CN103367661A - 具有调温装置的硬壳电池壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于包括至少两个碱金属电芯的原电池(10)的硬壳电池壳体，其中，所述硬壳电池壳体包括壳体基体(11)和壳体盖(12)，所述壳体基体具有用于容纳至少两个碱金属电芯的电芯组件(30)的内部空间以及所述壳体盖用于封闭所述壳体基体(11)的内部空间，其中所述壳体基体(11)至少基本上由塑料构成以及在所述壳体基体(11)中形成调温介质通道(13)。此外，本发明涉及这种原电池(10)、用于制造这种原电池的方法以及配备有这种原电池(10)的移动或固定的系统。

Description

具有调温装置的硬壳电池壳体
技术领域
本发明涉及一种硬壳电池壳体，一种配备有这种壳体的原电池、一种用于制造这种原电池的方法以及一种配备有这种原电池的移动或固定的系统。
背景技术
显而易见的是，在未来将会有越来越多的电池系统应用在固定应用中(例如在太阳能或风力设备中)、在移动应用中(例如在诸如混合动力和电动汽车之类的汽车)以及在消费领域中(例如在笔记本电脑和移动电话中)，在安全性、可靠性、容量及使用寿命方面对这些电池系统提出很高的要求。
容量的一个重要参数是能量密度，其例如是以每千克瓦小时(Wh/kg)进行规定。碱金属电芯的容量通过所谓的活性或者更确切地说电化学活性的材料确定。除了这些材料之外，碱金属电芯还包括所谓的惰性材料，如隔离件、绝缘件、电极连接件和壳体元件或者包装元件，这些惰性材料的重量与活性材料的重量一样会对能量密度产生影响。
对于范围很广的应用领域来说特别适宜的是锂离子电芯，因为这些电芯的特点首先是活性材料的高能量密度和极少的自放电。锂离子电芯具有正极(阴极)和负极(阳极)。锂离子电芯的负极(阳极)的活性材料在这里被设计成可逆地贮存(嵌入)锂离子或者重新使锂离子转移(脱嵌)并且因此也被称作嵌入材料。传统地，石墨在阳极侧被用作嵌入材料。
另一种有吸引力的电池系统是可再充电的金属锂系统，这些系统同样具有正极(阴极)和负极(阳极)，然而在这些电极中负极(阳极)的活性材料不是锂嵌入材料，而是金属锂或者锂合金。正极(阴极)在这里例如可以是基于具有层状结构的过渡金属氧化物，比如锂钴氧化物(LiCoO2)。
为了获得高的机械稳定性并且为了满足例如在汽车中的高的安全性要求，用于这类应用的带有金属锂阳极的锂离子电芯和锂电芯传统上通过纯金属的硬壳电池壳体、所谓的硬壳壳体而免受环境影响、特别是防止湿气进入电芯内部。目前，这类硬壳电池壳体大多数由铝通过低温深拉工艺制成。除了机械保护之外，金属的硬壳电池壳体还保护装在其内的电芯的元件也免受湿气影响，因为金属的壳体材料也用作湿气或蒸汽阻挡装置。
带有金属锂阳极的锂离子电芯和锂电芯具有规定的温度范围，它们在该范围内能够最优地工作。为了将稳定设定在该最优工作温度范围内，电芯可以与温度管理系统连接，该温度管理系统例如在冷天在开始工作之后对电芯进行加热或者例如在工作期间对电芯进行冷却。在这里，电芯以它们的底面固定地与所谓的冷却板热连接和机械连接，该冷却板对电芯进行调温并且因此为电芯提供了最优工作环境。
例如在公开文献DE 10 2010 001 430 A1中描述了一种调温装置。
发明内容
本发明的主题是一种用于包括至少两个碱金属电芯、特别是锂电芯的原电池的硬壳电池壳体，该壳体包括：
-壳体基体，该壳体基体具有用于容纳至少两个碱金属电芯、特别是锂电芯的电芯组件的内部空间，和
-壳体盖，该壳体盖用于封闭壳体基体的内部空间，
其中，壳体基体至少基本上由塑料构成并且在壳体基体中构造/集成有调温介质通道。
碱金属电芯可以特别地理解为一种原电池，该原电池包括碱金属、例如锂或钠作为电化学活性材料，例如阳极材料。
包括至少两个碱金属电芯的原电池可以特别地理解为一种电池或者说所谓的电池组或所谓的电池模块。在这里，电池模块可以特别地理解为一种原电池，其包括≥2到≤20、例如≥2到≤10、例如≥4到≤6个碱金属电芯。电池组在这里可以特别地理解为一种原电池，其包括两个或更多个电池模块。在这里电池模块和电池组都可以理解为电池。
因此，硬壳电池壳体特别可以是硬壳电池模块壳体或者硬壳电池组壳体，特别是硬壳电池模块壳体。
碱金属电芯的电芯组件可以特别地理解为碱金属电芯的电化学活性组件，比如阳极、阴极、电解液和/或导电盐，以及可以是电组件，比如在碱金属电芯内的电导体、电绝缘件和/或电隔离件。
通过在壳体基体中构造调温介质通道，可以保证对容纳在壳体基体中的碱性电芯的最优调温并且确保热交换。特别是，通过将调温介质通道集成到硬壳电池壳体中，可以确保容纳在硬壳电池壳体中的碱性电芯和调温介质之间的热接触，这在多个单个碱性电芯设置在冷却板上的传统电池中可能是有问题的。也就是说，在这种传统电池中，电芯必须以很小的公差范围紧密地安装，其中，各单个电芯在制造和工作期间可能例如由于电芯的错误定位、膨胀、运动和/或移动而失去与冷却板的热接触并且在电芯和冷却板之间可能产生气隙，这些气隙可能导致调温效果或者说加热和/或冷却效果的很大损失。相反地，通过将调温介质通道集成在硬壳电池壳体中，可以有利地避免电芯的接触损失、过热并且由此避免电芯失灵，以及可以获得更长的电芯使用寿命或者说工作时间。此外，通过具有壳体功能和调温功能的部件的材料连接可以实现改善的温度补偿。
