CN107258026B - 具有二次密封件的锂离子电池单元 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池单元包含封装锂离子电池单元的活性组成部分的棱柱形壳体。所述锂离子电池单元还包含：端子，其具有延伸穿过所述壳体中的开口并电连接到所述活性组成部分的端子柱；一次密封部件，被配置成相对于壳体而密封端子柱的第一部分；以及二次密封件，其围绕所述端子柱的第二部分并抵靠所述一次密封部件而设置。所述二次密封件由可固化粘合树脂形成，并被配置成阻挡电解质从所述锂离子电池单元排出并被配置成阻挡水分进入到所述锂离子电池单元中。

Description

具有二次密封件的锂离子电池单元
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年1月5日提交的题为“用于电池单元端子的二次密封剂(Secondary Sealant for Battery Cell Terminals)”的美国临时申请序列号62/099,944的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
背景技术
本公开总的来说涉及锂离子电池和电池模块的领域。更具体来说，本公开涉及可用于车辆情形下以及其它能量存储/消耗应用中的电池单元。
本部分旨在向读者介绍可与下文所描述和/或所要求的本公开的各方面相关的技术的各方面。此论述内容被认为有助于向读者提供背景信息以便于较好地理解本公开的各方面。因此，应理解，这些陈述要从这个角度来阅读，而不是作为对现有技术的承认。
使用一个或更多个电池系统来为车辆提供全部或一部分动力的车辆可被称为xEV，其中术语“xEV”在本文中被定义为包含使用电力来提供其全部或一部分车辆动力的以下全部车辆或其任何变化或组合。例如，xEV包含利用电力来提供全部动力的电动车辆(EV)。如本领域的技术人员将会理解的，也被称为xEV的混合电动车辆(HEV)组合了内燃机推进系统和诸如48伏(V)或130V系统的电池供电电动推进系统。术语HEV可包含混合电动车辆的任何变化。例如，全混合动力系统(FHEV)可使用一个或更多个电动机、仅使用内燃机或使用两者而将动力和其它电力提供给车辆。相比之下，轻度混合动力系统(MHEV)在车辆怠速时停用内燃机，并利用电池系统来继续对空调单元、无线电或其它电子器件供电并在需要推进时重启发动机。轻度混合动力系统也可例如在加速期间应用一定程度的动力辅助，以对内燃机进行补充。轻度混合动力系统通常是96V到130V，并且经由皮带或曲柄集成式起动发电机而回收制动能量。此外，微混合电动车辆(mHEV)还使用类似于轻度混合动力系统的“停止-起动”系统，但mHEV的微混合动力系统可能供应或可能不供应动力辅助给内燃机并在低于60V的电压下工作。出于本论述内容的目的，应注意，mHEV通常在技术上不使用直接提供给曲柄轴或传动装置的电力用于车辆的动力的任何部分，但是mHEV可仍被视为xEV，这是因为当车辆怠速而内燃机停用时，mHEV不使用电力来对车辆的动力需要进行补充，并且经由集成式起动发电机来回收制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是可从外部电源(例如，壁式插座)充电的任何车辆，并且可再充电电池组中所存储的能量驱动或有助于驱动车轮。PEV是包含全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)以及混合电动车辆与常规内燃机车辆的电动车辆转换的EV的子类。
与仅使用内燃机和通常由铅酸电池供电的12V系统的传统电气系统的较传统的燃气动力车辆相比，如上所述的xEV提供了许多优点。例如，与常规内燃车辆相比，xEV可产生较少的不良排放物并且可展现较高的燃料效率，并且在一些情况下，这些xEV可完全消除汽油的使用，如同某些类型的EV或PEV那样。
随着xEV技术继续演进，需要对这些车辆提供改进的电源(例如，电池系统或模块)。例如，希望增大这些车辆可行驶的距离，而不需要对电池再充电。此外，可还希望提高这些电池的性能并降低与电池系统相关联的成本。在与这些电池系统的性能和成本相关联的许多考虑事项中，目前认识到可希望减少从并入到电池系统中的电池单元的电解质泄漏的发生，这可提高这些电池单元的使用寿命并提高从相关联的制造工艺获得的可用电池单元的产率。
