CN102687307A - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池(1)，其具有被外壳(2)密封的，特别是被气密地和/或液密地密封的电极堆栈(13)，和至少一个特别是以额定破裂点形式的泄压装置(4)，其中，泄压装置(4)具有易碎片(5)，所述易碎片密封了外壳(2)的穿孔(6)。

Description

电化学电池
描述
本发明涉及一种电化学电池以及一种包括至少一个这种电化学电池的电池组组合(Batterieanordnung)。
德国专利DE 102007063193A1公开了一种平面结构形式的锂离子电池组，在所述锂离子电池组的外壳框架上提供了破裂区域(Berstbereich)。其中，在开口处引入了超压安全装置
Figure BDA00001504245500011
该超压安全装置包括一种防护膜(Sicherungsmembran)，该防护膜在定义的临界超压状态下裂开，从而使气体能够溢出。
本发明的任务是提供一种改进的电化学电池。该任务通过一种具有根据权利要求1所述的特征的电化学电池来解决。本发明其他有益的实施方式由从属权利要求给出。
根据本发明提供了一种电化学电池，该电化学电池具有被外壳密封，特别是被气密地和/或液密地密封的电极组，以及至少一个特别是以额定破裂点(Sollbruchstelle)形式的泄压装置，其中，所述至少一个泄压装置具有易碎片(Berstscheibe)，该易碎片可以密封外壳的穿孔。
在本发明范围内，外壳可以理解为至少部分将外界与电极堆栈隔开的界限。该外壳最好是气密性的和液密性的，这样才不会与周围环境发生物质交换。电极堆栈被安装在外壳内部。外壳具有至少一个外壳部分，特别是多个外壳部分。例如，一个外壳部分可以由模制件(Formteil)制成。可以使用两个模制件。此外，框架或框架部分也可以组成外壳部分。至少一个电流导体，特别是两个电流导体延伸到外壳之外，并用于连接电极堆栈。其中，该向外延伸的电流导体最好是构成了电化学电池的正极端口和负极端口。然而，也可以有多个电流导体延伸出外壳，特别是4个电流导体延伸出外壳。其中，如果电化学电池具有两个互相串联的电极堆栈时，那么不同的电极堆栈的两个电极相互连接。
从本发明意义上来说，电极堆栈被理解为一种装置，这种被用作电化学电池或伽伐尼电池的组件(Baugruppe)的装置还被用于存储化学能并且用于释放电能。为此，该电极堆栈具有：多个片状元件；至少两个电极(阳极和阴极)；以及，至少部分容纳了电解质的隔离物。最好将至少一个阳极、一个隔离物和一个阴极堆叠安放或堆积一起，其中，隔离物至少部分被布置在阳极和阴极之间。这种阳极、隔离物和阴极的序列可在电极组内部任意多次地重复。片状元件最好被卷绕成电极卷轴(Elektrodenwickel)。在下文中，概念“电极堆栈”也适用于电极卷轴。在释放电能之前，存储的化学能被转化为电能。在充电过程中，为电极堆栈或伽伐尼电池提供的电能被转化为化学能并存储起来。电极堆栈最好具有多个电极对和隔离物。特别优选的是，一些电极相互连接，特别是电连接。
从本发明意义上来说，框架应当被理解为任何结构性的装置，该装置适用于针对周围环境的影响来机械地稳定电池，特别是针对由外部或内部产生的力，并且该装置可以在生产电池时与电池的外包装固定在一起。如所选术语字面上表现出的，框架最好是基本上为框架状的装置，该装置的作用基本在于，赋予伽伐尼电池机械稳定性。该框架可以构成外壳的一部分。
在一定条件下，特别是过度充电、短路或过热会在电化学电池中形成超压。在极端情况下，这种超压会引起外壳的破裂和/或引起火灾。在这种情况下，相邻的电化学电池也会受损害。提供泄压装置能够有助于缓和上述条件下产生的后果。其中，泄压装置特别是一种这样的装置，该装置在出现确定的压力时，即破裂压力时，特别允许材料从电化学电池的内部空间向外溢出。此外，如果达到或超过了确定的温度，即破裂温度时，则泄压装置允许材料从电化学电池的内部空间向外溢出。就这点而言，泄压装置也可以不依赖于压力，仅在出现破裂温度时就开始进行泄压过程。
