CN104247082B - 具有固定的电池元件的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池(24)，包括电池元件(30)和位于具有排气口的壳体(25)内的集电器(70)。该集电器(70)包括通过一个或多个柔性臂(73)联结在一起的外部构件(71)和内部构件(72)。该外部构件(71)联结到电池元件(30)且该内部构件(72)联结到排气口，从而当排气口从未打开位置移动到打开位置时，柔性臂(73)允许内部构件(72)相对于外部构件(71)轴向地移动。壳体(25)可包括将电池元件(30)保持在壳体(25)中的肩部(27)。电化学电池(24)还可以包括在电池元件(30)的端部的线圈板(60)。

Description

具有固定的电池元件的电化学电池
相关申请的交叉引用
本申请是2012年2月21日提交的申请号为61/601,512，名称为“具有固定的电池元件的电化学电池”的美国临时申请的非临时申请，该临时申请的全部内容出于所有目的均以引用的方式结合于此。
背景技术
本申请通常涉及电池和电池系统领域。更具体地，本申请涉及可被用于车辆应用中为车辆提供至少一部分动力的电池和电池系统。
与更为传统的使用内燃机的汽油动力的车辆相比，使用电力作为其全部或部分动力的车辆(例如电动车(electric vehicles，(EVs))，混合电动车辆(hybrid electricvehicles(HEVs)，插入式混合电动车辆 (plug-in hybrid electric vehicles(PHEVs))等，它们被统称为“电动车”)具有多种优点。例如，与使用内燃机的汽油动力的车辆相比，电动车辆可产生较少的不希望的排放物且显示出更佳的燃料效率(并且在一些情况下，通常在PHEVs的某些类型中，这些车辆可以完全不需要使用汽油)。
随着电动车辆技术不断发展，在对这些车辆提供改进的能源(例如电池系统或组件)方面有需求。例如，希望在不需要对电池进行充电的情况下，能够提升这些车辆的行驶距离。另外，还希望对这些电池的性能加以改善，并且降低与电池系统相关的费用。
一个持续改进的领域是电池化学领域。早期的电动车辆系统采用镍-金属-混合(NiMH)电池作为驱动源。随着时间的流逝，不同的添加剂和改进已经改善了NiMH电池的性能、可靠性和实用性。
最近以来，制造商们已开始研发可用于电动车辆中的锂离子电池。对于车辆应用而言，使用锂离子电池有许多优点。例如，锂离子电池具有比NiMH 电池更高的电荷密度和功率系数。换句话说，锂离子电池可以比NiMH电池更小但却储存相同的电荷，从而允许在电动车辆中节省重量和空间(从另一角度看，这种特性允许制造商向车辆提供更多的动力而不增加车辆重量或增加电池系统占用空间)。
众所周知，锂离子电池的运行与NiMH不同，并且在设计上和工程上存在的挑战与在NiMH电池技术中存在的挑战有所不同。例如，锂离子电池可能比NiMH电池更易于受到电池温度变化的影响，因此系统可能被用于在车辆操作过程中调整锂离子电池温度。锂离子电池的制造同样存在挑战，而这种挑战是这种电池化学所特有的，正在开发新的方法和系统来应对这些挑战。
希望提供一种用于电动车辆中的电池模块和/或系统，其应对用于这种车辆中的一个或多个与NiMH和/或锂离子电池系统相关的挑战。也希望提供一种电池模块和/或系统，其包括阅读本公开内容能够得出的任何一种或多种有利的特征。
发明内容
一种示例性实施方式与包括电池元件的电化学电池相关，至少一个电极和线圈板位于电池元件的端部。该线圈板联结到至少一个电极的边缘。该电化学电池还包括联结到线圈板的集流体。该集流体包括外部构件和内部构件，该内部构件通过多个柔性臂联结到外部构件，该柔性臂被配置成允许该内部构件相对于外部构件移动。该电化学电池还包括具有带排气口的底部的壳体。该集流体联结到该排气口。该电池元件、线圈板和集流体置于该壳体中，这样当排气口从未展开的位置移动到展开位置时，该电池元件基本上保持固定在壳体中。
另一种示例性实施方式与包括电池元件的电化学电池相关，该电池元件基本上固定在壳体中。该壳体包括排气口。该电池也包括联结到该电池元件的电极的边缘的线圈板以及联结到该线圈板的集流体。该集流体包括外部构件和内部构件，该内部构件通过多个柔性臂联结到外部构件，该柔性臂被配置成允许该内部构件在排气口展开过程中相对于外部构件移动。
另一种示例性实施方式与包括电池元件的电化学电池有关，该电池元件基本上固定在壳体中并包含至少一个电极。该电池也包括联结到至少一个电极的边缘的线圈板以及导电地联结到该线圈板和壳体的排气口的集流体。该集流体包括外部构件和内部构件，该内部构件弹性地联结到该外部构件从而允许内部构件在排气口展开过程中相对于外部构件移动。
附图说明
图1是具有根据一种示例性实施方式的电池模块的车辆的透视图。
图2是具有根据一种示例性实施方式的电池模块的车辆的剖视示意图。
图3是根据一种示例性实施方式的电化学电池的透视图。
图4是在图3中所示的电化学电池沿线4-4的剖视图。
图5是根据一种示例性实施方式的电化学电池的电极和分隔件的局部剖视图。
图6是图3中所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池局部分解视图。
图7是图3所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池的一部分的局部分解示图，其中示出了绝缘体、集流体和联结到电池元件端部的线圈板。
图8是图7所示的根据一种示例性实施方式的没有线圈板的电化学电池的一部分的局部分解图，其中示出了联结到电池元件的集流体。
图8A是图8的电化学电池的剖视图。
图9是图8所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池的一部分的局部透视图，其中示出了部分围绕在集流体和电池元件周围的绝缘体。
图10是图9所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池的一部分的局部透视图，示出了至少部分围绕绝缘体、集流体和电池元件的绝缘套。
