CN103119764A - 具有包含双极性电极的长方六面体形电池的电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池组（0），具有多个自包含的基本上为长方六面体形的电池壳体（1），其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极（-）并且相对的侧面被至少部分地构造成正极（+），其中电池壳体（1）以极（-）与极（+）彼此相邻的方式在正接触部（14）与负接触部（13）之间延伸，并且其中电池壳体（1）分别被不导电的机械支承框架（2）包围。本发明基于的任务在于，说明一种这样的电池组，该电池组具有较小的内阻并且因此适用于要求迅速充电和放电的应用（高功率应用）。该任务通过至少一个由铜和铝构成的平坦的双金属（7）来解决，所述双金属（7）在铜侧用阳极活性材料（9）镀层、在铝侧用阴极活性材料（8）镀层，所述双金属在电池壳体（1）之一内与所述电池壳体的极（+）、（-）平行地延伸，以离子密封的方式连接在电池壳体（1）的框架（2）处并且被构造为使得电池壳体（1）被划分成至少两个串联的原电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池组，其具有多个自包含的基本上为长方六面体形的电池壳体，其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极并且相对的侧面被至少部分地构造成正极，其中电池壳体以极与极彼此相邻的方式在正接触部与负接触部之间延伸，并且其中电池壳体分别被不导电的机械支承框架包围。
背景技术
从WO 2009/103527 A1中已知一种这样的电池组。
本发明意义上的原电池是一种用于将化学能转换成电能的装置。这涉及被填充有传导离子的电解质的空间，在空间中布置有阳极和阴极。该电解质被保持在该空间中，使得离子不能离开该空间。阳极和阴极可以构造为多部分的。为了防止阳极与阴极之间的短路，可以在电极之间布置传导离子的、电绝缘的隔板。
在此所使用的意义上的活性材料是一种能够储存和放出离子的材料。阳极活性材料形成阳极，阴极活性材料形成阴极。阳极活性材料的相反活性材料是阴极活性材料；阴极活性材料的相反活性材料是阳极活性材料。
至少两个彼此电连接的原电池形成电池组。
在此所使用的术语“电池壳体”是指容纳至少一个原电池的机械组件。
WO 2009/103527A1描述了适用于车辆应用的锂离子高压二次电池组的构造。在此，每个电池壳体容纳恰好一个原电池；为了提高各个电池的容量，多个相同极性的电极膜在其中通过电流放电片（Stromableiterfahne）彼此电连接。电池壳体的各极之间的电压因此直接由活性材料的选择而得出；在例如所述锂离子实施方式中，可预期每电池壳体3.6V的电池电压。在所示电池组内，串联了30个电池壳体，使得电池组电压大约为108V。
这样的电池组良好地适用于需要高容量的使用目的（高能量应用）。电池内部的通过电流放电片的接线的由原理造成的缺点是相对大的内阻，该内阻降低了充电和放电速度。此外，该内阻提高了制造成本。
发明内容
鉴于所述现有技术，本发明所基于的任务是，说明一种开头所述类型的电池组，该电池组具有较小的内阻并且因此适用于要求迅速充电和放电的应用（高功率应用）。
该任务通过至少一个由铜和铝构成的平坦的双金属来解决，该双金属在铜侧用阳极活性材料镀层、在铝侧用阴极活性材料镀层，所述双金属在电池壳体之一中被布置为使得其与电池壳体的极平行地延伸，以离子密封的方式连接在电池壳体的框架处并且通过这种方式将电池壳体划分成至少两个串联的原电池。
