CN104134776A - 带有过载保护的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池，该电池包括电池电芯(10)和具有用于容纳电池电芯(10)的内腔(21)的硬壳电池电芯壳体(20)。为了降低废品率并且提高安全性，电池电芯(10)具有至少一个电流导体，该电流导体设有用于中断短路电流的保险装置(11)，其中，在电池电芯(10)和硬壳电池电芯壳体(20)的包围内腔(21)的内壁之间设置有绝缘介质(30)，以使电池电芯(10)与硬壳电池电芯壳体(20)电绝缘；并且其中，该电池(1)包括用于熄灭电弧的灭弧介质(12)。本发明还涉及一种适用于这种电池(1)的电池电芯保险装置(11)以及一种适用于这种电池(1)的硬壳电池电芯壳体(20)。

Description

带有过载保护的电池
技术领域
本发明涉及一种带有过载保护的电池。
背景技术
为了允许用于运输以及在机动车辆中的应用针对锂离子电池电芯进行了各种不同的测试。另外也进行所谓的滥用测试，借助该滥用测试评价电芯在极端情况下的性能。
为了减少一些滥用测试所导致的结果，已知有多种在极端情况下中断流入电芯的电流的机械装置。
文献US2011/0183192A1描述了一种硬壳电池电芯壳体，该硬壳电池电芯壳体具有构造在其上的氧化层和构造在该氧化层上的有色密封层。
文献US3,166,656描述了一种具有灭弧介质芯的保险装置盒，该灭弧介质芯包含粘合剂，该粘合剂选自组：密胺树脂、硅树脂、硫酸钙及其混合物。
发明内容
本发明涉及一种电池，该电池包括电池电芯和具有用于容纳电池电芯的内腔的硬壳电池电芯壳体。在此，电池电芯具有至少一个电流导体，该电流导体设有用于中断短路电流的保险装置。在此，在电池电芯和硬壳电池电芯壳体的包围内腔的内壁之间设置有绝缘介质以使电池电芯与硬壳电池电芯壳体电绝缘。此外，该电池还包括(至少)一种用于熄灭电弧的灭弧介质。
本发明还涉及一种适用于这种电池的电池电芯保险装置以及一种适用于这种电池的硬壳电池电芯壳体。
通过根据本发明的电池、根据本发明的电池保险装置和根据本发明的硬壳电池电芯壳体有利地能够在极端情况下更好地保护电池电芯。同时，通过保险装置能够明显降低短路的风险。此外，通过绝缘介质和灭弧介质能够明显降低在壳体内部引起电弧的风险。这特别是能够由此实现，即，绝缘介质使电池电芯与硬壳电池电芯壳体的限定内腔的内壁电绝缘，并且以这种方式避免或甚至防止在一方面的电池电芯(例如阳极和/或阴极或者电芯线圈(果冻卷))和另一方面的壳体之间形成电弧。然而，如果在非常极端的情况下出现了电弧，那么可以由灭弧介质熄灭该电弧。总体上来说，由此不仅可以有利地明显改善允许投产电池中的废品率，而且也明显改善了电池在其它极端情况下的安全性。这种电池可以特别有利地用于大型电池系统中，在该电池系统中特别是为了达到例如400V的高电压值而相互连接多个电池电芯，因为这些电池电芯例如即使在高的电压差的情况下也能够抑制或甚至防止电弧的形成以及随之产生的温度升高，并由此能够提高安全性。
灭弧介质可以特别地包括三聚氰胺基材料和/或硅橡胶。两种材料类型在形成电弧时所产生的相对高的温度下具有高度稳定性并且具有良好的灭弧性能(英语：Arc Extinguishing Properties)，该灭弧性能通过使这两种材料例如熔化和/或膨胀从而能够促使所形成的电弧熄灭。
此外，三聚氰胺基材料还提供这样的优点，即，在高温下进行分解的过程中，该三聚氰胺基材料形成不可离子化的气体，该气体能够引起非常好的灭弧性能。
