CN103109394A - 具有至少一个减压设备的电化学单元 - Google Patents
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Abstract
一种电化学单元，其具有电极堆(10)、与电极堆(10)相连接的至少一个电流导体(12、14)、和至少部分地包围电极堆(10)的壳体(20、22)。至少一个电流导体(12、14)至少部分地从壳体(20、22)延伸出来，以及壳体(20、22)具有至少一个减压设备(26、28、30)。为了保护电子设备和电化学单元的周围环境，其优点是，至少一个减压设备(26、28、30)被设为尽可能远离至少一个电流导体(12、14)，以及在电化学单元已安装的状态下尽可能被设在壳体(20、22)的下部区域中。
Description
描述
本发明涉及用于电池装备的电化学单元，特别是涉及具有至少一个减压设备的电化学单元。
由一个或多个存储单元构成的、作为电化学能量存储设备的电池(初级存储器)和蓄电池(二级存储器)是已知的，通过在其中施加充电电流，电能在电解质中的或在电解质之间的阴电极和阳电极之间的电化学充电反应中被转换为化学能并因此被存储，并通过在其中施加电负荷，化学能在电化学放电反应中被转化为电能。其中，二级存储器容许多次(从几百次到超过10000个周期)充电和放电，而初级存储器通常仅充电一次并在放电之后被处理掉。应注意的是，特别是在交通工具领域，蓄电池也被称为电池。
在本发明中，关于锂离子电池，其被描述为用于驱动交通工具。但是要指出的是，本发明可以不依赖于化学和电化学单元和电池的类型，以及也不依赖于要供电的驱动类型来应用。
从现有技术已知了一种电化学单元，其具有至少部分地由壳体包封的电极堆。壳体应一方面防止化学品从电极堆逸出到环境中，并且另一方面保护单元的组件不与周围环境发生不希望的相互作用，例如防水或防水蒸汽。
该类型的电化学单元或存储设备可以在高负载或过载时(例如在过载或短路的情况下，在有损伤的情况下，或还在从外部强加热时的正常操作中处于热的过加热状态下)产生升高的单元内部压力，这可能导致单元和外壳的破裂、燃烧或爆炸。特别是在锂或锂离子电池领域中存在特别的危险，因为这样的电池中含有流动的、易燃的、有机的电解质，其因此能够逃逸。
由DE102007063193A1已知了平面结构类型的锂离子电池，其具有有着(以破裂区域形式的)侧面减压设备的壳体框架，以便在临界过压状态下实现在侧面向外的压力泄露和气体泄露。
另外还已知的是电化学单元，其中减压设备被安装在电流导体附近或在侧面嵌入单元的外壳的密封接缝中，其中减压设备例如借助低熔点的嵌入元件，被形成为密封接缝的局部弱化。其相应地可例如参考KR1020090076343A、US2003/0148173A1、US7122276B2、US2010/0112436A1和WO2009/078604A2。
本发明的目的在于，实现改进的电化学单元，其实现在需要的情况安全地释放单元内部的压力。
根据本发明，这将通过独立权利要求的指导来实现。本发明优选的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，提供了一种电化学单元，其具有电极堆、与电极堆相连接的至少一个电流导体，和至少部分地包围电极堆的壳体。其中，至少一个电流导体至少部分地从壳体延伸出来，并且壳体设有至少一个减压设备。有利的是，至少一个电流导体在壳体的第一区域中从壳体延伸出来，并且至少一个减压设备被设在避开该第一区域的壳体的第二区域中。
根据本发明，还提供了一种电化学单元，其具有电极堆、与电极堆相连接的至少一个电流导体、和至少部分地包围电极堆的壳体。所述至少一个电流导体至少部分地从壳体延伸出来，并且壳体设有至少一个减压设备。有利的是，所述至少一个减压设备在电化学单元的已安装的状态下被设在壳体的下部区域中。