通过壳体基体基本上由塑料构成，而不是如在传统硬壳电池壳体中由金属构成，可以有利地明显减小壳体重量以及壳体的材料和制造成本。此外，可以有利地省去通常由金属构成的重的冷却板并且因此可以进一步减小总重量。通过重量减轻，又可以有利地明显提高在电芯层次上的重量能量比例，这特别是在移动应用中的使用中是特别有利的。
此外，可以加速装配，因为可以省去单独冷却系统的安装。因此总体上还十分有利地提供了一种带有集成的热力系统和例如用于电流、控制/诊断和调温的少量接头的更具功能性的单元，在该单元的装配中，特别是可以使在高压范围内的工序最少。
由于用于构造壳体盖的材料量小于用于构造壳体基体的材料量，壳体盖的材料重量对硬壳电池壳体的总重量的影响程度小于壳体基体的材料重量对硬壳电池壳体的总重量的影响程度。因此，原则上可以由金属构造壳体盖。
但在一种实施方式中，壳体基体和壳体盖都是至少基本上由塑料构成。
由于壳体基体和壳体盖基本上由塑料构成而不是如在传统硬壳电池壳体中那样由金属构成，可以有利地进一步减小壳体重量以及壳体的材料和制造成本，进而进一步改善在电芯层次上的重量能量比例。
此外，塑料具有电绝缘特性并且与金属相反是不导电的。这提供了这样的优点，即简化电绝缘和避免否则会在高压范围内出现的绝缘问题。
此外，通过壳体基体能够由壳体盖封闭，容纳在壳体基体内的电芯以及例如用于将电芯相互电连接的连接元件有利地非暴露地对外电绝缘并且可以通过该硬壳电池壳体很好地免受外部机械力的影响。此外，由于该壳体基本上由塑料构成，例如在发生事故的情况下可以减小这样的危险，即机械壳体碎片进入电芯中，这可能会引起内部短路。因此特别地可以提高安全性。这对于在移动应用中、例如在汽车中的使用中是有利的。
此外，壳体由塑料构成的设计方案相对于壳体由金属构成的设计方案提供更加自由的壳体造型的优点。因此，例如壳体可以更好地与卷绕体的形状相适应。例如，可以在壳体的内部空间中构造倒圆部，该倒圆部例如使电芯组件包装、特别是卷绕体包装与理想的棱柱形状相适应。另外，可以实现电芯组件更好地机械保持在壳体中并且因此可以省去用于保持电芯位置的所谓的保持器。此外，通过优化的壳体构造，可以节省在电芯内部中的空闲空间和闲置的液体电解液、改善热传递、实现更加均匀的温度分布以及延长原电池的使用寿命。另外，壳体由塑料构成的设计方案实现了振动减少，这又对例如在端子和/或集电体与连接电芯的导体元件之间的电接触产生有利影响。
碱金属电芯例如可以是锂电芯。
锂电芯可以特别地理解为一种碱金属电芯，该电芯包括锂作为电化学活性材料、例如阳极材料。在这里，锂电芯不仅可以理解为带有含金属锂的阳极的碱金属电芯，例如锂氧电芯，也可以理解为带有锂嵌入的阳极的碱金属电芯，例如锂离子电芯。
特别地，碱金属电芯可以是锂离子电芯。
锂离子电芯是锂电芯的一种特殊形式并且不具有金属锂阳极，而是具有由所谓的嵌入材料，例如石墨构成的阳极，在该嵌入材料中可以可逆地贮存(嵌入)锂离子以及使锂离子重新转移(脱嵌)。锂离子电芯与具有金属锂阳极的锂电芯的区别还在于：锂离子电芯通常包含对湿气特别敏感的导电盐，例如六氟磷酸锂(LiPF6)，这些导电盐在有水的条件下可能会水解成氟化氢(HF)。
在一种实施方式中，壳体基体具有带有包括外壁部和内壁部的双层壁，其中，特别是调温介质通道构造在该外壁部和该内壁部之间。在这里优选的是，壳体基体的与两个或更多碱金属电芯的电芯组件邻接的壁被构造成这种双层壁。例如，壳体基体的一个侧壁和/或多个侧壁和/或底部被构造成双层壁。
在一种特殊的实施方式中，壳体基体具有包括外底部和内底部的双层底，其中，特别是调温介质通道构造在该外底部和该内底部之间。调温介质通道采用壳体基体的双层底的形式的设计方案具有的优点是，液压系统可以更加简单地构造并且更加不容易受到例如由于在调温介质中可能含有的气泡引起的干扰的影响。
在另一种实施方式中，在外壁部(特别是底部)与内壁部(特别是底部)之间构造至少一个中间壁部。例如可以在外壁部(特别是底部)与内壁部(特别是底部)之间构造多个中间壁部。中间壁部特别可以被设计成用于改变调温介质通道的流动方向或者说调温介质通道的流动方向可以围绕中间壁部转向。因此，可以有利地实现对电芯的更加均匀的调温。
在另一种实施方式中，调温介质通道特别是借助于一个或多个中间壁部构造成曲折形。因此可以有利地实现对电芯的特别均匀的调温。
在另一种实施方式中，壳体基体具有能从外部接触的输入接头(液压接口)和能从外部接触的输出接头(液压接口)，输入接头用于将供给调温介质的管道与调温介质通道连接，而输出接头用于将输出调温介质的管道与调温介质通道连接。输入接头和输出接头在这里可以构造在壳体基体的同一侧或者分别构造在壳体基体的相反侧上或者分别构造在壳体基体的相邻侧上。输入接头和输出接头可以在此处被设计成，不仅用于将调温介质输入管道和调温介质输出管道分别与硬壳电池壳体连接，而且可以用于将两个或更多(类似的)硬壳电池壳体的调温介质输入管道和调温介质输出管道串联和/或并联地连接。
已经表明，塑料的(水)蒸气透过率与塑料的化学和物理特性有关。为了在否则蒸汽可透过的塑料中也获得很高的不透蒸汽性，特别是符合针对碱金属电芯以及特别是针对锂离子电芯的标准的不透蒸汽性，可以设置蒸汽阻挡层，该蒸汽阻挡层阻止湿气通过水蒸汽对否则蒸汽可透过的塑料的渗透而侵入并且因此确保不透湿气性或者说不透蒸汽性。已经表明，这种蒸汽阻挡层甚至可以如传统所使用的轧制铝薄膜那样对于水分子具有阻挡效应。这样，通过蒸汽阻挡层有利地阻止特别是水蒸气形式的湿气穿过塑料侵入壳体中并且例如在锂离子电芯的情况下避免导电盐发生水解。
因此，在另一种实施方式中，壳体基体或者壳体基体和壳体盖包括至少一个蒸汽阻挡层。
