CN103140979B - 锂蓄电池 - Google Patents

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Abstract

一种锂蓄电池，其包含最小厚度为0.5mm的正电极和负电极（4a、4b），所述电极被间隔件（5）分隔，其中每个电极在框架中的孔（31）内放置，所述电极作为在边缘盖（1a、1b）之间的堆中所布置的一组框架中的部分，在相反极性电极的框架之间具有电绝缘（55）并且对于相同电极之间具有附加的集流体（51、53），其中每个框架（3）包括至少一个用于热交换介质通路的通道（32）并且单独框架（3）中的通道（32）互相连接。液态的蓄电池电解质可用作热交换介质。

Description

锂蓄电池
技术领域
本发明涉及锂蓄电池，其包括被间隔件分开的最小厚度为0.5mm的正电极与负电极，其中每个电极被放置在框架中的孔内，该电极是布置在边缘盖之间堆中的框架组中的一部分，具有相反极性电极的框架之间的电绝缘和相同极性的框架之间的附加的集流体。
背景技术
使用高容量蓄电池和蓄电池模块与以下问题相关，即增长的蓄电池功率和重量与用于去除蓄电池充放电期间化学反应中产生热量所可用空间之间比例的问题。蓄电池的任何主要过热能导致火灾或爆炸。超出安全温度范围工作的蓄电池也能显著地降低蓄电池的使用寿命。将工作温度维持在安全范围内从而消除上述事故需要附加的设备以确保更大的热交换。在极度低温大大地降低蓄电池功率并且有必要通过热交换升高工作温度的情况下可能同样需要这样的设备。
PCT申请WO2005324563提出了一种可能的解决方案以冷却一组电池。该申请描述了制造抗振动电池组的基底以及相应的本体，在所述本体内放置多组电池单元，并且进一步地显示了经过电池组的热交换介质管。
在WO2010028692中公布了类似的解决方案，所述方案电池单元的布置略微不同并且传热管沿电池单元的单独部段穿过。在描述的两个系统中，热量从蓄电池外壳传递而不是直接从蓄电池的内部空间传递。逻辑上这降低了电池芯与冷却介质之间的热交换率。
根据德国专利申请No.DE102008034867，蓄电池冷却通过位于由薄膜平面锂电极组成的电池上的集流体提供。所述集流体从电池经由电绝缘导热膜至位于蓄电池顶部的换热板来传递热损失，所述蓄电池可选地连接至车辆冷却系统。在该结构中，热量通过集流体直接从蓄电池的内部去除。在热量从这种对开（folio）集流体到实际换热系统的进一步传递中仍存在问题。此外，由于使用电绝缘膜降低了热传递并且传热量受限于单个的换热板。
PCT申请WO2010031363公布了包括布置在堆中的金属框架的锂蓄电池，其中每个框架包含穿孔，在所述穿孔中放置一个厚的三维（3D）电极，并且由此相反极性的电极通过间隔件分开并且具有相反极性电极的框架彼此隔离。尽管金属框架允许从蓄电池堆的内部更好的热传递，但是它们无法确保从大尺寸电极并且尤其从具有多个并排布置的堆的模块进行可靠的热传递。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种具有热交换系统的蓄电池，所述热交换系统能够更有效地从蓄电池的内部传递热量，因而为基于三维电极的所有类型的蓄电池的强化制冷创造条件，包括高存储量系统。本发明的另一个目的是创造与特定热交换系统相关提供延长使用寿命以及高工作安全性的蓄电池。
技术方案
通过锂蓄电池可实现本发明的目的并且克服所述缺陷，所述锂蓄电池包括由间隔件分开的正电极和负电极，所述电极被放置在框架中的孔内，所述电极是布置在边缘盖之间的堆中的一组框架的一部分，在相反极性电极的框架之间具有电绝缘并且相同极性电极的框架之间具有附加的集流体，由此每个框架包括至少一个用于热交换介质通过的通道并且单独框架中的通道互相连接。
