CN102412428B

CN102412428B - 电装置

Info

Publication number: CN102412428B
Application number: CN201110277469.6A
Authority: CN
Inventors: P.许茨巴赫; A.内茨; A.格洛克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: CN102412428A; US20120077063A1; DE102010041017A1

Abstract

本发明涉及一种电装置，该电装置包括蓄能器（11）、尤其是电化学蓄能器，所述蓄能器具有至少一个电池单元（12），所述至少一个电池单元具有阳极（14）、阴极（16）和流体的电解质（26），所述电解质实现从所述阳极（14）至所述阴极（16）的电流。所述装置的特征在于，所述电池单元（12）具有至少两个开口（28，30），其中所述开口（28，30）通过用于循环地输送所述电解质（26）的连接装置（32）连接。通过这样的方式改善了蓄能器的安全性和耐久性。

Description

电装置

技术领域

本发明涉及一种电装置。本发明尤其涉及一种包括蓄能器、尤其是电化学蓄能器——例如锂离子蓄电池——的电装置。

背景技术

当今，广泛地使用蓄能器，如尤其是电化学蓄能器。尤其是，使用锂离子蓄电池具有很多优点，因为锂离子蓄电池大多是热稳定的并且不具有记忆效应。此外，这种蓄能器的特点还在于比较高的能量密度。

为了改进这种蓄能器的安全性和耐久性，已知不同的方案。

在DE 10 2007 023 896 A1中描述了一种电化学蓄能器。该蓄能器尤其用于扩大蓄能器可以在其中安全且可靠地运行的温度范围。为此，蓄能器包括至少两个用于分别容纳电解质的储备室或者至少一个用于容纳电解质的成分的储备室。在此，储备室被设置用于对于不同的运行状态容纳不同的电解质或者电解质的不同成分。如果储备容器分别包含一种电解质，则这一方面可以首先将包含在蓄能器中的电解质泵出到储备存储器之一中并且随后以来自第二储备容器中的另一电解质填充该蓄能器。如果储备容器仅仅包含电解质的一种成分，则根据温度——在该温度下电化学蓄能器运行——添加或除去所述成分。

由DE 20 2006 011 287 U1已知一种用于使蓄电池的电池单元中的电解质的物质浓度均匀化的系统。该系统包括用于对蓄电池进行充电的充电装置以及用于循环电解质的循环装置。在此，循环装置可以具有泵，以便循环蓄电池内的电解质，这实现了电解质均匀化。在此，循环装置可以通过设置在壳体的盖中的开口插入到蓄电池中。通过该系统可以实现简单并且同时在充电时间和充电能量方面优化的充电过程。

发明内容

本发明的主题是一种电装置，该电装置包括蓄能器、尤其是电化学蓄能器，所述蓄能器具有至少一个电池单元，所述至少一个电池单元具有阳极、阴极和流体的电解质，所述电解质实现从阳极到阴极的电流。根据本发明设置，电池单元具有至少两个开口，其中所述开口通过用于循环地输送电解质的连接装置连接。

通过根据本发明的装置，提供了一种蓄能器，该蓄能器可以由电解质流过并且其中由此实现从外部化学地或物理地干预电池单元。

在此，流过电池单元实现电解质的充分混合。由此实现了，电解质的例如物质变化不限制在局部，而是分布在整个电解质中。因此可以进行电解质的均匀化。在电解质的每一点处，平均存在类似的电解质，这使蓄能器的性能最优化。尤其是，通过这样的方式可以显著地改善充电过程。

此外，根据本发明可以实施对电池单元的多种不同的干预。由此可以通过多种方式对蓄能器内的可能变化或错误运行做出反应，这确保蓄能器始终以其性能的最佳状态受控制地运行。此外，可以显著地延长根据本发明的蓄能器的使用寿命并且往往可以在安全临界状态呈现真正危险以前减少或者完全避免所述安全临界状态。

电池单元或者蓄能器的可流过性还允许电池单元内的压力调节。因此例如可以在由于电池单元中的加热而导致电池单元中的压力提高时实现压力下降。为此，特别有利的是，所述连接装置与压力均衡容器以流体方式连接。

在根据本发明的装置的一个有利设计的范畴中，所述连接装置设置在蓄能器的外部。在这种情形下，根据本发明的装置可特别简单地制造，其中无需对传统的蓄能器进行开销较大的改装。此外，在该实施方式中可特别简单地实施以下描述的扩展方案中的一些。

