CN103380510A - 锂离子蓄电池和其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子蓄电池以及一种用于在壳体中设置锂离子蓄电池的线圈或堆叠的方法。本发明尤其涉及一种锂离子蓄电池，所述锂离子蓄电池具有壳体和设置在壳体中的线圈或堆叠，其中所述线圈或堆叠基本上由至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的非水电解质组成，其中阴极、阳极、分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的电解质分层地设置，该锂离子蓄电池的特征在于，蓄电池具有弹簧元件，所述弹簧元件的弹力在正常运行状态中将阴极、阳极、分离器以及电解质至少在蓄电池的部分区域中彼此挤压。

Description

锂离子蓄电池和其制造方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子蓄电池以及一种用于在壳体中设置锂离子蓄电池的线圈或堆叠的方法。本发明尤其涉及一种具有壳体和设置在壳体中的线圈或堆叠的锂离子蓄电池，其中所述线圈或堆叠基本上由至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的非水电解质组成，其中阴极、阳极、分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的电解质分层地设置，该锂离子蓄电池的特征在于，蓄电池具有弹簧元件，所述弹簧元件的弹力在正常运行状态中将阴极、阳极、分离器以及电解质至少在蓄电池的部分区域中彼此挤压。

背景技术

锂离子电池或蓄电池现今在多种产品中用作储能器。已知这样的储能器例如使用在便携式计算机系统或电信的领域中。当前还深入讨论其在汽车领域中作为机动车中的驱动电池的使用。特别在此，但也在其他应用领域中，锂离子蓄电池的安全性至关重要。由于也激起媒体兴趣的损坏情形——例如笔记本蓄电池的烧穿，锂离子蓄电池的“安全性”的主题对于该技术还在其他技术领域中的大量应用是关键的因素。锂离子电池单元的热击穿在实际使用中无论如何必须被避免。基于锂离子技术的当前和将来的储能器已经配备有一系列安全机制。除其他外，还提供在这些电池单元中超压的情况下实现超压向外排气的安全阀。这些阀例如可以被实现为破裂片或被实现为压力释放阀。在便携式计算机系统或电信的领域中，蓄电池仅仅由一个或少数几个连接的锂离子电池单元构成，而在其中需要更高的电流、电压和/或电荷的领域中明显更多的电池单元应该联结在一起。因此，例如对于汽车领域中的应用，高达数百个锂离子电池单元必须联结成一个电池，所述电池然后又一起构成对应地功率大的蓄电池。在此需要补充的安全措施，以便根据这样的使用来调节或改善安全方案。

发明内容

考虑到先前实现的，本发明的任务是说明一种锂离子蓄电池，其尤其具有在蓄电池热过载时改善的保护。此外，本发明的任务是说明一种用于制造这样的改善的蓄电池的方法。

所述任务在蓄电池方面通过具有壳体和设置在壳体中的线圈或堆叠的锂离子蓄电池解决，其中所述线圈或堆叠基本上由至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的非水电解质组成，其中阴极、阳极、分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的电解质分层地设置，其特征在于，蓄电池具有弹簧元件，所述弹簧元件的弹力在正常运行状态中将阴极、阳极、分离器以及电解质至少在蓄电池的部分区域中彼此挤压。

通过锂离子蓄电池的根据本发明的该构型，可以反作用于线圈或堆叠的脱层。弹簧元件在此负责线圈的各个部件（阴极、阳极、分离器和电解质）的均匀按压。弹簧元件同时能够实现线圈或堆叠的体积膨胀，该体积膨胀可能通过在蓄电池运行时普遍的变热或通过电化学反应而出现。弹簧元件的弹力对通过在冷却或充电状态改变之后的体积收缩引起的线圈或堆叠的脱层反作用。优选如此设计弹簧元件，使得在电池单元或蓄电池的正常运行期间，在任何时刻都有相同的挤压力作用于蓄电池的部件。由此可以避免蓄电池的过早老化。

在根据本发明的锂离子蓄电池的一种构型中，弹簧元件支撑在壳体的对面。由此可以紧凑地设计电池单元并且向弹簧元件提供足够的支撑以用于施加弹力。

在根据本发明的蓄电池的另一种优选的构型中，弹簧元件通过额定断裂部材料连接地支撑在壳体的对面。优选在超过定义的力和/或温度的时候，额定断裂部打开壳体和弹簧元件之间的材料连接，并且松开通过弹簧元件作用于线圈或堆叠的弹力。

