CN106450147B - 用于电池组电池的电极单元、电池组电池及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电池组电池的电极单元、电池组电池及其运行方法。本发明涉及用于电池组电池的电极单元，所述电极单元包括具有阳极活性材料和阳极泄流器的阳极以及具有阴极活性材料和阴极泄流器的阴极以及将所述阳极与所述阴极分开的隔离器。在此，所述阳极活性材料以带状阳极区段的形式存在和/或所述阴极活性材料以带状阴极区段的形式存在，其中所述隔离器以连续的方式被构造。本发明还涉及包括这种电极单元的电池组电池以及用于运行所述电池组电池的方法，其中探测从一个阳极区段流动到相邻的阳极区段的平衡电流，和/或探测从一个阴极区段流动到相邻的阴极区段的平衡电流。

Description

用于电池组电池的电极单元、电池组电池及其运行方法

技术领域

本发明涉及用于电池组电池的电极单元，所述电极单元包括阳极、阴极以及隔离器。本发明还涉及包括至少一个电极单元的电池组电池以及用于运行电池组电池的方法。

背景技术

电能能够借助于电池组来存储。电池组将化学反应能量转换成电能。在这种情况下区分一次电池组和二次电池组。一次电池组是仅仅能够一次性地运转的，而也被称为蓄电池的二次电池组是能够再充电的。电池组在此包括一个或多个电池组电池。

在蓄电池中特别是使用所谓的锂离子电池组电池。这些锂离子电池组电池的特色尤其在于高的能量密度以及小的自放电。锂离子电池组电池尤其在机动车中、特别是在电动车辆（Electric Vehicle，EV）、混合动力车辆（Hybrid Electric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybrid Electric Vehicle，PHEV）中采用。

锂离子电池组电池具有也被称为阴极的正电极以及也被称为阳极的负电极。阴极以及阳极包括各一个泄流器（Stromableiter），活性材料被施加到所述泄流器上。用于阴极的活性材料例如是金属氧化物。用于阳极的活性材料例如是石墨。但是也将硅用作用于阳极的活性材料。

锂原子被插入到阳极的活性材料中。在电池组电池的运行中、即在放电过程中，电子在外部的电路中从阳极流动到阴极。在电池组电池之内锂离子在放电过程中从阳极迁移到阴极。在此，锂离子以可逆的方式从阳极的活性材料转移，这也被称为去锂化（Delithiierung）。在电池组电池的充电过程中，锂离子从阴极迁移到阳极。在此，锂离子以可逆的方式再插入到阳极的活性材料中，这也被称为锂化（Lithiierung）。

电池组电池的电极被构造为薄膜式的并且在将阳极与阴极分开的隔离器的中间层的情况下被缠绕成电极绕组。这种电极绕组也被称为极组（Jelly-Roll）。电极也可以相互堆叠成电极堆栈或者以其它方式构成电极单元。

电极单元的两个电极借助于集电器与电池组电池的也被称为端子的极电连接。电池组电池一般来说包括一个或多个电极单元。电极和隔离器被一般来说液态的电解质包围。电解质对于锂离子来说是有传导能力的并且实现锂离子在电极之间的运输。

电池组电池此外具有电池外壳，所述电池外壳例如由铝制成。在被称为棱柱形的电池组电池的构造形式的情况下，电池外壳被设计为棱柱形的、特别是长方体状的并且被构造为耐压的。在此，端子处于电池外壳之外。在将电极与端子连接之后电解质被填充到电池外壳中。特别是通过电池外壳的设计方案来区分的另外的构造形式广泛流行，例如具有圆柱形的电池外壳的圆形电池以及具有棱柱形的、机械上不耐压的电池外壳的袋式电池（Pouchzellen）。

在电池组系统的目前普遍的设计方案中，多个电池组电池被联合成电池组模块。多个电池组模块构成电池组系统，所述电池组系统附加地包括用于监视以及控制电池组模块以及电池组电池的控制单元。

