CN106159168B - 电池单池和用于对电池单池内的离子流进行控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池单池（2），该电池单池包括至少一个电极单元（10），该电极单元具有阳极（82）、阴极（84）和布置在所述阳极（82）与所述阴极（84）之间的分离器（83）。在此，所述分离器（83）具有导电的核心层（93）和至少一个允许离子通过的边缘层（91、92）。本发明也涉及一种用于控制所述电池单池（2）内部的离子流的方法，其中，在所述分离器（83）的导电的核心层（93）与所述阳极（82）的集电器（81）或者所述阴极（84）的集电器（85）之间建立电连接。

Description

电池单池和用于对电池单池内的离子流进行控制的方法
技术领域
本发明涉及一种电池单池，该电池单池包括至少一个电极单元，该电极单元具有阳极、阴极和布置在所述阳极与所述阴极之间的分离器。本发明也涉及一种用于对所述电池单池内部的离子流进行控制的方法。
背景技术
电能能够借助于电池来储存。电池将化学的反应能转化为电能。在此要区分原电池和二次电池。原电池仅仅一次性地有功能能力，而也被称为蓄电池的二次电池则能够充电。电池在此包括一个或者多个电池单池。
在蓄电池中，尤其使用所谓的锂离子电池单池。这些锂离子电池单池的突出之处尤其在于较高的能量密度、热稳定性和极低的自动放电。锂离子电池单池尤其用在机动车中，特别是用在电动车（英语：Electric Vehicle，EV）、混合动力车（英语：HybrideElectric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车（英语：Plug-In-Hybride ElectricVehicle，PHEV）中。
锂离子电池单池具有也被称为阴极的正极和也被称为阳极的负极。所述阴极和所述阳极分别包括一个集电器（Stromableiter），活性材料被施加到所述集电器上。用于所述阴极的活性材料例如是金属氧化物。用于所述阳极的活性材料例如是石墨或者硅。
锂原子被存入到阳极的活性材料中。在所述电池单池运行时，也就是在放电过程中，电子在外部的电路中从阳极流往阴极。在电池单池的内部，锂离子在放电过程中从阳极转移到阴极。在此，锂离子可逆地从阳极的活性材料中转移出来，这也被称为脱嵌。在电池单池的充电过程中，所述锂离子从阴极转移到阳极。在此，锂离子又可逆地存入到阳极的活性材料中，这也被称为嵌入。
所述电池单池的电极构造为薄膜状并且在将阳极与阴极分开的分离器的中间层之下被盘绕成电极绕组。这样的电极绕组也被称为卷芯（Jelly-Roll）。所述电极绕组的两个电极借助于集电器与电池单池的、也被称为端子的极点电连接。电池单池通常包括一个或者多个电极单元。所述电极和分离器被通常为液态的电解质所包围。所述电解质对于锂离子来说有传导能力并且能够实现在电极之间运送锂离子。
在故障情况中，例如在出现短路或者过充电时，可能在电池单池中出现升温。在温度足够高时，可能开始电解质的分解以及分离器的收缩。后来可能出现电池单池的可能形式为爆炸的毁坏。
一种所述类型的电池单池在DE 10 2012 217 451 A1中得到了公开。所述电池单池具有例如由金属制成的单池壳体。该单池壳体构造为棱柱形、尤其是长方体形并且构造为密闭的结构。该电池单池包括膜片，该膜片在单池壳体的内部出现过压时发生变形并且在这种情况下触发短路。
从US 2013/0017432 A1中公开了一种用于电池单池的分离器。该分离器在此构造为多层的结构，其中各个层都具有样板（Muster），所述样板则具有相互偏置地、尤其是互补地布置的开口。
在US 2005/0208383 A1中公开了一种分离器，该分离器具有多细孔的基础材料，在所述基础材料上单面地或者双面地设置了树脂结构。
发明内容
建议了一种电池单池，该电池单池包括至少一个电极单元，所述电极单元具有阳极、阴极和布置在所述阳极与所述阴极之间的分离器。按照本发明，所述分离器具有导电的核心层和至少一个允许离子通过的、例如能够由离子穿透的边缘层。
所述允许离子通过的边缘层例如是聚合物或者陶瓷。也可以考虑其他材料。所述核心层优选构造为金属的结构。但是，也可以考虑其他导电的材料、例如石墨。
优选地，所述导电的核心层被埋入在允许离子通过的第一边缘层与允许离子通过的第二边缘层之间。所述两个边缘层于是在两面包围着所述核心层。