在随后与根据本发明的原电池相关联进行说明的替代或者附加实施方式中，碱金属电芯的电芯组件分别彼此分开地包装在配备有蒸汽阻挡层的塑料包装薄膜中。
通过这两种实施方式的结合，特别是通过设置在硬壳电池壳体中的至少一个蒸汽阻挡层和设置在上述一个或多个塑料包装薄膜中的至少一个蒸汽阻挡层，碱金属电芯的电芯组件可以有利地特别可靠地防止湿气进入。
蒸汽阻挡层可以特别地理解为由一种水蒸汽扩散阻力很大的材料构成的层。优选地，蒸汽阻挡层的材料具有比构造壳体基体或者壳体盖所用的塑料更高的水蒸汽扩散阻力。蒸汽阻挡层材料的水蒸汽扩散阻力特别是可以明显更高，例如比构造壳体基体或者壳体盖所用的塑料的水蒸汽扩散阻力高≥5倍，例如高≥10倍或者甚至是高≥50或≥90倍或者必要时甚至是高≥1000倍。蒸汽阻挡层的材料例如可以具有≥10000，特别是≥100000，例如≥500000或者≥900000或者甚至大约1000000的水蒸汽扩散阻力系数。
通过硬壳电池壳体配备有蒸汽阻挡层，可以有利地保证免受环境影响，比如盐雾、冷凝水。此外，通过蒸汽阻挡层必要时可以防止电解液溶剂分子扩散。
因此，通过塑料和蒸汽阻挡层的组合，可以有利地提供一种重量轻的硬壳电池壳体，该壳体可以同传统金属硬壳电池壳体相比具有类似或甚至是完全一样的机械稳定性和蒸汽阻挡性，进而该壳体特别适用于具有湿气敏感组件，比如碱金属电芯(例如锂电芯)的原电池，并且该壳体能够代替迄今为止的用于原电池的金属壳体。
至少基本上由塑料构成的壳体基体或者壳体盖特别可以理解为壳体基体或者壳体盖的由塑料占据的材料体积特别是至少大于壳体基体或者壳体盖的总材料体积的百分之75。壳体基体或者壳体盖的由塑料占据的材料体积在这里例如≥百分之90的壳体基体或者壳体盖的总材料体积。特别地，在这里至少是壳体基体或者壳体盖的承载部分由塑料构成。此外，至少基本上由塑料构成的壳体基体或者壳体盖还具有由其它材料构成的部分。例如，壳体基体或者壳体盖可以具有包括不是基于塑料的蒸汽阻挡层和/或金属元件的部分，金属元件比如是电接口、所谓的(外部)端子和/或液压接口(输入接头/输出接头)和/或接口引线。关于壳体基体或者壳体盖的总材料体积，壳体基体或者壳体盖的由与塑料不同的材料构成的部分例如总共占＜75％，例如＜10％的材料体积。
壳体基体或者壳体盖可以仅仅或者几乎仅仅由塑料制成。在使用基于塑料的蒸汽阻挡层的情况下，壳体基体或者壳体盖例如仅仅由塑料构成。由于为了实现蒸汽阻挡效应只需要很少的材料，所以在使用例如由金属构成的蒸汽阻挡层的情况下，壳体基体或者壳体盖仍然被称作是几乎仅仅由塑料构成，尽管壳体基体或者壳体盖包括少量的金属或者半金属。
特别地，壳体基体的内部空间可以被设计成用于容纳至少两个电芯卷绕体，特别是锂离子电芯卷绕体。
电芯卷绕体(英语：“jelly roll”)可以特别地理解为碱金属电芯的一种特殊的(即卷绕体形式的)电芯组件装置。电芯卷绕体例如可以是一种卷绕体形式的部件，该部件除了碱金属电芯的电化学活性元件之外还包括电导体元件(例如导电薄膜)以及电绝缘元件(例如一个或多个绝缘薄膜和/或一个或多个隔离薄膜)。
蒸汽阻挡层可以直接施加在壳体基体或者壳体基体和壳体盖的材料上。因此，可以有利地省去附加层，比如附着层或者胶粘层，并且可以进一步减轻重量、降低成本和减小空间需求。
在另一种实施方式中，蒸汽阻挡层是金属层、有机层、聚合物层或者玻璃层。利用这样的层可以有利地实现蒸汽阻挡效应。
蒸汽阻挡层例如可以具有≥1μm到≤μm的层厚。
在另一种实施方式中，蒸汽阻挡层通过蒸镀、通过溅镀、通过电镀、通过喷镀、通过浸镀和/或通过轧制包覆，特别是通过蒸镀、通过溅镀、通过电镀和/或通过轧制包覆进行施加。这些涂覆技术用于施加蒸汽阻挡层被证明是有利的。在这里，蒸汽阻挡层可以在一个方法步骤中被施加到壳体基体和壳体盖上。必要时可以在施加蒸汽阻挡层之前先对壳体基体或者壳体盖的基底，特别是塑料进行等离子处理和/或电晕处理。因此可以有利地改善蒸汽阻挡层在基底的附着。
蒸汽阻挡层例如可以是金属层。特别地，蒸汽阻挡层包括铝和/或铬和/或硅和/或铁。特别地，蒸汽阻挡层可以由铝和/或铬和/或硅和/或优质钢构成。金属蒸汽阻挡层例如可以通过蒸镀、通过溅镀或者通过电镀进行施加。
必要时，金属蒸汽阻挡层可以是具有纳米结构的超疏水层。超疏水特性在这里可以特别地与所谓的莲花效应相类似地通过特别是在纳米范围内的结构化来实现。例如，金属蒸汽阻挡层可以包括至少一种具有纳米结构的半金属，特别是具有纳米结构的硅。特别地，蒸汽阻挡层可以由至少一种具有纳米结构的半金属，例如具有纳米结构的硅构成。
只要蒸汽阻挡层是金属层，可以在蒸汽阻挡层的至少一部分，例如与内部空间邻接的部分涂覆由电绝缘材料构成的绝缘层。但是电绝缘也可以通过其它措施，例如通过随后要说明的将电芯组件包装在塑料包装薄膜中来实现。
但是蒸汽阻挡层同样可以是有机层。特别地，蒸汽阻挡层可以包括Parylen或者由其构成。
特别地，蒸汽阻挡层可以是聚合物层。例如，蒸汽阻挡层可以包括Parylen和/或至少一种具有纳米结构的聚烯烃或者由其构成。
有机蒸汽阻挡层或者聚合物蒸汽阻挡层例如可以通过喷镀或浸镀，特别是喷镀进行施加。
特别地，有机蒸汽阻挡层或者聚合物蒸汽阻挡层可以是具有纳米结构的超疏水层。超疏水特性在这里可以特别地与所谓的莲花效应相类似地通过特别是在纳米范围内的结构化来实现。例如，蒸汽阻挡层可以包括至少一种具有纳米结构的聚烯烃，特别是具有纳米结构的聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)。特别地，蒸汽阻挡层可以由至少一种具有纳米结构的聚烯烃，例如具有纳米结构的聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)构成。
