CN102956868B - 电池设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池设计，具体提供一种电池组件，其包括电解质和多个复合电极。每个复合电极包括阳极段和阴极段。复合电极布置成使得第一复合电极的阳极段与第二复合电极的阴极段以电化学方式相互作用，所述电化学方式的相互作用通过设置在多个复合电极之间的电解质来进行。

Description

电池设计
技术领域
本发明涉及电池设计，更具体地涉及具有串联布置的多个电池段的锂离子电池设计。
背景技术
大容量可充电电池当前被研究用于电动车辆中。电动车辆的最终可行性取决于相关成本的显著降低。电池组件的成本的降低尤其重要。锂离子电池是一种重要类型的电池技术。
大多数电池组件(包括锂离子电池组件)包括多个单独的电化学单元。图1A提供了在多种现有技术电池组件中使用的电化学单元的示意性剖视图。电化学单元10包括阳极12和阴极14。通常，阳极12包括涂覆有石墨层18的金属板或箔16(通常是铜金属)。类似地，阴极14包括涂覆有含锂层22的金属板或箔20(通常是铝金属)。最后，电化学单元10包括置于阳极12和阴极14之间的电解质24。接线端26和28允许生成的电被用于外电路。
电化学单元通过电化学反应产生电。就锂离子电池单元而言，产生电的反应的示例通过下述公式描述：
阴极反应：
阳极反应：
总体反应：
其中LiMO2是锂过渡金属氧化物。其他材料可用作锂离子单元的阴极和阳极，从而导致不同的产生电的反应。
锂离子电池单元中发生的反应是可逆的，从而提供这种单元充电能力。在电池放电期间，阳极提供电子到外电路并且从插入到阳极上的石墨涂覆层内的锂提供锂离子到电解质。在充电期间，锂离子的移动反向。
图1B提供了包括多个电化学单元的现有技术电池组件的示意性剖视图。电池组件30包括图1A所示的基本设计的电化学单元32-56。在该设计中，内电极(阳极或阴极)的活性元件沉积在电流载体58、59的两侧。此外，根据这种设计，所述电化学单元布置成平行的构造，其中每个单元的阳极电连接在一起并且每个单元的阴极电连接在一起。由此，电池组件30的电极之间产生的电压与电池组件10的电极之间产生的电压相同。
图1C提供了由多个布置成平行构造的电池子组件形成的现有技术电池组件的示意性剖视图。电池组件60包括具有图1B所示的电池组件的总体设计的电池子组件62-66。根据这种设计，所述电池子组件布置成平行构造，其中每个电池子组件的阳极电连接在一起并且每个电池子组件的阴极电连接在一起。由此，电池组件60的电极之间产生的电压与电池组件10的电极之间产生的电压以及电池组件30的电极之间产生的电压相同。
图1D提供了由多个布置成串联构造的电池子组件形成的现有技术电池组件的示意性剖视图。电池组件70包括具有图1B或图1C所示的电池组件的总体设计的电池子组件72-76。根据这种设计，所述电池子组件串联布置，其中一个电池子组件的阳极电连接至下一个电池子组件的阴极。
虽然图1A-1D的电池组件也能合理地工作，但是仍然期望提供更容易装配的改进设计。具体地，期望减少与制造用于汽车应用的高容量电池组件相关的成本。
因此，需要比当前的现有技术组件更经济的设计更简单的电池组件。
发明内容
本发明通过在至少一个实施方式中提供一种电池组件来解决现有技术的一个或多个问题。该电池组件包括电解质和多个复合电极。每个复合电极包括阳极段和阴极段。所述复合电极布置成使得第一复合电极的阳极段与第二复合电极的阴极段以电化学方式相互作用。所述电化学反应通过设置在多个复合电极之间的电解质进行。
在另一个实施方式中，提供了一种包括多个电池段和复合电极的电池组件。每个电池段包括第一复合电极板和第二复合电极板。第一复合电极板和第二复合电极板每个都独立地包括铜板和铝板，其中该铜板附接至该铝板。铜板限定阳极段并且涂覆有阳极活性层。铝板限定阴极段并且涂覆有阴极活性层。第一复合电极板和第二复合电极板布置成使得第一复合电极板的阳极段与第二复合电极板的阴极段对准。最后，电解质设置在第一复合电极板与第二复合电极板之间。
方案1.一种包括电解质和多个复合电极的电池组件，每个复合电极都包括阳极段和阴极段，
所述复合电极布置成使得第一复合电极的阳极段与第二复合电极的阴极段以电化学方式相互作用，所述电化学方式的相互作用通过设置在所述多个复合电极之间的电解质来进行。
方案2.如方案1所述的电池组件，其中所述电池组件包括多个电池段，所述多个电池段由布置成使得每个复合电极的阳极段和阴极段都定位在相邻电池段中的复合电极来限定。
方案3.如方案2所述的电池组件，其中所述多个电池段限定封闭容积。