发明内容
下文阐述本文所公开的某些实施例的概述。应理解，呈现这些方面仅是为了向读者提供这些实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖下文可能没有阐述的各方面。
在实施例中，一种锂离子电池模块包含设置在电池模块的外壳内的锂离子电池单元。锂离子电池单元包含：壳体，封装锂离子电池单元的活性组成部分，活性组成部分包含电解质以及与电解质接触的电极组件；端子，电连接到电极组件，其中端子包含延伸穿过壳体中的开口的电接触部；一次密封部件，抵靠电接触部而设置，以相对于壳体来密封电接触部；以及二次密封件，围绕电接触部并抵靠一次密封部件而设置。二次密封件由可固化粘合树脂形成，并被配置成阻挡电解质从锂离子电池单元排出。
在另一实施例中，一种锂离子电池单元包含封装锂离子电池单元的活性组成部分的棱柱形壳体。锂离子电池单元还包含：端子，具有延伸穿过壳体中的开口并电连接到活性组成部分的端子柱；一次密封部件，被配置成相对于壳体而密封端子柱的第一部分；以及二次密封件，围绕端子柱的第二部分和一次密封部件而设置。二次密封件由可固化粘合树脂形成，并被配置成阻挡电解质从锂离子电池单元排出并被配置成阻挡水分进入到锂离子电池单元中。
在另一实施例中，一种双重密封的锂离子电池单元是通过一种包含以下步骤的过程制成：将具有可固化粘合树脂的二次密封剂设置在棱柱形锂离子电池单元的经密封的端子区域上，以使得二次密封剂覆盖端子区域的电接触部的第一部分以及一次密封件，该一次密封部件抵靠电接触部的第二部分而设置。所述方法还包含使可固化粘合树脂固化以形成覆盖电接触部的第一部分和一次密封部件的二次密封件。
附图简单说明
本公开的各个方面经阅读下述具体实施方式并参考附图可更好地理解，其中：
图1是根据本公开的方面的xEV的透视图，其中所述xEV具有根据本发明的实施例而配置以对xEV的各种部件提供电力的电池系统；
图2是根据本公开的方面的xEV的实施例的剖视示意图，其中所述xEV具有利用图1的电池系统的起动-停止系统，所述电池系统具有锂离子电池模块；
图3是根据本发明的方法的实施例的具有多个电池单元的图2的锂离子电池模块的分解透视图；
图4是根据本发明的方法的实施例的图3的电池单元中的一个的实施例的透视图；
图5是根据本发明的方法的实施例的图4的电池单元的放大的且部分的剖视图，此图是在剖面5-5内截取的；
图6是根据本发明的方法的实施例的图4的电池单元的横截面图，此图是在剖面6-6内截取的并图示电池单元的活性内部组成部分；
图7是根据本发明的方法的实施例的图6的放大图，此图是在剖面7-7内截取的并进一步图示图4的电池单元的端子区域处所设置的各种密封件；
图8是根据本发明的方法的实施例的图6的放大图，此图是在剖面7-7内截取的并图示具有聚合物壳体的图4的电池单元的实施例的端子区域处所设置的各种密封件的另一实施例；
图9是根据本发明的方法的实施例的图6的放大图，此图是在剖面7-7内截取的并图示具有聚合物壳体的图4的电池单元的实施例的端子区域处所设置的各种密封件的另一实施例；
图10a是根据本发明的方法的实施例的在二次密封件的引入之前的电池单元的透视图；
图10b是根据本发明的方法的实施例的图10a的电池单元的一次密封的端子中的一个的放大图；
图10c是根据本发明的方法的实施例的图10a的电池单元的一次密封的端子中的另一个的放大图；
图10d是根据本发明的方法的实施例的在二次密封件的引入之后的电池单元的透视图；
图10e是根据本发明的方法的实施例的图10d的电池单元的双重密封的端子中的一个的放大图；
图10f是根据本发明的方法的实施例的图10d的电池单元的双重密封的端子中的另一个的放大图；
图11是根据本发明的方法的实施例的图4的电池单元的实施例的端子的透视图，所述端子具有钻到一次密封件中以助长泄漏来进行测试的孔；
图12是根据本发明的方法的实施例从测试用二次密封剂密封的各种电池单元获得的泄漏速率的图形描绘；以及
图13是根据本发明的方法的实施例从测试用二次密封剂密封的各种电池单元获得的泄漏速率的图形描绘。
具体实施方式