但是，蒸汽阻挡层同样可以是玻璃层。例如，蒸汽阻挡层可以包括二氧化硅。
特别地，蒸汽阻挡层可以由至少一种具有纳米结构的聚烯烃，例如具有纳米结构的聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)，和/或至少一种具有纳米结构的半金属，例如具有纳米结构的硅构成。
这些超疏水材料具有以下优点：它们甚至在与电化学活性电芯组件，例如有机碳酸盐和/或导电锂盐直接接触时也可以具有高的化学和电化学的长期稳定性。有利地。利用具有纳米结构的聚丙烯(PP)可以获得特别好的结果。
在另一种实施方式中，蒸汽阻挡层集成在壳体基体或者壳体盖的塑料中。特别地，在这里，蒸汽阻挡层可以集成在壳体基体或者壳体盖的塑料中，使得蒸汽阻挡层在壳体的关闭状态下基本上完全地包围壳体内部空间。
在另一种实施方式中，至少是壳体基体或者壳体盖在壳体的关闭状态下位于内部的和/或与内部空间邻接的表面特别是基本上完全地覆盖有蒸汽阻挡层。除了已经说明的优点之外，施加位于内部的蒸汽阻挡层特别是在随后要更详细说明的壳体基体内部空间通过隔壁划分成格子的硬壳电池壳体实施方式中还具有以下优点：在模块的一个电芯损坏的情况下，该模块的其它电芯可以得到更好的保护。
壳体基体或者壳体基体和壳体盖例如可以至少基本上由一种塑料构成，该塑料包括至少一种聚合物，该聚合物选自聚烯烃、聚亚苯基硫醚及其组合组成的组。例如，壳体基体和壳体盖可以由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯-聚乙烯共聚物(PP/PE)或者聚亚苯基硫醚(PPS)构成。这些塑料有利地具有足够的耐热性、良好的耐化学药品性以及良好的机械稳定性。
壳体基体或者壳体盖例如可以具有＞100μm的壁厚。
壳体就或者壳体基体和壳体盖可以例如通过深拉工艺或者注塑工艺，特别是注塑工艺，特别是由塑料制成。通过对于塑料使用这些工艺，能够实现许多形状，这些形状实现了更加优化地例如在汽车中安置电池。
在另一种实施方式中，壳体基体的内部空间通过构造在其中的一个或多个塑料隔壁划分成相互隔开的格子，其中，这些格子分别被设计成用于容纳碱金属电芯的电芯组件、特别是(锂离子)电芯卷绕体。
通过塑料隔壁，设置在一个格子中的碱金属电芯的电芯组件可以有利地，特别是在无需另外的方法步骤的条件下，相对于设置在相邻格子中的碱金属电芯的电芯组件电绝缘。
由于可通过塑料隔壁确保电绝缘，所以电芯组件或者电芯卷绕体可以特别是逐个地，在无其它电绝缘措施的条件下且在电芯不会短路的条件下放入不同格子中，这还对包装密度产生有利的影响。
此外，通过塑料隔壁可以进一步提高硬壳电池壳体的机械稳定性。
另外，通过塑料隔壁可以对电芯组件特别是电芯卷绕体施加规定的压力，该压力可以有利于电芯的正常工作。
优选地，限定格子的表面特别是基本上完全地覆盖有蒸汽阻挡层。只要蒸汽阻挡层是金属蒸汽阻挡层，为了对于待容纳在格子中的电芯组件进行电绝缘，蒸汽阻挡层可以覆盖有绝缘层。
在另一种实施方式中，壳体基体和壳体盖具有连接元件，这些连接元件被设计成用于在封闭壳体时形成槽榫插接连接。特别地，用于形成槽榫插接连接的连接元件可以特别是整周地或者说无缝地环绕壳体基体的内部空间开口。因此，可以有利地实现硬壳电池壳体的气密关闭以及在封闭壳体时的良好密封效果。特别地，在限定壳体基体内部空间的开口的壳体基体壁部的端面上可以构造至少一个槽形和/或榫形的连接元件，特别地，其中壳体盖具有与之相对应的连接元件以形成槽榫插接连接。
为了在这种实施方式中进一步改善密封效果，用于形成槽榫插接连接的连接元件优选也部分地或者完全地覆盖有蒸汽阻挡层或者具有在其中集成的蒸汽阻挡层。特别地，在封闭壳体时或者说在形成槽榫插接连接时，覆盖连接元件的蒸汽阻挡层能够相互紧贴，例如相互压紧。因此可以有利地特别有效地防止湿气进入并且进一步提高不透湿气或者说蒸汽的性能。
因此，在另一种实施方式中，用于形成槽榫插接连接的连接元件部分地或者全部地覆盖有蒸汽阻挡层或者具有集成在其中的蒸汽阻挡层。只要设置了不具有蒸汽阻挡特性的绝缘层，蒸汽阻挡层优选在用于形成槽榫插接连接的连接元件的区域中不被绝缘层覆盖。
另外，连接元件可以被设计成在封闭壳体时也在壳体盖与用于将壳体基体内部空间划分成格子的塑料隔壁之间形成槽榫插接连接。因此，有利地，设置在不同格子中的碱金属电芯可以更好地相互隔开。特别地，在壳体基体的将壳体基体内部空间划分成格子的塑料隔壁的端面上形成至少一个槽形和/榫形的连接元件，特别地，其中壳体盖具有与之相对应的连接元件以形成槽榫插接连接。
此外，硬壳电池壳体可以具有至少两个特别是能从外部接触的电接口(端子)，在壳体内部中的碱金属电芯可以通过这些电接口进行电接触。
关于根据本发明的硬壳电池壳体的其它实施方式和优点，对此可详细参见与根据本发明的原电池、根据本发明的方法和附图相关的说明。
本发明的另一个主题是一种原电池，该原电池包括根据本发明的硬壳电池壳体。特别地，在这里在硬壳电池壳体的壳体基体的内部空间中可以设置至少两个碱金属电芯的电芯组件。例如，在这里在硬壳电池壳体的壳体基体的内部空间中可以设置至少两个(锂离子)电芯卷绕体。
原电池可以特别地理解为电池或者更确切地说所谓的电池组或者所谓的电池模块。