在一种实施方式中，灭弧介质包括三聚氰胺基材料。特别是灭弧介质可以包括三聚氰胺基聚合物。
而硅橡胶可以以有利的方式非常好地调节机械强度和刚性。
在另一种可替代或额外的实施方式中，灭弧介质包括硅橡胶。由此一方面能够有利地实现良好的灭弧并且另一方面能够实现良好的材料性能。
在一个特殊的构造方案中，灭弧介质具有内层和外层。在此，特别是灭弧介质的外层包裹住灭弧介质的内层。在此，灭弧介质的内层可以由三聚氰胺基材料、特别是三聚氰胺基聚合物构成。灭弧介质的外层在此可以例如由硅橡胶构成。由此能够有利地将三聚氰胺基材料的非常好的灭弧性能和硅橡胶的可非常好地调节的机械强度和刚性相结合。通过由硅橡胶构成外层并因此具有弹性，还可以有利地使由三聚氰胺基材料形成的可熄灭电弧的气体保持在电弧生成位置上，并且由此能够更好地发挥该气体熄灭电弧的效果。
在另一个特别的构造方案中，灭弧介质是密胺树脂-硅橡胶共聚物或密胺树脂-硅橡胶共混聚合物。由此能够将两种物质类型的优点有利地集于一种材料中。
原则上，电池可以具有一种灭弧介质，也可以具有多种灭弧介质。
在一种实施方式中，保险装置配置有用于熄灭电弧的灭弧介质。因此，在触发保险装置的情况下可以有利地防止经触发的保险装置的端部之间形成电弧。
在此，保险装置的灭弧介质例如可以如上面所述一样地构成。例如可以用灭弧介质将保险装置特别是完全地包裹住。例如灭弧介质的内层可以特别是直接地施加在保险装置上。
配置有保险装置的电流导体例如可以由铝构成，和/或电池电芯的阴极电流导体由铝构成。
保险装置例如可以由铝和/或配置有该保险装置的电流导体的材料构成。
通过内部绝缘类型形式的绝缘介质可以有利地降低或甚至防止在电池电芯、特别是阳极或电芯线圈之间形成电弧。
在另一种实施方式中，绝缘介质包括构造在硬壳电池电芯壳体的内壁上的由电绝缘材料构成的绝缘层。构造在硬壳电池电芯壳体的内壁上的绝缘层可以特别是例如通过阳极氧化制成的例如经阳极化处理的氧化层，或者是粉末涂层。
例如可以通过由铝构成的硬壳电池电芯壳体、特别是其壳基体的阳极氧化或阳极化处理(即氧化)制成绝缘层。例如可以在水性电解质中进行硬壳电池电芯壳体的阳极氧化或阳极化处理。根据反应条件、所采用的电解质或添加剂，在此所形成的氧化层、例如氧化铝层是多孔性的(英语：Porous Oxides)或者非多孔性的、即紧密的(英语：Barrier Oxides)。氧化层、例如氧化铝层的硬度在此可以通过反应条件进行控制。
但是同样可以使硬壳电池电芯壳体、特别是硬壳电池电芯壳体的壳基体的内壁或内侧设有粉末涂层。在采用粉末涂层的情况下可以对硬壳电池电芯壳体、特别是硬壳电池电芯壳体的壳基体尤其以静电充电，并且例如以环氧树脂和/或聚酯树脂进行涂层。
构造在硬壳电池电芯壳体的内壁上的绝缘层可以特别地具有在≥1μm至≤100μm范围中的层厚度。
同样可以设置两个或多个绝缘层。例如可以额外地对通过硬壳电池电芯壳体表面的阳极氧化或阳极化处理而构造的氧化层、例如氧化铝层进行粉末涂层。以这种方式可以有利地用粉末涂层特别是完全地封闭氧化层的细孔和/或受损位置，并因此通过绝缘介质改善了电绝缘性。
在另一种实施方式中，绝缘介质额外地包括由电绝缘材料构成的另一绝缘层，该另一绝缘层施加在构造在硬壳电池电芯壳体的内壁上的绝缘层上。在此，构造在硬壳电池电芯壳体的内壁上的绝缘层可以是特别地通过阳极氧化制造的、例如经阳极化处理的氧化层。在此，另一绝缘层可以是粉末涂层。
另一绝缘层也可以特别地具有在≥1μm至≤100μm范围中的层厚度。
