CN104937739A - 具有由塑料层压的纤维复合物构成的壳体的电池以及具有电池的电池系统和机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有壳体(12)的电池(11)。此外，本发明涉及一种分别具有至少一个电池(11)的电池系统以及机动车。为了提高电池(11)的比能量，根据本发明设置成壳体(12)具有至少一个由纤维复合物(2)构成的壁(1)，该纤维复合物是由塑料层压的。

Description

具有由塑料层压的纤维复合物构成的壳体的电池以及具有电池的电池系统和机动车

技术领域

本发明涉及具有壳体和布置在壳体中的用于储存电能的电化学电芯的电池。此外，本发明涉及分别具有至少一个电池的电池系统以及机动车。

背景技术

开头所提及的类型的电池以及具有电池的电池系统和机动车通常是已知的。尤其当电池应使用在移动设备(例如移动电话、便携式计算机或机动车)中时，有利的是，电池的所谓的比能量应尽可能高。电池的比能量以瓦小时每公斤来测量并且说明在一千克的电池中可储存多少能量。

用于提高电池的比能量的一种可能性是提高可储存在电池中的能量。然而，可储存的能量的提高不是没有问题的，特别是仅可利用很高的设计费用实现。

用于提高电池的比能量的另一可能性是，电池建造成具有尽可能小的重量。很多电池使用金属壳体，该金属壳体占据电池重量的很大份额。为了降低电池的重量，已知通过塑料盒代替金属壳体。具有作为壳体的塑料盒的这种电池例如在WO 02/101849A2中进行了说明。然而，这样的电池具有的缺点是，如果有外部的机械载荷，该电池仅微不足道地保护电池的电化学电芯不受外部的机械载荷影响。因此，在处理这种电池时需要极其谨慎，以预防电化学电芯的损坏。

发明内容

根据本发明提供了一种具有壳体的电池，其中，壳体具有至少一个由纤维复合物构成的壁，该纤维复合物是由塑料层压的。此外，根据本发明提供了一种电池系统和机动车，其中，电池系统或机动车的电池为根据本发明的电池。

塑料层压的纤维复合物具有比已知的塑料盒的塑料薄片更高的机械稳定性并且在此具有比很多壳体所使用的金属更低的比重量。因此，具有由塑料层压的纤维复合物构成的壁的壳体比塑料盒更稳定并且比包含金属的壳体更轻。此外，具有至少一个由塑料层压的纤维复合物构成的壁的壳体比金属壳体价格更便宜地制成。

根据本发明的解决方案可通过不同的、本身相应有利的、可彼此任意组合的设计方案进一步改善。下面探讨该设计方式和与之相关的优点。

在有利的第一设计方式中，纤维复合物可在其指向到壳体的内部中的内侧处耐电解质且电解质密封地进行配备。纤维复合物尤其可在其内侧处耐久地(即对于壳体和/或电池的预期的使用寿命)耐电解质且电解质密封地构造。

通过以耐电解质并且电解质密封的方式设计纤维复合物，无需使用纤维复合物的单独构造的防止电解质的防护物。因此，壳体的构造和处理简单且成本有利。

根据另一可行的有利的设计方式，纤维复合物可在其从壳体的内部远离的外侧处耐久地以防潮且湿气密封的方式进行配备。从外部侵入到纤维复合物中的湿气不仅损害纤维复合物的机械稳定性并且由此至少损害壳体的至少一个壁的机械稳定性。而通过纤维复合物侵入到壳体的内部中的湿气还可与电解质起反应，这将导致电池的功能性故障。

根据另一有利的设计方式，纤维复合物可多层地构造，从而单个的层可专门地根据电解质耐抗性以及电解质密封性、防潮性以及湿气密封性和/或机械稳定性的功能来设计。纤维复合物尤其可建造有外层、内层和布置在外层和内层之间的中间层。