如果电化学电池内部的材料能够特别基于泄压装置的开口向外溢出，那么特别地存在一个泄压过程。在此，以额定破裂点的形式设计泄压装置。其中，额定破裂点被特别设计成，使得泄压装置的一部分在有泄压过程的情况下可以毁坏。
根据本发明，该泄压装置具有密封外壳的穿孔的易碎片。其中，该易碎片只有在不存在泄压过程的情况下才密封外壳的穿孔。在有泄压过程的情况下，穿孔的密封本身受到易碎片的破坏，使得易碎片至少不能完全阻止材料通过穿孔。更准确地布置易碎片以及通过易碎片密封穿孔的相应的能力，将在下面进行详细地讨论。
该易碎片可由塑料制成，尤其由聚合物形成。该易碎片可以根据它的几何尺寸和/或机械特性来设计，使得其在达到破裂压力或破裂温度时，失去它的机械强度，并因此不再能密封外壳。用于制造易碎片的塑料可以被描述为选自PE、PP、PTFE、CTFE、FEP、HFP或者其他特别的含氟聚合物。
易碎片最好由薄膜制成。该薄膜能够在达到或超过破裂压力时被部分毁坏，尤其是撕开。该薄膜也可以在达到或超过破裂温度时熔化。
易碎片和外壳最好由实质上相同的材料制成。其中，首先该外壳可以被完全密封地制成，并且易碎片随后从外壳中被分离出来，特别是被切割出来或被冲孔出来。易碎片可以紧接着再次紧密地固定到外壳上。由此外壳连同泄压装置的生产成本可以被降低。
易碎片最好具有多层，其中特别包括用于降低扩散的层。用于降低扩散的层最好能够基于含氟聚合物、有机硅或石蜡。此外，易碎片中的一层可以由金属，特别是铝制成。易碎片的某一层可以气相沉积到其他的层上，特别地，铝层可以气相沉积到塑料层上。基于烃的塑料尤其能够促进水或水蒸气的扩散。其中，用于降低扩散的层最好是通过易碎片阻止水或水蒸气的扩散。这同样可以由金属层实现。这些实施方式也普遍适用于外壳部分。为了确保两个层中的一层对易碎片的破裂特性只能施加可忽略的机械影响，这样的层可以被穿孔。
该外壳的金属层，即，尤其是外壳部分和/或易碎片的金属层可以借助聚合物膜来涂覆。这可以避免金属层可能的腐蚀。特别地，如果金属层是面向电化学电池的内部空间，这可以避免由电极堆栈和包括在其中的材料造成的腐蚀。金属层可以通过形成致密的氧化层的、有针对性的氧化，特别是通过阳极氧化来进行预处理。由此可以得出对腐蚀的进一步的抗性。此外，金属层也可以经受其他的预处理，这些预处理特别具有抗腐蚀的作用。所述预处理特别包括应用金属氧化层、金属氮化层或其他保护层，这特别是通过等离子体方法、喷涂或电解处理来应用。
泄压装置最好在达到破裂温度时触发泄压过程。易碎片中的一层是由一种熔化温度低于破裂温度的材料制成。由此可以实现，特别地在达到破裂温度之前，所述一个熔化温度低于破裂温度的层熔化，并且由此失去了机械特性。因为该层在达到破裂温度时仅仅具有可忽略的机械特性，对破裂点确切的设定只能在其他层上设定。其中，在破裂点意味着以下工作状态，即在该工作状态下通过泄压装置触发泄压过程。破裂点特别通过破裂温度和/或破裂压力来确定。
易碎片最好由聚合物层和石蜡层形成，其中，石蜡层的熔点低于85℃并且特别是大约80℃，而聚合物层具有最好高于95℃的熔点，特别是大约100℃。
穿孔可以具有为圆形的形状。其中，该圆形可特别借助钻孔简单地形成。可选地，该穿孔也可以具有为方形的形状。特别地，如果穿孔位于外壳的窄边上，该穿孔具有长形的形状是有益的，也就是说，穿孔在第一截面方向上具有比在与其垂直的第二尺度中的尺度大很多倍，特别是至少大2倍的尺度。
易碎片最好被设计为大于穿孔。由此可以实现，易碎片覆盖住了穿孔，并且其中特别是位于外壳的凸缘(Absatz)上。由此可以达到更好的密闭效果。