根据前序部分的具有电极单元的电池组电池例如从DE 10 2013 200 714 A1中已知，所述电极单元包括由隔离器分开的阳极和阴极。

从US 2013/0113495 A1中已知具有多个电池组电池的电池组以及用于电池组电池中的故障识别的方法。

在US 2011/0110183169 A1中公开了如下电池组电池，所述电池组电池具有多个电极单元，所述电极单元被布置在共同的外壳中。

发明内容

提出一种用于电池组电池的电极单元，所述电极单元包括具有阳极活性材料和阳极泄流器的阳极以及具有阴极活性材料和阴极泄流器的阴极以及将阳极与阴极分开的隔离器。

在此，根据本发明，阳极活性材料以带状阳极区段的形式存在和/或阴极活性材料以带状阴极区段的形式存在，而隔离器以连续的方式被构造。

根据本发明的一种有利的设计方案，阳极泄流器以连续的方式被构造和/或阴极泄流器以连续的方式被构造。

根据本发明的另一种有利的设计方案，阳极泄流器以带状阳极泄电器区段的形式存在和/或阴极泄流器以带状阴极泄电器区段的形式存在。

在此，优选地，阳极泄流器的阳极泄电器区段通过连接条来相互连接和/或阴极泄流器的阴极泄电器区段通过连接条来相互连接。

还提出一种电池组电池，所述电池组电池包括至少一个根据本发明的电极单元。

此外，提出一种用于运行根据本发明的电池组电池的方法。在此，探测从一个阳极区段流动到相邻的阳极区段的平衡电流和/或探测从一个阴极区段流动到相邻的阴极区段的平衡电流。

根据所述方法的一种有利的设计方案，测量由平衡电流所产生的磁场，所述平衡电流流过以连续的方式被构造的阳极泄流器和/或所述平衡电流流过以连续的方式被构造的阴极泄流器。

根据所述方法的另一种有利的设计方案，测量由平衡电流所产生的磁场，所述平衡电流流过连接条，阳极泄流器的阳极泄电器区段通过所述连接条相互连接和/或阴极泄流器的阴极泄电器区段通过所述连接条相互连接。

根据所述方法的另一种有利的设计方案，测量施加在连接条上的由流过所述连接条的平衡电流所产生的电压，阳极泄流器的阳极泄电器区段通过所述连接条相互连接和/或阴极泄流器的阴极泄电器区段通过所述连接条相互连接。

根据本发明的电池组有利地在固定式蓄能器中、在电动车辆（EV）中、在混合动力车辆（HEV）中、在插电式混合动力车辆（PHEV）中或者在消费电子产品中使用。消费电子产品特别是应被理解为移动电话、平板电脑或笔记本。

本发明的优点

根据本发明所设计的电极单元允许相对简单的故障识别。在完好的电极单元的情况下，电流在相同的方向上流过所有阳极区段以及所有阴极区段。在电极单元有缺陷的情况下，有缺陷的阳极区段或者有缺陷的阴极区段具有被改变的电特性。由此平衡电流例如从有缺陷的阳极区段流动到相邻的阳极区段或者从有缺陷的阴极区段流动到相邻的阴极区段。当不存在电极单元的缺陷时，则不存在平衡电流或仅存在小的、能够在时间上缓慢地变化的平衡电流。

这种平衡电流因此是对电池组电池中的故障的提示，所述故障可能导致电池组电池的加热直至超出临界温度。在此可能触发电池组电池的也被称为“热逃逸（ThermalRunaway）”的放热反应。由此也可能发生电池组电池的燃烧或者爆炸。在通过探测电极单元中的平衡电流来及时地识别这种故障的情况下可以及时地关断电池组电池和/或可以执行另外的安全措施、特别是电池组电池的放电。

能够相对简单地执行这种平衡电流的探测，所述平衡电流在与正常的、流过阳极区段以及阴极区段的电流不同的方向上流动。特别是平衡电流产生磁场，所述磁场具有如下定向，所述定向偏离由正常的电流所产生的磁场。因此可以及早地以及可靠地识别电极单元处的缺陷。

有故障的电池组电池和没有故障的电池组电池之间的区分例如可以通过电池组电池中或处的电子设备来进行或者在更高的集成层面上、例如在模块电子设备中进行。当平衡电流和与之关联的测量参量在时间上快速地改变时或者当这些参量升高超过没有故障的电池组电池的典型的极限值时，例如分类为有故障的电池组电池。