在根据本发明的装置的另一有利设计的范畴中，所述连接装置与用于输送电解质的泵以流体方式连接。由此，可以通过特别简单并且可靠的方式实现电解质的输送。此外，可以因此实现电解质的持久输送或者在不出现延迟的情况下实现在时间上受限制的输送。

在根据本发明的装置的另一有利设计的范畴中，在所述连接装置中设置有用于封闭所述连接装置的封闭装置。通过这样的方式，可以使蓄能器在正常运行时能够安全并且可靠地工作，而不发生电解质的交换或流过。封闭装置例如可以包括一个阀或多个阀，所述阀可以流体密封地封闭所述连接装置并且可以设置得邻近于开口。在本发明的范畴中，此外有利的是，封闭装置仅仅在流动方向上是可穿过的。通过这样的方式，可以确保电解质在回路中的输送。为此，封闭装置例如可以具有止回阀，该止回阀在预先给定的方向上允许电解质通过，例如由通过泵实现的电解质压力来触发。在此中断电解质在相反方向上的输送。

在根据本发明的装置的另一优选设计中，所述连接装置与可气密封闭的开口以流体方式连接，以引入和/或引出至少一种物质。在该设计中，尤其可以将电解质的组成部分引入到该电解质中或者更新电解质或者替换全部的电解质。因此例如可以使电解质匹配于所期望的工作条件。例如可以将电解质从特定于冬季的成分改变为特定于夏季的成分，或者相反，以便因此实现对于高温或者低温优化的运行。

此外，因此可以实现电池单元中的电极的重新生成。例如可以将活性材料加入到电解质中，所述活性材料通过以电解质流过电池单元而到达电极并且积聚在那里并且可以因此重新生成电极。通过这样的方式，可以显著地延长电极以及因此整个蓄能器的使用寿命。

因此可以例如在电解质的使用寿命结束时不替换整个蓄能器。更确切地说，可以通过比较简单地更换电解质在无大开销的情况下延长整个蓄能器的使用寿命。此外，通过设置所述连接装置上的开口可以在无氧和无水的环境中更换电解质，从而可能会持续地损害蓄能器的有害物质无法到达电池单元的内部。

此外，该设计是有利的，因为当电池单元即将失控时可以放空所述电池单元。在这样的情形下，还可以在化学上进行干预，其方式是将液体——例如惰性液体或者具有相应反应物质的惰性液体——输送到电池单元中。

在根据本发明的装置的另一有利设计中，所述连接装置与分析装置以流体方式连接。通过这样的方式，可以在化学上以及在物理上最准确地分析电解质，这实现了对于组分变化或者例如关于电解质的内容物或电导的其他特性的立即反应。因此，可以实现对电解质的持久控制，这允许推断出电池单元中发生的情况和可能不期望的过程和/或分解物。因此可以往往在安全临界状态或安全可疑状态出现以前就已经识别到电池单元内的变化，这使得能够对所述变化做出立即反应。此外，通过这样的方式可以有效地抵抗老化作用。因此可以改善根据本发明的装置中的蓄能器的安全性和耐久性。

在根据本发明的装置的另一有利设计的范畴中，所述连接装置与气体分离器以流体方式连接。因此可以在通过所述连接装置输送电解质时从电解质中去除在电池单元中产生的气泡。由此可以扩大电极的活性面积，这可以提升电池单元的性能并且还可以延长使用寿命。

在根据本发明的装置的另一有利设计的范畴中，所述装置具有用于电解质的温度调节的温度调节装置。在此，所述温度调节装置可以有利地包括加热装置和/或冷却装置，借助于所述加热装置和/或冷却装置可加热或者冷却电解质。由此可以不仅通过物质变化使电解质匹配于不同的环境温度，而且还可以持久地调节电解质的温度，从而即使在非最优化的电解质中也可以实现在不同温度下的运行。

因此，这尤其是有利的，因为传统蓄能器、例如锂离子蓄电池的温度范围既在低温时也在高温时是受限的。这尤其在机动车中的应用时是不利的，因为在冬季或者在夏季中的长的停车时间时蓄能器的温度可以达到所述极限或者超过所述极限。这可能导致蓄能器的显著的功率损耗，并且还可能出现急剧地缩短电化学蓄能器的使用寿命的有害的副作用。此外，电解质温度显著高于温度极限的偏差可能导致安全相关的问题，例如热穿透。在此重要的是，尤其是电解质对蓄能器应当在其内工作的极限负责。

