CN104681821B - 具有拉胀组件的电池组电池 - Google Patents
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Abstract
提供了具有拉胀组件的电池组电池。描述一种具有正电极（4）、负电极（6）以及隔离器的电池组电池（12），所述隔离器被布置在电极（4，6）之间，其中电池组电池（12）的至少一个组件包括拉胀材料（3）。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的电池组电池，尤其是具有包含元素锂的电极的电池组电池，其中电池组电池的至少一个组件包括拉胀（auxetisch）材料。
背景技术
电池组电池是电化学的储能器，所述储能器在其放电时将所存储的化学能通过电化学反应转换成电能。呈现出，在将来不仅在静止应用、如风力设施中、在被设计成混合动力或电动机动车的机动车中，而且在电子设备中使用新的电池系统，对所述电池系统在可靠性、安全性、效率和使用寿命方面提出非常高的要求。
由于其大的能量密度，尤其将锂离子电池、锂硫电池以及锂空气电池动用为用于电驱动的机动车的储能器。这样的电池组电池的例如由于其老化导致的膨胀当前通过钢带来避免，所述钢带使一个或多个电池组电池保持形状。
在DE60021177 T2中示出用于不同应用的拉胀材料，例如作为车辆中的减振器。
在DE 10323367 A1中公开一种器件，例如棒形的承载元件，所述器件的表面具有拉胀的晶格结构。
在US 4668557 A1中公开一种用于拉胀材料的制造过程，所述拉胀材料用作固定机构、密封机构、阻尼器和缓冲机构。
在DE 112005000562 T5中规定基于活性材料的密封装置，其中活性材料允许拉胀行为。
发明内容
根据本发明提供一种具有独立权利要求的特征性特征的带有由拉胀材料构成的至少一个组件的电池组电池。这尤其基于：拉胀材料的特征在于负泊松系数（横向收缩系数），这表示，所述材料在材料延伸时横向于拉力方向扩展。相反地，所述材料在压力负荷下横向于压力方向收缩和紧实。该效应基于所述材料的例如为晶格形的或蜂巢形的结构。
拉胀材料对不同运动和力作用的反应不同于不具有拉胀特性的材料的反应。
由于电池组电池的老化或者由于充电和放电过程，所述电池组电池的内部中的压力增大，这引起电池组电池的膨胀。然而，有利的是，电池组电池不鼓起，因为鼓起伴随着其效率的减小。因此，有利的是，电池组电池的组件包括拉胀材料，因为电池组电池的运动通过所述拉胀材料被防止或至少被减小。由此，抑制电池组电池的例如由于老化现象的变化，这种变化减少电池组电池的寿命。因此，通过在电池组电池中使用拉胀材料，不仅电池组电池的寿命、而且效率增大。在将拉胀材料用在电池组电池中的情况下的另外的优点通过由拉胀材料吸收撞击类的力得出。如果例如电池组电池处于车辆的电池系统中，那么如例如在例如通过事故造成的碰撞时或者在不平坦的车道上前进时出现的撞击类的力由拉胀材料拦截。由此，拉胀材料在力作用的位置处收缩并且紧实。此外，拉胀材料具有高的断裂强度。以该方式，明显减小电池组电池损坏的危险，这为车辆的乘客提供附加的安全性。
由从属权利要求中得出具有至少一个由拉胀材料构成的组件的所述电池组电池的其它有利的实施方式。
在第一实施方式中尤其有利的是，电池组电池的电极的至少一个多孔的集电器包括拉胀材料。将电池组电池的电极的集电器理解成承载材料，所述承载材料由活性电极材料覆层并且由所述承载材料量取电池组电池的电压。
在充电过程期间，电极的活性材料可以海绵状地膨胀，这引起电池组电池的功率损耗并且引起所述电池组电池中的压力增大。电极的包括拉胀材料的集电器至少部分地吸收活性电极材料的鼓胀从而减小电池组电池中的压力增大。以该方式，电池组电池中的内部压力在一个时间段上保持恒定，由此更多充电循环是可能的，这引起电池组电池的更长的使用寿命。
此外，如例如在撞击或碰撞中出现的局部压力峰值均匀分布到电极的集电器的整个表面上。这样的碰撞或撞击例如可以在车辆中在事故的情况下或者在在不平坦的车道上前进的情况下出现，在所述车辆中，该电池组电池被集成到电池系统中。作用于电极的集电器的力的吸收和分布延长电极的并且因此电池组电池的使用寿命并且进行保护以防损坏和其后果、诸如电池组电池的穿透。以所述方式也对车辆乘客进行保护。
此外，有利的是，电极的多孔的集电器包括的拉胀材料是金属泡沫，因为优选地，泡沫、尤其是开孔的泡沫由于其低的密度被用作用于制造拉胀材料的原始材料。由于其小的密度，留下更多空间，以便在制造拉胀材料时使孔的例如首先蜂巢形的壁部变形，这简化制造过程。