图11是图3所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池的一部分的剖视图。
图11A是图11所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池底部的一部分的部分透视图。
图12是根据另一种示例性实施方式的电化学电池的一部分的剖视图。
图12A是图12所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池的底部的一部分的局部透视图。
图12B是图12所示的根据一种示例性实施方式的电化学电池中使用的绝缘体的透视图。
图13和14是根据一种示例性实施方式的联结到电池元件的一体式的线圈板和集流体的局部透视图。
具体实施方式
图1是形式为汽车(例如，轿车)的车辆10的透视图，其具有电池系统20，用于为车辆10提供全部或部分动力。这样的车辆10可以是一个 xEV，其中术语“xEV”在本文中定义为包括所有的下列使用电力作为它们全部或部分车用动力的包含现有的48V和96V系统的车辆，或它们的任何变型或组合。如本领域的技术人员可以理解的那样，混合动力电动车辆(hybrid electric vehicles,HEVs)将内燃机推进系统和电池供电的电动推进系统进行结合。术语HEV可包括混合型电动车辆的任何变型，如微混合和轻度混合动力系统，当车辆处于怠速状态时其会禁用内燃机并利用电池系统继续向空调机组、无线电或其他电子设备供电，以及当需要推进时启动发动机。轻度混合动力系统可以应用一定水平的辅助功率给内燃机，而微混合动力系统可能不提供辅助动力给内燃机。插入式电动车辆(plug-inelectric vehicle PEV)是可以从外部电源，诸如墙壁插座进行充电的任何车辆，并且储存在可再充电电池组内的能量驱动车轮会驱动器或有助于驱动车轮。 PEV是电动车辆的子类别，该电动车辆的子类别包括全电动或电池电动车辆 (BEVs)，插电式混合动力车辆(plug-in hybrid vehicles，PHEVs)和混合动力电动车辆转换的电动车辆和传统内燃机车辆。
尽管车辆10在图1示出为轿车，车辆的类型可以根据其它示例性实施方式而不同，所有这些都旨在落入本公开的范围内。例如，车辆10可以是卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、休闲车、船或者任何其它类型的车辆，其可从使用电力作为其全部或部分推进功率中受益。另外，电池系统20 在超出xEVs的应用中可能是有用的。例如，电池系统20可以适合于能量存储应用，其中所述电池系统20可储存替代能源的能量，该替代能量源例如是风力涡轮机或太阳能电池板。电池系统20的进一步应用可以包括额外的电池模块，固定动力设备，便携式电池模块，用于HVAC系统的电池模块，并作为不间断电源使用的应用等。
尽管在图1中示出的电池系统20位于车辆的行李箱或后部，但根据其它示例性实施方式，电池系统20的位置可以不同。例如，电池系统20的位置可以基于车辆内的可用空间选取，基于车辆的期望重量平衡选取，与电池系统20一同使用的其它组件的位置(例如，电池管理系统，排气口或冷却装置等)选取，以及各种其他的考虑。
图2示出了根据一种示例性实施方式的以HEV形式提供的车辆11的剖面示意图。电池系统21被设置在靠近燃料箱12朝向车辆的后方(电池系统 21可以被设置为紧邻燃料箱12，或者可以设置在车辆11的后部的单独隔室中(例如，行李箱)，或者可以设置在车辆11的其他处)。当车辆11利用汽油动力来推进车辆11时，提供内燃机14。电动机16，动力分配装置17 和发电机18也被提供作为车辆驱动系统的一部分。
这样的车辆11可以只通过电池系统21、只通过发电机14或由电池系统 21和发动机14两者来供电或驱动。应当注意的是，其他类型的车辆和车辆驱动系统的结构可以在其它示例性实施方式中使用，而图2中的示意图不应被视为对本申请中描述的主题范围产生限制。
根据各种示例性实施方式，电池系统21的尺寸、形状以及位置、车辆11的类型、车辆技术的类型(例如，EV、HEV、PHEV等)以及电池化学及其他特征可能不同于所示出或描述的。
根据示例性的实施方式，电池系统21包括多个电化学电池。电池系统 21还可以包括用于将电化学电池彼此连接和/或将电化学电池单元连接到车辆电气系统的其他组件，以及用于调整电池系统21的电化学单元和其他特征的特征或组件。例如，电池系统21可以包括负责监视和控制电池系统21 的电气性能、管理电池系统21的热力学行为、流出物(例如，可通过排气口从电化学电池排出的气体)的容纳和/或路径以及电池系统21的其他方面的特征。
现在参照图3-6，示出了根据一种示例性实施方式的电化学电池24的不同视图。电池系统(例如电池系统20，21)包括多个这样的电化学电池24 (例如，锂离子电池、镍金属氢化物电池、锂聚合物电池等，或目前已知或以后开发出的其他类型的电化学电池)。根据示例性的实施方式，该电化学电池24通常是被配置成存储电荷的圆柱形的锂离子电池。根据其他的示例性实施方式，电池24可以具有其它物理结构(例如，椭圆形，棱柱形，多边形等)。该电池24的容量、尺寸、设计、端子结构和其它特征也可以与根据其它示例性实施方式中所示的不同。
图4是诸如图3中所示的电池24沿4-4线的剖视图。根据示例性实施方式，电池24包括容器或壳体25，帽或盖42，底部27，以及电池元件 30。根据一种示例性实施方式，壳体25可以由导电材料制成，如金属(例如，铝或铝合金，铜或铜合金等)。根据一种示例性实施方式，电池元件30 是卷绕的电池元件。根据另一种示例性实施方式，电池元件30可以是棱柱形或椭圆形的电池元件。