因此，此外可以提供防止局部过热的保护。由此既可以显著地改善使用寿命也可以显著地改善安全性。

在根据本发明的装置的另一有利设计的范畴中，在电池单元中设有至少一个用于有针对性地导引电解质的通道。因此，通过电池单元内部中的通道可以如所期望的那样沿着电极或者分隔件导引电解质，由此可以通过定义的方式设计蓄能器的性能。此外，可以确保始终以足够的电解质量环绕冲刷电极或分隔件。

所述设计的另一优点体现在对电池单元的填充，因为即使是电池单元的较难接近的区域也可以快速地到达并且可以更容易地排出可能包含的气泡。

在此，特别优选的是，通过设置在阳极、阴极和/或分隔件的表面上的界限由梳妆地彼此啮合的结构构成通道。由此确保分隔件或电极与电解质之间特别大的接触面积。在此，例如可以在设置在电极的表面上的活性材料中结构化出通道。

附图说明

通过附图示出并且在以下说明中阐述根据本发明的主题的其他优点和有利配置。在此应当注意，附图仅仅具有描述性质并且不应视为以任何形式限制本发明。

图1从侧面示出根据本发明装置的示意性剖视图，

图2从斜上方示出用于根据本发明装置的蓄能器的示意性剖视图。

具体实施方式

图1从侧面示出根据本发明的具有蓄能器11的装置10的示意性剖视图。蓄能器11尤其是电化学蓄能器，例如锂离子蓄电池。蓄能器11包括至少一个、优选多个电池单元12，这些电池单元12分别表示电流（galvanisch）单元。在每个电池单元12中，通过电化学反应产生电流。为此，电池单元12包括至少一个阳极14和一个阴极16，它们适宜地在壳体18中设置在阳极空间20或阴极空间22中。阳极14和阴极16或者阳极空间20和阴极空间22在此通过间隔件24彼此分离。

如果蓄能器11是锂离子蓄电池，则阳极14例如包括基于碳的插层化合物、锂与锡和/或硅的合金（在必要时在碳矩阵中）和金属锂或钛酸锂。在此情形中，阴极16也可以是对于锂离子蓄电池而言常用的阴极。阴极16的合适材料例如是锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂钴镍氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂铁氧化物、锂锰二氧化物、锂锰氧化物以及锂锰氧化物的混氧化物、磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钴锂和碳酸镍锂。另外在阴极方面，合适的活性材料也是可行的，例如典型的过渡金属氧化物，尤其是锂钴镍氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物和它们的混合物。

作为分隔件24，基本上同样合适的是每种任意的、对于专业人员而言已知的间隔件，如用在锂离子蓄电池中的间隔件。间隔件24通常是可半渗透的膜片，该膜片对于锂离子而言是可穿过的。作为用于间隔件24的材料，合适的有例如聚丙烯、聚乙烯、氟化碳氢化合物、用陶瓷涂层的碳氢化合物、玻璃纤维、基于纤维素的材料或者以上所述材料的混合物。用于间隔件24的优选材料是聚乙烯和聚丙烯。

此外，每个电池单元12包括电解质26，该电解质26优选完全充满阳极空间20和阴极空间22。至少在阳极14或阴极16与间隔件24之间设置有电解质26，由此电解质26实现从阳极14至阴极16的电流。在此，根据本发明，电解质26被设计为流体。特别优选地，电解质26是液态的。一般，电解质26包括如下溶剂：该溶剂具有高的电常数（Elektrizitätskonstante），以便可以良好地溶解盐，并且具有尽可能低的粘滞性，以便使离子易于迁移。此外，电解质26大多包括解离地溶解在溶剂中的盐。合适的溶剂例如是碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、碳酸二乙酯、乙酸乙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯和各种不同的酯（如四氢呋喃）和它们的衍生物。作为电解质的盐合适的是例如六氟磷酸锂（LiPF₆）、二草酸硼酸锂（BOB）或四氟硼酸锂（LiBF₄）。

蓄能器11或电池单元12还具有阳极空间20中的第一开口28和阴极空间22中的第二开口30。两个开口28、30通过优选在蓄能器11的外部延伸的连接装置32彼此连接。通过连接装置32，可以在回路中输送电解质26通过蓄能器11。因此，开口28、30用作连接装置32的连接端子。

因此，阳极空间20中的第一开口28对于电解质26而言可以用作入口，而阴极空间22中的第二开口30用作出口。当然，相反的线路也是可行的。为了输送电解质26，优选在连接装置32中设置泵34。

此外，还可以设有一个功能单元36或多个功能单元36，所述功能单元优选设置在连接装置32中或者与连接装置32以流体方式连接。在此，在替代的实施方式中可以分别设置以下仅仅示例性提到的功能单元36的仅仅一个或任意组合。