根据本发明还提供了电化学能量存储设备或具有至少一个这样的电化学单元的电池装备。
根据本发明，至少一个电流导体在壳体的第一区域中从壳体延伸出来，并且至少一个减压设备被设在避开该第一区域的壳体的第二区域中，和/或至少一个减压设备在电化学单元的已安装的状态下被设在壳体的下部区域中。换句话说，至少一个减压设备尽可能(远)地远离电流导体，和/或被设在单元的下部区域中。
特别是在交通工具领域中的锂离子电池存在问题，即在单元的电流导体的范围内的电池外壳中还容纳有电池管理系统和/或另外的电组件，以及电池经常被安装到交通工具中的乘客舱的下面或乘客座椅的下面。因此，应考虑的是，这些单元通常被安装在电池外壳中且电池被安装在交通工具中，使得在单元的上部区域内的电流导体从单元壳体延伸出来。
在本文中，使用根据本发明的电化学单元具有优点，即在单元内部具有升高的压力和/或升高的温度时，通过至少一个减压设备(也称为“通风孔”)在电流导体和电池管理系统的区域以及在朝着乘客舱的方向上实现了压力释放和材料排出。以这种方式，在电化学单元内部出现临界压力或临界温度状态时，电池的运行安全性和乘客的安全性被提高。由此，特别是可以避免由导电的排出气体或电解质引起电流导体区域内的短路。
关于“电化学能量存储设备”应被理解为可从其获取电能量的任何类型的能量存储器，其中在能量存储器的内部进行电化学反应。这个术语包括所有类型的能量存储器，特别是初级电池和二次电池。电化学能量存储设备具有至少一个电化学单元，优选为多个电化学单元。多个电化学单元可例如为了存储更大的电荷量而被并联，或为了达到希望的操作电压而被串联，或由并联电路和串联电路的组合来构建。
关于“电化学单元”或“电化学能量存储单元”应被理解为用于输出电能量的设备，在其中能量以化学的形式被存储。在可充电的二次电池的情况下，还构建了单元以获取电能量，由此转换为化学能量并加以存储。电化学单元的形状(即特别是尺寸和几何形状)可依赖于可用空间来选择。优选的是，电化学单元被构建为实质上为棱柱形和圆柱形。
此处，关于“电极堆”应被理解为由至少两个电极和设在其中间的电解质所组成的装备。电解质可以部分地由分隔物所容纳，其中分隔物可由此将电极分隔开。优选的是，电极堆具有多个的电极层和分隔物层，其中每个相同极性的电极优选为相互电连接，特别是并联连接。这些电极例如是被构建为板状或箔状，并优选被设置为实质上彼此平行(棱柱形能量存储单元)。电极堆也可以是卷绕的，并具有实质上圆柱形的形状(圆柱形能量存储单元)。术语的“电极堆”还应包括该类型的电极卷。电极堆还可以具有锂或以离子形态存在的其它碱金属。
关于“电流导体”应根据本发明被理解为电化学单元中的导电结构元件，其用于在单元中或从单元向外传送电能量。电化学单元通常具有两种类型的电流导体，其每个都具有在单元内部导电相连接的两个电极或电极组中的一个，即阳极或阴极。换句话说，单元的电极堆的每个电极都具有其自身的电流导体，或电极堆的相同极性的电极连接到共同的电流导体。电流导体的形状适合于电化学单元或其电极堆的形状。
术语“壳体”包含任何形式的设备，其适合于避免化学品从电极堆逸出到环境中并保护电极堆的组成部分免受外界的影响。壳体由一个或多个的成型体所构成和/或被构成为箔状。此外，壳体可以被构建为单层或多层。此外，壳体可以由实质上是刚性的材料或由弹性的材料所形成。壳体可优选地由气密并且电绝缘的材料或层状复合物构建。壳体优选为尽可能没有堆叠并且没有气垫地包围电极堆，以实现壳体和电化学单元内部之间的良好的热传导。
关于“减压设备”应被理解为在本发明的框架内的所有类型的设备，其适合于在电化学单元内部压力升高或温度升高的情况下(例如，由于过载或类似情况)，实现有或没有材料排出地从单元向外释放压力。因此，其明确指出，本发明并不限于特定类型的减压设备，而是本发明针对的是至少一个任意类型的减压装置的定位。在电化学单元上具有两个或者更多个减压设备的情况下，这些减压设备可以是相同的类型，或也可以彼此不同。