外层可构造成防潮且湿气密封的。外层尤其可成形为含有至少一种塑料的薄片或可为塑料薄片。内层可以耐电解质且电解质密封的方式构造并且至少具有含有至少一种塑料的薄片或可为塑料薄片。

用于外层和/或内层的合适的塑料薄片例如为具有聚合物(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烃或者它们或其他塑料的组合)或由该聚合物构成的薄片。也可使用这些塑料的极性改性的变体。内层可尤其具有聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯或这些塑料的极性改性的变体，可能组合其他的塑料。外层或内层例如具有的厚度在5μm与150μm之间并且优选为23μm。

中间层可构造为基本上形状稳定的支撑层，其中，中间层独自或在纤维复合物中具有比现有技术的塑料盒更高的稳定性并且尤其基本上自支撑地构造并且构造成通过其自重不仅局部地而且沿着其整个外侧或内侧弯曲。

中间层优选从具有纤维材料的材料制备并且尤其可由纤维材料构成。纤维材料例如为原纸、纸板或纺织纤维，例如无纺材料。这样的纤维材料可便宜地制造和加工并且相比于塑料盒的塑料薄片具有很高的机械稳定性。中间层可具有的厚度在50μm和2mm之间并且优选为0.5mm。

为了避免流体和例如气体(例如氧气)从外部侵入到壳体中并且与电解质起反应，纤维复合物可具有形成气障的隔层。隔层优选布置在内层和外层之间，从而隔层既不与环境湿气接触，也不与电解质接触。隔层例如可布置在中间层与内层之间。

合适的隔层例如为以气体不可渗透的方式成形的金属薄片。铝制的金属薄片可便宜地制造并且相比于由其他金属构成的金属薄片具有很轻的重量。金属薄片可由基本上纯的金属(例如99％的铝)或由金属合金(例如铝合金)以在5μm和150μm之间的厚度构造。作为引入到纤维复合物中的金属薄片，隔层例如可具有15μm的厚度。作为替代，隔层可通过涂覆方法(例如气相喷镀)施加到中间层或内层上并且作为金属膜具有在0.5μm和10μm之间的厚度，并且优选具有5μm的厚度。

为了将隔层固定在纤维复合物中，隔层可材料配合地与中间层连接。纤维复合物例如可具有层压层，层压层布置在隔层和中间层之间并且使之材料配合地彼此连接。层压层可具有热塑性的、含粘合剂的和/或含胶粘剂的材料，从而隔层和中间层简单且以很低的成本通过层压层彼此固定。

优选地，层压层由聚乙烯、聚丙烯、这些塑料的极性改性的变体或这些塑料的组合或这些塑料中的一种与其他塑料或塑料混合物的组合形成。层压层尤其可为热塑性的塑料，从而中间层和隔层通过加热与层压层连接。层压层可具有的厚度在5μm和150μm之间并且优选为23μm。

作为使用热塑性塑料的替代，层压层还可为例如丙烯酸盐基的漆。

在电池的使用寿命期间可能由于在电池内部的化学过程出现腐蚀性的材料。电解质例如可反应成作用于壳体的氟化氢。为了保护壳体，纤维复合物可具有防腐层，该防腐层可布置在内层的从壳体的内部远离的一侧。防腐层尤其可保护内层不受氟化氢影响并且构造为氟化氢屏障。在试验中已经证实，由基于无铬VI的磷酸铬、氟化锆和/或氟化钛的涂层构成的防腐层形成特别有效的防腐层。

氟化氢尤其对铝发生作用，从而防腐层优选布置在壳体的内腔与气障之间。

为了进一步降低壳体的重量，不仅壳体的壁而且壳体可绝大部分地且甚至完全由纤维复合物形成。在此，纤维复合物可折叠以形成壳体。纤维复合物尤其可折叠成圆柱或棱柱的形状并且例如箱状地折叠，其中，壳体的内部块状地成形。