下文将描述一个或更多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，没有在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多特定于实施方案的决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件可在实施方案间有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂且费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。
本文所述的电池系统可用于将电力提供给许多不同类型的xEV以及其它能量存储应用(例如，电网电力存储系统)。这样的电池系统可包含一个或更多个电池模块，每一电池模块具有被布置成提供适用于对例如xEV的一个或更多个部件供电的特定电压和/电流的许多电池单元(例如，锂离子电池单元)。通常，电池单元包含电化学材料(例如，电解质、电极活性材料)，其中所述电化学材料负责电池单元的大部分电活性。电化学材料容纳在单元的某些机械特征(例如，电池单元的外壳、电池单元的集流器等)内并由所述机械特征支撑。
在生产期间，电池单元的这些机械特征和电化学特征的组合可导致使用不同材料密封的电池单元的一个或更多个区域。例如，包含电联接到电池单元内部的电化学部件的一些部分并且还包含向环境露出的其它部分的电池单元的端子可使用电绝缘的、顺应性密封件而相对于电池单元外壳密封。所述密封件通常包含与端子和外壳相比不同的材料。不幸的是，这些不同材料的相会可产生在一些情形下不足以将全部电化学材料保留在电池单元内的区域。这种材料损耗可降低电池单元的性能，并还可降低连接到电池单元的任何电气部件(例如，其它电池单元、具有电池单元的电池模块)的性能。
现在认识到，围绕电池单元的端子柱(例如，电接触部)的密封剂可用于实现电池单元的增强的密封。实际上，由于许多原因(包含将相对恒定的量的电解质维持在电池单元内，同时还阻碍水进入到电池单元中)，可能希望用二次密封剂来密封电池单元(例如，锂离子电池单元)。通过阻碍电解质从电池单元排出并阻碍水进入到电池单元中，可在较长的时间段内维持电池单元的一致的电气性能。在具有这些电池单元的电池模块的情形下，电池模块可具有提高的可靠性，并且可在其使用寿命内提供稳定的性能。从制造的观点来看，电池单元的二次密封剂可在制造期间实现较高电池单元产率(例如，可用电池单元的较高产率)，这可降低与电池单元的生产相关联的成本。在消费端，这些降低的成本可能使与这些电池单元和包含所述单元的电池模块的采购和维护相关联的成本更低。图1和图2描绘了包含具有本公开的二次密封剂的电池单元的系统的实例实施例。可参照图1来进一步了解本发明的实施例，其中图1是可利用再生制动系统的车辆(例如，xEV)10的实施例的透视图。虽然以下讨论涉及具有再生制动系统的车辆，但本文所述的技术可适用于通过电池捕获/存储电能的其它车辆，其中所述车辆包含电动车辆和燃气动力车辆。
现在认识到，希望非传统电池系统12(例如，锂离子车辆电池)与传统车辆设计在很大程度上兼容。在这方面，本发明的实施例包含用于xEV的各种类型的电池模块以及包含xEV的系统。因此，电池系统12可被放置在车辆10中本来会容纳传统电池系统的的位置中。例如，如图示，车辆10可包含类似于典型内燃机车辆的铅酸电池(例如，在车辆10的发动机罩下面)而定位的电池系统12。此外，如下文更详细地描述，电池系统12可定位成便于管理电池系统12的温度。例如，在一些实施例中，将电池系统12定位在车辆10的发动机罩下面可使空气管道能够在电池系统12上导引气流并冷却电池系统12。
图2中描述了电池系统12的较详细视图。如图所描绘，电池系统12包含能量存储部件14，其中能量存储部件14耦接到点火系统16、交流发电机18、车辆控制台20并且任选地耦接到电动机22。通常，能量存储部件14可捕获/存储在车辆10中所产生的电能，并输出电能以对车辆10中的电气装置供电。
换句话说，电池系统12可将电力供应给车辆的电气系统的部件，其中所述部件可包含散热冷却风扇、气候控制系统、电动助力转向系统、主动悬挂系统、自动泊车系统、电动油泵、电动机械/涡轮增压器、电动水泵、加热挡风玻璃/除霜器、窗升降电动机、阅读灯、胎压监视系统、天窗电动机控制机构、电动座椅、警报系统、信息娱乐系统、导航特征、车道偏离警告系统、电动驻车制动器、外部灯或其任何组合。举例来说，在所描绘的实施例中，能量存储部件14将电力供应给车辆控制台20和点火系统16，这可用于起动(例如，启动)内燃机24。