在一种优选的实施方式中，电极的包括金属泡沫的多孔的集电器通过层压金属薄膜覆层。通过层压施加覆层与其它方法相比是成本低的。此外，有利的是，金属泡沫通过层压的覆层受到保护。层压的覆层是理想的磨损保护并且此外相对于化学物质是稳定的，以及几乎是不可拉断的。因此，拉胀材料的使用寿命可以通过层压的覆层延长。
在另一种优选的实施方式中，电极的包括金属泡沫的多孔的集电器通过利用液态硫浸泡来覆层。金属泡沫的孔在此通过真空浸泡以熔融的硫填充。以所述方式，得到高质量的均匀的覆层。此外，制造该覆层是相对简单的。
当电池组电池的内部中的至少一个薄膜包括拉胀材料时，得到另一种有利的实施方式。具有拉胀特性的薄膜通过下述方式抵抗电池组电池的老化引起的或通过电池组电池中的充电和放电过程引起的鼓胀，即所述薄膜吸收并且因此减小相应位置处的压力增大。此外，出现的局部的压力峰值均匀分布到薄膜的整个表面上。以所述方式，电池组电池中的内部压力在一个时间段上保持恒定，由此更多充电循环是可能的，这引起电池组电池的更长的使用寿命。
此外，通过借助至少一个拉胀薄膜减小电池组电池的固有运动，与电池组电池相邻的构件、诸如电池连接部分可以更固定地实施，而不产生损坏。
在将至少一个拉胀薄膜用在电池组电池的内部的情况下的另外的优点是，拉胀结构包含孔，由于所述孔，所述薄膜是良好的热绝缘体。由此，防止或减小电池组电池之间的热传递，这例如在电池组电池穿透时是有利的。
有利的是，电池组电池的内部中的拉胀薄膜是隔离薄膜，因为隔离薄膜直接邻接于电极，即邻接于下述位置，在所述位置处，电池组电池的鼓胀例如在充电过程期间开始。由于电池组电池的鼓胀，由阳极、隔离薄膜和阴极构成的各个层压缩。由此作用于至少一个隔离薄膜的力通过所述隔离薄膜被吸收并且在隔离薄膜中均匀地分布。在力作用的位置处，隔离薄膜的拉胀材料通过孔的收缩而紧实从而表现出相对于力作用的增大的阻力。由此，防止电池组电池的继续鼓胀。
在一种替代的或补充的实施方式中，有利的是，拉胀薄膜被实施为入口薄膜。将入口薄膜理解成下述薄膜，即所述薄膜被布置在电池组电池的内部中并且有利地包围由阳极、隔离薄膜和阴极构成的卷绕的或堆叠的组件。
卷绕的或堆叠的组件的鼓胀可以通过入口薄膜以下述方式减小，即入口薄膜在下述位置处紧实，在所述位置处，通过鼓胀的组件造成的力作用于所述入口薄膜。由此，入口薄膜相对于力作用的阻力提高，因此防止电池组电池的继续鼓胀。
附图说明
本发明的实施方式在附图中被示出并且在下面的附图描述中进一步被阐述。其中：
图1a示出非拉胀材料的常见的蜂巢结构的示意图，
图1b示出非拉胀材料的常见的蜂巢结构在沿纵向方向扩展时的示意图，
图2a示出拉胀材料的拉胀晶格结构的示意图，
图2b示出拉胀材料的拉胀晶格结构在沿纵向方向扩展时的示意图，
图3示出电极的部分的示意图，该电极具有根据本发明的第一实施方式的多孔的集电器和覆层，并且
图4示出根据本发明的另一个实施方式的具有隔离薄膜和入口薄膜的电池组电池的横截面的示意图。
具体实施方式
图1a示出具有孔7的非拉胀材料1的常见的蜂巢结构，所述非拉胀材料具有正的横向收缩系数。如果如在图1b中示出的那样将沿纵向方向的拉力施加到蜂巢结构上，那么非拉胀材料1连同孔7沿拉力的方向扩展。
在图2a中绘制具有孔7的拉胀材料3的典型的拉胀晶格结构，其中孔7的边缘区域部分地凹陷向孔内部的方向。这样的材料的特征在于负的横向收缩系数。在如图2b中示出的那样施加拉应力的情况下，拉胀材料3连同孔7不仅沿拉力方向、而且垂直于拉力方向扩张。
在图3中示意地示出根据本发明的第一优选的实施方式的正电极4的部分，具有电极4的包含孔7的集电器5。电极4的集电器5有利地包含拉胀材料3，有利地包含例如由镍、铜、铝或金属合金构成的并且以覆层11来覆层的金属泡沫，其中孔7尤其没有完全由覆层11填满，使得存在由覆层11填充的孔9以及未填充的孔7。正电极4示例性地可见，同样地，根据本发明的电极4、6可以是负电极6。通过电极材料的例如由于老化现象或充电和放电过程造成的膨胀，力作用于电极4、6的拉胀的多孔的集电器5，所述集电器使所述力均匀地分布到其整个面上。通过空出的孔7由于拉胀结构收缩，同时，电极4、6的多孔的集电器5由于力作用紧实。通过电极4、6的紧实的多孔的集电器5的增大的阻力，防止电极材料的继续膨胀并且因此防止电池组电池12的继续鼓胀。
