计算机市场来说是特别具有吸引力的。
在这个背景下，单电池设计为锂离子单电池。此外，单电池可以设计为锂聚合物单电池，其中代替液态的电解液采用聚合物基质，所述聚合物基质几乎完全吸收电解液并接近排出安全地固定电解液。
在电池上可以布置有排出罩。由此可以确保，安全地导出排出的气体或电解液。排出罩可以由金属、塑料或弹性体制成并且必须相对于密封框架密封。排出罩在此可以覆盖多个并排布置的凹部。必要时排出罩可能配有薄膜或者说破裂膜，从而在正常条件下使湿气远离咖啡袋式单电池的密封接缝。排出罩现在例如可以通过软管或管与周围环境相连接。在所述软管或管中还可以附加地安装一阀，该阀仅当存在过压时从内部打开。利用这种布置可以确保，当在电池的故障情况下排出电解液时，使电解液安全地和按目的地从电池的内部中，特别是远离电极地导出。
电池可以具有另一个牢固的固定框架。该另一个牢固的固定框架可以由塑料或由金属制成，所述金属可以利用不导电的材料涂覆。该牢固的框架附加地确保在密封位置处实现恒定且均匀的压紧力。此外，牢固的框架使得能够实现装备有密封框架的单电池的堆叠在电池的壳体中更好的和更可靠的安装。此外，这样的布置还使得维护保养和更换受损的单电池变得容易。
附图说明
下面参照附图详细说明根据本发明的密封框架的几个实施例。附图分别示意性地示出：
图1示出矩形的密封框架的透视图；
图2示出两个彼此贴靠的密封框架的透视图；
图3示出两个彼此贴靠的密封框架的侧视图；
图4示出包括刚性的支承体的密封框架，在该支承体上在单侧施加有可弹性压缩的层；
图5示出一密封框架，在该密封框架中在刚性的支承体上在两侧施加有可弹性压缩的层；
图6示出一密封框架，在该密封框架中开口由板条分隔，各所述板条的厚度小于基体的厚度；
图7在左侧示出咖啡袋式单电池的俯视图，电极从该单电池中伸出，在右侧示出咖啡袋式单电池的侧视图；
图8示出各单个的咖啡袋式单电池的堆叠的示意性的视图，在这些单电池之间布置有密封框架，其中密封框架由一固定框架形锁合地彼此压紧；和
图9示出两个彼此贴靠的具有横截面为弧形的凹部的密封框架，以及排出罩的示意性的视图，该排出罩通过所述凹部安装并与密封框架形锁合地连接；
图10示出具有集成的冷却装置的密封框架。
具体实施方式
图1示出了用于电池中的密封框架1，包括一基体2，其中基体2包围一开口3，基体2具有第一密封面4和相对置的第二密封面5。第一密封面4和第二密封面5设计成可弹性压缩的。基体2设计成矩形的并具有四个边，这四个边连贯地围绕开口3。第一密封面4平行于第二密封面5定向，其中这两个密封面4、5与开口3平齐。
基体2由可弹性压缩的材料制成。在第一密封面4和第二密封面5中分别构成有凹部6，其横截面设计为弧形的。
图2示出了两个根据图1构造的密封框架1，它们彼此贴靠地布置并以透视图示出。连板7从基体2中伸出。在该连板中可以设置孔。密封框架1可以通过这些孔借助于螺钉相互固定。由此可以在密封框架1的整个基体2上确保恒定的且足够高的压紧力。
图3示出了根据图2的两个彼此贴靠的密封框架1的第二视图，其中两个弧形的凹部6互补形成用于电解液的预定排出部位。
图4示出了具有基体2的密封框架1，其中第二密封面5设计为可弹性压缩的层，该层施加在一非弹性的支承体8上。
图5示出了密封框架1，其中第一密封面4和第二密封面5分别设计为可弹性压缩的层。这两个层在两侧施加在非弹性的支承体8上。支承体8夹层式地由可压缩的层包夹。
图6示出了具有基体2的密封框架1，其中开口3通过板条9分隔，各板条的厚度小于基体2的厚度。板条9防止直接相邻的单电池11相接触。
图7示出了设计为咖啡袋式单电池的单电池11。在图7中左侧示出了单电池11的俯视图。单电池11的内部、也就是说电极/隔板堆叠，位于单电池壳体12中，该壳体由带涂层的金属制成。特别具体地是给铝设置聚烯烃涂层。在电动车辆中使用的单电池11的单电池壳体12的常见宽度和长度通常大于20cm。这种单电池壳体12约为1cm厚。单电池壳体12具有环绕的、约1cm宽的密封接缝13，在所述密封接缝上密封地共同层压两个带涂层的金属、也就是薄膜。密封接缝13的常见厚度约1至2mm。电极的引出片10从密封接缝13中伸出。引出片10由金属制成并且厚度通常小于1mm。在图7中右侧示出单电池11的侧视图。
图8示出了多个单电池11的一个堆叠，这些单电池在密封接缝13的区域中彼此隔开。密封接缝13由密封框架1压紧。这里密封框架1(在外周)完全围绕单电池11。电极的引出片10从密封框架1中伸出。密封框架1伸出于密封接缝13。由此得到针对来自于大气的湿气的密封，这是因为两个相邻的密封框架1在凸出于密封接缝13的部分中直接彼此贴靠。也可以设想，密封框架1相互形锁合地扣合。优选地，在相邻的单电池11之间形成缓冲距离，所述缓冲距离充分地通过密封框架1所覆盖。由此可以确保，当出现单电池11的最大的厚度时在密封接缝13上不产生额外的压力。