由此可以在达到临界的运行状态的时候进行线圈或堆叠的有针对性的脱层，由此能够实现各个电池单元的关断。尤其当由于短路——例如由于电解质的热或化学分解——线圈或堆叠陷入气压时，只要超过弹簧元件和壳体之间的额定断裂部的材料连接的所定义的保持力，就可能发生线圈或堆叠的膨胀。由此，一方面实现处于临界的运行状态中的蓄电池电池单元的改善的冷却，另一方面必要时已经形成的气体可能泄露。已经表明，在锂离子蓄电池热烧穿的情况下形成的气体本身可能参与其他化学反应，所述其他化学反应可能有助于蓄电池电池单元内气体压力的进一步增加。对标准电解质的绝热的热量计检查已经表明，蓄电池电池单元热击穿时总压力上升的显著份额归因于所提到的电解质反应。因此，通过根据本发明实现的反应气体泄露来避免由于该反应气体的进一步反应引起的气体压力进一步上升。因此，可以降低或甚至阻止在达到临界运行状态时蓄电池电池单元的热击穿。由此明显提高蓄电池的安全性。

在根据本发明的蓄电池的另一个构型中，弹簧元件是壳体的集成的组成部分。为此，例如壳体部分截面可以被构造为弹簧状或波浪状，从而弹力通过整个壳体均匀地作用于线圈或堆叠。由此可以实现还更紧凑的结构型式。在本发明的另一个构型中，壳体整体上被构造为波浪状并且因此其整体可以用作弹簧元件，所述弹簧元件一方面具有足够用于挤压线圈或堆叠的各个部件的弹力，另一方面具有足够用于容纳堆叠或线圈的由电化学反应或加热引起的体积膨胀的弹性。

在本发明的另一构型中，蓄电池具有至少一个堆叠以及上弹簧元件和下弹簧元件，这些弹簧元件可分别通过材料连接的额定断裂部固定在壳体上，其中在超过定义的力和/或温度的情况下，壳体和弹簧元件之间在额定断裂部处的材料连接可松开。由此实现根据本发明的思想与被实现为堆叠的蓄电池电池单元的最佳匹配。

在本发明的另一构型中，堆叠具有多个可相互与弹簧元件连接的层，其中弹簧元件的弹力基本上与上弹簧元件和下弹簧元件的弹力反作用。在超过弹簧元件和壳体之间的额定断裂部的额定断裂力时，相互连接这些层的弹簧元件的弹力如此作用，使得这些层彼此分开。由此改善所述层之间的散热，这能够实现所述层到亚临界温度的更快速的冷却。

在所述方法方面，本发明的任务通过一种用于在壳体中设置锂离子电池的线圈或堆叠的方法解决，其中线圈或堆叠基本上由至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的非水电解质组成，其中阴极、阳极、分离器和至少一种设置在阴极和阳极之间的电解质分层地设置，该方法的其特征在于，借助弹簧元件在蓄电池的正常运行状态中将阴极、阳极、分离器以及电解质至少在所述线圈或堆叠的部分区域中彼此挤压。

在根据本发明的方法的一个优选的构型中，在此弹簧元件通过额定断裂部材料连接地支撑在壳体对面，其中如此构造额定断裂部，使得在超过定义的力和/或温度的时候，额定断裂部打开壳体和弹簧元件之间的材料连接并且松开通过弹簧元件作用于线圈或堆叠的弹力。