易碎片最好是密封在或粘合在外壳上。由此，易碎片可以由材料决定地与外壳连接。其中，密封和粘合的方式本身可以确定破裂温度或破裂压力。其中，如果密封或粘合的尺寸较大，则破裂压力或破裂温度便会增高。在相反的情况下，当密封或粘合的尺寸较小时，破裂温度或破裂压力会被降低。
在一个可选的实施方式中，易碎片被旋进(eingeschraubt)穿孔中。为此，该穿孔最好具有螺纹，该螺纹在穿孔中形成。可选地，该螺纹通过易碎片的旋入自行形成。为此，易碎片具有特别的自切割(selbstschneidend)的螺纹。易碎片最好由允许扭矩转移到易碎片上的装置提供。对此特别地，可使用熟知的螺丝头的形状。这些形状尤其可以是六角形形状或内六角扳手形状(Imbusform)。
易碎片也可以借助固定部分被夹紧在穿孔处。该固定部分尤其可以独立形成。该固定部分可以按由材料决定的方式和/或由力配合的方式和/或由形状配合的方式固定在外壳的一部分上。该固定部分可以将易碎片按由材料决定的方式和/或由力配合的方式和/或由形状配合的方式地固定在穿孔上。可选地，该固定部分被旋入穿孔中的螺纹上。其中，易碎薄膜(Brestfolie)被布置在固定部分和穿孔中的凸缘之间。通过在凸缘方向上旋入固定部分，易碎薄膜被夹入固定部分和凸缘之间并且由此被固定。在一种实施方式中，没有必要提供凸缘，固定部分可以被旋入穿孔内部的螺纹上。其中，薄膜位于穿孔中的螺纹上，并且在旋入固定部分时，该薄膜被旋入到固定部分和穿孔的螺纹之间。
易碎片最好具有大于穿孔的横截面的底面。
在易碎片和外壳之间最好提供一独立的密封装置。该密封装置尤其可以是聚合物垫圈。该密封装置最好被设计成是片状或环状的。
电化学电池最好具有切割装置，特别是刺针或刀片，该切割部件可能损坏外壳部分，尤其是易碎片。特别地，该切割装置可以打通(durchbrechen)外壳部分。通过损坏外壳，外壳的机械稳定性，特别是在泄压装置的范围的机械稳定性被降低，这会影响破裂压力或破裂温度。如果由切割装置打通外壳部分，就会触发泄压过程，因为在外壳被打通的位置，电化学电池内部空间的材料可以向外涌出。该切割装置可以从外部置于穿孔处。其中，切割装置可伸入到穿孔中。该切割装置可以固定在从外面置于穿孔上的板或薄片处。该板或薄片被构造为对于气体和/或液体是可渗透的。
切割装置最好被安装在易碎片外部并朝向该易碎片。被安装在外部尤其意味着，该切割装置被安装在外壳或易碎片的背离电化学电池的内部空间的侧面上。换句话说，易碎片被特别安装在电化学电池内部和切割部件之间。通过切割部件与易碎片的距离可以调整破裂压力。
电化学电池最好具有能识别泄压过程的传感器装置。通过这种传感器装置可以在泄压过程中和/或之后，特别告知中央控制单元，所述电化学电池处于不再能正常工作的状态下。电化学电池然后可以与其他应用，特别是与充放电过程去耦合(abgekoppelt)。这种传感器装置可以被设计为温度传感器和/或压力传感器。特别地，借助压力或温度传感器确定开始有压力增加或温度升高，可确定一个必要的泄压过程。为此，提出了压力或温度改变的坡度线。如果在达到或超过破裂压力或破裂温度之后，电化学电池内部空间的压力或温度有所下降，这可以被视为存在泄压过程的标志。这种识别可以通过仅考虑压力或仅考虑温度来进行。此外，该识别也可以通过一起考虑压力和温度来进行。
有益的是，将至少一个泄压装置安装在背离电化学电池的电流导体的区域中。
同样有益的是，在电化学电池的安装状态下将至少一个泄压装置安装在电化学电池的底部和/或侧边区域中。
根据上面最后提到的两个有益的本发明实施方式，电化学电池的至少一个电流导体在外壳的第一区域延伸出外壳，并且将至少一个泄压装置安装在远离第一区域的外壳的第二区域，和/或在电化学电池的安装状态下将至少一个泄压装置安装在外壳的底部区域中。换句话说，至少一个泄压装置尽可能(远地)远离电流导体，和/或被安装在电池的底部区域中。