在另一种可替代或额外的实施方式中，绝缘介质包括可安置在硬壳电池电芯壳体的内腔中的由电绝缘材料构成的嵌入物(英语：Inlay)。该嵌入物例如可以由塑料构成。
可替代地或除了配置有灭弧介质的保险装置以外，在另一种实施方式中，绝缘介质配置有用于熄灭电弧的灭弧介质。因此，如果即使绝缘介质具有电绝缘性能但是在电池电芯和硬壳电池电芯壳体之间还是可形成电弧，那么也可以通过绝缘介质的灭弧介质有利地避免或防止形成电弧。
在此，绝缘介质的灭弧介质同样可以如上面所述一样地构造。绝缘介质的灭弧介质在此例如可以施加在绝缘层或嵌入物上。例如，绝缘介质的灭弧介质的内层对此可以特别是直接地施加在绝缘层或嵌入物上。
在另一种实施方式中，硬壳电池电芯壳体具有导电的膜片和导电的接触元件。膜片在此能够和硬壳电池电芯壳体的极点、特别是正极导电地连接或可连接，并且接触元件能够和硬壳电池电芯壳体的另一极点、特别是负极导电地连接或可连接。
在初始状态下，膜片在此可以相对于接触元件特别是间隔地设置。例如膜片在初始状态下朝向硬壳电池电芯壳体的内腔方向拱起。在触发状态下，膜片可以特别地和接触元件接触。例如膜片在此可以向外拱起。在膜片拱起的构造方案中可以例如通过使硬壳电池电芯壳体的内腔中的压力提升使得从初始状态过渡到触发状态。
电池电芯的电流导体能够特别地和硬壳电池电芯壳体的极点导电地连接或可连接。此外，电池电芯的电流导体还能够特别地和膜片导电地连接或可连接。电池电芯的另一电流导体能够特别地和硬壳电池电芯壳体的另一极点导电地连接或可连接。电池电芯的另一电流导体还可以特别地和接触元件导电地连接或可连接。
电池电芯的设有保险装置的电流导体能够特别地通过保险装置和硬壳电池电芯壳体的极点导电地连接或可连接。
在一个特殊的构造方案中，设有保险装置的电流导体是电池电芯的阴极电流导体。在此，阴极电流导体能够特别地通过保险装置和硬壳电池电芯壳体的正极导电地连接或可连接。特别是，阴极电流导体在此也能够和膜片导电地连接或可连接。另一电流导体在此可以特别是电池电芯的阳极电流导体。阳极电流导体在此能够特别地和硬壳电池电芯壳体的负极导电地连接或可连接。特别是，阳极电流导体在此也能够和接触元件导电地连接或可连接。
电池电芯可以特别是卷绕电芯和/或锂离子电芯。
在另一种实施方式中，电池电芯是锂离子卷绕电芯。
硬壳电池电芯壳体(英语：Cell Can)例如除了电触点(如极点)以及电绝缘体以外可以基本上由铝构成。特别是硬壳电池电芯壳体可以具有由铝构成的形成内腔的壳基体。此外，硬壳电池电芯壳体可以例如具有由铝构成的特别是封闭内腔的盖板。
关于根据本发明的电池的其它的技术性特征和优点，对此明确参阅与根据本发明的电池电芯保险装置和根据本发明的硬壳电池电芯壳体有关的说明以及参阅附图和附图说明。
本发明还涉及一种电池电芯保险装置，该电池电芯保险装置包括由三聚氰胺基材料、特别是三聚氰胺基聚合物构成的三聚氰胺基层和由硅橡胶构成的硅橡胶层，其中三聚氰胺基层特别是直接施加在保险装置上，并且其中硅橡胶层包裹住三聚氰胺基层。保险装置在此可以例如由铝构成。
关于根据本发明的电池电芯保险装置的其它的技术性特征和优点，对此明确参阅与根据本发明的电池和根据本发明的硬壳电池电芯壳体有关的说明以及参阅附图和附图说明。
本发明还涉及一种具有用于容纳电池电芯的内腔和包围内腔的内壁的硬壳电池电芯壳体，其中在硬壳电池电芯壳体的内壁上构造有氧化层，其中在氧化层上施加有由电绝缘材料和/或灭弧材料构成的涂层，特别是粉末涂层。
对此可以特别地通过阳极氧化制成氧化层。例如氧化层可以是通过阳极氧化处理法制成的、即经阳极氧化的氧化层。