在下文中，描述了本发明其他有利的实施方式，所述实施方式进一步改进或更详细地指定本发明的重要特征但不限制本发明的范围。
每个框架包含多于一个的用于电极的相同就位的孔以及在孔开口之间相同定位的至少一个通道，由此放置在框架中的孔内的电极连同相邻的框架壁、间隔件、电绝缘材料和集流体一起形成了单独的蓄电池模块以及通道形成了用于热交换介质的通路。
盖在内侧上包括相互连接的槽的系统，其中至少一个盖被连接至电解质进口。在盖与第一相邻框架之间设置配电板，所述配电板具有将槽系统与框架中的开口连接的孔。在配电板处的孔中终止的管位于通路内并且连接至热交换介质分配系统。在一些情况中可使用延展的金属或格栅代替配电板。
热交换介质分配系统可包括泵和外部换热器。
有利地，热交换介质是电解质，并且承载相同电极的框架在它们将通路与电极孔连接的邻侧上设有槽。
在具有作为热交换介质的电解质但不具有外部热交换介质系统的蓄电池的简单实施例中，一个盖包括电解质的进口而另一个盖设有用于连接到排气阀的进口支路。当使用电解质外部制冷系统时，一个盖连接到电解质分配系统的进口管路，而另一个盖连接到电解质分配系统的返回管路。电解质分配系统包括泵和外部换热器，其中电解质再生单元也可结合到返回管路内。
框架具有外部电触点以及导电箔片，所述导电箔片作为具有相同极性电极的框架之间的附加的集流体。所述附加的集流体可以被穿孔，由此具有相同极性的相互电连接的框架形成了蓄电池极柱。
电绝缘材料为等离子喷涂的多孔电绝缘。该材料可以从陶瓷氧化物Al2O3、SiO2、ZrO2、聚四氟乙烯、氟乙烯-六氟丙烯（polyfluoride-hexafluoropropene）、聚环烯烃（polycycloolefine）的组中选择。
两个盖优选地连接至蓄电池的一个极柱。
有益效果
本发明基于金属框架堆的使用，所述金属框架具有孔，在孔内放置3D电极。需要理解的是术语3D指具有最小厚度0.5mm的电极而不是具有很小厚度的薄膜电极。将电极放置在框架内为蓄电池提供了必要的抵抗冲击、压力和振动的机械阻力。此外，所述框架允许蓄电池内部热量的分配和交换并且也用作集流体、单独电极的极柱和电流端子。在本发明的一个实施例中，外部热交换介质借助于流经通路的管供应到蓄电池内，所述通路由框架中的通道形成并且通常连接至外部热交换介质循环系统。
在电解质被用作热交换介质的情况中，电解质借助于框架中相互连接的通路和槽供应至电极。电解质介质与电极、间隔件以及分配系统中存在的类型相同。在这样的实施例中，全部的蓄电池堆可位于外壳中并且连接至外部热交换介质（电解质）分配系统。
具有槽的边缘盖、具有孔的配电板以及具有分配槽或多孔陶瓷或金属层（优选通过等离子喷涂制成）的框架的设计提供了附加的措施，来确保蓄电池被电解质完美地填充同时也确保了蓄电池的置换和排气。
电解质再生单元与净化过滤器的整合进一步增强了电解质的使用时间并且因此增加了作为整体的电极和蓄电池的寿命。这种高效被冷却模块的紧凑构造使得能够构造如下的蓄电池，所述蓄电池具有在框架之间的体积、冷却系统容量和电极容量的最优分配，当采用用于电极的诸如NMC（LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2）和石墨的传统活性材料时，实现至少250瓦特小时/升（Wh/liter）的比容量。
附图说明
参照相关的示意图，本发明某些可能的实施方式通过实例进一步描述。在附图中：
图1为蓄电池的前剖视图，所述蓄电池具有用于热交换介质的被分开的外循环分配系统；
图2为框架的前剖视图，所述框架具有用于电极的孔和用于热交换介质的通道；
图3为电解质配电板的平面视图；
图4为上边缘盖的底视图，所述上边缘盖具有用于分配电解质的槽以及用于热交换介质的通路；
图5为蓄电池内部的局部剖视图，详细地示出了一个模块与其部件；