壳体或电化学单元的“第一区域”、“第二区域”和“下部区域”除了包括壳体或单元的各自的边缘部分之外，还包括在朝相对的边缘部分方向上的与该边缘部分相邻的部分。特别是通过要实现的目标来实现至少一个减压设备的在上述区域内的精确定位的选择，也就是说减压既不在电流导体的区域内，也不向着乘客舱的方向。
下面将描述本发明的优选的改进方案。
有利的是，至少一个电流导体在壳体的第一半部中从壳体延伸出来，并且至少一个减压设备被设置在壳体的第二半部中。优选地在壳体的上部三分之一或四分之一中的至少一个电流导体从壳体延伸出来，并且至少一个减压设备被设在壳体的下部三分之一或四分之一中。
在一个有利的实施方案中，在壳体的第一窄侧(特别是上窄侧)处的至少一个电流导体从壳体延伸出来，并且至少一个减压装置被设在与第一窄侧相对的、壳体的第二窄侧(特别是下窄侧)。
在本发明其它有利的实施方案中，在壳体的第一窄侧(特别是上窄侧)处的至少一个电流导体从壳体延伸出来，并且至少一个减压设备被设在基本上与第一窄侧成横向的、壳体的第三窄侧，以导致侧向的压力释放。
在本发明其它有利的实施方案中，至少一个减压设备被设在壳体的主侧面上。
在具有两个或更多个减压设备的情况下，三个上述有利的解决方案还可以任选地彼此结合。因此优选的减压设备被安装在下窄侧上或在一个或两个侧面的窄侧上。同样优选的是，在下窄侧设有两个或更多个减压设备。
减压设备优选为被设在壳体的密封接缝的区域内。同样地，减压设备优选为本身以壳体的材料或材料结构设置。
有利的是，至少一个减压设备被构建为被动的减压设备。
同样有利的是，电化学单元设有至少一个测量设备并且至少一个减压设备随后被构建为有效的减压设备。测量装备可以是任何类型的，在此处通常构建该测量设备以识别减压装备的要求。优选地，测量装备被构建以获得电化学单元内的压力和/或温度，特别是获得电化学单元内的压力上升和/或温度上升。
关于减压设备的合适的例子(其可以用在根据本发明的电化学单元中)是破裂设备(例如破裂盘，安全膜和箔，预定断裂点)、壳体和/或密封接缝的局部弱化(例如，通过材料或材料结构的弱化，或通过将额外元件引入材料或材料结构中，或通过特定的塑形)、减压阀、用来局部破坏的壳体和/或密封接缝的设备、以及类似装置(例如切割装置、穿孔装置、撕裂装置等)。
本发明的其它优点、特征和应用可能性由以下优选的实施方案的描述结合附图而给出。其中，唯一的附图1示出了根据本发明的、具有用于减压设备的不同定位可能性的电化学单元示意性分解图。
图1示出了具有电极堆10的电化学单元的分解图，其具有多个电极层和在其中间的分隔物。通过该电极堆10，两个电流导体12和14各自通过相同极性(机械的和导电的)的电极束16或18相连接。
电极堆10将从两个侧面由箔状的壳体20、22包围，其中两个壳体箔20和22在电极堆10或单元的窄侧36-42借助密封接缝24液密地相互连接。两个电流导体12和14通过密封接缝24在上窄侧26从壳体20、22延伸出来，以使其可在单元以外接触电池的电极，并可与电池的电极相连接。
电化学单元在图1中实质上被对准地示出，其中该电化学单元还被集成到电池中，以及最终例如被集成到交通工具中。因此电化学单元或壳体20、22具有上半部32、下半部34、第一上窄侧36、第二下窄侧38、两个第三的侧面的窄侧40和42，以及两个主侧面44。
这样构成的电化学单元的壳体20、22设有至少一个减压设备26-30。优选地，壳体20、22配备有一个、两个、三个或四个减压设备26-30。
因此，例如在壳体20、22的下窄侧38处，在密封接缝24的区域中设有一个、两个或三个减压设备。
可选的或额外的是，可在壳体20、22的一个或两个侧面的窄侧40、42处，其中在所述窄侧40、42的下部区域34中的密封接缝24的区域中分别设有一个或两个减压设备28。
另外可选的是或额外的是，一个或多个减压设备30也可以被设在壳体20、22的两个主侧面44的下部区域34中。