该附图还具体地示出了电池18，该电池包括至少两个密封框架1和至少一个单电池11，其中一单电池11定位在两个密封框架1之间，其中该单电池11具有加厚的区域14，该加厚的区域延伸到密封框架1的基体的开口3中，该单电池11还具有收缩的区域15，密封面4、5密封地贴靠在该收缩的区域上。密封面4、5局部地夹层式地将收缩的区域15容纳在它们之间，并且除此以外还彼此密封地贴靠。收缩的区域15设计为密封接缝13。加厚的区域14包围单电池11的内部，即电极/分离器堆叠。在密封框架1之间还容纳单电池11的电极的引出片10，所述引出片伸出于密封框架1之外。密封框架1通过固定框架16定位，该固定框架将各密封框架1相互压紧。在此确保，密封框架1上的面压力大约是恒定的。
图9示出了两个彼此贴靠的密封框架1，其凹部6互补形成预定排出部位。密封接缝13在此与大气相接触。两个弧形的凹部6互补形成一个完整的孔洞。由此得到预定排出部位，其不压紧地贴靠在密封接缝13上并且由此给排出的电解液留出一向外敞开的路径。凹部6应尽可能远离电极的引出片10地布置。在密封框架1的凹部6上设置排出罩17，该排出罩与密封框架1形成形锁合。排出罩17允许可靠地运走从凹部6中排放的电解气体。
图10示出根据图1的密封框架，其中在基体2中集成一冷却装置19，在这个设计方案中该冷却装置是管状的冷却通道。密封框架1在该设计方案中设计成能够导热的。这里也可以设想采用如在图4和5中所述的夹层式的构造。

Claims (13)

1.电池(18)，包括：至少两个密封框架(1)，每个所述密封框架包括基体(2)，其中所述基体(2)包围一开口(3)，所述基体(2)具有第一密封面(4)和相对置的第二密封面(5)，其特征在于，所述第一密封面(4)和/或所述第二密封面(5)构成为可弹性压缩的；和至少一个单电池(11)，其中所述单电池(11)定位在所述至少两个密封框架(1)之间，所述单电池(11)具有加厚的区域(14)，所述加厚的区域延伸到在其基体(2)的所述开口(3)中，所述单电池(11)具有收缩的区域(15)，所述密封面(4，5)密封地贴靠在所述收缩的区域上，其中，所述单电池(11)设计为具有密封接缝(13)的咖啡袋式单电池。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述基体(2)由可弹性压缩的材料制成。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述第一密封面(4)和/或所述第二密封面(5)构成为可弹性压缩的层，这些层布设在一非弹性的支承体(8)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，在所述第一密封面(4)和/或所述第二密封面(5)中构成有凹部(6)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，在所述第一密封面(4)和/或所述第二密封面(5)中设置有更高弹性的局部的区域。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，在所述开口(3)中设有板条(9)，这些板条的厚度小于所述基体(2)的厚度。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，所述基体(2)具有孔并且这些孔构成在从所述基体(2)中伸出的连板(7)中。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，所述基体(2)设有粘结剂。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于，在所述密封框架(1)中集成有冷却装置(19)。
10.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述密封面(4，5)至少局部地夹层式在所述密封面之间容纳所述收缩的区域(15)并彼此密封地贴靠。
11.根据权利要求1或10所述的电池，其特征在于，在所述密封框架(1)之间容纳所述单电池(11)的电极的引出片(10)，所述引出片突出于所述密封框架(1)。
12.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述密封框架(1)之间设置至少一个传感器，所述传感器检测压力。
13.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述电池(18)上设置一排出罩(17)。
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