因此，本发明的主题是一种电池组，其具有多个自包含、基本上为长方六面体形的电池壳体，其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极并且相对的侧面被至少部分地构造成正极，其中电池壳体以极与极彼此相邻的方式在正接触部与负接触部之间延伸，并且其中电池壳体分别被不导电的机械支承框架包围，其中至少一种由铜和铝构成的平坦的双金属在所述电池壳体之一内与该电池壳体的极平行地延伸，所述双金属在铜侧用阳极活性材料镀层、在铝侧用阴极活性材料镀层，以离子密封的方式连接在电池壳体的框架处并且被构造为使得该电池壳体被划分成至少两个串联的原电池。
本发明的基本思想在于，在组件电池壳体内不仅设置一个原电池，而是设置至少两个串联的原电池。根据本发明，电接线通过双金属进行，该双金属同时充当阳极和阴极的汇流排。由于根据本发明双金属以离子密封的方式连接在框架处——这意味着，双金属两侧的电解质彼此不接触——因此不允许越过双金属的离子交换。仅仅有电子穿过双金属并且因此提供了串联所需的电连接。
该装置的优点在于，串联的电极之间的电流可以流经双金属的整个表面，由此降低了内阻。由此提高了充电和放电速度，而且还从电池组排出较少的热。还取消了电池壳体内的电流放电片，这简化了并有利于电池壳体的制造。
根据本发明的单个电池壳体的容量在体积相同的情况下无疑小于现有技术中描述的电池壳体；但是这在高功率应用中不取决于此。在此更有利的是，单个电池壳体的各极之间的电压在相同活性材料的情况下为现有技术中的至少两倍大。
总的来看，本发明将公知的高能量电池组的构造优点转移到高功率电池组上。
电池壳体的负极有利地由扁平的、在内侧用阳极活性材料镀层的铜体构成；电池壳体的正极应当相应地由扁平的、在内侧用阴极活性材料镀层的铝体构成。通过这种方式，电池壳体为特别紧凑的，并且其内阻被进一步降低。
如果极在其内侧被用活性材料镀层，则这适合于在电池壳体内在双金属上叠层的活性材料与在极上叠层的相反活性材料一起构成原电池。通过这种方式，电池壳体结果为特别紧凑的。
还可能的是，在框架内放置两个或多个双金属，并且通过这种方式将电池壳体划分成三个或更多原电池。为此，由铜和铝构成的平坦的第二双金属以离子密封的方式连接在电池壳体的框架处并且被构造为使得电池壳体被划分成至少三个串联的原电池，所述第二双金属在铜侧用阳极活性材料镀层、在铝侧用阴极活性材料镀层，所述第二双金属在电池壳体内与第一双金属平行地延伸，其中在第一双金属上叠层的活性材料与在第二双金属上叠层的相反活性材料一起构成原电池。
本发明的一个特别的扩展方案规定：电池壳体借助于至少一个包围电池壳体的框架的夹紧装置被夹紧成叠层。于是，夹紧力直接在夹紧装置与电池壳体的框架之间传递。通过这种方式，产生一种机械上非常稳定的电池组，该电池组具有电池壳体的各极之间的良好接触。
电池组的电池化学优选地在锂离子基础上来实施。对此，可以使用常用的活性材料。这对于阳极活性材料为：石墨；无定形碳材料；锂记忆金属和锂合金，包括纳米晶体硅或非晶硅以及碳硅复合物，锡、铝和锑；以及Li4Ti5O12，或者它们的混合物。
本发明的一个特别适宜的实施方式可以通过使用含钛酸锂的阳极材料（所谓的LTO）来实现：也就是，在将钛酸锂（Li4Ti5O12）用作阳极材料的情况下可以放弃双金属并且取而代之使用由铝构成的“单金属”、即纯粹的铝箔。该钛酸盐可以由于其高电势而作为阳极材料也镀层到铝箔上。铝单金属于是适于作为用于阳极和阴极的载体材料，并且因此也可以用作隔离层。由于LTO阳极，铝单金属进一步简化了电池，取消了材料过渡，内阻可能进一步变得更小并且电池变得更廉价。除此之外，电池组与在双金属情况下构造相同。
因此，本发明的主题还有一种电池组，其具有多个自包含、基本上为长方六面体形的电池壳体，其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极并且相对的侧面被至少部分地构造成正极，其中电池壳体以极与极彼此相邻的方式在正接触部与负接触部之间延伸，其中电池壳体分别被不导电的机械支承框架包围，并且其中至少一个由铝构成的平坦的单金属在电池壳体之一内与该电池壳体的极平行地延伸，所述单金属在一侧用含钛酸锂的阳极活性材料镀层、在另一侧用阴极活性材料镀层，以离子密封的方式连接在电池壳体的框架处并且被构造为使得该电池壳体被划分成至少两个串联的原电池。