首先可将纤维复合物杯状地折叠成具有例如矩形的开口，从而电化学电芯可简单地插入到壳体的内部中。为了闭合开口，可使壳体的环绕开口的凸缘的两个相对地布置的侧部彼此贴靠并且例如彼此相对于密封缝粘住或用热彼此焊接。

为了获得箱状的壳体，可横向于凸缘的纵向方向折叠粘住或焊接的凸缘。密封缝的突出超过壳体的中间部分的端部可朝或逆着其纵向方向向下翻到壳体的侧面上，以节省对于壳体所需的结构空间。突出的端部例如可与侧壁粘接或焊接在一起。这样不仅可构造罩盖，而且可构造壳体的底部。

罩盖可具有用于联接电极的两个穿孔。联接电极可电接触电化学电芯并且具有布置在壳体的内部之外的区段以用于用电器和/或电源的联接。

为了防止湿气或气体通过穿孔进入到壳体的内部中或从壳体的内部离开，电极可至少部分地与纤维复合物的围绕穿孔的材料一起利用塑料注塑包封。极性改性的聚合物例如可使电极和纤维复合物流体密封地彼此连接。

在电池的运行中可能在壳体内部释放出气体，由此壳体的内部压力上升。压力可大得使得壳体不可一直承受该压力。因此，根据本发明的壳体具有减压装置。减压装置可构造为通过纤维复合物伸入到壳体的内部中的过压阀，过压阀如联接电极一样通过注塑包封工艺与纤维复合物流体密封地连接。然而，使用过压阀成本昂贵并且由于附加的注塑包封工艺而使壳体的制造复杂化。

因为花费更低，有利的是，纤维复合物构造成局部地在机械方面削弱，从而纤维复合物在限定的位置处屈服于过压并且气体可离开。减压口例如可穿过纤维复合物引导到壳体的内部中。减压口的边缘优选至少是耐电解质的且电解质密封的以及是防腐蚀的。为了防止流体从壳体不期望地离开，减压口可利用爆破片(例如薄片或薄片组)封闭。薄片或薄片组优选防潮且耐电解质以及湿气密封和电解质密封的且是耐腐蚀的并且只有在在壳体中的内部压力与环境压力之间为预定的压力差的情况下才屈服于壳体的内部压力。

为了可将电解质注入到壳体中，电解质可例如如电化学电芯一样通过开口注入。作为替代，壳体可具有电解质注入口，其相应于减压口来构造或可为减压口。在注入电解质之后，注入口可耐久地或作为减压口例如利用薄片封闭。

壳体例如为电池的电化学电芯(例如电池电芯)的壳体。因此，如果电池具有多个带有根据本发明的壳体的电池电芯，相比于通过使用多个这种电池电芯的已知的金属壳体，通过根据本发明的壳体进一步加大了减重。此外，电池电芯的电化学电芯通过根据本发明的壳体比通过塑料盒得到更好地保护。因此，在组装电池时可更简单地操作电池电芯。

电池优选为可重复充电的电池，其可反复地利用电能充电。电化学电芯中的至少一个电芯可为锂基的电化学电芯并且优选为锂离子电芯。

机动车的驱动系统可从电池接收驱动能地与电池连接，并且机动车优选为至少部分地或完全地可利用电能驱动的机动车。

附图说明

下面示例性地借助实施例参考附图阐述本发明。如在单个的有利的设计方案中已经说明的那样，实施方式的不同的特征在此可彼此独立地组合。

其中：

图1示出了塑料层压的纤维复合物的示意性的图示；并且

图2示出了具有由塑料层压的纤维复合物构成的壳体的电池的示意性的图示。

具体实施方式

首先参考图1的实施例说明根据本发明的塑料层压纤维复合物的构造和功能。

图1局部地示出了电池的壳体的壁1。壁1至少局部地具有由塑料层压的纤维复合物2构成的材料并且尤其可由纤维复合物2构成。纤维复合物2构造有多个层3至8，为了清晰度起见，多个层在图1的实施例中扇状散开地示出。然而，在纤维复合物2的至少局部地形成壁1的状态中，层3至8彼此固定，从而层3至8形成具有足够牢固且特别是自支撑的结构的纤维复合物2。