涂层、特别是粉末涂层可以作为灭弧材料例如包括三聚氰胺基材料、特别是三聚氰胺基聚合物和/或硅橡胶。
例如涂层、特别是粉末涂层可以包括内层/底层和外层/上层，其中内层由三聚氰胺基材料构成并且外层由硅橡胶构成。
然而，替代性地或除此之外，涂层、特别是粉末涂层也可以包括密胺树脂-硅橡胶共聚物或密胺树脂-硅橡胶共混聚合物。
关于根据本发明的硬壳电池电芯壳体的其它的技术性特征和优点，对此明确参阅与根据本发明的电池和根据本发明的电池电芯保险装置有关的说明以及参阅附图和附图说明。
附图说明
根据本发明的主体的其它优点和有利的实施例通过附图进行说明并在下面的描述中详细说明。在此需要注意，这些附图仅具有描述性，本发明并不限制于任何一种形式。在此示出了：
图1是根据本发明的电池在初始状态中的实施方式的剖面图；
图2是图1所示电池处于触发状态下的示意图；
图3a是根据本发明的电池电芯保险装置的实施方式的示意性侧视图；
图3b是图3a所示的电池电芯保险装置的示意性立体图；
图3c是图3a和3b所示的电池电芯保险装置的尤其示意性的剖面图；
图4是三聚氰胺基聚合物的化学结构式；以及
图5是硅橡胶的化学结构式。
具体实施方式
图1示出了电池1，该电池包括具有用于容纳电池电芯10的内腔21的硬壳电池电芯壳体20和布置在内腔21中的电池电芯10。电池电芯10例如可以是锂离子卷绕电池，所谓的“果冻卷(Jelly-Roll)”。
图1明显表示出电池电芯10具有两个电流导体，其中一个电流导体设有用于中断短路电流的保险装置11。该电流导体通过保险装置11和硬壳电池电芯壳体20的极点24导电地连接。同时，另一个电流导体和硬壳电池电芯壳体20的另一极点25导电地连接，该极点通过绝缘元件26相对于硬壳电池电芯壳体20的构造成内腔21的、例如由铝构成的金属壳基体电绝缘。
设有保险装置11的电流导体可以特别地和电池电芯10的阴极电流导体以及和硬壳电池电芯壳体20的正极24导电地连接。相应地，另一个电流导体可以和电池电芯10的阳极电流导体以及和硬壳电池电芯壳体20的负极25导电地连接。
图1示出硬壳电池电芯壳体20还具有导电的膜片22，该膜片在所示的初始状态下，即完好的状态下向内、即朝向硬壳电池电芯壳体20的内腔21的方向拱起并且相对于导电的接触元件23间隔地布置。
膜片22通过硬壳电池电芯壳体20，特别是通过其壳基体与硬壳电池电芯壳体20的正极24以及与电池电芯10的设置有保险装置11的电流导体(阴极电流导体)导电地连接。同时，接触元件23与硬壳电池电芯壳体20的负极25以及与电池电芯10的另一电流导体(阳极电流导体)导电地连接。对此，通过绝缘元件26使接触元件23与硬壳电池电芯壳体20的壳基体并且由此与膜片23和硬壳电池电芯壳体20的正极24以及与保险装置11和电池电芯10的阴极电流导体电绝缘。
图1示出在电池电芯10和硬壳电池电芯壳体20、特别是其壳基体的包围内腔21的内壁之间还设置有用于使电池电芯10与硬壳电池电芯壳体20电绝缘的绝缘介质30，该绝缘介质包括由电绝缘材料构成的绝缘层，该绝缘层构造在硬壳电池电芯壳体20的内壁上。在此可以特别是一种由两个绝缘层构成的涂层系统(未示出)，该涂层系统除了包括构造在硬壳电池电芯壳体20的内壁上的绝缘层以外，还包括由电绝缘材料构成的另一绝缘层，该另一绝缘层施加在构造在硬壳电池电芯壳体20的内壁上的绝缘层上。在此，构造在硬壳电池电芯壳体20的内壁上的绝缘层可以特别是氧化层，而另一绝缘层可以是粉末涂层。