方案4.如方案3所述的电池组件，其中所述电池段的封闭容积通过所述复合电极电连接。
方案5.如方案1所述的电池组件，其中所述复合电极包括板。
方案6.如方案5所述的电池组件，其中所述板的表面的至少一部分上形成有阴极段和阳极段。
方案7.如方案2所述的电池组件，其中所述电池段由附接至所述复合电极的分隔元件形成。
方案8.如方案7所述的电池组件，其中所述分隔元件在所述复合电极的阳极段和阴极段之间的整个边界上延伸。
方案9.如方案7所述的电池组件，其中所述分隔元件是橡胶垫。
方案10.如方案7所述的电池组件，其中所述分隔元件具有相配的插入和容纳形状。
方案11.如方案7所述的电池组件，其中所述分隔元件阻止相邻电池段中的电解质之间的电接触。
方案12.一种包括多个电池段和复合电极的电池组件，每个电池段包括：
第一复合电极板和第二复合电极板，
所述第一复合电极板和所述第二复合电极板每个都独立地包括铜板和铝板，
所述铜板附接至所述铝板，所述铜板限定阳极段并且涂覆有阳极活性层；
所述铝板限定阴极段并且涂覆有阴极活性层，所述第一复合电极板和所述第二复合电极板布置成使得所述第一复合电极板的阳极段与所述第二复合电极板的阴极段对准；以及
设置在所述第一复合电极板与所述第二复合电极板之间的电解质。
方案13.如方案12所述的电池组件，其中所述电池段限定封闭容积。
方案14.如方案13所述的电池组件，其中所述电池段的封闭容积通过所述复合电极电连接。
方案15.如方案12所述的电池组件，其中所述电池段由附接至所述复合电极的分隔元件形成。
方案16.如方案15所述的电池组件，其中所述分隔元件在所述复合电极的阳极段和阴极段之间的整个边界上延伸。
方案17.如方案15所述的电池组件，其中所述分隔元件是橡胶垫。
方案18.如方案15所述的电池组件，其中所述分隔元件具有相配的插入和容纳形状。
附图说明
通过详细描述和附图将会更充分地理解本发明的示例性实施方式，附图中：
图1A是在多种现有技术电池组件中使用的电化学单元的示意性剖视图；
图1B是包括多个电化学单元的现有技术电池组件的示意性剖视图；
图1C是由多个布置成平行构造的电池子组件形成的现有技术电池组件的示意性剖视图；
图1D是由多个布置成串联构造的电池子组件形成的现有技术电池组件的示意性剖视图；
图2A是阳极的两侧和阴极的两侧都涂覆有电极活性层的变型；
图2B是阳极的两侧和阴极的单侧涂覆有电极活性层的变型；
图2C是其中阳极的单侧和阴极的两侧涂覆以阴极活性层的变型；
图2D是阳极的单侧和阴极的单侧涂覆有电极活性层的变型；
图3是包括多个电池段的电池组件的示意性剖视图；以及
图4是示出电池单元之间的密封的示意性剖视图。
具体实施方式
现将详细地参阅构成当前为发明人所知的实施本发明的最佳模式的本发明的当前优选的成分、实施方式和方法。附图不一定是按比例绘制的。然而，应当理解的是，所公开的实施方式仅仅是可以各种及备选形式实施的本发明的示例。因此，在此公开的具体细节不应被认为是对本发明的限制，而仅仅是作为本发明的任意方面的代表性基础和/或用于教导所属领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
除了在示例中，或以其他方式明确指出的，在该描述中指示材料的量或者反应和/或使用的条件的所有数量都应当理解为通过描述本发明的最广义范围的词语“大约”来改变。所述数字限值内的实践通常是优选的。此外，除了有明确的相反表述：百分比、“部分”和比率值就重量而言的；当材料的集合或族群被描述为适于或优选用于结合本发明的给定目的时，其潜在含义是：所述集合或族群的任意两个或多个成分的混合物是同样适用或优选的；化学术语中对组分的描述意指在添加到该描述中给定的任意组合时的组分，并且不一定排除一旦混合后混合物的组分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其他缩写词的第一个定义适用于所有随后在此使用的相同缩略词并且对初始限定的缩略词的语法上的正常改变也同样适用；并且，除了有明确的相反表述，通过与前面或随后提及的相同特性相同的技术来确定该特性的测量值。
还应当理解的是，本发明不限于下面描述的具体实施方式和方法，因为具体成分和/或条件当然可以改变。此外，在此使用的术语仅用于描述本发明的具体实施方式的目的，而并非旨在以任何方式限制本发明。
还必须指出的是，如说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文中另外清楚地指出，单数形式“一个”和“该”包括复数对象。例如，所提及的单数部件将包括多个部件。