碱金属电芯特别可以是锂电芯。特别地，碱金属电芯可以是锂离子电芯。在一种设计方案中，在壳体基体的内部空间中设置至少两个(碱性)电芯卷绕体。特别地，在壳体基体的内部空间中可以设置至少两个锂离子电芯卷绕体。
被构造成锂离子电芯的碱金属电芯特别可以包括由所谓的嵌入材料构成的阳极，在该嵌入材料中锂离子可以可逆地嵌入和脱嵌。例如，锂离子电芯的阳极可以包括碳基嵌入材料，比如石墨、石墨烯、碳纳米管、硬碳、软碳和/或硅碳复合材料。作为阴极材料，锂离子电芯例如可以包括具有层状结构的过渡金属氧化物，比如锂钴氧化物(LiCoO2)和/或锂镍钴锰氧化物(NCM)。此外，锂离子电芯特别可以包括至少一种导电盐，例如六氟磷酸锂(LiPF6)和/或四氟硼酸锂(LiBF4)，以及在必要时可以包括至少一种溶剂，例如碳酸乙烯酯(EC)和/或二甲基碳酸酯(DMC)。锂离子电芯可以在阳极和阴极之间特别地包括隔离件。为了与阳极和阴极电接触，锂离子电芯特别地可以包括导电薄膜。阳极的导电薄膜例如以由铜构成而阴极的导电薄膜由铝构成。
在一种实施方式中，壳体基体的内部空间通过构造在其中的一个或多个塑料隔壁划分成相互隔开的格子。在这里，碱金属电芯的电芯组件，特别是(锂离子)电芯卷绕体特别地设置在不同的格子中。
在另一种替代或者附加的实施方式中，碱金属电芯的电芯组件，特别是锂离子电芯卷绕体分别相互隔开地包装在塑料包装薄膜中，其中，包装在塑料包装薄膜中的电芯组件，特别是(锂离子)电芯卷绕体设置在壳体基体中。
通过塑料包装薄膜，一个碱金属电芯的电芯组件，特别是电芯卷绕体可以有利地，特别是无需另外的方法步骤的条件下，相对于相邻碱金属电芯的电芯组件电绝缘。由于通过塑料包装薄膜可以保证电绝缘，所以两个或更多分别相互隔开包装的碱金属电芯的塑料包装薄膜可以相互接触，而不会发生短接。因此，又可以有利地提供一种具有高包装密度的原电池。此外，通过塑料包装薄膜可以保证相对于相邻的金属蒸汽阻挡层的电绝缘。
此外，通过塑料包装薄膜可以对电芯组件，特别是电芯卷绕体施加规定的压力，该压力可以有利于电芯的正常工作。
通过包装在塑料包装薄膜中的电芯组件设置在由硬壳电池壳体的壳体基体的可由壳体盖封闭的内部空间中以及电芯不是以传统暴露的模块结构方式进行安装，可以有利地保证不受机械影响，在特别是在移动应用中，例如在汽车中的使用中是有利的。
总的来说，通过这种实施方式，可以有利地省去金属壳体并且进一步使重量以及材料和制造成本最小化。
在一种特殊的设计方案中，塑料包装薄膜包括至少一种极性改性的、特别是接枝的聚烯烃(例如聚丙烯)，例如马来酸接枝聚丙烯。特别地，塑料包装薄膜由至少一种极性改性的、特别是接枝的聚烯烃(例如聚丙烯)，例如马来酸接枝聚丙烯构成。
极性改性的聚烯烃可以有利地具有极高的对金属的附着能力。因此，可以有利地实现在塑料包装薄膜与金属导体元件，例如导电销、所谓的集电体(例如由铜、铝或镍构成)之间的良好的密封效果。
各个碱金属电芯的电芯组件，特别是电芯卷绕体例如可以分别焊接在塑料包装薄膜中。
塑料包装薄膜可以有利地构造成薄的并且例如具有≥20μm到≤100μm的薄膜厚度。
在一种设计方案中，塑料包装薄膜分别配备有至少一个蒸汽阻挡层。特别地，这里是指与根据本发明的硬壳电池壳体相关地进行说明的蒸汽阻挡层类型。蒸汽阻挡层可以集成在包装薄膜的塑料中和/或覆盖包装薄膜的外侧和/或内侧。只要塑料包装薄膜具有金属蒸汽阻挡层，该金属蒸汽阻挡层可以通过包装薄膜的一个或多个例如位于内部的绝缘层或者说塑料薄膜层与电芯组件或者其它导电组件电绝缘。
优选地，在硬壳电池壳体的内部空间中将两个或更多碱金属电芯例如串联和/或并联地电连接成特别是电池模块。因此，可以有利地保护位于内部的电接头。
与在内部空间中相连接的电芯的电接触可以特别地通过上述至少两个、特别是可从外部接触的电接口(端子)实现。总的来说，接头的数量可以减少至例如用于电流、控制/诊断和调温的少量接头，这使原电池成为更具功能性的单元。例如由于必须执行的在高压范围内的工序步骤更少，这尤其也使装配更加简单。此外，通过接头的优化还可以进一步有利地提高硬壳电池壳体的不透蒸汽性能。
关于根据本发明的原电池的其它实施方式和优点，对此可详细参见与根据本发明的硬壳电池壳体、根据本发明的方法及附图相关的说明。
本发明的另一主题是一种用于制造特别是根据本发明的原电池的方法，其包括以下方法步骤：
a)构造/提供由塑料构成的壳体基体，使得壳体基体具有用于容纳至少两个碱金属电芯的电芯组件的内部空间以及具有集成在壳体基体中的调温介质通道，以及必要时构造/提供用于封闭由塑料构成的壳体基体的内部空间的壳体盖，
b)将至少两个碱金属电芯的电芯组件，特别是至少一个(锂离子)电芯卷绕体放入壳体基体的内部空间中，以及
c)用壳体盖封闭，特别是气密地封闭壳体基体的内部空间。
在这里，在方法步骤a)中和/或在一个在方法步骤c)之后进行的方法步骤d)中，壳体基体的塑料或者壳体基体和壳体盖的塑料例如通过一种在根据本发明的硬壳电池壳体的范围提到的涂覆技术而具有或者说涂覆有至少一个蒸汽阻挡层。
替代地或者附加地，在方法步骤a)中可以将至少一个蒸汽阻挡层集成在壳体基体的塑料中或者在壳体基体和壳体盖的塑料中。
替代地或者附加地，在方法步骤b)中可以将碱金属电芯的电芯组件分别以相互隔开地包装在塑料包装薄膜中的方式放入壳体基体的内部空间中，其中，塑料包装薄膜分别配备有至少一个蒸汽阻挡层。