对用于单金属和双金属电池的阴极材料的选择是自由的，在单金属电池的情况下仅仅将阳极材料确定为钛酸锂。对于阴极活性材料可以相应地在两个实施方式中使用下列材料：
LiMxO2类型的锂金属氧化物，包括LiCoO2；LiNiO2；LiN1-xCoxO2；LiNi0.85Co0.1Al0.05O2;Li1+x(NiyCo1-2yMny)1-xO2,0 
x
0.17,0
y
0.5；经掺杂或未经掺杂的LiMn2O4尖晶石;以及经掺杂或未经掺杂的锂金属磷酸盐LiMPO4，包括LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiVPO4;以及如氟化铁（III）（FeF3）的转换材料，或者它们的混合物。
所述活性材料以本身公知的方式与可能的电导率添加物和粘接剂错开地涂覆到极体或双金属上。
双金属优选以本身公知的方式通过将铝箔和铜箔冷焊接在一起由这两种箔制成。为此，所述箔首先在稍后的界面处配备（打磨）高的表面质量，并且然后在没有特别的热效应、但在高压下被彼此压紧。通过箔的紧密接近和小的粗糙度，界面处的表面粘力变得起作用，该表面粘力将所述箔保持在一起。Cu/Al双金属箔的制造本身是现有技术。
本发明的主题还有根据本发明的电池组的电池壳体。
附图说明
现在将根据实施例参考附图进一步阐述本发明。对此：
图0示意性地示出了图列说明；
图1示意性地以截面图示出了包含两个原电池的电池壳体；
图2示意性地以截面图示出了包含三个原电池的电池壳体；
图3示意性地以俯视图示出了电池壳体；
图4示意性地以侧视图示出了电池组；
图5示意性地以俯视图示出了电池组。
具体实施方式
图1以其最简单的形式示出了根据本发明的电池组0的电池壳体1。电池壳体1为基本上长方六面体形的和扁平的；如尤其是从图1中的截面图的总览图和图3中的俯视图中得出。在截面图中，电池壳体1被示出为夸张地厚；在实际中，电池壳体1可以被实施为更扁平的。
电池壳体1的支承部分是由不导电的塑料制成的框架2。框架2在端面侧一侧被铜体3包封并且另一侧被铝体4包封。两个金属体3、4是平坦的箔，它们形成长方六面体形电池壳体1的相对的侧面。铜体3充当电池壳体的负极（-）；铝体4充当正极（+）。
铜体3在其内侧被用阳极活性材料5镀层；而铝体4被用阴极活性材料6镀层。因此，金属体3、4还充当两个电极的汇流排。通过框架1来防止金属体3、4之间的短路，该框架1就此而言也充当绝缘体。
两种活性材料5、6是本身公知的锂离子二次电池的混合物；即对于阳极为：石墨；无定形碳材料；锂记忆金属和锂合金，包括纳米晶体硅或非晶硅以及碳硅复合物、锡、铝和锑；以及Li4Ti5O12或者它们的混合物；并且对于阴极为：LiMxO2类型的锂金属氧化物，包括LiCoO2、LiNiO2、LiN1-xCoxO2、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、Li1+x(NiyCo1-2yMny)1-xO2,0
x 0.17, 0 y 0.5；经掺杂或未经掺杂的LiMn2O4尖晶石;以及经掺杂或未经掺杂的锂金属磷酸盐LiMPO4，包括LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiVPO4;以及如氟化铁（III）（FeF3）的转换材料或它们的混合物。
两个金属体3、4上的活性材料5、6在一起并不形成原电池，而是与大致中心地包括到电池壳体1中的双金属7上的相应的相反活性材料6、5一起形成原电池。