此外，能量存储部件14可捕获交流发电机18和/或电动机22所产生的电能。在一些实施例中，交流发电机18可在内燃机24正运行时产生电能。更具体来说，交流发电机18可将通过内燃机24的旋转而产生的机械能转换为电能。附加地或可替换地，当车辆10包含电动机22时，电动机22可通过将通过车辆10的移动(例如，车轮的旋转)而产生的机械能转换为电能而产生电能。因此，在一些实施例中，能量存储部件14可在再生制动期间捕获交流发电机18和/或电动机22所产生的电能。因此，交流发电机和/或电动机22在本文中通常被称为再生制动系统。
为了便于捕获并供应电能，能量存储部件14可经由总线26而电耦接到车辆的电气系统。例如，总线26可使能量存储部件14能够接收交流发电机18和/或电动机22所产生的电能。此外，总线26可使能量存储部件14能够将电能输出给点火系统16和/或车辆控制台20。因此，当使用12伏电池系统12时，总线26可携载通常在8伏至18伏之间的电力。
此外，如图所描绘，能量存储部件14可包含多个电池模块。例如，在所描绘的实施例中，能量存储部件14包含各自包含一个或更多个电池单元的锂离子(例如，第一)电池模块28和铅酸(例如，第二)电池模块30。在其它实施例中，能量存储部件14可包含任何数量的电池模块。此外，虽然锂离子电池模块28和铅酸电池模块30被描绘为相互邻近，但它们可定位在车辆的不同区域中。例如，铅酸电池模块可定位在车辆的内部中或内部附近，而锂离子电池模块28可定位在车辆10的发动机罩之下。
在一些实施例中，能量存储部件14可包含多个电池模块以利用多种不同电池化学成分。例如，当使用锂离子电池模块28时，电池系统12的性能可提高，这是因为相比铅酸电池化学成分，锂离子电池化学成分通常具有较高库伦效率和/或较高充电接受速率(例如，较高的最大充电电流或充电电压)。因此，电池系统12的捕获、存储和/或配电效率可提高。
为了便于控制电能的捕获和存储，电池系统12可另外包含控制模块32。更具体地，控制模块32可控制电池系统12中的部件(例如，能量存储部件14、交流发电机18和/或电动机22内的继电器(例如，开关))的操作。例如，控制模块32可调节每一电池模块28或30所捕获/供应的电能的量(例如，降低电池系统12的额定值和重新设定电池系统12的额定值)，在电池模块28与30之间执行负载平衡，确定每一电池模块28或30的电量状态，确定每一电池模块28或30的温度，控制由交流发电机18和/或电动机22输出的电压等。
因此，控制单元32可包含一个或更多个处理器34和一个或更多个存储器36。更具体来说，一个或更多个处理器34可包含一个或更多个专用集成电路(ASIC)、一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或更多个通用处理器或其任何组合。此外，一个或更多个存储器36可包含易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、光学驱动器、硬盘驱动器或固态驱动器)。在一些实施例中，控制单元32可包含车辆控制单元(VCU)的部分和/或独立电池控制模块的部分。此外，如图所描绘，锂离子电池模块28和铅酸电池模块30在其端子上并联连接。换句话说，锂离子电池模块28和铅酸电池模块30可经由总线26而并联耦接到车辆的电气系统。
如上文所阐述，根据本公开的锂离子电池模块的某些实施例可包含多个电池单元，其中每一电池单元包含单元端子。锂离子电池模块28的实例实施例示出在图3中，其中为了清楚起见，移除了电池模块28的某些特征。各自包含多个电池单元44的第一电池单元堆叠40和第二电池单元堆叠42被示出为从模块外壳46移除。再次，根据本公开的方面，电池单元44包含二次密封剂。当组装模块28时，电池单元44以特定的定向定位在模块外壳46的单元容器区域48内。在图3的实施例中，电池单元44“底部为先”而插入到单元容器区域48中。然而，当前公开的电池单元可按任何定向并按任何布置定位。因此，电池单元在模块外壳中的定位不受特定限制。