纤维复合物2的指向到壳体的内部中的内侧9由内层3形成。内层3在电池的组装好的状态中可能与电池的电解质有联系并且优选地以耐电解质且电解质密封的方式构造。内层3尤其可以是耐久地耐电解质且电解质密封的，其中，耐抗性和密封性的最低持续时间可相应于壳体或电池的使用寿命。

内层3优选是塑料薄片，其具有至少一种塑料并且例如具有聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二醇酯或者这些塑料中的一种或多种彼此之间或与其他塑料的组合。内层3在纤维复合物2的厚度方向d上具有的厚度例如在5μm和150μm之间，并且优选为23μm。

为了防止侵入到壳体中的湿气，纤维复合物2的参照纤维复合物2与内层3相对地布置的外层4耐久地以防潮且湿气密封的方式构造。外层4尤其可构造成浓缩的空气湿气或水蒸气不可通过。在此，密封性和耐抗性的持续时间同样至少相应于壳体或电池的使用寿命。外层4可如内层3一样由至少一种塑料或由塑料的混合物构成并且尤其构造为塑料薄片，该塑料薄片具有的厚度在5μm和150μm之间并且优选为23μm。外层4优选形成壳体的外侧9。

纤维复合物2在内层3和外层4之间具有由具有纤维材料的材料构成的中间层5。中间层5在厚度方向d上的厚度例如在50μm和2mm之间并且优选为0.5mm。由于中间层的机械性能结合其在厚度方向d上的强度或厚度，中间层5形成支撑层，其独自或在结合其他的层3、4、6、7、8中的至少一个层或所有层的情况下基本上是形状稳定的。在例如由于其自重的机械载荷的情况下，形状稳定的中间层5或纤维复合物2并非局部受限地折弯，而是相反在其表面10上分布地弯曲。中间层5的表面10朝着或逆着厚度方向d指向。

中间层5至少部分地由具有纤维材料的材料形成。中间层5尤其由纤维材料构成。合适的纤维材料例如为原纸、纸板或纺织纤维，例如无纺材料。

中间层5的机械稳定性可能由于湿气受到损害。为了避免中间层5与湿气和电解质的接触，中间层5布置在内层3和外层4之间。中间层5例如直接固定在外层4处。

电池的布置在壳体的内部中的组成部分并且尤其是电解质可在其功能方面由于侵入到壳体中的气体(尤其是氧气)受到损害。为了防止气体(例如氧气)穿过纤维复合物2侵入到壳体的内部中，纤维复合物2具有优选气体密封并且尤其是氧气密封的隔层6，隔层6布置在内层3和外层4之间。隔层6形成气障，其不仅防止气体可能从外部穿过纤维复合物2进入到壳体的内部中，而且防止气体可能从壳体的内部穿过纤维复合物2从壳体离开。

隔层6可尤其布置在内层3和中间层5之间，从而存在于壳体的内部中的气体不会到达至中间层5。

金属薄片尤其适合作为气障。金属薄片可由基本上纯的金属或由金属合金制成。合适的轻金属是铝，从而隔层6优选构造为铝薄片，其具有的厚度在5μm和150μm之间，优选为15μm。作为替代，隔层6可通过涂覆方法构造在纤维复合物2中。金属并且尤其是铝例如可通过蒸镀以例如5μm的层厚来施加。

隔层6可材料配合地与中间层5连接。材料配合的连接例如可通过隔层6的涂覆工艺构造在中间层5上。如果隔层6构造为薄片，则其可与中间层5例如粘在一起。隔层6和中间层5彼此尤其可通过层压层7连接。层压层7可为热塑性的塑料(例如聚烯烃)或漆。然而，在漆中含有的溶剂可能仅仅是困难地穿过纤维复合物2的其他的层从层压层7离开。使用热塑性的塑料不需要溶剂从层压层7离开。足够的是，热塑性的塑料布置在中间层5和隔层6之间并且充分加热层组，以使中间层5和隔层6彼此实现叠层(verlaminieren)。