如图4所示，根据一种示例性实施方式，盖42被电气地和导电地联结 (例如，焊接)到壳体25。正极端子26被电气地和导电地联结到所述盖 42。根据一种示例性实施方式，正极端子26位于盖42中提供的插座或凹槽内。根据一种示例性实施方式，凹槽和正极端子被配置为过盈配合 (interference fit)。根据另一示例性实施方式，正极端子是在正极端子被设置在凹槽内(正端子和凹槽之间具有或不具有过盈配合)后，经激光焊接到所述盖上的。
根据图4中所示的示例性实施方式，负极端子28位于盖42的开口或孔内，并通过绝缘构件45(例如，绝缘体)与盖42电绝缘。根据一种示例性实施方式，绝缘构件45可以是两件式的，但根据一种替代的实施方式，绝缘构件45可以是单个构件(即，一件式的)。
如图4所示，通过负极端子28的一侧的几何构型和在负极端子28的相对侧的构件和垫圈47将负极端子28固定在盖42的开口或孔内的适当位置。如图中4所示，根据一种示例性实施方式，负极端子28发生变形(例如，型锻)以形成凸起或变形，从而使负极端子28，绝缘体45和垫圈47固定在适当位置。
根据一种示例性实施方式，正极端子26包括铝(例如，铝合金)或其它适当的材料。根据一种示例性实施方式，负极端子28包括铜(例如，铜合金)或其他合适的材料。根据一种示例性实施方式，正极端子26和负极端子28两者均可以涂覆或镀上镍材料。根据一种示例性实施方式，绝缘体可以由任何合适的电绝缘材料制成。例如，绝缘体可以由聚醚酰亚胺(例如，如购自沙特阿拉伯利雅得的SABIC创新塑料(SABIC InnovativePlastics of Riyadh,Saudi Arabia))或其他合适的聚合物材料制成。垫圈47可以由合适的材料制成，如不锈钢。根据一种示例性实施方式，壳体25和/或盖42可以由铝(或铝合金)或其它适当的材料制成。
如图5所示，根据一种示例性实施方式，电池元件30包括至少一个阴极或者正电极36，至少一个阳极或负电极38，以及一个或多个分隔器32， 34。分隔器32，34被设置在正负电极36，38中间或在两者之间以将电极 36,38彼此电隔离。根据一种示例性实施方式，电池24包括电解质(未示出)。根据一种示例性实施方式，电解质通过填充孔设置在电池24的壳体 25内。在向电池24中填充完电解质后，用填充塞(例如，图3和图6中所示的填充塞41)插入填充孔内以密封电池24内的电解质。
电池24还包括负极集流体40和正极集流体70。负极集流体40和正极集流体70是用于将电池元件30的电极36，38(分别)联结到电池24的端子26，28的导电构件。例如，负极集流体40将负电极38联结到电池24的负极端子28，正极集流体70将正电极36(例如，经由线圈板60)联结到电池24的正极端子26(例如，经由壳体25和盖42)。根据图4中所示的示例性实施方式，负极集流体40在联结到负极端子28之前，至少被部分地折叠或者自身向后弯曲至少一次。根据一种示例性实施方式，集流体通过电焊操作(例如，激光焊接操作)被联结到电极上。
根据一种示例性实施方式，电池元件30具有卷绕结构，其中电极36， 38和分隔器32，34卷绕在以管或芯轴31的形式提供的构件或元件上。这样的结构可以替换为被称为果冻卷的结构。虽然芯轴31示出为具有大致圆柱形的形状，根据其它示例性实施方式，芯轴31可以具有不同的结构(例如，它可具有椭圆形或矩形的横截面形状等)。应该注意的是电池元件30，虽然示出为具有大致圆柱形的形状，也可以具有不同的结构(例如，它可以是椭圆形，棱柱形，矩形，或其它期望的截面形状)。此外，应当理解的是，电池元件30的某些结构，特别是某些棱柱形结构，可能不具有芯轴 31。
根据另一种示例性实施方式，电化学电池24可以是具有棱柱形或层叠电池元件(未示出)的棱柱形电池。在这种实施方式中，正、负电极36，38 被提供为板，以彼此交替的方式堆叠，分隔器32，34位于正、负电极36， 38中间或在两者之间，以将电极36，38彼此之间电隔离。
根据一种示例性实施方式，如图5中的部分横截面视图中所示，正电极 36在轴向方向上从负电极38偏置。因此，在电池元件30的第一端部，卷绕正极36会比负电极38延伸更远，并且在电池元件30的第二(相对)端，负电极38会比正电极36延伸更远。
这种结构的一个有利的特点是，集流体可以连接到在电池24一端的特定的电极，而不会与相反极性的电极接触。例如，根据一种示例性实施方式，负极集流体40(例如，如图4中所示)可以连接到在电池元件30的一端暴露的负电极38，正极集流体70可连接到在电池元件30的相对端暴露的正电极36(例如，通过线圈板60)。
根据一种示例性实施方式，负极集流体40将负极38电连接到电池24 的负极端子28。如图4中所示，负极端子28通过绝缘体45与壳体25的盖 42绝缘。根据一种示例性实施方式，正极集流体70将正电极36电连接到壳体25的底部27(例如，通过线圈板60)。壳体25电连接到盖42(例如如图4中所示)，而盖42继而电连接到正极端子26。
根据一种示例性实施方式，如图4和6所示，电池24包括示出为绝缘体或间隔件44的构件，其被配置为将负极集流体40和暴露的负电极38与盖42和正极端子26绝缘。此外，间隔件44被配置成帮助将电池元件30固定或保持在壳体25内的适当位置，从而电池元件30不在壳体25内移动。电池24还包括示出为绝缘体80的构件，其在电池壳体25的底部27，以帮助正极集流体70、线圈板60和电池元件30的底部与壳体25的底部绝缘。
根据一种示例性实施方式，在电池元件30的周围设置电绝缘性套或膜 46(例如，如图4和图6所示)，以至少部分地将电池元件30与壳体25绝缘。根据一种示例性实施方式，膜46是聚酰亚胺材料，例如杜邦公司(E. I.du Pont de Nemours and Company)以商品名销售的聚酰亚胺材料，但该膜46也可以由其它材料制成，如聚丙烯或聚苯硫醚(PPS)。
根据一种示例性实施方式，芯轴31是以细长中空管形式提供的，并且被配置成允许来自电化学电池内部的气体从电化学电池的一端(例如顶部) 流到电化学电池的另一端(例如底部)。根据一种示例性实施方式，芯轴31 可以是实心管。
在图4示出的芯轴31，例如是处于电池元件30的中心内。根据一种示例性实施方式，芯轴31没有一直延伸到电池元件30的顶部与底部。根据另一种示例性实施方式，芯轴31可以一直延伸到电池元件30的顶部和/或底部。