在方法步骤c)和d)之间，所述方法还可以包括方法步骤c1)，即特别是通过焊接，例如等离子焊接将壳体盖与壳体基体以材料连接的方式连接。特别地，在这里可以提供连续的、特别是无缝的和/或环绕的采用材料连接方式的连接区域，例如形式为环绕的焊缝。这样可以有利地进一步提高不透蒸汽性。在随后的方法步骤d)中，采用材料连接方式的连接区域同样也可以有利地涂覆有至少一个蒸汽阻挡层。
为了改善蒸汽阻挡层在壳体基体和壳体盖的塑料上的附着能力，可以有利的是，在施加蒸汽阻挡层之前先对壳体基体和壳体盖的塑料表面进行等离子和/或电晕处理。
在一种设计方案中，在方法步骤a)中通过构造一个或多个塑料隔壁将壳体基体的内部空间划分成相互隔开的格子。在这里可以在方法步骤b)中将两个或更多碱金属电芯的电芯组件、特别是两个或更多(锂离子)电芯卷绕体放入不同的格子中。
在另一种替代或附加的设计方案中，在方法步骤b)中将两个或更多碱金属电芯放入壳体基体的内部空间中，这些碱金属电芯的电芯组件特别是电芯卷绕体分别相互隔开地包装在塑料包装薄膜中。
在关于这一点的一种设计方案中，碱金属电芯的电芯组件、特别是电芯卷绕体的包装是通过以下方式实现：用塑料包装薄膜将碱金属电芯的电芯组件特别是电芯卷绕体包住并且紧接着例如通过焊接将塑料包装薄膜的开口封闭。特别地，可以将碱金属电芯的电芯组件、特别是电芯卷绕体放入被设计成袋状的塑料包装薄膜中，紧接着例如通过焊接将该塑料包装薄膜的开口封闭。如已所述，在这里塑料包装薄膜可以分别配备有至少一个蒸汽阻挡层。
为了与碱金属电芯的电芯组件电接触，碱金属电芯可以包括特别是电导体元件。这些电导体元件例如可以被设计成导电薄膜、导电销(集电体)、导线和导电片。
在电芯卷绕体中，集成在卷绕体中的导电薄膜例如可以通过以下方式进行电接触：使得两个导电销(集电体)在它们分别与导电薄膜(阴极的或者阳极的导电薄膜)电接触的位置上插入电芯卷绕体中。导电销(集电体)特别地可以分别由与待接触的导电薄膜相同的材料构成。例如，由铝构成的阴极导电薄膜可以与由铝构成的导电销(集电体)电接触，由铜构成的阳极导电薄膜可以与由铜构成的导电销(集电体)电接触。导电销(集电体)的插入方向在这里可以例如与卷绕轴线平行。
原则上，在将碱金属电芯的电芯组件、特别是电芯卷绕体包装在塑料包装薄膜之前和之后都可以进行导电销(集电体)的插入。
本发明的另一主题是按照根据本发明的方法制造的原电池。
本发明的另一主题是一种包括至少一个根据本发明的原电池的移动或固定系统。例如，移动或者固定系统可以是汽车，例如混合动力电动汽车(HEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)、纯电动汽车(EV)或者微型混合动力汽车，可以是例如用于建筑物的能量储存系统，或者可以是用于远程通信和/或数据处理的设备或者装置，例如移动电话、MP3播放器，或者可以是工具。
关于根据本发明的方法、用该方法制造的原电池以及根据本发明的移动或者固定系统的其它实施方式和优点，对此可详细参见与根据本发明的硬壳电池壳体、根据本发明的原电池、根据本发明的方法及附图有关的说明。
附图说明
通过附图示出根据本发明的主题的其它优点和有利设计方案并且在下面的描述中对其进行说明。在这里要注意的是，附图仅仅具有描述的特征，而不能被认为是用于以某种形式限制本发明。在附图中：
图1示出了具有调温介质通道且具有用于容纳四个碱金属电芯的电芯组件的内部空间的壳体基体的一种实施方式的切开的示意立体图；
图2示出了具有调温介质通道且具有内部空间的壳体基体的另一种实施方式的切开的示意立体图，该内部空间通过隔壁划分成格子，其中，这些格子被设计成分别用于容纳碱金属电芯的电芯组件；
图3a至3c示出用于说明不同调温介质通道通流构思的壳体基体的不同实施方式的示意横截面；
图4a至4e示出了用于说明根据本发明的方法的一种实施方式的示意图；
图5示出了根据本发明的硬壳电池壳体的一种实施方式的示意横截面，在该实施方式中，壳体基体和壳体盖配备有用于形成槽榫插接连接以气密地封闭壳体的连接元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的硬壳电池壳体的一种实施方式的壳体基体11，该壳体基体至少基本上由塑料构成。图1示出了壳体基体11具有内部空间，该内部空间被设计成用于容纳四个碱金属电芯(例如锂电芯)的电芯组件30。此外，硬壳电池壳体具有壳体盖，用于封闭壳体基体11的内部空间，但该壳体盖在图1中未示出。
图1示出了在壳体基体11中构造有调温介质通道13。该调温介质通道13在这里可以用作一种管道系统，调温介质，所谓的热流体可以通过该管道系统进行输送以对容纳在硬壳壳体中的碱金属电芯进行调温。例如水或者Glysantin可以被用作调温介质。在所示的实施方式中，调温介质通道13通过双层壁，特别是双层底11a、11b实现。图1示出了壳体基体11的双层底11a、11b具有外底部11a和内底部11b，其中，调温介质通道13构造在外底部11a和内底部11b之间。调温介质通道13在这里特别是通过在外底部11a和内底部11b之间的空腔形成。通过位于电芯30下面的该空腔13可以输送调温介质或者冷却剂。
图1还示出了壳体基体11具有输入接头13a和输出接头13b，输入接头用于将供给调温介质的管道与调温介质通道13连接，而输出接头13b用于将输出调温介质的管道与调温介质通道13连接。
图1还示出了碱金属电芯、特别是锂电芯的电芯组件30分别相互隔开地包装在塑料包装薄膜36中。通过塑料包装薄膜36，不同碱金属电芯的电芯组件30可以相互电绝缘。马来酸接枝聚丙烯特别适用作为塑料薄膜袋36的材料，因为该材料能很好附着在金属导电销(集电体)上并且因此可以实现很好的密封效果。