在整个申请中，当引用公开文献时，这些公开文献的全部公开内容在此通过引用并入到本申请中，从而更充分地描述与本发明相关的现有技术。
参阅图2A至2D，其中提供了电池组件中使用的复合电极的变型。图2A是阳极的两侧和阴极的两侧都涂覆有电极活性层的变型的示意性剖视图。电极活性层是有助于电极处发生的电化学过程的层。这种帮助可以是提供插入离子(例如，锂离子)的表面或促进电极处发生的化学反应。复合电极80包括阳极段82和阴极段84。阳极段82包括两侧涂覆有阳极活性层88的阳极金属板86。阴极段84包括两侧涂覆有阴极活性层92的阴极金属板90。金属板86和90在位置94处附接到一起(例如，通过焊接)以形成复合金属板96。
图2B提供了阳极的两侧和阴极的单侧涂覆有电极活性层的变型。复合电极100包括阳极段102和阴极段104。阳极段102包括两侧涂覆有阳极活性层108的阳极金属板106。阴极段104包括单侧涂覆有阴极活性层112的阴极金属板110。金属板106和110在位置114处附接到一起(例如，通过焊接)以形成复合金属板116。
图2C提供阳极的单侧和阴极的两侧涂覆有电极活性层的变型。复合电极120包括阳极段122和阴极段124。阳极段122包括单侧涂覆有阳极活性层128的阳极金属板126。阴极段124包括两侧涂覆有阴极活性层132的阴极金属板130。金属板126和130在位置134处附接到一起(例如，通过焊接)以形成复合金属板136。
图2D提供了阳极的单侧和阴极的单侧涂覆有电极活性层的变型。复合电极140包括阳极段142和阴极段144。阳极段142包括单侧涂覆有阳极活性层148的阳极金属板146。阴极段144包括单侧涂覆有阴极活性层152的阴极金属板150。金属板146和150在位置154处附接到一起(例如，通过焊接)以形成复合金属板156。
图2A-2D的每个电极设计都包括阳极金属板附接至阴极金属板的复合金属板。在一个改良方案中，阳极金属板包括铜而阴极金属板包括铝。在另一个改良方案中，复合金属板可由涂覆有不同金属的层的单个金属板构成。例如，铝板部分地涂覆有铜层，使得未涂覆铜的铝部分用作阴极金属板，而涂覆了铜的部分用作阳极金属板。在另一个示例中，铜板部分地涂覆有铝层，使得未涂覆铝的铜部分用作阳极金属板，而涂覆了铝的部分用作阴极金属板。
如上所述，阳极部分的金属板涂覆有阳极活性层。在一个适用于锂离子电池组件的改良方案中，阳极活性层是含碳层。适当的含碳层的示例包括但不限于从包括石墨、焦炭和它们的组合构成的集合中选出的成分。
如上所述，阴极部分的金属板涂覆有阴极活性层。在一个适用于锂离子电池组件的改良方案中，阴极活性层是含锂层。在一个改良方案中，含锂层包括锂过渡金属氧化物。适当的过渡金属氧化物的示例包括但不限于LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2和它们的组合。
参阅图3，其中提供了包括多个电池段的电池组件的示意性剖视图。总体而言，该电池组件包括多个电池段，所述多个电池段由布置成使得每个复合电极的阳极段和阴极段定位在相邻电池段中的复合电极来限定。所述电池段的封闭容积通过前述复合电极来电连接。在图3中，示出了具有三个串联电池段的电池组件。电池组件160包括n个电池段1621至162n，其中n是至少为2的整数。通常，n在从2至大约200的范围内。电池段1621至162n中的每个都包括多个形成为封闭单元的电池单元(即，电化学单元)。例如，电池段162包括m个电池单元1641至164m，其中m是提供电池段1621中的电池单元的数量的整数。通常，m在从2至大约200的范围内。
仍参阅图3，每个电池单元都包括阳极段的两侧和阴极段的两侧都涂覆有电极活性层的复合电极板170。此外，每个电池单元都至少包括第一电极板和第二电极板，所述第一电极板和第二电极板布置成使得第一电极板的阳极段与第二电极板的阴极段对准。例如，电极板170a的阳极段172与电极板170b的阴极段174对置并且对准。电极板170a和电极板170b布置成使得每个电极板的阳极段和阴极段定位在相邻电池段中。所述电池段还包括端部阴极板176和端部阳极板178。图3中还描绘了复合电极板180。电解质181设置在每个电池单元中的电极板之间。电池组件160还包括封装件180和搁架182。在一个改良方案中，封装件180和搁架182中的每个都是塑料的。在另一个改良方案中，电池组件160还包括冷却系统(未示出)。