根据其他示例性实施方式，可以使用电池元件30的其它结构(例如，不包括芯轴31，具有不同的电极36，38，不同的分隔器32，34，不同的端子26，28等的结构)。另外，虽然根据一种实施方式的在图中4和6中所示的电池24具有邻近电池24顶部的暴露的负电极38以及邻近电池24的底部的暴露的正电极36，但根据其他示例性实施方式，该电池元件30的定向 (并且从而集流体的位置)可以是相反的。此外，根据其它示例性实施方式，电池24的端子26，28可以被设置在电池24的相对端(例如，负极端子28可以设置在电池24的顶部，正极端子26可以设置在单元24的底部。
现在参照图7，其中示出了根据一种实施方式的电化学电池24的一部分。如图7所示，根据一种示例性实施方式，示出为线圈板60的构件被联结(例如焊接)到电池元件30的端部。线圈板60可以由相对薄的导电材料片(例如，金属片)形成，例如通过例如冲压操作(例如，多级顺序冲模)、激光切割操作、线切割操作等，或可以通过挤压工艺来形成。根据一种示例性实施方式，线圈板60可以由具有介于约0.5和2毫米之间的厚度的材料制成，但根据其他示例性实施方式也可具有更大或更小的厚度。根据各种示例性实施方式，线圈板60可以由多种的导电材料中的某些，如铝或铝合金(例如，用于正极线圈板)，铜或铜合金(例如用于负线极圈盘)，镀镍铜或它们的合金等。
如在图7中所示，根据一种示例性实施方式，线圈板60包括大致圆形的主体61，主体61具有多个靠近其外边缘的凸起部分62。根据一种示例性实施方式，该凸起部分62被构造成有助于允许电池内的气体从电池排出 (例如，在排气口展开过程中)。如图所示，每个凸起部分62包括孔或洞 63(例如，用于为电池内的气体提供进一步的空间，以允许从它们穿过而排出电池)。
根据一种示例性实施方式，主体61的中心或中间部分(即，主体的不凸起的部分)被配置成联结(例如，焊接)到电池元件30的端部(例如，到电池元件30的一个电极的边缘)。例如，线圈板60可沿焊接线67被激光焊接到电池元件。凸起部分62被配置成联结(例如，焊接)到集流体70 (例如，如图8中所示)。
根据一种示例性实施方式，线圈板60的主体61还包括用于在线圈板的制造和装配中提供帮助的特征。例如，所示的线圈板60包括一对凸耳64 (例如，凸出部、突出部、扩展部)，它们大致位于线圈板60的主体61的侧面上的平坦部(flats)或切割部65的中心处。这些特征(例如，翼片和 /或平坦部)帮助在制造(例如形成通孔和/或凸起部分)和/或组装(在焊接线圈板和集流体过程中，正确地将线圈板与集流体放置在一起)过程中抓住和/或定位线圈板60。此外，根据一种示例性实施方式，主体61包括中心孔66。该中心孔允许集流体70被焊接到壳体25的端部而不被同时焊接到线圈板60(由于焊接集流体到壳体是从壳体外部盲目地进行的)。
使用线圈板60的一个优点是，线圈板60提供大的表面用于焊接到电池元件30的端部，同时仍允许电池元件30内的气体逸出。此外，线圈板60 提供大的表面用于焊接到集流体(例如，集流体70)。线圈板60的另一个优点是，线圈板60为电池元件30的卷绕电极提供支持，以防止在操作和/ 或组装电池元件30时，卷绕电极延伸或缩短(telescoping)。此外，线圈板60提供了通道以将力从电池元件30转移到电池壳体25的内棱角或肩部 (例如，电池元件30的重量由电池壳体25的内角和肩部承载)。线圈板60 的另一个优点是，线圈板60提高了电池元件30与电池壳体25的底部27之间的热传导性(例如，提高了电池24的热管理效率)。
如图9中所示，线圈板60示出为具有特定的几何形状(例如，具有特定的尺寸、厚度、形状、切口等)。但是应当注意的是，本领域的普通技术人员将容易地认识到其他可能的几何形状是可用的，并且它们包括在本申请的范围内。
现在参照图8和图8A，根据另一种示例性实施方式，以集流体70的形式提供的构件或元件被示出为没有线圈板60，因此它替换为与电池元件联结 (例如焊接)。集流体70可以由相对薄的导电材料片(例如，金属片)形成，通过例如冲压操作(例如，多级连续冲模)、激光切割操作、线切割操作等，或可以通过挤压工艺来形成。根据一种示例性实施方式，集流体70 可以由具有介于约0.5和2毫米之间的厚度的材料制成，但根据其他示例性实施方式，其也可具有更大或更小的厚度。根据各种示例性实施方式，集流体70可以由多种导电材料中的某些，如铝或铝合金(例如用于正极集流体)、铜或铜合金(例如用于负极集流体)、镀镍铜或它们的合金等。
如图8和8A中所示，集流体70包括第一或外部构件71(例如，外部构件或外环、部分、圆形物、体等)，其通过多个构件或连接件73(如臂、肢、腿、扩展、突起等)连接到第二或内部构件72(例如，内部或中心环、部分、圆形物、体等)。如图8所示，外部件71通过4个连接件73连接到内部构件72。然而，根据其他示例性实施方式，外部构件71可以由具有相同或不同构造的更多或更少数量的连接件连接到内部构件72。
根据图8中所示的示例性实施方式，外部构件71以环或类似环的结构的形式提供。在所示的实施例中，外部构件71的周边基本上与电池元件30 的周边匹配/对齐。另外，尽管内部构件72可以采取其它形状，如圆形，但根据图8中所示的示例性实施方式，内部构件72具有大致正方形或矩形的形状。
根据图8中所示的示例性实施方式，该多个连接器73中的每个包括连接到外部构件71的第一部分74和连接到内部构件72的第二部分75。如图 8所示，每个连接件73的第一部分74以大致垂直方向从外部构件71延伸出来，而每个连接件73的第二部分75以大致垂直方向从内部构件72延伸出来。每个连接件73的中间部分76将所述第一和第二部分74，75联结或连接在一起。如图8所示，每个连接件73的中间部分76都具有大致平滑的，圆形的或弯曲的形状。根据一种示例性实施方式，由于连接件73具有弹性，内部构件72可相对于外部构件71移动。根据一种示例性实施方式，连接件73的大致平滑的，圆形的或弯曲的形状(例如，连接件73的中间部分 76)有助于集流体70的弹性。