按照本发明的一种有利的设计方案，所述导电的核心层构造为有孔的金属箔。存在于所述金属箔中的比较小的孔对于锂离子来说可以通过。由此所述分离器允许离子通过，也就是说能够被离子穿透。
按照本发明的另一种有利的设计方案，所述导电的核心层构造为发泡的金属箔。所述金属箔由此具有多孔性，并且由此对于锂离子来说可以通过。由此，所述分离器允许离子通过。
按照本发明的另一种有利的设计方案，所述导电的核心层构造为格栅状。尤其在此涉及石墨层，该石墨层具有带有间隙的格栅。石墨层的格栅之间的上述间隙对锂离子来说可以通过。由此所述分离器允许离子通过。
此外，建议了一种用于对根据本发明的电池单池内部的离子流进行控制的方法。在此，在所述分离器的导电的核心层与所述阳极的集电器之间建立电连接或者在所述分离器的导电的核心层与所述阴极的集电器之间建立电连接。所述电池单池的电极单元的这样的电布线结构能够实现对所述阳极与所述阴极之间的电场进行控制并且对所述阳极与所述阴极之间的离子流进行控制。
按照本发明的一种有利的设计方案，使所述分离器的导电的核心层和所述阴极的集电器短路。由此所述分离器的核心层和所述阴极的集电器处于相同的电位上。由此在所述分离器的核心层与所述阴极的集电器之间不存在电场。由此在分离器与阴极之间不可能有离子流。由此在阳极与分离器之间也不可能有离子流。
按照本发明的另一种有利的设计方案，使所述分离器的导电的核心层和所述阳极的集电器短路。由此所述分离器的核心层和所述阳极的集电器处于相同的电位上。由此在所述分离器的核心层与所述阳极的集电器之间不存在电场。由此在分离器与阳极之间不可能有离子流。由此在阴极与分离器之间也不可能有离子流。
按照本发明的一种有利的改进方案，将电源、尤其是直流电源连接到所述分离器的导电的核心层与所述阴极的集电器之间。尤其在这种情况下，所述直流电源的正极与所述分离器的核心层相连接，并且所述直流电源的负极与所述阴极的集电器相连接。由此所述分离器的核心层处于比所述阴极的集电器更高的电位上。同样，所述分离器的核心层处于比所述阳极的集电器更高的电位上。由此在所述分离器的核心层与所述阴极的集电器之间存在着电场，并且在所述分离器的核心层与所述阳极的集电器之间存在着电场。由此首先出现从所述分离器到所述阴极以及从所述分离器到所述阳极的离子流。在所述电极单元的内部建立了平衡之后，所述离子流终止。
按照本发明的另一种有利的改进方案，将电源、尤其是直流电源连接到所述分离器的导电的核心层与所述阳极的集电器之间。尤其在这种情况下，所述直流电源的负极与所述分离器的核心层相连接，并且所述直流电源的正极与所述阳极的集电器相连接。由此，所述分离器的核心层处于比所述阳极的集电器更低的电位上。同样，所述分离器的核心层处于比所述阴极的集电器更低的电位上。由此在所述阳极的集电器与所述分离器的核心层之间存在着电场，并且在所述阴极的集电器与所述分离器的核心层之间存在着电场。由此首先出现从所述阳极到所述分离器以及从所述阴极到所述分离器的离子流。在所述电极单元的内部建立了平衡之后，所述离子流终止。
根据本发明的电池单池有利地用在电动车（EV）、混合动力车（HEV）或者插电式混合动力车（PHEV）中。也可以考虑用在固定的电池中、用在飞行器中或者用在海事应用中的电池中。
根据本发明的方法有利地用在电动车（EV）、混合动力车（HEV）或者插电式混合动力车（PHEV）的电池单池中。也可以考虑用在固定的电池中或者用在海事应用中的电池中。
根据本发明的方法允许相对快地阻止所述电池单池的电极单元内部的离子流。由此也不可能有电子在外部的电路中从所述阳极流往所述阴极。通过电流的终止来防止或者说排除连锁反应以及对电池单池的进一步的毁坏。
附图说明
借助于附图和以下说明来对本发明的实施方式进行详细解释。附图示出：
图1是根据本发明的电池单池的分解图；
图2是图1的电池单池的电极单元的示意图；
图3是图2的电极单元连同用于对离子流进行控制的第一布线结构的示意图；并且
图4是图2的电极单元连同用于对离子流进行控制的第二布线结构的示意图。
具体实施方式
在图1中以分解图示出了电池单池2。所述电池单池2包括单池壳体3，该单池壳体构造为棱柱形、在此构造为长方体形。所述单池壳体3在此构造为导电的结构并且例如由铝制成。所述单池壳体3包括长方体形的容器13，该容器在一侧上具有容器开口14。所述容器开口14通过顶盖装置15来封闭，所述顶盖装置尤其包括盖板23，该盖板在此同样构造为导电的结构并且例如由铝制成。