在一种优选的实施方式中，覆层11可以通过将金属薄膜层压到电极4、6的尤其由金属泡沫实施的多孔的集电器5上来施加。通过层压金属薄膜所得的覆层11尤其在锂空气电池组电池的情况下是优选的。
此外，在另一种优选的实施方式中，电极4、6的尤其由金属泡沫实施的集电器5通过利用液态硫浸泡来覆层。利用硫的覆层11尤其在锂硫电池组电池的情况下是优选的。
在图4中示出根据本发明的另一种优选的实施方式的电池组电池12的横截面的示意图，具有阳极17、隔离薄膜20和阴极18的层装置以及入口薄膜21，所述入口薄膜包围分层的组件。隔离薄膜20和/或入口薄膜21包含拉胀材料3，例如由聚乙烯、聚丙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的拉胀材料。所述电池组电池组件此外由壳体13包围，所述壳体仅留空电流集电器14的区域。阴极18和阳极17与电流集电器14电接触，所述电流集电器负责通过电流经由与所述电流集电器相邻的电池组电池终端15从电池组电池12出来。
隔离薄膜20和/或入口薄膜21的拉胀材料3负责，例如通过电池组电池12的鼓胀引起的作用于相应的薄膜20、21的力由隔离薄膜20和/或入口薄膜21吸收并且在相应的薄膜20、21中均匀分布。由于拉胀结构，拉胀材料3的孔7在力作用的位置处收缩并且薄膜20、21紧实，由此由阳极17、隔离薄膜20和阴极18构成的各个层被压缩。通过紧实的薄膜20、21的增大的阻力，防止电池组电池12的继续鼓胀。
在一种替代的优选的实施方式中，由阳极17、隔离薄膜20和阴极18构成的各个层以卷绕的形式存在。
在另一种实施方式中，电极4、6的至少一个所描述的拉胀的多孔的集电器5与至少一个拉胀的隔离薄膜20和/或拉胀的入口薄膜21组合。所述组合在锂离子电池组电池中并且尤其在锂硫电池组电池中是可以考虑的。此外，这样的组合在锂空气电池组电池中、尤其在以固态电解质为前提的不含水的系统中以及在具有阳极和阴极空间的在空间上分隔的混合含水/有机系统中是可以的。
由于通过将拉胀材料3用在电池组电池12中减小电池组电池12的固有运动，所述拉胀材料由于其特性紧实并且通过这样产生的阻力防止电池组电池12的鼓胀，电池组电池12的其它组件可以更柔软地被实施。
例如，例如包含铝、镍、铜或金属合金的没有示出的电池连接部分可以硬地来实施，因为电池组电池12的必须承受的最小运动不出现或可能出现。电池连接部分是下述连接件，所述连接件将电池模块中的至少两个电池组电池12持久地彼此连接。
也存在具有正的横向收缩系数的材料，所述材料具有类似于蜂巢的晶格结构，所述晶格结构然而如拉胀材料3那样表现。如果将拉应力施加到所述晶格结构上，那么所述晶格结构不仅沿拉应力的方向、而且横向于拉应力扩展。如果谈及拉胀材料3，那么也指的是横向收缩系数为正的具有拉胀特性的材料。
Claims (10)
1.电池组电池（12），具有正电极（4）、负电极（6）以及隔离器，所述隔离器被布置在所述电极（4、6）之间，其特征在于，所述电池组电池（12）的至少一个组件包括拉胀材料（3），其中所述电池组电池（12）的所述至少一个组件具有所述电池组电池（12）的电极（4、6）的多孔的集电器（5）。
2.根据权利要求1所述的电池组电池（12），其特征在于，所述拉胀材料（3）是金属泡沫。
3.根据权利要求2所述的电池组电池（12），其特征在于，所述金属泡沫包括镍、铜和/或铝。
4.根据权利要求2或3之一所述的电池组电池（12），其特征在于，所述金属泡沫至少部分地利用覆层（11）来覆层。
5.根据权利要求4所述的电池组电池（12），其特征在于，所述金属泡沫通过层压金属薄膜来覆层。
6.根据权利要求4所述的电池组电池（12），其特征在于，所述金属泡沫通过利用液态硫浸泡来覆层。
7.根据权利要求1所述的电池组电池（12），其特征在于，所述电池组电池（12）的内部中的至少一个薄膜包括拉胀材料（3）。
8.根据权利要求7所述的电池组电池（12），其特征在于，所述薄膜是隔离薄膜（20）和/或布置在所述电池组电池的内部中的入口薄膜（21）。
9.根据权利要求7或8之一所述的电池组电池（12），其特征在于，所述薄膜包括聚乙烯、聚丙烯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
10.根据权利要求1至3之一所述的电池组电池（12），其特征在于，所述电池组电池（12）的正电极（4）和负电极（6）中的至少一个包含元素锂。
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