例如，至少一个功能单元36可以包括用于封闭连接装置32的封闭装置，该封闭装置特别优选地调节电解质26在一个方向上并且因此在回路中从电池单元12或者蓄能器11通过连接装置32并且重新回到电池单元12或者蓄能器11的流动。

此外，作为功能单元36可以设置分析装置，如光谱仪、尤其是UV-Vis光谱仪或IR光谱仪，以便研究电解质26的性质和/或特性。为了从电池单元12的内部去除可能存在的气泡，功能单元36还可以包括气体分离器或者尤其是用于引入和/或引出至少一种物质的可气密地封闭的开口。

此外，功能单元36还可以优选地包括温度调节装置，借助于该温度调节装置可以使电解质保持在优选的温度上。

在一个特别优选的实施方式中，功能单元36包括控制单元，该控制单元与至少一个另外的功能单元36连接。附加地，控制单元随后优选地与一个传感器或多个传感器、例如压力传感器或温度传感器连接。以这样的方式，例如可以使电解质26的温度始终保持恒定或者保持在所期望的值上。此外，如果出现未预知的状态，则警告使用者或者将蓄能器11调节至无电压，从而进一步减小使用者的危险。此外，如果控制单元与分析单元连接，则可以自动地对在电池单元12中运行的过程做出反应。以这样的方式，蓄能器11也可以始终以最优化的方式工作，而无需使用者干预。

作为用于向用电器进行馈电的电连接端子，蓄能器11适宜地具有电连接端子38，该电连接端子通常具有两个连接端子极。

在图2中示出蓄能器11的通过分隔件24与阴极16分开的阳极14。此外，示意性地示出连接装置32，电解质26可以在该连接装置32中循环流动。在此，为了简化没有示出壳体18以及两个开口28、30。为了实现电解质26的输送同时使电解质26与电极优选完全接触，设有至少一个、优选多个用于有针对性地导引电解质26的通道40，通过所述通道电解质26例如在箭头42、44的方向上沿着电极和分隔件24被导引。

在此，至少一个通道40例如通过设置在阳极14、阴极16和/或分隔件24的表面上的界限由梳状地彼此啮合的结构构成。在此，通道可以优选设置在阳极14和阴极16的活性材料46中。适合的活性材料46例如包括在阳极方面基于碳的插层化合物，具有锂、锂的合金以及碳复合物中的锂合金。在阴极方面，合适的活性材料是典型的过渡金属氧化物，例如锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物和它们的混合物。此外，替代地或附加地可以在分隔件24的两侧上设置至少一个通道40。因此，也可以沿着箭头48导引电解质26。

与所述一个通道40或多个通道40的定位或构造和定向无关地，预制通道40的形状，该通道实现了电解质26与电极或分隔件24之间的尽可能大的接触。其他可能的形状例如是圆形的或曲线形的导轨。

Claims

1.一种电装置，包括蓄能器（11），所述蓄能器具有至少一个电池单元（12），所述至少一个电池单元具有阳极（14）、阴极（16）和流体的电解质（26），所述电解质实现从所述阳极（14）至所述阴极（16）的电流，其特征在于，所述电池单元（12）具有至少两个开口（28，30），所述开口（28，30）包括阳极空间（20）中的第一开口（28）和阴极空间（22）中的第二开口（30），其中所述开口（28，30）通过用于循环地输送所述电解质（26）的连接装置（32）连接，其中在所述连接装置（32）中设置用于分析所述电解质（26）的分析装置，其中所述分析装置与所述连接装置（32）以流体方式连接，并且所述连接装置（32）与能气密密封的开口连接，以将至少一种物质从外部引入到所述电解质（26）中和将所述电解质（26）引出，其中所述分析装置是UV-或者IR-装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接装置（32）设置在所述蓄能器（11）的外部。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述连接装置（32）与用于输送所述电解质（26）的泵（34）以流体方式连接。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述连接装置（32）中设置有用于封闭所述连接装置（32）的封闭装置。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述连接装置（32）与气体分离器以流体方式连接。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置具有用于对所述电解质（26）进行温度调节的温度调节装置。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述电池单元（12）中设有至少一个用于有针对性地导引所述电解质（26）的通道（40）。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通道（40）设置在所述阳极（14）、所述阴极（16）和/或分隔件（24）的表面上，并且具有梳状地彼此啮合的结构的形状。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述蓄能器（11）是电化学蓄能器。