除了在电池组电池作为电池组系统中的蓄能器运行期间的电池监视之外，将根据本发明的方法用于在制造之后、在运输或贮存期间的电池故障检查也是可能的。

附图说明

借助附图以及随后的描述来进一步解释本发明的实施方式。

图1示出电池组电池的示意图，

图2示出图1中的电池组电池的电极单元的透视图，

图3示出根据第一实施方式的图2中的电极单元的示意性截面图，

图4示出根据第二实施方式的图2中的电极单元的示意性截面图，

图5示出根据第三实施方式的图2中的电极单元的示意性俯视图，以及

图6示出具有集成的传感器的电池组电池的示意图。

在本发明的实施方式的随后的描述中，相同的或相似的元件以相同的附图标记来标明，其中在个别情况中放弃对这些元件的重复描述。所述图仅仅示意性地示出本发明的主题。

具体实施方式

电池组电池2示意性地被示出在图1中。电池组电池2包括电池外壳3，所述电池外壳当前长方体状地被构造。电池外壳3当前以导电的方式被实施并且例如由铝制成。但是，电池外壳3也可以由电绝缘的材料、例如塑料制成和/或以例如与圆形电池或袋式电池不同的构造形式来实施。

电池组电池2包括负端子11和正端子12。通过端子11、12可以截取由电池组电池2所提供的电压。此外，电池组电池2也可以通过端子11、12来充电。端子11、12相互间隔地被布置在棱柱形的电池外壳3的遮盖面处。

在电池组电池2的电池外壳3之内布置有电极单元10，所述电极单元当前被实施为电极绕组。电极单元10具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别被实施为薄膜式的并且在隔离器18的中间层的情况下被缠绕成电极绕组。也可以设想：在电池外壳3中设置有多个电极单元10。电极单元10例如也可以被实施为电极堆栈来代替被实施为电极绕组。

阳极21包括阳极活性材料41，所述阳极活性材料被实施为薄膜式的。阳极活性材料41具有例如石墨或硅或者包含这些物质的合金作为基本物质。阳极21此外包括阳极泄流器31，所述阳极泄流器同样被构造为薄膜式的。阳极活性材料41和阳极泄流器31以平面的方式彼此挨着被放置并且相互连接。

阳极泄流器31以导电的方式被实施并且由金属、例如由铜制成。阳极泄流器31借助于集电器52与电池组电池2的负端子11电连接。

阴极22包括阴极活性材料42，所述阴极活性材料被实施为薄膜式的。阴极活性材料42具有例如金属氧化物作为基本物质。阴极22此外包括阴极泄流器32，所述阴极泄流器同样被实施为薄膜式的。阴极活性材料42和阴极泄流器32以平面的方式彼此挨着被放置并且相互连接。

阴极泄流器32以导电的方式被实施并且由金属、例如由铝制成。阴极泄流器32借助于集电器52与电池组电池2的正端子12电连接。

阳极21和阴极22通过隔离器18彼此分开。隔离器18同样被构造为薄膜式的。隔离器18以电绝缘、但是有离子传导能力、即对于锂离子来说可穿透的方式被构造。

电池组电池2的电池外壳3利用电解质15、例如液态的电解质或者利用聚合物电解质来填充。电解质15在此包围阳极21、阴极22和隔离器18。电解质15也有离子传导能力。

图2示出图1中的电池组电池2的电极单元10的透视图。电极单元10在此如已经提及的那样当前被实施为电极绕组。阳极21、在该图示中不可见的阴极22以及隔离器18围绕卷绕轴A被卷绕成电极绕组。

阳极21包括阳极泄流器31以及阳极活性材料41。阳极活性材料41在此包括第一带状阳极区段71和至少一个第二带状阳极区段72。带状阳极区段71、72相互平行地平放在阳极泄流器31上。带状阳极区段71、72彼此分开。也还可以设置另外的带状阳极区段。隔离器18以连续的、整体的方式被构造。

图3示出根据第一实施方式的图2中的电极单元10的示意性截面图。阳极泄流器31在此以连续的、整体的方式被构造。至少两个带状阳极区段71、72在此相互平行地平放在连续的阳极泄流器31上并且彼此分开。