特别地，在汽车行业中的锂离子电池组存在以下问题，即在电池组外壳中在电池的电流导体区域中同时安置了电池组管理系统和/或其他电子元件，并且电池组经常被安装在汽车轿厢的下方或汽车乘客座位的下方。其中要考虑到，通常电池以如下方式安装在电池组外壳中，并且电池组也以如下方式安装在汽车中，即在电池上部区域中电流导体从电池外壳延伸出来。
借助上文提到的电化学电池有益的实施方式，可以获得下面的好处，即当电池内部压力增大时，既不在电流导体和电池组管理系统的区域中也不在汽车乘客车厢的方向上通过至少一个泄压装置完成压力降低和材料排出。以这种方式，电池组的工作可靠性以及乘客的安全性在电化学电池内部出现临界压力状态时会有所提高。
此外，本发明还涉及一种电池组组合，其包括上述类型的至少一个，特别是多个电化学电池。
本发明的其他益处、特征以及应用可能性在下面结合附图进行描述，这里展示了：
图1是根据本发明的电化学电池的原理示意图；
图2是根据图1的电化学电池外壳的截面；
图3是一个可选实施方式中的电化学电池1外壳的截面；
图4是一个可选实施方式中的电化学电池1外壳的截面；
图5是穿孔的不同截面形状；以及
图6是压力以及温度的变化曲线。
图1展示了一种根据本发明的电化学电池1。外壳2在正常工作状态下将电化学电池1的内部空间14相对周围环境气密地和液密地密封起来。在电化学电池1的内部空间14中安装有电极堆栈13。多个电化学电池可以被安装在一个电池组(组合)中。
图2展示了外壳2的截面。可以看出，外壳2是由很多部分组成的。其中，外壳2具有至少一个外壳部分3。该外壳部分3被设计为模制件。在本实施方式中，外壳2具有两个这种模制件3。外壳部分也可以有其他的形状。特别地，框架同样可以组成外壳部分3。在这种情况下，两个模制件3就构成了外壳2的绝大部分。
外壳部分3具有穿孔6，该穿孔被易碎片5密封。易碎片5与外壳部分3共同形成了外壳2。
穿孔6与易碎片5一起构成了泄压装置4的基本组成部分。其中，易碎片5粘贴在外壳部分3上。可选地，易碎片5可以密封在外壳部分3上。
穿孔6是阶梯形地形成的，并且具有外部段15和内部段16。外部段15具有比内部段16更小的直径。在穿孔6的内部形成了凸缘17，易碎片5就安放在该凸缘17上。易碎片5从内部安装在凸缘17上。易碎片5粘贴在凸缘17上。易碎片5由单层的塑料薄膜制成。在电化学电池1内部空间14中的内部压力P增加时，易碎薄膜5向外突出，如虚线所示。在达到破裂压力时，易碎薄膜5会进一步突出并由此扩展，从而破裂。由此，外壳2变成了非密封的，这样材料就可以从电化学电池1的内部空间14向外面溢出。在这种情况下，内部压力P可以降低。同时，内部空间14中的温度T也会降低。
图3展示了一个可选实施方式中电化学电池1的外壳的截面，所述外壳很大程度上与图2所示的外壳相符。在下文中仅对与图2的区别进行探讨。易碎片5被设计为多层的易碎薄膜。其中，易碎片5具有第一层7和第二层8。第一层7是由聚合物制成的。第二层8是由铝制成的。铝层8相对于聚合物层有更好的水蒸气不渗透性并且就这方面而言被设计成降低扩散性。此外，铝层8具有更好的抗断强度。此外，作为模制件的外壳部分3也是由多层的材料构成的，其中，其外层由铝制成而其内层由聚合物制成。易碎片5中的两层和模制件3中的两层是可互换的。
由铝制成的层也可以分别由基于含氟聚合物、有机硅或石蜡的层来代替。
在一种可选的实施方式中，其中，构成易碎片5内层的第二层8可以由基于石蜡的材料制成。该基于石蜡的材料在约80℃时熔化。而破裂温度则设定到100℃。就这点而言，在达到破裂温度之前第二层就已经熔化并且因此失去机械强度。这样的好处就是，在确定泄压装置4的尺寸时，可以仅考虑第一层7。其中，第二层8不能改变泄压装置4的破裂特性，尤其有关破裂温度。