根据一种示例性实施方式，集流体70的外部构件71例如，沿焊接线90 被联结(例如，激光焊接)到电池元件30(如图8中所示)。换句话说，集流体70的外部构件71可被直接焊接到电池元件30的端部(例如，到电池元件的一个电极的边缘)。根据一种示例性实施方式，集流体70的内部构件72被联结(例如，激光焊接)到电池壳体的端部或底部(如图8A和11 中所示，到壳体25的底部27的排气口94)。
根据一种示例性实施方式，外部构件71，连接件73和内部构件72的几何形状限定多个切口或狭槽92(例如，在图7中可见的孔，洞等)。这些切口或狭槽92在需要的时候(例如，当排气口94从壳体25的底部27展开时)允许集流体70基本上弯曲(例如，移动、弯曲、偏斜等)。如图8所示，集流体70有四个切口92。然而，根据其他示例性实施方式，集流体70 可具有更多或更少数量的切口。
具有可弯曲的集流体70允许壳体25内的电池30的长度增加(例如，以最大化电池的功率容量)，这是因为不再需要电池元件30在电池壳体25 内移动。柔性集流体70也允许电池元件30在排气口(如图11-13所示的排气口94)展开过程中保持基本上固定在单元壳体25内。柔性集流体70也有助于在操作和组装以及使用电池24的过程中，将排气口与冲击和振动隔离。另外，与传统的集流体相比，连接件73相对于集流体70的切口92的形状和几何形状，允许增加集流体70的弹性(例如在排气口94打开期间)。具有增加的弹性为排气口94提供了更强劲的(如，更加可重复的) 设计。换句话说，集流体70具有更大的弹性允许在电池排气过程中，排气口94更容易完全地从壳体25的底部27分离开。
仍然参照图8所示，集流体70包含在集流体的制造和装配中提供帮助的特征。例如，集流体70示出为包括一对凸耳78(例如，凸出物，突出物，扩展部)，它们大致位于集流体70的侧面上的平坦部(flats)或切割部79(例如，在图7中可见的)的中心处。这些特征(例如，凸耳和/或平坦部)帮助在制造(例如形成切口以形成臂和/或连接件)和/或组装(例如，将外部构件焊接到线圈板和/或电池元件)过程中保持和/或定位集流体 70。
如图8所示，集流体70示出为具有特定的几何形状(例如，具有特定的尺寸，厚度，形状，切口等)。但是应当注意的是，本领域的普通技术人员将容易地认识到其它可能的几何形状也是可用的，并且它们包括在本申请的范围内。
现在参照图9，示出了根据一种示例性实施方式的作为绝缘体80示出的构件，其在电池元件30的端部的一部分附近或之上，包括的集流体70的一部分。根据一种示例性实施方式，绝缘体80被配置为帮助电池元件30、线圈板60(如果存在的话)和集流体70与电池24的壳体25的内部进行电气隔离(例如图11中所示)。如图9和图11中所示，绝缘体80具有大致L 形的结构，并包括第一部分81和大致以直角从第一部分81延伸出来的第二部分82。第一部分81被配置为装配在电池元件30侧面的一部分上，第二部分82被配置为装配在集流体70的端部的一部分、线圈板60(如果存在的话)的端部的一部分以及电池元件30端部的一部分上。根据一种示例性实施方式，第二部分82限定了开口83。
根据一种示例性实施方式，绝缘体80可以由具有介于约0.01至1毫米之间的厚度的材料制成，但在其他示例性实施方式中，其也可具有更大或更小的厚度，例如厚度可以达到5毫米。根据一种示例性实施方式，尽管绝缘体80不必是柔性的，但绝缘体80是由柔软的电绝缘材料如聚合材料(如聚酰亚胺)制成。根据一种示例性实施方式，绝缘体80可以是聚醚酰亚胺 (例如，如)。根据其他示例性实施方式，绝缘体80由聚乙烯 (PE)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)或者任何其它合适的材料制成。
如图9所示，绝缘体80被示出为具有特定的几何形状(例如，具有特定的尺寸，厚度，形状，台阶等)。应当注意的是，本领域的普通技术人员将容易地认识到其它可能的几何形状是可用的，并且它们包括在本申请的范围内。
现在参照图10，示出了根据一种实施方式的作为保护或电绝缘性套46 的元件，其位于电池元件30的外表面的一部分的附近或之上，包括绝缘体 80的一部分。根据一种示例性实施方式，保护或电绝缘性套46被配置成帮助电池元件30(以及其它部件)与电池24的壳体25的内部(例如图11中所示)电绝缘。
根据一种示例性实施方式，保护或电绝缘性套46可由具有介于约0.01 至1毫米之间的厚度的材料制成，但根据其他示例性实施方式，其也可以具有更大或更小的厚度。根据一种示例性实施方式，保护或电绝缘性套46由柔性的电绝缘材料，如聚合材料(如聚酰亚胺)制成。根据一种示例性实施方式，保护或电绝缘性套是用购自杜邦公司的制成。根据其他示例性实施方式，保护或电绝缘性套46由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)或者任何其它合适的材料制成。
现在参照图11，示出了根据一种示例性实施方式的电池24的一部分的横截面。如图11所示，电池元件30的端部联结到线圈板60。线圈板60被联结到柔性集流体70的外部构件71。集流体70的内部构件72被联结到排气口94。排气口94被联结到壳体25的底部27。
根据一种示例性实施方式，排气口94被配置成一旦电池内部的压力达到预定值(例如，在电池温度上升期间)，允许气体和/或流出物离开电池 24。当排气口94展开(例如，启动、打开、分离等)时，电池内的气体和/ 或流出物流出电池，以降低电池内的压力(例如图11 中箭头所表示)。根据一种示例性实施方式，排气口94在高压发生期间充当电池的安全装置。
根据一种示例性实施方式，排气口94位于所述壳体25的底或底部。根据其他示例性实施方式，排气口94可以位于其他位置(例如，如在电池的顶盖或盖)。根据另一个示例性实施方式中，排气口94可以在盖或底部内，所述盖或底部是与壳体独立的组件，并且继而被联结(例如，通过焊接操作)到壳体上。