双金属7由铜箔7.1和铝箔7.2组成。为此，两个箔7.1、7.2在朝向它们的侧配备高表面质量（通过打磨等等而非常小的粗糙度）的情况下在高压下被彼此压紧，使得出现冷焊接并且箔7.1、7.2实际上不可揭下地接合成双金属7。
平坦的双金属7与两个极(+)、(-)平行地大致中心地穿过电池壳体1延伸并且将该电池壳体1划分成两个原电池。双金属对于两个原电池分别充当电极、即对于朝向负极(-)的电池充当阴极并且对于朝向正极(＋)的电池充当阳极。为此，双金属7的朝向负极(-)的铝箔7.2被用阴极活性材料8镀层；双金属7的朝向正极(+)的铜箔7.1相应地被用阳极活性材料9镀层。
在双金属7的两侧，电池壳体1被填充电解质10。作为电解质可以以本身公知的方式例如使用LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF8、LiCF3SO3、LiClO4、双草酸硼酸锂(Libob)和/或双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂（BTA,LiN(SO2CF3)2）在碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲丙酯（PMC）、碳酸丁烯酯（BC）、碳酸二乙酯（DEC）、γ-丁内酯（γ-BL）、SOCl2和/或SO2中的溶液。电解质溶液通常具有0.1至5mol/l并且特别优选地0.5至2mol/l的导电盐。
电解质10分别填充双金属7和金属体3、4之间的空间，在所述空间中分别布置有金属体或双金属的阳极和阴极，使得在双金属7的两侧分别形成原电池。电极分别被允许离子通过、但是电绝缘的隔板11彼此隔开，以便避免电极之间的短路。双金属7被安装在框架2处并且在接触区域中利用密封体12被离子密封，使得通过双金属不产生离子桥。由阳极5/阴极8以及阳极9和阴极6构成的两个原电池因此彼此离子隔离，但是通过双金属产生电连接，使得在电池壳体1的两极（+）、（-）之间串联两个原电池。
根据本发明还可能的是，借助于两个双金属将电池壳体划分成三个原电池。图2中示出了具有第二双金属7*的相应分层。当然，也可以通过使用两个以上双金属来进一步提高每电池壳体的电池数目。
图4和5示出了可以如何由多个电池壳体1合并成一个电池组0。为此，具有相反极——分别（+）与（-）彼此相邻——的电池壳体1（在所绘的示例中数目为六个）被堆叠在两个接触部、即负接触部13与正接触部14之间并且借助于夹紧装置15被夹紧。通过这种方式，产生各个电池壳体的串联。如果电池化学基于3.6V锂离子技术并且每个电池壳体1根据图1包含两个原电池，则接触部13、14之间的电池组电压总共为43.2V。为了提高容量，可以在电压保持不变的情况下并联两个这样的电池组0。
作用于电池0的外部和内部力由各个电池壳体1的夹紧装置15和框架2来接受。机械敏感的电极和隔板因此保持不受有害力作用。
电池组和电池壳体仅仅被示意性示出。合适的构造可以如WO 2009/103527A1中所示那样进行。在此方面参考该文献的公开内容。此外，电池组可以配备本身公知的功能单元、如冷却机组和/或电池组管理系统。
附图标记列表
0 电池组
1 电池壳体
2 框架
3 铜体
4 铝体
5 铜体上的阳极活性材料
6 铝体上的阴极活性材料
7 双金属
71 双金属的Cu箔
72 双金属的Al箔
7* 第二双金属
8 双金属上的阴极活性材料
9 双金属上的阳极活性材料
10 电解质
11 隔板
12 密封体
13 负接触部
14 正接触部
15 夹紧装置
（-） 负极
（+） 正极
Claims (11)
1.一种电池组（0），具有多个自包含的基本上为长方六面体形的电池壳体（1），其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极（-）并且相对的侧面被至少部分地构造成正极（+），其中电池壳体（1）以极（-）与极（+）彼此相邻的方式在正接触部（14）与负接触部（13）之间延伸，并且其中电池壳体（1）分别被不导电的机械支承框架（2）包围,