图6为蓄电池的前剖视图，所述蓄电池具有作为热交换介质的电解质的循环分配系统以及电解质穿过蓄电池的直接流动；
图7为上盖和下盖的内部视图，所述上盖和下盖具有根据图6的用于电解质分配的槽；
图8为蓄电池的前剖视图，所述蓄电池具有作为热交换介质的电解质的循环分配系统以及电解质的回流；
图9a为框架的视图，所述框架具有用于将电解质分配到电极的槽；
图9b为框架的视图，所述框架具有用于将电解质分配到电极和分配到框架外的槽；
图9c为框架的视图，所述框架具有用于将电解质分配到电极和分配系统的槽；
图10为不带有外壳的简单蓄电池的前剖视图。
具体实施方式
接下来的实例表示各种蓄电池冷却系统，借此就其功能和目的而言相同或近似相同的部件带有相同的附图标记。
图1中示出了蓄电池的前剖视图，所述蓄电池具有热交换介质的外循环系统。单独的金属框架3在上盖1a（在图4平面视图中示出）与下盖1b之间的壳体10中一个在另一个上面地堆叠。图2中的平面视图显示了相同的框架。
图5详细地示出了在堆中设置的成对的具有电极4a、4b的框架3的组。每个框架包含一组三个用于电极的被相同定位的孔31和一组被相同显示的通道32。如图5中连同其他部件详细所示，每个框架3的所有孔31填充3D被用力压的正电极4a或3D被用力压的负电极4b。术语3D意味所谓的三维电极并且根据本发明，电极具有0.5mm的最小厚度。在一个框架3中用于电极的孔31和通道32的数量实际上不受限制并且取决于期望的蓄电池容量。框架3的孔31中的所有电极4a一起构成一种极性的一个电极；在该实施方式中为正电极。下一个框架3中的所有电极4b一起构成另一种极性的一个电极，在该实施方式中为负电极4b。每对具有电极4a和4b的框架3通过间隔件5分开并且构成表示一个蓄电池单元的一组框架3。就制造工艺而言，开口31和由此电极4a、4b能够具有包括所示圆形轮廓在内的任何扁平形状，就制造技术而言。在彼此之上被同样地定位的通道32的系统一起形成了用于分配热交换介质的通路34。
具有被用力压的电极4a、4b的框架3传走和分配伴随蓄电池充电和放电的化学反应期间生成的热损失。可替代地，所述框架引入和分配从外部源经由传热介质供应的热量以增加蓄电池的温度。图1显示了安装在通路34内用于热交换介质的管道14。
示出了框架3的堆的图5的剖视图进一步地显示了电极4a（该情况下为正电极）与负电极4b通过间隔件5分开。根据本实施例，每个电极4a、4b在被用力压入孔31中之后具有2mm的厚度。框架3与电极4a、4b厚度相同。在具有不同极性的框架之间插入电绝缘材料55。适合的电绝缘材料为耐化学和耐热的物质，例如诸如Al2O3、SiO2、ZrO2的陶瓷氧化物。其他的电绝缘材料可以是聚四氟乙烯PTFE（特氟隆）、诸如偏二氟乙烯-六氟丙烯也通过商标Viton已知的聚合氟橡胶，或者通过品牌Zeonor已知的环烯烃聚合物。
在相同极性电极间的框架3之间插入形式为由导电金属制成的栅极、延展金属板或箔片的附加的集流体，即导电箔片51、53。在这种形式中，导电箔片51和53在朝向电极的区域中设有穿孔56，以有助于电解质的通过。这些附加的集流体能使电荷传递至作为主集流体的框架3。具有相同极性电极的框架3还设有触点57、58，在本实施方式中，所述触点在一侧上连接至蓄电池的正极柱52，而在另一侧上连接至蓄电池的负极柱54。3D电极配置的可能材料成分以及不同改型在专利文献WO2010031363中更详尽地描述。
放置在框架3中的同心孔31内的电极4a、4b与框架3、间隔件5、电绝缘材料55和附加的集流体51、53一起形成了蓄电池模块20，所述蓄电池模块包含用于热交换介质的通路34。