图2所示的壳体基体11的实施方式与图1所示的壳体基体11的实施方式的区别主要在于，图2所示的壳体基体11的内部空间通过隔壁15划分成相互隔开的格子F，这些格子分别容纳例如为电芯卷绕体形式的碱金属电芯的电芯组件30。在该实施方式中，不同碱金属电芯的电芯组件30可以通过隔壁15相互电绝缘，因此在该实施方式中可以不需要将各个碱金属电芯的电芯组件30包装在塑料包装薄膜中。但是同样可以将这两种实施方式相组合并且在图2所示的实施方式中使用包装在塑料包装薄膜中的电芯组件30。
附图标记14在图1和图2中表明了，在图中所示的实施方式中，蒸汽阻挡层14覆盖壳体基体11的在壳体的关闭状态下位于内部的、限定内部空间的表面，或者集成在壳体基体11的塑料中，使得该蒸汽阻挡层在壳体的关闭状态下基本上完全地包围壳体内部空间。
图3a至3c示出了壳体基体11的不同实施方式的示意横截面并且用于说明调温介质通道13的不同通流构思。在这里，图3a至3c示出了双层壁或者更确切地说双层底的横截面，这些横截面平行地位于双层壁或者更确切地说双层底的外壁部11a与内壁部或者更确切地说内底部11b之间。
图3a至3c示出了在外壁部或者更确切地说外底部11a与内壁部或者更确切地说内底部(11b，在横截面图中未示出)之间分别构造了至少一个中间壁部11c，该中间壁部被设计成用于改变调温介质通道13的流动方向。
在图3a所示的实施方式中，输入接头13a和输出接头13b构造在壳体基体11的同一侧。在这里构造了一个中间壁部11c，调温介质通道13的流动方向围绕该中间壁部从远离输入接头13a延伸的第一流向段转向至与之相反的朝着输出接头13b方向延伸的流向段。
在图3b所示的实施方式中，输入接头13a和输出接头13b构造在壳体基体11的相对侧上。在这里构造了六个中间壁部11c，调温介质通道13围绕这些中间壁部呈曲折形地总共六次从远离输入接头13a延伸的流向段转向至与之相反地延伸的流向段，其中，调温介质通道13在最后一个流向段通入输出接头13b。
在图3c所示的实施方式中，输入接头13a和输出接头13b构造在壳体基体11的同一侧。在这里构造了七个中间壁部11c，使得调温介质通道13的流动方向呈曲折形地首先六次从远离输入接头13a延伸的流向段转向至与之相反地延伸的流向段并且最后又一次转向至另一流向段，在该另一流向段中，使调温介质通道13在六个之前的流向段旁边经过且朝着输出接头13b方向延伸。
图3a至3c还示出了，在外壁部或更确切地外底部11a与内壁部或更确切地说内底部(11b，在横截面图中未示出)之间构造了侧壁部11d，这些侧壁部11d在侧面限定调温介质通道13。
图4a至4e示出了根据本发明的方法的一种实施方式，该方法被设计成用于制造图1所示的硬壳电池模块壳体或者电池模块。
图4a示出了提供电芯卷绕体30，例如锂离子电芯卷绕体，其具有与底部侧边垂直的卷绕轴线并且被卷绕成由铜构成的阳极导电薄膜31和由铝构成的阴极导电薄膜32都可以从外部接触。电芯卷绕体30通过由电绝缘材料构成的薄膜33束紧。为了与阳极导电薄膜31和阴极导电薄膜32电接触，形式为导电销(集电体)的引出元件34、35插入电芯卷绕体中，使得导电销(集电体)34与阳极导电薄膜31以及另一导电销(集电体)35与阴极导电薄膜32电接触。
图4b示出了将图4a所示的装置放入被构造成袋状的塑料包装薄膜36中
图4c示出了在将图4所示的装置放入被构造成袋状的塑料包装薄膜36中之后，导电销(集电体)34、35部分地从塑料薄膜袋36伸出。可以紧接着例如将塑料薄膜袋36的开口焊接。但原则上同样可行的是，首先将电芯卷绕体30放入塑料薄膜袋36中并且将其封闭，然后才将导电销(集电体)34、35插入电芯卷绕体30中。为此，特别有利的是，塑料薄膜袋36由透明材料构成。特别是马来酸接枝聚丙烯适合作为塑料薄膜袋36的材料，因为该材料能很好地附着在金属导电销(集电体)34、35上并且因此可以获得很好的密封效果。
图4d示出了六个这样包装在塑料包装薄膜36中的电芯卷绕体30被放入了壳体基体11的内部空间中，在壳体基体中构造了调温介质通道(未示出)。电芯卷绕体30通过电连接元件16相互串联连接以及与电接口(端子)17、18连接。
图4e示出了壳体基体11的内部空间被用壳体盖12封闭了，使得电接口(端子)17、18能够从外部接触，相反地，导电销(集电体)34、35及其电连接件16受保护地设置在壳体内部空间中。
在例如图5所示的壳体基体11和壳体12的啮合设计中，壳体基体11的内部空间可以已经通过两个壳体部件11、12相接合而被气密地封闭。但同样可行的是，将壳体基体11和壳体盖相互焊接，例如通过等离子焊接，或者相互粘接。
在壳体基体11的内部空间中的电芯组件30可以通过蒸汽阻挡层14免受湿气影响。蒸汽阻挡层14在这里可以例如集成和/或施加在塑料包装薄膜36中、和/或集成在壳体基体11和必要时还有壳体盖12的塑料中和/或施加在其上，使得蒸汽阻挡层14在壳体的关闭状态下基本上完全地包围壳体内部空间。为了使碱金属电芯的电芯组件30免受可能包含在调温介质中的湿气的影响，蒸汽阻挡层14可以特别地构造在调温介质通道与内部空间之间，例如构造在内壁部或者更确切地说内底部11b之中和/或之上。