附图说明

以下根据实施例以及附图详细解释本发明。

图1示出根据本发明的锂离子蓄电池的示意图；

图2示出根据本发明的蓄电池的实施，其中多个线圈并排设置；

图3示出根据本发明的蓄电池的实施，其中多个线圈并排设置，其中所述多个线圈由共同的壳体包围；

图4示出根据本发明的蓄电池的不同实施方式；

图5示出根据本发明的堆叠状构建的在正常运行状态中的锂离子蓄电池；以及

图6示出根据图5的、在达到临界运行状态之后的锂离子蓄电池。

具体实施方式

图1示出根据本发明的锂离子蓄电池100的示意图，所述根据本发明的锂离子蓄电池具有壳体110和设置在壳体110中的线圈120a。线圈120a基本上由至少一个阴极130、至少一个阳极140、至少一个分离器150和至少一种设置在阴极130和阳极140之间的非水电解质160组成，它们围绕设置在线圈120a的中心的电池单元芯棒180缠绕，所述电池单元芯棒也可以被构造为导体180。在线圈120a和壳体110之间还设置滑动层170，所述滑动层负责壳体110的内壁和线圈120之间的摩擦最小化。滑动层170在此例如可以由塑料薄膜制成。阴极130、阳极140、分离器150和设置在阴极130和阳极140之间的电解质160分层地设置。蓄电池100具有弹簧元件200，所述弹簧元件的弹力在正常运行状态中将阴极130、阳极140、分离器150以及电解质160至少在蓄电池100的部分区域中彼此挤压。为此，弹簧元件200如此与壳体连接，使得壳体110通过金属支架的方式包围线圈120a，其中壳体110不仅被构造为包封外罩，而且被构造为蓄电池壳体或电池单元壳体，其中在后两种情形中，底部和盖必须对应地被构造为能伸缩的或有弹性的，以便确保蓄电池壳体或电池单元壳体的密封性。所述包围施加确定的压力到线圈120a上，所述压力支持线圈120a的各个层（130，140，150，160）的良好的垫板的功能。同样地，通过如此构成的能伸缩的有弹性的包封，线圈120a可以根据其电化学功能膨胀和收缩，正如其对应于放电或充电的电池单元的尺寸改变那样，而不出现无计划力和/或不合适大小的力，所述无计划的力和/或不合适的力使线圈120a局部遭受直视连接中增加的力和/或机械张力。弹簧元件200支撑在壳体对面。优选所述支撑通过弹簧元件200至壳体110的、材料连接地实现为额定断裂部300的连接实现。如此实现额定断裂部300，使得在超过定义的力和/或温度的时候，壳体110和弹簧元件200之间的材料连接被打开，由此松开通过弹簧元件200作用于线圈120a的弹力。对于弹簧元件200和壳体110之间的材料连接，例如温度焊剂或热的熔化接触部适合，其不仅在超过确定的温度的时候而且在超过确定的力的时候裂开并且因此可以松开材料连接。在蓄电池100的安全临界状态中，由于出现的高的温度或力，弹簧元件200与壳体110的接触松开。弹簧元件200松弛。弹簧元件200的松弛至少部分地导致线圈120a的分离，从而各个层（130，140，150，160）彼此松开。这一方面导致线圈120a的更快速的冷却并且因此导致电池单元到安全的最终状态的转变。反应气体或电解质蒸汽同样可以通过这种方式更简单地泄露，由此它们不可再供进一步反应使用。

图2示出根据本发明的锂离子蓄电池，其中多个线圈120a安装在共同的壳体500中。各个线圈120a在此在其结构上对应于图1中所示的线圈。线圈120a优选如此设置在共同的壳体500中，使得在这些线圈之间存在足够的间距600，各个线圈120a在超过临界的运行参量和额定断裂部300打开的情况下可以膨胀为所述间距。

图3示出根据本发明的锂离子蓄电池的构型，其中多个单个线圈120a由共同的壳体110包围。壳体110与共同的弹簧元件200连接，该共同的弹簧元件以先前描述的方式材料连接地与壳体110连接。在超过临界的运行参量和额定断裂部300打开的情况下，在共同的壳体110中组合的线圈120a膨胀并且将电池单元复合体转移到安全的最终状态。

图4示出根据本发明的蓄电池的不同构型。图4中左边的图像示出壳体110，所述壳体被构造为螺旋形并且因此整体上作为弹簧元件200起作用。弹簧元件200因此在所示的实施方式中是壳体110的集成的组成部分。图4中中间的图像同样示出根据本发明的蓄电池的一种实施方式，其中弹簧元件200是壳体110的集成的组成部分，所述壳体在此被构造为蓄电池壳体或电池单元壳体并且出于清楚的原因不具有盖。为此，弹簧元件被构造为壳体110中的波浪状凸起，通过所述弹簧元件，壳体110可以对应地膨胀或收缩。通过由波浪状凸起构成的多个弹簧元件200和由于所述设置而可能的弹力求和，各个元件的弹力可以保持得小。同时实现弹力在整个壳体半径上的均匀分布。借助图4的右边的图像示出根据本发明的蓄电池的另一实施方式，其中弹簧元件200通过被实施为焊接点的额定断裂部300与壳体连接。

图5示出根据本发明的、具有被组合成堆叠120b的电池单元部件的蓄电池的一种构型。在正常的运行状态中，上弹簧元件210和下弹簧元件220作用于堆叠120b。弹簧元件210、220通过额定断裂部300支撑在壳体110的对面。堆叠120b的各个层通过用作连接元件的另一个弹簧元件400彼此连接。弹簧元件400的弹力在此与弹簧元件210、220的弹力反作用。在正常运行中，弹簧元件210、220的弹力负责堆叠120b的这些层的均匀按压。