图1还清楚地示出保险装置11配有、例如包有用于熄灭电弧的灭弧介质12。在此，灭弧介质12可以特别地包括三聚氰胺基聚合物和/或硅橡胶。除了保险装置11以外，绝缘介质30也可以配有用于熄灭电弧的灭弧介质(未示出)。
图2示出了图1所示在初始状态下的电池处于触发状态下的示意图。
图2清楚地示出在触发状态下膜片22向外拱起并且和接触元件23接触。可以特别地通过提高电芯10中的压力并随之提高硬壳电池电芯壳体20的内腔中的压力使得膜片22从初始状态隆起或者向外挤压到触发状态。由膜片22和接触元件23所构造的这种装置也可以称为过充电保护装置OSD(英语：Overcharge Safety Device)或断流装置CID(英语：Current Interruptive Device)。
通过使膜片22在触发状态下接触接触元件23从而膜片22和负极25导电地连接。在此，接触元件23优选具有比电池电芯10及其化学活性部件(果冻卷)更小的电阻。图2中的箭头清楚地示出由此能够使得施加在极点24、25上的电流，例如充电电流不再流经电芯10，而是流经硬壳电池电芯壳体20，特别是流经其壳基体。
图2中的另一种箭头清楚地示出，然而同时在电芯10上形成短路，短路电流在未经保险装置11的情况下从电芯10流出，通过硬壳电池电芯壳体20、特别是通过其壳基体流经膜片22并且可能损害该膜片，但是这是可以通过触发保险装置11而有利地得到避免。除了电芯10的过载以外，也可以通过外部短路、即通过正极24和负极25之间的具有非常小电阻的导电连接触发电芯保险装置11。
图3a和3b示出了根据本发明的电池电芯保险装置11的一种实施方式，该电池电芯保险装置设有灭弧介质12并且也可以称为ARSD(英语：Arc Remocal Safety Device，灭弧保险装置)。通过这种设有灭弧介质12的保险装置11至少在触发保险装置11的情况下能够有利地避免在经触发的电芯保险装置11的端部上形成电弧。这种保险装置11、12能够例如安装在电池电芯10的阴极集电器上并且和灭弧介质12重熔。在触发保险装置11时可以熔化灭弧介质12，使其膨胀和/或变成气体并从而熄灭产生的电弧并且由此也防止或至少避免了温度的提高。
图3c清楚地示出灭弧介质12同时具有内层12a和外层12b，其中灭弧介质12的外层12b包裹住灭弧介质12的内层12a。对此，灭弧介质12的内层12a可以特别地由三聚氰胺基材料构成并且外层12b可以由硅橡胶构成。图3c示出灭弧介质12的内层12a在此直接施加在保险装置11上。
图4示出了三聚氰胺基聚合物的化学结构式，该三聚氰胺基聚合物可通过三聚氰胺和甲醛聚合而制成并且作为能够熄灭电弧的介质特别地用于构成灭弧介质12。
图5示出了硅橡胶的化学结构式，该硅橡胶同样可以作为能够熄灭电弧的介质特别地用于构成灭弧介质12。

Claims (15)

1.电池(1)，所述电池包括
-电池电芯(10)和
-具有用于容纳所述电池电芯(10)的内腔(21)的硬壳电池电芯壳体(20)，
其中，所述电池电芯(10)具有至少一个电流导体，所述电流导体设有用于中断短路电流的保险装置(11)，
其中，在所述电池电芯(10)和所述硬壳电池电芯壳体(20)的包围内腔(21)的内壁之间设置有用于使电池电芯(10)与硬壳电池电芯壳体(20)电绝缘的绝缘介质(30)，并且
其中，所述电池(1)包括用于熄灭电弧的灭弧介质(12)。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述灭弧介质(12)包括三聚氰胺基材料。
3.根据权利要求1或2所述的电池，其中，所述灭弧介质(12)包括硅橡胶。