在图1的实施方式中，单独的传热管14被插入到通路34中。通过上配电板2a和下配电板2b使得模块20完整。图3平面视图中显示的两个板具有在电极4a、4b的表面之上的刺孔21的系统并且两个板实际上是相同的。所述刺孔21使得单独的模块20能够在其置换期间供应和排出电解质，并且还能够对模块的内部空间除气。上盖1a和下盖1b装配至配电板2a、2b，如图4中盖1a的平面视图所示，在内侧上设有配电槽11的系统。盖1a、1b上的边缘开口17被设计成用于盖1a、1b的安全连接以及借助于螺栓固定盖之间框架3的堆（图中未示出）。电解质通过进口12供应到上盖1a中，而下盖1b可以类似地配备有电解质出口（该图中未显示）。在一端处，换热管14被紧固至上分隔器13a并且密封到所述上分隔器内。分隔器13a位于盖1a上方并且限定了上部腔室15a。在另一端处，传热管14被紧固至底分隔器13b并且密封到所述底分隔器中，所述底分隔器位于盖1b下方并且限定了下部腔室15b。上部腔室15a通过进口管路81连接至泵8，所述泵将热交换介质从换热器18泵送到蓄电池壳体10的内部。下部腔室15b连接至具有热交换器18的返回管路82。可替代地，盖1a、1b上方的管14可以单独地直接连接到进口歧管81和返回管路82。当在车辆中使用所述类型的蓄电池时，车用散热器可用作热交换器。对于本领域技术人员显而易见的是以上描述的冷却系统还可应用于蓄电池由具有一个通路34的仅一个模块20构成的情况。
图6示出了蓄电池冷却的另一种改型，其中电解质作为直接流过蓄电池的热交换介质使用。对于温度高达85℃的情况，适合的液态电解质例如为碳酸乙烯酯（EC）溶液和碳酸丙烯酯（PC）等溶液中的LiPF6。如图7的平面视图中所示，连接至泵8的歧管81直接进入上盖1c的中心。上盖1c与下盖1d实际上相同，在盖的中心内歧管连接至返回管路82。
与之前描述的具有外部热交换介质的形式类似，配电板2a、2b被插入到盖1c、1d与模块20之间，以便能够供应通过槽11被分配到单独的模块20中的电解质，并且与之前的形式类似，框架3包括用于电极的孔31的系统以及通道22的系统，所述通道构成了用于分配热交换介质（该情况中为电解质）的通路34。
为了有助于将电解质供应到开口31中并且随后供应至电极4a、4b和间隔件5，并且允许电解质更容易的置换和蓄电池更容易的排气，框架3可在一个或全部两个接触表面上设有槽36、37、38的系统。根据图9a，槽系统局限于内部槽36，所述槽将电解质分配至开口32以及电极4a、4b。如图9b中所示，该系统可扩展至包括允许电解质还从壳体10的侧部隔室35供应的外部槽37。图9c示出了槽38的系统，所述系统在具有作为热交换介质的电解质的蓄电池的框架3中制成。在该实施方式中槽38通过孔31直接与通路34相连。代替槽36、37，或除槽36、37之外，电绝缘材料55可以用横跨框架3整个连接表面的等离子喷涂的多孔电绝缘层代替，这还允许电解质从通路34和侧部空间35渗透到电极4a、4b和间隔件5。
在热交换器的上游，再生单元19被结合进返回管路82中。这样的单元可以是用于从化学反应不期望的产品中净化电解质的过滤器，这在蓄电池模块20中发生。这样的产品可以是HF、H2O、或释放的锰离子及其化合物、机械颗粒等等。再生单元19能够按机械的、化学的、吸附以及电化学原理工作，使用锂薄膜等等。电解质净化显著地延长了蓄电池的工作寿命。
图8示出了电解质被冷却的蓄电池的另一实施例，该实施例与之前情况的区别仅在于电解质流过蓄电池的方式。在上盖1c的区域中，返回管路82连接至壳体10，因此在流过通路34之后，电解质从壳体空间10的底部横跨侧部隔室35返回至壳体10的顶部。然后，电解质被传送经过管路82到达再生单元19。当将电解质流引入侧部隔室35中时，传热表面沿着壳体10的竖直壁延伸并且总的热交换速率增加。为了相同的目的，壳体10可在任何适合的表面上设置散热片。