所述单池壳体3的长方体形的容器13和盖板23在此彼此电连接和机械连接、尤其是焊接在一起。也可以考虑所述单池壳体3的其它形状，例如柱状、尤其是圆柱状。
所述电池单池2包括负极端子21和正极端子22。通过所述端子21、22可以截取由所述电池单池2提供的电压。此外，所述电池单池2也可以通过所述端子21、22来充电。所述端子21、22彼此隔开地布置在所述棱柱形的单池壳体3的盖板23上。
在所述电池单池2的单池壳体3的内部布置了电极单元10，该电极单元具有两个电极、也就是一个阳极82和一个阴极84。也可以考虑，在所述单池壳体3中设置多个电极单元10。所述电池单池2的单池壳体3被装填有液态的电解质，所述液态的电解质包围所述电极单元10。在装配所述单池壳体3之后通过所述盖板23中的注入口26将所述电解质注入到所述单池壳体3中。而后借助于未示出的密封塞来将所述注入口26封闭。
所述阳极82包括集电器81，该集电器在第一窄侧上伸出超过所述电极单元10的边缘并且与第一集电器7相连接。所述阳极82的集电器81与所述电池单池2的负极端子21通过所述第一集电器7电连接。
所述阴极84包括集电器85，该集电器在与所述第一窄侧对置的第二窄侧上伸出超过所述电极单元10的边缘并且与第二集电器9相连接。所述阴极84的集电器85与所述电池单池2的正极端子22通过所述第二集电器9电连接。
处于单池壳体3的内部的第一集电器7借助于第一接触装置18与处于单池壳体3的外部的负极端子21相连接。处于单池壳体3的内部的第二集电器9借助于第二接触装置19与处于单池壳体3的外部的正极端子22相连接。
所述第一集电器7与第一连接螺栓61相连接，该第一连接螺栓在背向所述电极单元10的一侧上从所述第一集电器7伸出。所述第一连接螺栓61在此穿过所述顶盖装置15的盖板23中的第一顶盖开口24，并且在其背向所述第一集电器7的端部上与所述负极端子21相连接。
所述第二集电器9与第二连接螺栓62相连接，该第二连接螺栓在背向所述电极单元10的一侧上从所述第二集电器9伸出。所述第二连接螺栓62在此穿过所述顶盖装置15的盖板23中的第二顶盖开口25，并且在其背向所述第二集电器9的端部上与所述负极端子22相连接。
所述顶盖装置15在此包括电位板17，该电位板构造为导电的结构并且该电位板布置在所述盖板23与所述负极端子21之间。所述电位板17将所述盖板23与所述负极端子21电连接起来。由此，所述单池壳体3处于与所述负极端子21相同的电位上。
也可以取代所述电位板17而设置绝缘件，该绝缘件使所述盖板23与所述负极端子21电绝缘。在这种情况中，所述单池壳体3和所述负极端子21可能处于不同的电位上。
此外，所述顶盖装置15包括连接板32，该连接板同样构造为导电的结构，并且该连接板布置在所述盖板23与所述正极端子22之间。所述连接板32与所述正极端子22电连接。在所述连接板32的背向所述盖板23的一侧上，在所述正极端子22的旁侧此外安置、在此是粘贴了连接板隔离件35。
在所述盖板23与所述连接板32之间设置了托脚绝缘子（Abstandsisolator）40，该托脚绝缘子使所述盖板23与所述连接板32及所述正极端子22电绝缘。所述托脚绝缘子40具有穿透孔44，该穿透孔被所述第二连接螺栓62穿过。
所述顶盖装置15也包括盖板隔离膜36，该盖板隔离膜被粘贴在所述盖板23的背向容器13的一侧上。所述盖板隔离膜36具有第一膜开口37，该第一膜开口被所述负极端子21和所述电位板17穿过。所述盖板隔离膜36也具有第二膜开口38，后面要对该第二膜开口的功能进行探讨。所述盖板隔离膜36也具有第三膜开口39，该第三膜开口被所述正极端子22、所述连接板32、所述连接板隔离件35和所述托脚绝缘子40穿过。
在所述盖板23与所述第一集电器7之间设置了第一连接绝缘子（Anschlussisolator）46，该第一连接绝缘子使所述盖板23与所述第一集电器7电绝缘。所述第一连接绝缘子46具有第一绝缘子开口56，所述第一连接螺栓61穿过所述第一绝缘子开口。
在所述盖板23与所述第二集电器9之间设置了第二连接绝缘子47，该第二连接绝缘子使所述盖板23与所述第二集电器9电绝缘。所述第二连接绝缘子47具有第二绝缘子开口57，所述第二连接螺栓62穿过所述第二绝缘子开口。