如图11所示，排气口94通过环形断裂凹槽96(例如，环，槽，压力点，断裂点，断裂环等)联结到壳体25的底部27。根据一种示例性实施方式，环形断裂凹槽96具有倒V形的底部，并被配置为当排气口94展开时，从壳体25的底部27断裂(即，分开)。根据其他示例性实施方式，环形断裂凹槽96的底部可以具有另一种形状(例如，圆形形状、弯曲形状、U形等)。
根据一种示例性实施方式，排气口94(例如，环形断裂凹槽)由在壳体 25外部的模具形成。例如，环形断裂凹槽96可通过冲压或模压壳体25的底部27而形成(例如，如图11A中所示)。模具公差仅受该工具的一侧影响，以允许更一致的环形断裂凹槽96，从而产生更一致和可重复的排气口 94的开口。断裂凹槽96的深度，形状和尺寸可以容易地通过改变模具简单地修改。另外，由于排气口94(和环形断裂凹槽96)位于所述壳体25的外侧，因此排气口94易于清洁和检查。
如前所述，排气口94被配置为一旦电池24内的压力达到预定值就展开。当排气口94展开时，环形断裂凹槽96断裂，将排气口94从壳体25的底部27分离。一旦排气口94展开，内部的气体和/或流出物能够流过排气口的断裂边缘94。
通过排气口94从壳体25的底部27完全分离，排气口94作为电流中断或电流断开装置起作用。这是因为，排气口94从壳体25的底部27的分离破坏了电流从电池元件30(通过线圈板60和集流体70)到壳体25的流动。这样，排气口94不仅作为过压安全装置起作用，也作为电流断开装置起作用。
根据图11中所示的示例性实施方式，电池元件30在排气口94展开期间不发生移动(即，电池元件基本上保持固定或静止)。根据这样的示例性实施方式，柔性集流体70发生弯曲以帮助排气94的展开。例如，集流体70 的连接件73被配置成发生弯曲以使排气口94打开。
根据一种示例性实施方式，集流体70的内部构件72被配置成在排气口 94展开时(例如，在集流体弯曲时)相对于集流体70的外部件71发生略微旋转。集流体的旋转(即使是轻微的旋转)帮助排气口从所述壳体的底部完全分离。换句话说，集流体的旋转有助于在排气口展开的过程中实现排气口的环形断裂凹槽的完全断裂。
现在参照图12，示出了根据另一示例性实施方式的电池24的一部分的横截面。尽管与图11中所示的示例性实施方式类似(图12中的元件具有与图11中所示的类似元件相同的参考编号)，该电池24包括具有第一部分97 和第二部分99的排气口94。如图12-12A所示，第一部分97通过倾斜部 98连接到第二部分99。这样，第一部分97与第二部分99位于不同的面内 (例如，第二部分98是排气口94的凸起的中心部分)。具有与第一部分97 处于不同平面内的第二部分99允许排气口94被联结到集流体70的内部构件72，而无需首先预成形(例如弯曲)集流体70(例如，如图11中所示)。取而代之的是，该排气口94的第一和第二部分97，99可以在壳体25 的底部27形成时形成(例如，如示于图12A)，然后集流体70(例如，内部构件72)可联结(例如，激光焊接)至壳体25的底部27(例如，排气口 94的第二部分99)。
根据一种示例性实施方式，如图12中所示，集流器70的内部件72被配置成当排气口94展开时相对于集流体70的外部件71略微旋转(例如，在集流体弯曲时)。集流体70的旋转(即使轻微的旋转)帮助排气口94从壳体25的底部27完全分离。换句话说，集流体70的旋转有助于在排气口 94的展开过程中实现排气口94的环形断裂凹槽96的完全断裂。
应当指出的是，虽然各组件通常示出为与所述电池元件的正极相关联，但根据其它示例性实施方式，这些组件也可以与负极相关联。此外，虽然各个不同的部件被配置为与圆柱形卷绕电池元件一起使用，但根据另一示例性实施方式，这些组件也可与一系列的平板(例如，棱柱形电池)或其它电池构造一起使用。
现在参考图13和14，示出了根据另一种实施方式的电池124的一部分。虽然与在图3-12中所示的示例性实施方式类似(图13和14中与图3- 12中的元件类似的元件的参考编号以100系列编排)，电池124包括一片线圈板160和集流体170。如图13和14中所示，线圈板160通过铰链或铰链部分169连接到集流体170(例如，与集流体70一体形成)。
这样，线圈板160和集流体170可以形成为单一的、一体的组件(例如，单一的整体)，该单一的、一体的组件然后联结到电池124的电池元件 130。例如，线圈板160和集流体170可以由金属冲压工艺或其它适合的金属成形工艺形成。根据一种示例性实施方式，铰链169是由将线圈板160的端部或侧部连接到集流体170的端部或侧部的弯曲的或变薄的部分形成。根据其他示例性实施方式，铰链169可以以其他方式适当地形成。
根据一种示例性实施方式，线圈板160和集流体170作为单一的、一体的组件允许以更有效的方式形成电池124。例如，线圈板160可联结(例如，焊接)到电池元件130的端部(例如，沿焊接线167)。集流体170可随后在线圈板160上被弯曲或折叠，使外部构件171的一部分搁置在或接触线圈板160的凸起部分162(例如，如图14中所示)。
根据一种示例性实施方式，集流体170不需要单独焊接到线圈板160。例如，电流可以从线圈板160流经，通过铰链169，并且到达集流体170。根据另一种示例性实施方式，集流体170可以被焊接(例如，激光焊接)到线圈板160。例如，如图14所示，集流器170可以沿任意的焊接线190联结到线圈板160。
根据一种示例性实施方式，线圈板160和集流体170可以由相对薄的导电材料(例如，金属片)片形成，通过例如冲压操作(例如，多级顺序冲模)、激光切割操作、线切割操作等，也可以通过挤压工艺来形成。根据一种示例性实施方式，线圈板160和集流体170可以由具有介于约0.5和2毫米之间的厚度的材料制成，但根据其他示例性实施方式也可具有更大或更小的厚度。根据各种示例性实施方式，线圈板160和集流体170可以由多种导电材料如铝或铝合金、铜或铜合金、镀镍铜或它们的合金等中的某些形成。