易碎薄膜5被安放在凸缘17上。易碎薄膜5没有直接与凸缘17粘合或者与凸缘17以其他由材料决定的方式连接。提供了一种环形的固定部分9，该固定部分从内部装在易碎薄膜5上。固定部分9在穿孔6中被夹紧，特别是在穿孔6的第二段16中。为了在穿孔6中固定连接所述固定部分9，可以借助过盈配合
Figure BDA00001504245500091
将固定部分放入外壳部分3中。可选地，固定部分9可以在穿孔6中以由材料决定的方式，特别是通过粘合来夹紧。可选地，固定部分9具有外部螺纹，该外部螺纹可旋入穿孔6的内部螺纹中。易碎片可被特别设计为易碎薄膜并且被旋入穿孔6的内部螺纹和固定部分9的外部螺纹之间。
图4展示了另外一个可选实施方式中电化学电池1的外壳截面，所述外壳很大程度上与图3所示的外壳相符。在此，下文中仅对与图3的区别进行探讨，其中，根据图1的单层的易碎薄膜也是采用的。在易碎薄膜5和凸缘17之间提供了一种独立的密封片10，该密封片可以改善正常工作下的密封效果。
此外并不依赖于上述特征，从外部安放薄片18，该薄片18在其内表面上有一个中心安装的刺针11。该刺针11朝向易碎片5。在压力增大的情况下，正如已经在图1中描述过的，该易碎片5在朝着刺针11的方向上突出。在达到破裂压力PB时，易碎薄膜5接触到刺针11，并由于内部压力而被刺针11损坏，由此，外壳2变成了不密闭的。因此，材料可以从内部空间14溢出到达外部，承载刺针的薄片18与外壳2非密闭地连接。该薄片18可以具有穿孔，该穿孔允许材料经过薄片18溢出。
图5展示了穿孔6可具有的不同截面的形状。图5a)展示了椭圆形。图5b)展示了圆形。图5c)展示了具有被倒圆的角的矩形。图5d)展示了正多边形，即六边形，其中正多边形的内角彼此都相同。正多边形仅两个相对的边相对于其他边是加长地形成的。图5e)展示了正八边形的形状。图5f)展示了与图5c)类似的截面。但是，其长边边长与短边边长的比例要比图5c)截面中的大。
图6a)展示了电化学电池1内部空间14中的压力曲线。在时间段t＜tB中，泄压装置4是关闭的，所以不存在泄压过程。没有材料能够通过外壳2从内部空间14向外溢出。随着时间t的增加，内部空间14中的压力P增高。在破裂时间点tB处，压力P达到了破裂压力PB。此刻泄压装置被打开并且材料可以从内部空间14向外溢出。由此，内部空间14中的压力P可以减小，所以接下来在时间段t＞tB中压力P再次下降。
图6b)展示了电化学电池1内部空间14中的温度曲线。在时间段t＜tB中，泄压装置4是关闭的。随着时间t的增加，内部空间14中的温度T升高。在破裂时间点tB处，温度T达到了破裂温度TB。此刻泄压装置被打开并且材料可以从内部空间14向外溢出。由此，内部空间14中的压力可以减小，其中，内部空间14中的温度也可以降低。
基于压力曲线的变化和/或温度曲线的变化可以借助安装在电化学电池内部空间的传感器12来识别泄压过程。与传感器装置12相连的中央控制单元之后切断电化学电池进一步的充电和放电过程。
尽管没有在附图中明确地展示，但最好在背离电化学电池的电流导体的区域、在外壳2或电池1的底部或侧边上提供至少一种泄压装置4，所以使得至少一个泄压装置4尽可能(远地)远离电流导体，并且被安装在电池1的底部和/或侧边区域。
以这种方式可以实现，当电池1内部空间14中的压力增大或温度升高时，在泄压过程中通过至少一个泄压装置4完成的压力的降低和材料的排出既不在电流导体和电池组管理系统的区域中也不在例如汽车轿厢的方向上。所以，电池组的工作可靠性以及乘客的安全性在电化学电池1内部空间14中出现临界压力或温度状态时会有所提高。

Claims (17)

1.一种电化学电池(1)，所述电化学电池具有被外壳(2)密封的电极堆栈(13)，特别是被气密地和/或液密地密封的电极堆栈(13)，以及至少一个泄压装置(4)，特别是以额定破裂点形式的泄压装置(4)，其特征在于，