在所述第一连接螺栓61与所述盖板23之间布置了第一密封圈51。该第一密封圈51在此围绕着所述第一连接螺栓61放置并且处于所述盖板23的第一顶盖开口24中。所述第一密封圈51使所述第一连接螺栓61与所述盖板23电绝缘。所述第一密封圈51额外地气密地并且液密地对所述第一顶盖开口24进行密封。由此尤其防止湿气通过所述第一顶盖开口24挤入到所述单池壳体3中并且防止电解质通过所述第一顶盖开口24从所述单池壳体3中流出。
在所述第二连接螺栓62与所述盖板23之间布置了第二密封圈52。该第二密封圈52在此围绕着所述第二连接螺栓62放置并且处于所述盖板23的第二顶盖开口25中。所述第二密封圈52使所述第二连接螺栓62与所述盖板23电绝缘。所述第二密封圈52额外地气密地并且液密地对所述第二顶盖开口25进行密封。由此尤其防止湿气通过所述第二顶盖开口25挤入到所述单池壳体3中并且防止电解质通过所述第二顶盖开口25从所述单池壳体3中流出。
此外，所述单池壳体3的盖板23包括破裂开口（Berstöffnung）33，该破裂开口被破裂片34所封闭。在所述单池壳体3的内部出现过压的情况下，所述破裂片34打开，由此所述过压可以通过所述破裂开口33向外泄露（entweichen）。由此防止所述单池壳体3破裂。所述盖板23中的破裂开口33在此与所述盖板隔离膜36中的第二膜开口38对齐。
所述电池单池2在此也具有过充电保护装置（英语：overcharge safety device，OSD）。所述过充电保护装置包括在所述单池壳体3的盖板23中所设置的OSD开口29，该OSD开口被OSD膜片28所封闭。所述OSD膜片28构造为较薄的金属箔。在所述单池壳体3的内部例如通过由于对所述电池单池2的过充电引起的升温而出现过压的情况下，所述OSD膜片28发生变形并且在这种情况下碰到所述连接板32。所述托脚绝缘子40为此具有短路开口42，所述OSD膜片28在变形时可以穿过所述短路开口。由此在所述单池壳体3与所述第二集电器9之间产生短路，由此中断所述电池单池2的充电过程。
在图2中示意性地示出了图1的电池单池2的电极单元10。所述电极单元10在此当前构造为电极绕组。所述阳极82和所述阴极84相应地构造为薄膜状并且在分离器83的中间层之下被盘绕成所述电极绕组。但是也可以考虑所述电极单元10的其他设计方案、例如设计为电极堆。
所述阳极82包括阳极的活性材料，所述阳极的活性材料构造为薄膜状。所述阳极的活性材料作为原材料而具有硅或者包含硅的合金。所述阳极82的集电器81构造为导电的结构并且由金属、例如铜制成。所述阳极的活性材料和所述集电器81以平面的方式放在彼此上并且彼此相连接。
所述阴极84包括阴极的活性材料，所述阴极的活性材料构造为薄膜状。所述阴极的活性材料作为原材料而具有金属氧化物、例如锂钴氧化物（LiCoO2：氧化钴锂）。所述阴极84的集电器85构造为导电的结构并且由金属、例如铝制成。所述阴极的活性材料和所述集电器85以平面的方式放在彼此上并且彼此相连接。
所述分离器83布置在所述阳极的活性材料与所述阴极的活性材料之间。所述阳极的活性材料由此处于所述分离器83与所述阳极82的集电器81之间，并且所述阴极的活性材料处于所述分离器83与所述阴极84的集电器85之间。
所述分离器83同样构造为薄膜状并且允许离子通过，也就是能够被锂离子穿透。所述分离器83构造为多层、在此是三层的结构。所述分离器83包括导电的核心层93，该核心层被埋入在允许离子通过的第一边缘层91与允许离子通过的第二边缘层92之间。
在这里所示出的状态中给所述电池单池2充电。所述阴极84的集电器85处于比所述阳极82的集电器81更高的电位上。由此在所述阴极84的集电器85与所述阳极82的集电器81之间产生电场68。
在图3中示意性地示出了图2的电极单元10，该电极单元具有形式为用于对离子流进行控制的电连接结构的第一布线结构。所述分离器83的导电的核心层93和所述阴极84的集电器85在此短路，这通过图3中的闭合的开关64结合闪电符号来示出。
所述阴极84的集电器85和所述分离器83的核心层93处于相同的电位上，并且所述阳极82的集电器81处于较低的电位上。由此在所述分离器83的核心层93与所述阳极82的集电器81之间存在着电场68。但是在所述阴极84的集电器85与所述分离器83的核心层93之间不存在电场。由此不可能在所述分离器83与所述阴极84之间有离子流，并且由此也不可能在所述阳极82与所述分离器83之间有离子流。