在电池的运行期间可能在电池的内部中出现腐蚀性的材料并且尤其出现气体、例如氟化氢，其尤其可通过腐蚀损伤隔层6。为了防止由于侵入的氧气损伤隔层6并且由此防止潜在地损害电池的功能，可在隔层6和内层3之间布置防腐层8。内层3和隔层6尤其可邻接防腐层8并且固定在8处。为了保护隔层6不受氟化氢腐蚀的影响，无铬VI的磷酸铬、氟化锆或氟化钛已经证实为可用。

因此，总之可确定的是，电池的壁1中的至少一个壁至少局部地由纤维复合物2形成，其中，纤维复合物2具有多个层3至8并且优选具有耐电解质并且电解质密封的内层3、湿气密封且防潮的外层4、自支撑的中间层5、不允许气体从壳体的内部穿过纤维复合物2向外行进的隔层6和将中间层5固定在隔层6处的层压层7。为了保护隔层6，纤维复合物2可以可选地具有防腐层8，防腐层8布置在内侧9和隔层6之间并且例如通过层压层7与隔层6固定地连接。纤维复合物2的所有的层3至8可通过粘贴或层压固定在相邻的层处。

图2示出了根据本发明配备有壳体12和两个联接元件13、14的电池11的实施例，联接元件用于将电化学电芯联接到耗能器和/或能量源处。

壳体12基本上棱柱形、圆柱状或箱状地构造并且构造成具有基本上为矩形的基面。壳体12具有六个侧部，其中，上侧15设有联接元件13、14。在图2的实施例中，壳体12的与上侧15相对地布置的下侧16作为站立面用于壳体12，壳体12能够以该站立面独立地站在底座上。上侧15可被称为壳体12的上方的壁1，而下侧16可被称为壳体12的下方的壁1。

壳体12在上侧15和下侧16之间具有四个侧向的壁1，侧向的壁与上侧15和下侧16一起包围壳体12的内部。关于布置在上侧15和下侧16之间的侧向的壁1，在图2中仅侧向的壁17、18可见。

壁15至18中的每个壁可至少局部地由纤维复合物2制成。为了实现相对于金属壳体的最大的减重，整个壳体12优选由纤维复合物2制成。

纤维复合物2可首先管状构造地存在，其中，纤维复合物2的尤其形成上侧15和下侧16的区段构造为管状的纤维复合物2的凸缘。

为了成形下侧16，可首先使凸缘中的一个凸缘的彼此相对而置地构造的侧部19、20彼此接触并且至少一个密封缝21构造成使侧部19、20彼此固定，使得侧部19、20构造成闭合管状的纤维复合物2的开口和下侧16。彼此相对而置的侧部19、20例如可沿着密封缝21彼此焊接或粘住。

为了改善由纤维复合物2制成的壳体12的稳定性，纤维复合物2可折叠成盒状或箱状，从而纤维复合物2具有折叠边缘22。折叠边缘22可形成壳体12的外缘并且使壳体稳定成可简单地操作壳体12，而布置在壳体12中的电化学电芯没有受到机械的过载。

只要上侧15仍然敞开，就可将电化学电芯没有问题地插入到壳体12中。一旦电化学电芯插入到壳体12中，就还可对壳体12在上侧15处进行闭合。例如可使上侧15的与下侧16相对而置的凸缘的彼此相对而置地布置的侧部23、24如侧部19、20那样彼此接触并且密封缝25成形成使侧部23、24彼此固定。