其特征在于，
至少一个由铜和铝构成的平坦的双金属以离子密封的方式连接在电解槽壳体（1）的框架（2）处并且被构造为使得将电池壳体（1）划分成至少两个串联的原电池，所述双金属在铜侧用阳极活性材料（9）镀层、在铝侧用阴极活性材料（8）镀层，所述双金属在电池壳体（1）之一内与所述电池壳体的极（+）、（-）平行地延伸。
2.根据权利要求1所述的电池组，
其特征在于，
电池壳体（1）的负极（-）由扁平的、在内侧用阳极活性材料（5）镀层的铜体（3）构成。
3.根据权利要求1或2所述的电池组，
其特征在于，
电池壳体（1）的正极（+）由扁平的、在内侧用阴极活性材料（6）镀层的铝体（4）构成。
4.根据权利要求2或3所述的电池组，
其特征在于，
在电池壳体（1）内在双金属（7）上叠层的活性材料（8）、（9）与在极（+）、（-）上叠层的相反活性材料（5）、（6）一起构成原电池。
5.根据权利要求1至4之一所述的电池组，
其特征在于，
至少一个由铜和铝构成的平坦的第二双金属（7*）以离子密封的方式连接在电池壳体（1）的框架（2）处并且被构造为使得电池壳体（1）被划分成至少三个串联的原电池，所述第二双金属（7*）在铜侧用阳极活性材料（5）镀层、在铝侧用阴极活性材料（6）镀层，所述第二双金属（7*）在电池壳体（1）内与第一双金属（7）平行地延伸，其中在第一双金属（7）上叠层的活性材料与在第二双金属（7*）上叠层的相反活性材料一起构成原电池。
6.根据权利要求1至5之一所述的电池组，
其特征在于，
电池壳体（1）借助于至少一个包围框架（2）的夹紧装置（15）被夹紧成堆叠。
7.根据权利要求1至6之一所述的电池组，
其特征在于，
阳极活性材料（5）、（9）选自包括下列各项的组：石墨；无定形碳材料；锂记忆金属和锂合金，包括纳米晶体硅或非晶硅以及碳硅复合物，锡、铝和锑；以及Li4Ti5O12，或者它们的混合物。
8.根据权利要求1至7之一所述的电池组，
其特征在于，
阴极活性材料（6）、（8）选自包括下列各项的组：LiMxO2类型的锂金属氧化物，包括LiCoO2；LiNiO2；LiN1-xCoxO2；LiNi0.85Co0.1Al0.05O2;Li1+x(NiyCo1-2yMny)1-xO2,0 
x 
0.17, 0 
y 0.5；经掺杂或未经掺杂的LiMn2O4尖晶石;以及经掺杂或未经掺杂的锂金属磷酸盐LiMPO4，包括LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiVPO4;以及如氟化铁（III）（FeF3）的转换材料，或者它们的混合物。
9.根据权利要求1至8之一所述的电池组，
其特征在于，
双金属（7）是与铝箔（72）冷焊接在一起的铜箔（71）。
10.一种电池组（0），具有多个自包含的基本上为长方六面体形的电池壳体（1），其中分别有一个侧面被至少部分地构造成负极（-）并且相对的侧面被至少部分地构造成正极（+），其中电池壳体（1）以极（-）与极（+）彼此相邻的方式在正接触部（14）与负接触部（13）之间延伸，并且其中电池壳体（1）分别被不导电的机械支承框架（2）包围,
其特征在于，
至少一个由铝构成的平坦的单金属以离子密封的方式连接在电池壳体（1）的框架（2）处并且被构造为使得电池壳体（1）被划分成至少两个串联的原电池，所述单金属在一侧用含钛酸锂（Li4Ti5O12）的阳极活性材料（9）镀层、在另一侧用阴极活性材料（8）镀层，所述单金属在电池壳体（1）之一内与所述电池壳体（1）的极（+）、（-）平行地延伸。
11.根据前述权利要求之一所述的电池组（0）的电池壳体（1）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130522 |