4.根据权利要求1至3之一所述的电池，其中，所述灭弧介质(12)具有内层(12a)和外层(12b)，其中，所述灭弧介质(12)的外层(12b)包裹住所述灭弧介质(12)的内层(12a)，其中，所述灭弧介质(12)的内层(12a)由三聚氰胺基材料构成并且所述外层(12b)由硅橡胶构成。
5.根据权利要求1至3之一所述的电池，其中，所述灭弧介质(12)是密胺树脂-硅橡胶共聚物或密胺树脂-硅橡胶共混聚合物。
6.根据权利要求1至5之一所述的电池，其中，所述保险装置(12)配置有用于熄灭电弧的灭弧介质(12)。
7.根据权利要求1至6之一所述的电池，其中，所述绝缘介质(30)包括构造在硬壳电池电芯壳体(20)的内壁上的由电绝缘材料构成的绝缘层，其中，构造在硬壳电池电芯壳体(20)的内壁上的绝缘层是氧化层或者粉末涂层。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述绝缘介质(30)额外地包括由电绝缘材料构成的另一绝缘层，所述另一绝缘层施加在构造在硬壳电池电芯壳体(20)的内壁上的绝缘层上，其中，构造在硬壳电池电芯壳体(20)的内壁上的绝缘层是氧化层并且所述另一绝缘层是粉末涂层。
9.根据权利要求1至8之一所述的电池，其中，所述绝缘介质(30)包括能够安置在硬壳电池电芯壳体(20)的内腔(21)中的由电绝缘材料构成的嵌入物。
10.根据权利要求1至9之一所述的电池，其中，所述绝缘介质(30)配置有用于熄灭电弧的灭弧介质，其中，灭弧介质施加在绝缘层或嵌入物上。
11.根据权利要求1至10之一所述的电池，其中，所述硬壳电池电芯壳体(20)具有导电的膜片(22)和导电的接触元件(23)，其中，所述膜片(22)和所述硬壳电池电芯壳体(20)的极点(24)导电地连接或能够连接，并且所述接触元件(23)和所述硬壳电池电芯壳体(20)的另一极点(25)导电地连接或能够连接，其中，在初始状态下，所述膜片(22)和接触元件(23)间隔地设置；并且在触发状态下，所述膜片(22)和接触元件(23)接触，其中，所述电池电芯(10)的设置有保险装置(11)的电流导体通过所述保险装置(11)和硬壳电池电芯壳体(20)的极点(24)导电地连接或能够连接，并且电池电芯(10)的另一电流导体和硬壳电池电芯壳体(20)的另一极点(25)导电地连接或能够连接。
12.根据权利要求1至11之一所述的电池，其中，设有保险装置(11)的电流导体是电池电芯(10)的阴极电流导体并且通过保险装置(11)和硬壳电池电芯壳体(20)的正极(24)导电地连接或能够连接。
13.根据权利要求1至12之一所述的电池，其中，所述电池电芯(10)是锂离子卷绕电芯。
14.电池电芯保险装置(11)，特别是用于根据权利要求1至13之一所述的电池，所述电池电芯保险装置包括由三聚氰胺基材料构成的三聚氰胺基层(12a)和由硅橡胶构成的硅橡胶层(12b)，其中，所述三聚氰胺基层(12a)施加在保险装置(11)上，并且其中，所述硅橡胶层(12b)包裹住三聚氰胺基层(12a)。
15.硬壳电池电芯壳体(20)，特别是用于根据权利要求1至13之一所述的电池，所述硬壳电池电芯壳体具有用于容纳电池电芯(10)的内腔(21)和包围所述内腔(21)的内壁，其中，在硬壳电池电芯壳体(20)的内壁上构造有氧化层，其中，在氧化层上施加有由电绝缘材料和/或灭弧材料构成的粉末涂层。
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