阴极22与阳极21相似地被构建并且包括阴极活性材料42，所述阴极活性材料包括第一带状阴极区段81和至少一个第二带状阴极区段82。带状阴极区段81、82相互平行地平放在阴极泄流器32上，所述阴极泄流器以连续的、整体的方式被构造。也还可以设置另外的带状阴极区段。

此外，至少两个带状阳极区段71、72以及至少两个带状阴极区段81、82位于连续的、整体的隔离器18上。

在电极单元10的第一实施方式的一种变型方案中，阳极活性材料41或阴极活性材料42也可以以连续的、整体的方式被构造。

图4示出根据第二实施方式的图2中的电极单元10的示意性截面图。阳极泄流器31在此包括第一带状阳极泄电器区段76和至少一个第二阳极泄电器区段77，所述第一带状阳极泄电器区段和至少一个第二阳极泄电器区段相互平行地伸展并且彼此分开。也还可以设置另外的带状阳极泄电器区段。

第一带状阳极区段71平放在第一带状阳极泄电器区段76上。第二带状阳极区段72平放在第二带状阳极泄电器区段77上。也还可以将另外的带状阳极区段平放在另外的阳极泄电器区段上。

阴极22与阳极21相似地被构建并且包括阴极活性材料42，所述阴极活性材料包括第一带状阴极区段81和第二带状阴极区段82。也还可以设置另外的带状阴极区段。阴极泄流器32包括第一带状阴极泄电器区段86和第二阴极泄电器区段87，所述第一带状阴极泄电器区段和第二阴极泄电器区段相互平行地伸展并且彼此分开。也还可以设置另外的带状阴极泄电器区段。

第一带状阴极区段81平放在第一带状阴极泄电器区段86上。第二带状阴极区段82平放在第二带状阴极泄电器区段87上。也还可以将另外的带状阴极区段平放在另外的阴极泄电器区段上。

此外，带状阳极区段71、72和带状阴极区段81、82位于连续的、整体的隔离器18上。

在电极单元10的第二实施方式的一种变型方案中，阳极泄流器31或阴极泄流器32也可以以连续的、整体的方式被构造。

图5示出根据第三实施方式的图2中的电极单元10的示意性俯视图。根据第三实施方式的电极单元10与根据第二实施方式的在图4中所示出的电极单元10相似。

与根据第二实施方式的在图4中所示出的电极单元10不同，阳极泄流器31的第一阳极泄电器区段76和第二阳极泄电器区段77通过连接条90相互连接。同样，在该图示中不可见的阴极泄流器32的在该图示中不可见的第一阴极泄电器区段86和在该图示中不可见的第二阴极泄电器区段87通过在该图示中不可见的连接条90相互连接。

在电极单元10的第三实施方式的一种变型方案中，也可以取消阳极泄流器31的连接条90或阴极泄流器32的连接条90。在电极单元10的第三实施方式的另一种变型方案中，阳极泄流器31或阴极泄流器32也可以以连续的、整体的方式被构造。

在例如第一阳极区段71有缺陷的情况下，平衡电流Ia例如从有缺陷的第一阳极区段71经过连接条90中的至少一个流动到相邻的第二阳极区段72。在此，平衡电流Ia当前与被实施为电极绕组的电极单元10的卷绕轴A平行地流动。在电池组电池2既不被充电也不被放电的时间段中，这些平衡电流Ia直接提示电池故障的存在。在电池组电池2的放电或充电的情况下，正常的、流过阳极区段71、72的电流在与平衡电流Ia不同的方向上、当前与平衡电流近似地成直角地流动。

因此，平衡电流Ia产生磁场，所述磁场具有如下定向，所述定向偏离由正常的、流过阳极区段71、72的电流所产生的磁场。

在例如第一阴极区段81有缺陷的情况下，平衡电流Ia例如从有缺陷的第一阴极区段81经过连接条90中的至少一个流动到相邻的第二阴极区段82。在此，平衡电流Ia当前与被实施为电极绕组的电极单元10的卷绕轴A平行地流动。正常的、流过阴极区段81、82的电流在该实施例中在卷绕轴A周围流动。因此，正常的、流过阴极区段81、82的电流在与平衡电流Ia不同的方向上、当前与平衡电流近似地成直角地流动。