Claims (11)
1.一种电化学单元，所述电化学单元具有电极堆(10)、与所述电极堆(10)相连接的至少一个电流导体(12、14)、和至少部分地包围所述电极堆(10)的壳体(20、22)，其中所述至少一个电流导体(12、14)至少部分地从所述壳体(20、22)延伸出来，并且所述壳体(20、22)具有至少一个减压设备(26、28、30)，
其特征在于，
所述至少一个电流导体(12、14)在所述壳体(20、22)的第一区域(32)中从所述壳体(20、22)延伸出来，并且所述至少一个减压设备(26、28、30)被设在避开所述第一区域(32)的所述壳体(20、22)的第二区域(34)中。
2.如权利要求1所述的电化学单元，其特征在于，在所述电化学单元已安装的状态下，所述壳体(20、22)的第二区域(34)相对于所述壳体(20、22)的第一区域(32)被设在下部。
3.一种电化学单元，所述电化学单元具有电极堆(10)、与所述电极堆(10)相连接的至少一个电流导体(12、14)、和至少部分地包围所述电极堆(10)的壳体(20、22)，其中所述至少一个电流导体(12、14)至少部分地从所述壳体(20、22)延伸出来，并且所述壳体(20、22)具有至少一个减压设备(26、28、30)，
其特征在于，
所述至少一个减压设备(26、28、30)在所述电化学单元已安装的状态下被设在所述壳体(20、22)的下部区域(34)中。
4.如权利要求3所述的电化学单元，其特征在于，
所述至少一个电流导体(12、14)在所述壳体(20、22)的第一区域(32)中从所述壳体(20、22)延伸出来，并且所述至少一个减压设备(26、28、30)被设在避开所述第一区域(32)的所述壳体(20、22)的第二区域(34)中。
5.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
所述至少一个电流导体(12、14)在所述壳体(20、22)的第一半部(32)中从所述壳体(20、22)延伸出来，并且所述至少一个减压设备(26、28、30)被设在所述壳体(20、22)的第二半部(34)中。
6.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
在所述壳体(20、22)的第一窄侧(36)处的所述至少一个电流导体(12、14)从所述壳体(20、22)延伸出来，并且至少一个减压设备(26)被设在与所述第一窄侧(36)相对的、所述壳体(20、22)的第二窄侧(38)上。
7.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
在所述壳体(20、22)的第一窄侧(36)处的所述至少一个电流导体(12、14)从所述壳体(20、22)延伸出来，并且至少一个减压设备(28)被设在与所述第一窄侧(36)基本上成横向的、所述壳体(20、22)的第三窄侧(40、42)上。
8.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
至少一个减压设备(30)被设在所述壳体(20、22)的主侧面(44)上。
9.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
所述至少一个减压设备(26、28、30)被构造为被动的减压设备。
10.如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元，其特征在于，
所述电化学单元设有至少一个测量装备，并且所述至少一个减压设备(26、28、30)被构建为主动的减压设备。
11.一种电化学能量存储设备，其具有至少一个如上述权利要求中至少一项所述的电化学单元。
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