所述至少一个泄压装置(4)具有易碎片(5)，所述易碎片密封了所述外壳(2)的穿孔(6)。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)由塑料制成，尤其是由聚合物制成。
3.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)由薄膜制成。
4.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)和所述外壳(2)由本质上相同的材料制成。
5.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)具有多个层(7、8)，其中特别包括用于降低扩散的层。
6.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述泄压装置(4)被设计为，使得在达到破裂温度(TB)时触发泄压过程，其中，易碎片(5)中的至少一个层是由其熔化温度(TS)低于破裂温度(TB)的材料制成的。
7.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)借助石蜡涂覆。
8.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)具有至少一个层，该层是由金属，特别是由铝制成的，所述层最好是气相沉积到所述易碎片(5)上的。
9.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述外壳(2)的穿孔(6)具有圆形或方形的形状。
10.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)是密封在或粘合在所述穿孔(6)上的，所述易碎片(5)被旋入所述穿孔(6)中和/或借助固定部分(9)夹紧在所述穿孔(6)上。
11.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述易碎片(5)具有大于所述外壳(2)中的所述穿孔(6)的底面。
12.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
在所述易碎片(5)和所述外壳(2)之间提供独立的密封装置(10)，特别是片状的或环状的聚合物垫圈。
13.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述电化学电池具有切割装置(11)，特别是刺针或刀片，所述切割装置能够损坏所述外壳(2)的部分，并且特别是能够打通所述外壳(2)的部分。
14.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述电化学电池具有传感器装置(12)，所述传感器装置被设计成能够识别必要的泄压过程。
15.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
所述至少一个泄压装置(4)被安装在背离所述电化学电池(1)的电流导体的区域中。
16.如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池，其特征在于，
在所述电化学电池(1)的安装状态下将所述至少一个泄压装置(4)安装在所述电化学电池(1)的底部和/或侧边区域中。
17.一种电池组组合，其包括至少一个如前述权利要求中至少一项所述的电化学电池。
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