因此，平衡电流Ia产生如下磁场，所述磁场具有如下定向，所述定向偏离由正常的、流过阴极区段81、82的电流所产生的磁场。

平衡电流Ia的探测通过探测由平衡电流Ia所产生的磁场是可能的。在图6中示意性地示出了具有用于探测磁场的集成的传感器50的电池组电池2。

被实施为电极绕组的电极单元10被布置在电池外壳3中，使得卷绕轴A在如下方向上伸展，所述方向与负端子11和正端子12之间的连接线平行地延伸。

未被示出的阳极泄流器31借助于集电器52与负端子11连接。未被示出的阴极泄流器32借助于集电器52与正端子12连接。

用于探测磁场的传感器50在当前实施例中以与端子11、12大约等距地相间隔的方式被安置在电池外壳3之内。传感器50在此被定向，使得传感器50可以探测由电流所产生的磁场，所述电流平行于卷绕轴A流动。传感器50特别是不探测由如下电流所产生的磁场，所述电流与卷绕轴A相切地在卷绕轴A周围流动。

在图2、图3、图4和图5中所示出的电极单元10的情况下，带状阳极区段71、72、带状阴极区段81、82、带状阳极泄电器区段76、77以及带状阴极泄电器区段86、87分别与卷绕轴A相切地伸展。也可以设想：带状阳极区段71、72、带状阴极区段81、82、带状阳极泄电器区段76、77以及带状阴极泄电器区段86、87与卷绕轴A平行地伸展。

在此情况下，由缺陷所引起的平衡电流Ia将在与卷绕轴A相切的方向上流动并且产生相应的磁场。为了探测这种平衡电流Ia于是将设置传感器50，所述传感器被定向，使得传感器50可以探测由如下电流所产生的磁场，所述电流与卷绕轴A相切地流动。

本发明不限于这里所描述的实施例以及在其中所强调的方面。更确切地说，在由权利要求所说明的范围之内位于本领域技术人员的处理范围中的大量变型方案是可能的。

Claims (9)

1.用于电池组电池（2）的电极单元（10），所述电极单元包括：

阳极（21），所述阳极具有阳极活性材料（41）和阳极泄流器（31），以及

阴极（22），所述阴极具有阴极活性材料（42）和阴极泄流器（32），以及

隔离器（18），所述隔离器将所述阳极（21）与所述阴极（22）分开，

其特征在于，

所述阳极活性材料（41）以带状阳极区段（71、72）的形式存在，和/或

所述阴极活性材料（42）以带状阴极区段（81、82）的形式存在，其中

所述隔离器（18）以连续的方式被构造，

所述阳极泄流器（31）以带状阳极泄电器区段（76、77）的形式存在，和/或所述阴极泄流器（32）以带状阴极泄电器区段（86、87）的形式存在。

2.根据权利要求1所述的电极单元（10），其特征在于，所述阳极泄电器区段（76、77）通过连接条（90）相互连接，和/或所述阴极泄电器区段（86、87）通过连接条（90）相互连接。

3.电池组电池（2），所述电池组电池包括至少一个根据前述权利要求之一所述的电极单元（10）。

4.用于运行根据权利要求3所述的电池组电池（2）的方法，其特征在于，

探测从一个阳极区段（71、72）流动到相邻的阳极区段（71、72）的平衡电流（Ia），

和/或

探测从一个阴极区段（81、82）流动到相邻的阴极区段（81、82）的平衡电流（Ia）。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

测量如下磁场，所述磁场由所述平衡电流（Ia）产生，所述平衡电流流过连接条（90），

阳极泄电器区段（76、77）通过所述连接条相互连接，和/或

阴极泄电器区段（86、87）通过所述连接条相互连接。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

测量施加在连接条（90）上的由流过所述连接条（90）的平衡电流（Ia）所产生的电压，

阳极泄电器区段（76、77）通过所述连接条相互连接，和/或

阴极泄电器区段（86、87）通过所述连接条相互连接。

7.根据权利要求3所述的电池组电池（2）在固定式蓄能器中、在电动车辆（EV）中或者在消费电子产品中的使用。

8.根据权利要求7所述的使用，其特征在于，所述电动车辆（EV）是混合动力车辆（HEV）。

9.根据权利要求8所述的使用，其特征在于，所述混合动力车辆（HEV）是插电式混合动力车辆（PHEV）。

Images