图6示出图5所示的、在达到临界运行状态之后的本发明锂离子蓄电池的实施方式，其中额定断裂部300已经松开了弹簧元件210、220和壳体110之间的材料连接。在这种运行状态中，弹簧元件400的弹力胜过弹簧元件210、210的弹力，从而堆叠120b的这些层彼此分开。由此能够实现堆叠120b的更快速的冷却和气体排出，由此蓄电池堆叠可以被转变到安全的状态。因此不再有进一步的热击穿的危险。

Claims (10)

1.锂离子蓄电池（100），具有壳体（110）和设置在所述壳体（110）中的线圈（120a）或堆叠（120b），其中所述线圈（120a）或堆叠（120b）基本上由至少一个阴极（130）、至少一个阳极（140）、至少一个分离器（150）和至少一种设置在所述阴极（130）和所述阳极（140）之间的非水电解质（160）组成，其中阴极（130）、阳极（140）、分离器（150）和至少一种设置在所述阴极（130）和所述阳极（140）之间的电解质分层地设置，其特征在于，所述蓄电池具有弹簧元件（200），所述弹簧元件的弹力在正常运行状态中将所述阴极（130）、所述阳极（140）、所述分离器（150）以及所述电解质（160）至少在所述蓄电池（100）的部分区域中彼此挤压。

2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池，其特征在于，所述弹簧元件（200）支撑在所述壳体（110）对面。

3.根据权利要求2所述的锂离子蓄电池，其特征在于，所述弹簧元件（200）通过额定断裂部（300）材料连接地支撑在所述壳体的对面。

4.根据权利要求3所述的锂离子蓄电池，其特征在于，在超过定义的力和/或温度的时候，所述额定断裂部（300）打开壳体（110）和弹簧元件（200）之间的材料连接，并且松开通过所述弹簧元件（200）作用于所述线圈（120a）或所述堆叠（120b）的所述弹力。

5.根据权利要求1或2之一所述的锂离子蓄电池，其特征在于，所述弹簧元件（200）是所述壳体（110）的集成的组成部分。

6.根据权利要求5所述的锂离子蓄电池，其特征在于，所述壳体（110）具有额定断裂部（300），在超过定义的力和/或温度的时候，所述额定断裂部（300）打开壳体（110），并且松开通过所述壳体（110）作用于所述线圈（120a）或所述堆叠（120b）的所述弹力。

7.根据以上权利要求中任一项所述的锂离子蓄电池，其中所述锂离子蓄电池具有至少一个堆叠（120b）以及上弹簧元件（210）和下弹簧元件（220），这些弹簧元件能分别通过材料连接的额定断裂部（300）固定在所述壳体（110）上，其中在超过定义的力和/或温度的情况下，壳体（110）和弹簧元件（210，220）之间在所述额定断裂部处的材料连接能松开。

8.根据权利要求7所述的锂离子蓄电池，其特征在于，所述堆叠（120b）具有多个能相互与弹簧元件（400）连接的层，其中所述弹簧元件（400）的弹力基本上与上弹簧元件和下弹簧元件（210,220）的弹力反作用。

9.用于在壳体（110）中设置锂离子蓄电池（100）的线圈（120a）或堆叠（120b）的方法，其中所述线圈（120a）或堆叠（120b）基本上由至少一个阴极（130）、至少一个阳极（140）、至少一个分离器（150）和至少一种设置在所述阴极（130）和所述阳极（140）之间的非水电解质（160）组成，其中阴极（130）、阳极（140）、分离器（150）和至少一种设置在所述阴极（130）和所述阳极（140）之间的电解质分层地设置，其特征在于，借助弹簧元件（200）在所述蓄电池的正常运行状态中将所述阴极（130）、所述阳极（140）、所述分离器（150）以及所述电解质（160）至少在所述线圈（120a）或堆叠（120b）的部分区域中彼此挤压。

10.根据权利要求9所述的锂离子蓄电池方法，其中所述弹簧元件（200）通过额定断裂部（300）材料连接地支撑在所述壳体对面，其中所述额定断裂部（300）被构造为，使得在超过定义的力和/或温度的时候，所述额定断裂部（300）打开壳体（110）和弹簧元件（200）之间的材料连接并且松开通过所述弹簧元件（200）作用于所述线圈（120a）或所述堆叠（120b）的所述弹力。

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