通过用于构造折叠边缘22的折叠过程及上侧15和下侧16的封闭，在上侧15和下侧16的区域中纤维复合物2的舌状的区段26、27突出超过彼此相对而置的侧向的壁17，其中，在图2的实施例中仅仅示出了上侧15和下侧16的从绘图平面远离的舌状的区段26、27。为了简化壳体12的操作，将舌状的区段26、27折叠到侧向的壁17上并且将其固定在此处。通过将舌状的区段26、27折叠到侧向的壁17上不仅仅简化了壳体12的操作。而由此出现其他的折叠边缘22，其附加地改善壳体12的稳定性。

联接元件13、14可导电地与在壳体12的内部中的电化学电芯连接并且通过上侧15突出。上侧15例如设有用于联接元件13、14的穿孔。为了防止湿气或气体通过穿孔，联接元件13、14设有密封元件28、29，其中，密封元件28、29密封地贴靠在联接元件13、14和纤维复合物2处。密封元件28、29优选由塑料并且尤其通过注塑包封联接元件13、14和纤维复合物12的一部分制成。

在壳体12的内部中可能在电池的运行期间出现气体，该气体可使壳体12的内部压力上升。为了壳体12的上升的内部压力不会使壳体不可忍受地变形，壳体12具有减压口30，气体可在到达预定的内部压力时从壳体12中漏出。减压口30可利用流体密封且耐电解质的薄片密封，该薄片例如在内侧9和/或外侧9'上粘到纤维复合物2上。如果内部压力超过预定的最大压力，则薄片可撕裂并且气体通过减压口30从壳体12中漏出。

作为粘上的薄片的替代，减压口30可通过隔层4且可选地附加地通过防腐层8和/或内层3密封。纤维复合物2尤其可在减压口30的区域中成形成至少没有中间层5。

用于运行电池11可能所需的电解质可与电化学电芯一起引入到壳体12中。然而，可有利地首先仅将电化学电芯(例如电极组件)插入到壳体12中，并且只有当联接元件13、14与电极组件连接并且壳体12在上侧15和下侧16处闭合时，才将电解质注入到壳体12中。为此，壳体12可具有用于电解质的注入口，该注入口可相应于减压口13例如利用薄片封闭。作为替代，电解质可在闭合减压口13之前通过减压口13注入到壳体12中。

Claims (10)

1.一种电池(11)，其具有壳体(12)和布置在所述壳体(12)中的用于储存电能的电化学电芯，其特征在于，所述壳体(12)具有至少一个由纤维复合物(2)构成的壁(1)，该纤维复合物是由塑料层压的。

2.根据权利要求1所述的电池(11)，其特征在于，所述纤维复合物(2)在其指向到所述壳体(12)的内部中的内侧(9)处耐久地以耐电解质且电解质密封的方式来构造。

3.根据权利要求1或2所述的电池(11)，其特征在于，所述纤维复合物(2)在其从所述壳体(12)的内部远离的外侧(9)处耐久地以防潮且湿气密封的方式来构造。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池(11)，其特征在于，所述纤维复合物(2)多层地构造有内层(3)、外层(4)和布置在所述内层(3)和所述外层(4)之间的中间层(5)，其中，所述中间层(5)基本上形状稳定地并且由具有纤维材料的材料制成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池(11)，其特征在于，所述纤维复合物(2)具有形成气障的隔层(6)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池(11)，其特征在于，所述纤维复合物(2)具有防腐层(8)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池(11)，其特征在于，所述壳体(12)由所述纤维复合物(2)形成，其中，所述纤维复合物(2)折叠以形成所述壳体(12)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池(11)，其特征在于，所述壳体(12)是所述电池(11)的电池电芯的壳体(12)。

9.一种电池系统，其具有至少一个电池(11)，其特征在于，所述电池(11)是根据权利要求1至8中任一项所述的电池(11)。

10.一种机动车，其具有至少一个以传递驱动能的方式与所述机动车的驱动装置连接的电池(11)，其特征在于，所述电池(11)是根据权利要求1至8中任一项所述的电池。