在图3的电池设计中，电池的各个分段构造成使得每个电池单元的阳极电连接。类似地，电池的各个分段构造成使得每个电池单元的阳极电连接。例如，在电池段1621中，电池单元1641至164m的阳极通过总线184电连接，而阴极通过总线186连接。图3的电池设计使得电池段的阳极与相邻电池段的阴极电连接。例如，电池段1622的阴极通过总线184电连接。
上述电池组件都采用含有电解质的电池单元。对于锂离子电池单元，电解质包括锂离子。在一个变型中，电解质是液体。在另一个变型中，电解质是固体。通常，液体电解质是锂盐和溶剂的非水溶液。适当的溶剂包括但不限于脂、醚和碳酸盐(例如，碳酸次乙酯或碳酸二乙酯)。适当的锂盐包括但不限于非配位性阴离子盐（non-coordinatinganionsalt）(例如，六氟磷酸锂(LiPF6)、一水六砷磷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiCIO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)和三氟甲基磺酸锂(LiCF3SO3))。
参阅图4，其中提供了示出电池单元之间的密封的示意图。图3的组件的单个电池单元中的每个都通过附接至复合电极的分隔元件(即，密封件)物理地隔离。在一个改型中，分隔元件在复合电极的阳极和阴极段之间形成的整个边界上延伸。总体而言，分隔元件防止相邻电池段中的电解质之间电接触。在图4中，复合电极板80装配有定位在相邻板之间的密封件190。这种密封件的示例包括但不限于聚合物膜或块、O型圈式密封件或橡胶垫、自封式密封件(即，分隔元件具有相配的插入和容纳形状)等。在一个改良方案中，这种密封件由导电性聚合物形成。在后一种改良方案中，导电性聚合物部分地形成将图3中的电极连接到一起的总线(即，总线184和186)。
虽然已经图示和描述了本发明的实施方式，但是这些实施方式并非用以图示和描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述而非限制性的词语，并且应当理解的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。

Claims (15)

1.一种包括电解质和多个复合电极的电池组件，每个复合电极都独立地包括具有阳极段和阴极段的一个平的复合电极板，所述阴极段和阳极段形成在所述复合电极板的表面的至少一部分上，
其中所述电池组件包括多个电池段，所述多个电池段由布置成使得每个复合电极的阳极段和阴极段都定位在相邻电池段中的复合电极来限定；
所述复合电极布置成使得第一复合电极的阳极段与第二复合电极的阴极段以电化学方式相互作用，所述电化学方式的相互作用通过设置在所述多个复合电极之间的电解质来进行。
2.如权利要求1所述的电池组件，其中所述多个电池段限定封闭容积。
3.如权利要求2所述的电池组件，其中所述电池段的封闭容积通过所述复合电极电连接。
4.如权利要求1所述的电池组件，其中所述电池段由附接至所述复合电极的分隔元件形成。
5.如权利要求4所述的电池组件，其中所述分隔元件在所述复合电极的阳极段和阴极段之间的整个边界上延伸。
6.如权利要求4所述的电池组件，其中所述分隔元件是橡胶垫。
7.如权利要求4所述的电池组件，其中所述分隔元件具有相配的插入和容纳形状。
8.如权利要求4所述的电池组件，其中所述分隔元件阻止相邻电池段中的电解质之间的电接触。
9.一种包括多个电池段和复合电极的电池组件，每个电池段包括：
平的第一复合电极板和平的第二复合电极板，
所述第一复合电极板和所述第二复合电极板每个都独立地包括铜板和铝板，
所述铜板附接至所述铝板，所述铜板限定阳极段并且涂覆有阳极活性层；
所述铝板限定阴极段并且涂覆有阴极活性层，所述第一复合电极板和所述第二复合电极板布置成使得所述第一复合电极板的阳极段与所述第二复合电极板的阴极段对准；以及
设置在所述第一复合电极板与所述第二复合电极板之间的电解质。
10.如权利要求9所述的电池组件，其中所述电池段限定封闭容积。
11.如权利要求10所述的电池组件，其中所述电池段的封闭容积通过所述复合电极电连接。
12.如权利要求9所述的电池组件，其中所述电池段由附接至所述复合电极的分隔元件形成。
13.如权利要求12所述的电池组件，其中所述分隔元件在所述复合电极的阳极段和阴极段之间的整个边界上延伸。
14.如权利要求12所述的电池组件，其中所述分隔元件是橡胶垫。
15.如权利要求12所述的电池组件，其中所述分隔元件具有相配的插入和容纳形状。
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