也可以考虑，使所述分离器83的导电的核心层93与所述阳极82的集电器81短路。在这种情况中，所述阳极82的集电器81与所述分离器83的核心层93处于相同的电位上，并且所述阴极84的集电器85处于较高的电位上。由此在所述阴极84的集电器85与所述分离器83的核心层93之间存在着电场68。但是在所述分离器83的核心层93与所述阳极82的集电器81之间不存在电场。由此不可能在所述阳极82与所述分离器83之间有离子流，并且由此也不可能在所述分离器83与所述阴极84之间有离子流。
在图4中示意性地示出了图2的电极单元10，该电极单元具有形式为用于对离子流进行控制的电连接结构的第二布线结构。在此，在所述分离器83的导电的核心层93与所述阴极84的集电器85之间连接了形式为直流电源的电源66。所述电源66的正极在此与所述分离器83的核心层93相连接，并且所述电源66的负极与所述阴极84的集电器85相连接。
所述分离器83的核心层93由此处于比所述阴极84的集电器85和所述阳极82的集电器81更高的电位上。由此在所述分离器83的核心层93与所述阴极84的集电器85之间存在着电场68，并且在所述分离器83的核心层93与所述阳极82的集电器81之间存在着电场68。由此不可能在所述阳极82与所述阴极84之间有离子流。
也可以在所述分离器83的导电的核心层93与所述阳极82的集电器81之间连接形式为直流电源的电源66。所述电源66的负极在此与所述分离器83的核心层93相连接，并且所述电源66的正极与所述阳极82的集电器81相连接。所述分离器83的核心层93由此处于比所述阴极84的集电器85和所述阳极82的集电器81低的电位上。由此在所述阴极84的集电器85与所述分离器83的核心层93之间存在着电场68，并且在所述阳极82的集电器81与所述分离器83的核心层93之间存在着电场68。由此也不可能在所述阳极82与所述阴极84之间有离子流。
本发明不局限于这里所描述的实施例和在其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求所说明的范围之内，可以有大量的改型方案，这些改型方案在本领域技术人员的行事范围内。

Claims (11)

1.电池单池（2），其包括至少一个电极单元（10），所述电极单元具有阳极（82）、阴极（84）和布置在所述阳极（82）与所述阴极（84）之间的分离器（83），
其特征在于，
所述分离器（83）具有导电的核心层（93）和至少一个允许离子通过的边缘层（91、92），其中所述导电的核心层（93）构造为发泡的金属箔。
2.根据权利要求1所述的电池单池（2），其特征在于，所述导电的核心层（93）被埋入在允许离子通过的第一边缘层（91）与允许离子通过的第二边缘层（92）之间。
3.用于控制根据前述权利要求中任一项所述的电池单池（2）内部的离子流的方法，其中，在所述分离器（83）的导电的核心层（93）与阳极（82）的集电器（81）或者阴极（84）的集电器（85）之间建立电连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使所述导电的核心层（93）与所述阴极（84）的集电器（85）短路。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使所述导电的核心层（93）与所述阳极（82）的集电器（81）短路。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述导电的核心层（93）与所述阴极（84）的集电器（85）之间连接电源（66）。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述导电的核心层（93）与所述阳极（82）的集电器（81）之间连接电源（66）。
8.根据权利要求1或2所述的电池单池（2）和/或根据权利要求3至7中任一项所述的方法在电动车（EV）中、混合动力车（HEV）中或者飞行器中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述混合动力车（HEV）包括插电式混合动力车（PHEV）。
10.根据权利要求1或2所述的电池单池（2）和/或根据权利要求3至7中任一项所述的方法在固定的电池中的应用。
11.根据权利要求1或2所述的电池单池（2）和/或根据权利要求3至7中任一项所述的方法在海事应用中的电池中的应用。
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