如图13和14所示，一片式线圈板160和集流体170被示出为具有特定的几何形状(例如，具有特定的尺寸、厚度、形状、切口等)。但是应当注意的是，本领域的普通技术人员将容易地认识到其它可能的几何形状是可用的，并且它们包括在本申请的范围内。
这里使用的术语“大致”、“约”、“基本上”以及类似术语意在表明具有宽泛含义，这些含义与本公开主题涉及领域的普通技术人员常用和接受的用法一致。本领域技术人员在看过本公开后应当理解，这些术语意在对一些描述的特征和要求保护的内容进行描述而不将这些范围限制到提供的精确的数值范围内。相应地，这些术语应被解释为表明与描述的和请求保护的内容进行的非实质性或无关紧要的修改或变化被视为是如所附的权利要求中记载那样在发明的范围之内。
应当指出的是，这里使用的用于描述各种实施方式的术语“示例性的”意在表明这些实施方式是对可能的实施方式的可能的例子、陈述和/或说明 (这样的术语并不意在暗示这些实施方式一定是非同寻常的或最好的例子)。
这里使用的术语“联结的”，“连接的”等的含义是指两个构件彼此之间直接或间接地连接。这种连接可以是固定的(例如永久的)或可移动的 (例如可移除的或可释放的)。这种连接可以用两个构件或两个构件和任何附加的中间构件相互间一体形成为单个整体来获得，或者通过这两个构件或两个构件和任何附加的中间构件相互连接而获得。
这里提及的元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅仅用于描述图中各元件的定向。但是应当注意的是，各种元件的定向在其它示例性实施方式中可能会不同，且这种变化意在由本公开内容所涵盖。
在各种示例性实施方式中示出的电化学电池的构造和布置仅是说明性的，注意到这一点是重要的。尽管本公开中只对几种实施方式进行了详细的描述，本领域技术人员在看过本公开内容后，将容易理解许多修改是可能的 (例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等的变化)，而这些修改不会实质性地脱离这里描述的主题的新的教导和优点。例如，示出为一体形成的元件可以由多个零件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，并且分立的元件的性质或数量或位置可以改变或变化。任何过程或方法步骤的顺序或次序可以改变，或者根据替代实施方式重新排列。也可以对各种示例性的实施方式的设计、操作条件和布置进行其他的替换、修改、变化和省略而不脱离本发明范围。

Claims (43)

1.一种电化学电池，包括：
电池元件,所述电池元件包括至少一个电极；
集流体，所述集流体包括外部构件和通过多个柔性臂联结到所述外部构件的内部构件，所述柔性臂被配置成允许所述内部构件相对于所述外部构件移动；
线圈板,所述线圈板联结到所述集流体，所述线圈板设置在所述电池元件的端部并联结到所述至少一个电极的边缘，所述线圈板具有第一面和第二面，所述第一面直接联结到所述电池元件并且所述第二面与所述第一面相反地设置，其中所述第二面直接联结到所述集流体以提供在所述电池元件和所述集流体之间的电通路；以及
壳体，所述壳体包括带有排气口的底部，其中所述集流体联结到所述排气口，其中所述电池元件、线圈板和集流体设置于所述壳体中，从而当所述排气口从未展开的位置移动到展开位置时，所述电池元件保持固定在所述壳体中。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述排气口是平坦的，且其中所述集流体的所述内部构件相对于所述外部构件是凸起的，从而所述内部构件联结到所述排气口。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述集流体是平坦的，且其中所述排气口包括联结到所述集流体的所述内部构件的凸起的中心部分。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，进一步包括被设置在所述线圈板和所述集流体的至少一部分之上的绝缘环。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述线圈板包括多个凸起部分，其被配置成在排气口展开过程中有助于允许气体从所述电池中逸出。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中所述线圈板的所述多个凸起部分中的每个都包括被配置成在排气口展开过程中进一步有助于允许气体从所述电池中逸出的孔。
7.根据权利要求5所述的电化学电池，其中所述集流体联结到所述线圈板的所述凸起部分。
8.根据权利要求7所述的电化学电池，其中所述集流体的所述外部构件联结到所述线圈板的所述凸起部分。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述集流体的所述内部构件联结到所述排气口。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体中的每个都包括位于其外边缘的至少一个凸耳，所述凸耳被配置成有助于所述电化学电池的制造。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体形成为单一的整体。
12.根据权利要求11所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体通过铰链构件联结在一起。
13.一种电化学电池，包括：
电池元件，所述电池元件包括至少一个电极；
集流体，所述集流体具有外部构件和内部构件，所述内部构件通过多个柔性臂联结到所述外部构件，所述柔性臂被配置成允许所述内部构件相对于所述外部构件移动；