图5示出了硬壳电池模块壳体的一种实施方式，在该实施方式中，壳体基体11和壳体盖12配备有连接元件Z，这些连接元件用于形成槽榫插接连接以气密地封闭壳体。在这里，连接元件Z优选地环绕壳体基体11的内部空间开口。这些连接元件Z在这里至少部分地覆盖有蒸汽阻挡层14，使得在形成插接连接时壳体基体11和壳体盖12的连接元件Z的蒸汽阻挡层相互紧贴。因此可以有利地获得特别好的密封效果。

Claims (15)

1.用于包括至少两个碱金属电芯、特别是锂电芯的原电池(10)的硬壳电池壳体，包括：
-壳体基体(11)，该壳体基体具有用于容纳至少两个碱金属电芯的电芯组件(30)的内部空间，和
-壳体盖(12)，该壳体盖用于封闭所述壳体基体(11)的内部空间，
其中，所述壳体基体(11)至少基本上由塑料构成；以及
在所述壳体基体(11)中形成调温介质通道(13)。
2.如权利要求1所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)具有包括外壁部(11a)和内壁部(11b)的双层壁(11a、11b)，其中，所述调温介质通道(13)构造在所述外壁部(11a)和所述内壁部(11b)之间。
3.如权利要求1或2所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)具有包括外底部(11a)和内底部(11b)的双层底(11a、11b)，其中，所述调温介质通道(13)构造在所述外底部(11a)和所述内底部(11b)之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，在所述外壁部(11a)和所述内壁部(11b)之间构造有至少一个中间壁部(11c)，所述调温介质通道(13)的流动方向特别是能够围绕所述中间壁部转向。
5.如权利要求1至4中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述调温介质通道被设计成曲折形。
6.如权利要求1至5中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)具有用于将供给调温介质的管道与所述调温介质管道(13)连接的输入接头(13a)和用于将输出调温介质的管道与所述调温介质通道(13)连接的输出接头(13b)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)和所述壳体盖(12)至少基本上由塑料构成。
8.如权利要求1至7中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)和所述壳体盖(12)包括至少一个蒸汽阻挡层(14)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，至少是所述壳体基体(11)或者所述壳体基体(12)和所述壳体盖(12)的、在所述壳体的关闭状态下位于内侧的、限定所述内部空间的表面覆盖有蒸汽阻挡层(14)，和/或所述蒸汽阻挡层(14)集成在所述壳体基体(11)或者所述壳体基体(11)的塑料和所述壳体盖(12)的塑料中，其中，所述蒸汽阻挡层(14)集成在所述壳体基体(11)的塑料或者所述壳体基体(11)的塑料和所述壳体盖(12)的塑料中，使得所述蒸汽阻挡层在所述壳体的关闭状态下基本上完全地包围所述壳体的内部空间。
10.如权利要求8或9所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述蒸汽阻挡层(14)是金属层、有机层、聚合物层或者玻璃层。
11.如权利要求1至10中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)的内部空间通过构造在所述内部空间中的一个或多个塑料隔壁(15)划分成相互隔开的格子(F)，其中，所述格子(F)分别被设计成用于容纳碱金属电芯的电芯组件(30)、特别是(锂离子)电芯卷绕体。
12.如权利要求1至11中任一项所述的硬壳电池壳体，其特征在于，所述壳体基体(11)和所述壳体盖(12)具有连接元件(Z)，这些连接元件被设计成用于在封闭壳体时形成槽榫插接连接；特别是所述连接元件(Z)环绕所述壳体基体(11)的内部空间开口以形成槽榫插接连接；特别是所述连接元件(Z)覆盖有蒸汽阻挡层(14)或者具有集成在所述连接元件中的蒸汽阻挡层(14)。
13.原电池，其特征在于，包括如权利要求1至12中任一项所述的硬壳电池壳体，其中，在所述硬壳电池壳体的壳体基体(11)的内部空间中设有至少两个碱金属电芯的电芯组件(30)、特别是至少两个(锂离子)电芯卷绕体。
14.如权利要求13所述的原电池，其特征在于，所述壳体基体(11)的内部空间通过构造在所述内部空间中的一个或多个塑料隔壁(15)划分成相互隔开的格子(F)；所述碱金属电芯的电芯组件(30)、特别是所述(锂离子)电芯卷绕体设置在不同的格子(F)中。
15.如权利要求13或14所述的原电池，其特征在于，所述碱金属电芯的电芯组件(30)、特别是所述锂离子电芯卷绕体分别相互隔开地包装在塑料包装薄膜(36)中；所述碱金属电芯的包装在塑料包装薄膜(36)中的电芯组件(30)、特别是(锂离子)电芯卷绕体设置在所述壳体基体(11)中；特别是所述塑料包装薄膜(36)包括至少一种极性改性的、特别是接枝的聚烯烃、特别是马来酸接枝聚丙烯；特别是所述塑料包装薄膜(36)分别配备有至少一个蒸汽阻挡层(14)。
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