图10示出了简单形式的蓄电池，其中所述蓄电池不具有外部热交换介质分配系统、电解质容器和壳体。蓄电池的壳体仅由框架3和盖1c、1d的外表面限定。沿金属框架3的大区域，蓄电池通过热交换介质的自然循环冷却。由于蓄电池31各种部件中温度之间的差异，从蓄电池内部除去热量通过位于开口31中的电极4a、4b以及通路34和盖1c之间电解质的循环发生。盖1d连接至用于填充电解质的进口12并且盖1c设有用于连接到排气阀（未示出）的进口支路16。为了获得更大的冷却效果，盖1c、1d还可设置散热片。这种简化的形式适合用于产生较小的热损失的低功率蓄电池，例如启动机蓄电池。
工业实用性
本发明可用于高容量能量存储蓄电池的结构以及在承受极度热状态、冲击以及振动的车辆中使用的具有高安全性的蓄电池。

Claims (14)

1.一种锂蓄电池，其包含最小厚度为0.5mm的正电极和负电极(4a、4b)，所述电极被间隔件(5)分开，其中每个电极(4a、4b)被放置在金属框架(3)中的孔(31)内，所述电极是布置在边缘盖(1a、1b)之间的堆中的一组框架(3)的一部分，在相反极性电极的框架(3)之间具有电绝缘部(55)，并且具有用于相同电极的附加的集流体(51、53)，其特征在于，每个框架(3)包括多个用于该电极的相同就位的孔(31)以及在所述孔(31)之间至少一个相同就位的用于热交换介质的通过的通道(32)，并且单独框架(3)中的通道(32)被互相连接以构成用于热交换介质的通路(34)，并且放置在所述框架(3)中的孔(31)内的电极(4a、4b)连同框架(3)相邻的壁、间隔件(5)、电绝缘材料(55)以及集电体一起形成了单独的蓄电池模块。
2.根据权利要求1所述的锂蓄电池，其特征在于，所述盖(1a、1b)在内侧上对着所述孔(31)设有相互连接的槽(11)的系统，其中盖(1a、1b)中的一个被连接至电解质进口(12)。
3.根据权利要求2所述的锂蓄电池，其特征在于，在盖(1a、1b)与相邻的框架(3)之间布置有配电板(2a、2b)，所述配电板具有将所述槽(11)与所述框架(3)中的所述孔(31)连接的开口(21)。
4.根据权利要求1所述锂蓄电池，其特征在于，分配管(14)位于所述通路(34)内并且分配管(14)的端部被连接至热交换介质的分配系统。
5.根据权利要求4所述的锂蓄电池，其特征在于，所述热交换介质分配系统包括泵(8)和换热器(18)。
6.根据权利要求1所述的锂蓄电池，其特征在于，所述热交换介质为电解质。
7.根据权利要求6所述的锂蓄电池，其特征在于，承载相同电极的框架(3)在其相邻的表面上设有槽(38)以用于将所述通路(34)与所述孔(31)连接。
8.根据权利要求7所述的锂蓄电池，其特征在于，一个盖(1d)包括电解质的进口(12)并且另一个盖(1c)设有用于连接至排气阀的进口支路(16)。
9.根据权利要求7所述的锂蓄电池，其特征在于，一个盖(1c)连接至电解质分配系统的进口管路(81)并且另一个盖(1d)连接至电解质分配系统的返回管路(82)。
10.根据权利要求9所述的锂蓄电池，其特征在于，所述电解质分配系统包括泵(8)和换热器(18)。
11.根据权利要求10所述的锂蓄电池，其特征在于，电解质再生单元(19)被结合到返回管路(82)内。
12.根据权利要求1所述的锂蓄电池，其特征在于，所述框架(3)设有电触点(57、58)并且导电箔片(51、53)在相同极性的框架(3)之间插入，由此具有相同电极的电触点(57、58)的框架(3)形成蓄电池极柱(52、54)。
13.根据权利要求12所述的锂蓄电池，其特征在于，所述导电箔片(51、53)设有穿孔(56)。
14.根据权利要求1所述的锂蓄电池，其特征在于，所述电绝缘材料为等离子喷涂的多孔电绝缘材料。
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