线圈板，所述线圈板具有第一面和第二面，所述第一面直接联结到所述电池元件并且所述第二面与所述第一面相反地设置，其中所述第二面直接联结到所述集流体以提供在所述电池元件和所述集流体之间的电通路；以及壳体，所述壳体包括带有排气口的底部，所述集流体的所述内部构件联结到所述排气口，其中所述电池元件、线圈板和所述集流体设置于所述壳体中，从而当所述排气口从未展开的位置移动到展开位置时，所述电池元件保持固定在所述壳体中。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述排气口是平坦的，且其中所述集流体的所述内部构件相对于所述外部构件是凸起的，从而所述内部构件联结到所述排气口。
15.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述集流体是平坦的，且其中所述排气口包括联结到所述集流体的所述内部构件的凸起的中心部分。
16.根据权利要求13所述的电化学电池，进一步包括被设置在所述集流体和外壳之间且在所述集流体的至少一部分之上的绝缘环。
17.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述集流体包括从所述外部构件延伸的第一凸耳，以有助于所述电化学电池的制造，其中所述线圈板包括远离所述线圈板延伸的第二凸耳，以有助于所述电化学电池的制造，并且其中第一凸耳和第二凸耳与彼此对齐。
18.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述柔性臂配置成当所述排气口从未展开位置移动到展开位置时弯曲以允许所述内部构件相对于所述外部构件轴向运动。
19.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述壳体包括配置成将所述电池元件保持在所述壳体内的肩部。
20.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述内部构件未直接联结到线圈板。
21.根据权利要求13所述的电化学电池，包括在电池元件和线圈板之间的第一焊缝，以及在线圈板和集流体的外部构件之间的第二焊缝。
22.根据权利要求21所述的电化学电池，其中所述第一焊缝为直线型并且第二焊缝为弓形。
23.根据权利要求22所述的电化学电池，其中所述第一焊缝延伸通过线圈板的中间区域，从而当排气口移动至展开位置时线圈板阻碍电池元件的伸缩。
24.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述线圈板联结到所述电池元件的所述至少一个电极的边缘。
25.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述线圈板包括多个凸起部分，所述多个凸起部分配置成在排气口展开过程中有助于允许气体从所述电化学电池中逸出。
26.根据权利要求25所述的电化学电池，其中所述线圈板的所述多个凸起部分中的每个都包括孔。
27.根据权利要求25所述的电化学电池，其中所述集流体联结到所述凸起部分。
28.根据权利要求27所述的电化学电池，其中所述集流体的所述外部构件联结到所述凸起部分。
29.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体通过铰链构件联结在一起，和/或其中所述铰链构件设置在集流体的外部构件和线圈板的外部边缘之间。
30.一种电化学电池，包括：
壳体，所述壳体包括带有排气口的底部，
电池元件，所述电池元件设置于所述壳体中且具有至少一个电极；
集流体，所述集流体具有外部构件和内部构件，所述内部构件通过多个柔性臂联结到所述外部构件，所述柔性臂被配置成允许所述内部构件相对于所述外部构件移动，所述外部构件被联结到所述电池元件且所述内部构件被联结到所述排气口，从而当所述排气口从未展开位置移动到展开位置时，所述柔性臂弯曲以允许所述内部构件相对于所述外部构件轴向运动；以及
线圈板，所述线圈板具有第一面和第二面，所述第一面直接联结到所述电池元件并且所述第二面与所述第一面相反地设置，其中所述第二面直接联结到所述集流体以提供在所述电池元件和所述集流体之间的电通路。
31.根据权利要求30所述的电化学电池，其中所述排气口包括凸起的中心部分，且其中当所述排气口在其未展开位置时，所述集流体是平坦的。
32.根据权利要求30所述的电化学电池，其中所述排气口包括凸起的中心部分，且其中当所述排气口在其展开位置时，所述集流体的所述内部构件轴向远离所述外部构件。
33.根据权利要求30所述的电化学电池，其中所述壳体的所述底部包括被配置成将所述电池元件保持在所述壳体内的肩部。
34.根据权利要求30所述的电化学电池，其中所述外部构件通过包括至少一个电极的电池元件联结到电池元件；
所述电化学电池还包括设置在所述电池元件的端部并联结到所述至少一个电极的边缘的线圈板。
35.根据权利要求34所述的电化学电池，还包括被设置在所述线圈板和所述集流体的至少一部分之上的绝缘环。
36.根据权利要求34所述的电化学电池，其中所述线圈板包括多个凸起部分，所述多个凸起部分被配置成在排气口展开过程中有助于允许气体从所述电池中逸出。
37.根据权利要求36所述的电化学电池，其中所述线圈板的多个凸起部分中的每个都包括被配置成在排气口展开过程中进一步有助于允许气体从所述电池中逸出的孔。
38.根据权利要求36所述的电化学电池，其中所述集流体联结到所述线圈板的所述凸起部分。
39.根据权利要求38所述的电化学电池，其中所述集流体的所述外部构件联结到所述线圈板的所述凸起部分。
40.根据权利要求34所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体形成为单一的整体。
41.根据权利要求40所述的电化学电池，其中所述线圈板和所述集流体通过铰链构件联结在一起。
42.根据权利要求30所述的电化学电池，其中所述电池元件和所述集流体设置于所述壳体中，从而当所述排气口从未展开的位置移动到展开位置时，所述电池元件保持固定在所述壳体中。
43.根据权利要求30所述的电化学电池，进一步包括被设置在所述集流体的至少一部分之上的绝缘环。
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