可参照图4来进一步了解电池单元44的某些特征以及定向，其中图4是电池单元44中的一个的透视图。如图所描绘，第一电池单元堆叠40和第二电池单元堆叠42的每一电池单元44通常包含壳体58，其中第一单元端子60和第二单元端子62(例如，分别是正端子和负端子)穿过壳体58而突出。容纳单元44的活性电化学元件的电池单元44的壳体(外壳)58可以是聚合物、金属、复合物或任何其它适当材料。在棱柱形单元配置中，如图3到图9所示，电池单元44的壳体58包含顶部64，其中至少一个端子位于顶部64处(所图示的实施例具有第一单元端子60和第二单元端子62)。
图4的所图示的电池单元44还包含呈相对关系的第一面66和第二面68。第一面66和第二面68对应于电池单元44的壳体(外壳)的最宽的部分。电池单元44的底部70基本上与顶部64相对。第一面66和第二面68在顶部64与底部70之间延伸，并且由第一侧72和第二侧74耦接。第一侧72和第二侧74可以是笔直的、圆形的或任何其它合适的几何形状。
电池单元44的所图示的实施例在端子60、62中的每一个处包含端子柱76。端子柱76被配置成充当电池单元44的电接触部，以实现与其它电池单元和/或模块28的其它特征或某一其它电负载的电互连。如图5的部分放大的横截面图所示，端子柱76设置在电池单元44的端子区域78中。端子区域78被图示为由电池单元44(单元44的壳体)的顶部64中的开口或孔口限定。虽然开口或孔口在其它实施例中可具有另一配置，但端子区域78的所图示的实施例由突出部(例如，套环)限定，其中突出部被描绘为从单元44的顶部64突出的圆柱形延伸部80。中空的圆柱形延伸部80远离顶部64延伸，并基本上与端子柱76同轴。换句话说，端子柱76设置在圆柱形延伸部80所形成的环或环形区域内。突出部(例如，圆柱形延伸部80)限定基本上与电接触部(例如，端子柱76)平行(例如，共轴)的环形区域。
返回图4，端子60、62还被描绘为包含设置在圆柱形延伸部80上方和压缩密封件84上方的二次密封件82(出于论述的目的，二次密封件82和压缩密封件84从图5移除)。实际上，如下文更详细地论述，二次密封件82可设置在圆柱形延伸部80、压缩密封件84和/或端子区域78处所设置的其它密封特征上方。根据本发明的实施例，二次密封件82被配置成阻挡电解质86从壳体58排出，同时还阻挡某些物质(例如，水)进入到锂离子电池单元44中(例如，进入到壳体58中)。二次密封件82设置抵靠在压缩密封件84上，以使得压缩密封件84定位在二次密封件82与电池单元44的顶部64之间。
如图6的横截面图所示，电池单元44的活性组成部分包含电解质86，其中电解质86可包含添加剂、用于离子传导的锂离子源、非水溶剂等。活性组成部分还包含电极组件88，其中电极组件88可作为“凝胶卷”、作为一系列堆叠的涂布的箔板等而呈现。通常，电极组件88将包含用电极活性材料涂布的金属导体(例如，铝箔、铜箔)，其中电极活性材料可包含用于阴极的锂离子电极活性材料物质，并且在阳极处可包含锂离子电极活性材料和/或碳基电极活性材料。还如图6所示，电极组件88经由集流器90而电连接到端子柱76。二次密封件82可通过防止电解质86从单元44排出并在单元44内实现电解质组份的稳定浓度而实现电极组件88的操作的提高的稳定性。
可参照图7来进一步了解电池单元44的端子区域78，其中图7示意性地描绘在二次密封件82的引入之前和之后的电池单元44的实施例。如图所示，某些密封和/或绝缘特征可设置在圆柱形延伸部80与端子柱76之间，以防止单元44的壳体58变得带电(例如，在壳体58是金属的实施例中)。
更具体来说，电池单元44包含端子柱76(电接触部)，其中端子柱76从电池单元壳体58的内部延伸，在端子区域78处穿过壳体58，并且端子柱76通过一次密封件92与壳体58(例如，圆柱形延伸部80)分开。一次密封件92通常相对于端子柱76电绝缘，并且在壳体58是金属的实施例中，一次密封件92可被配置成防止在端子柱76和壳体58形成短路。在其它实施例中，如下文所阐述(例如，当壳体58是聚合物时)，此绝缘可能不是必要的。
压缩密封件84位于圆柱形延伸部80周围，并处于单元壳体58的外部。压缩密封件84(例如，一次外部密封件)直接与圆柱形延伸部80邻接。压缩密封件84被配置成将压缩力提供给圆柱形延伸部80(例如，经由压入配合、压接)，并且还被配置成阻碍物质从单元44排出以及阻碍物质(例如，水)进入到单元44中。在最一般意义上来说，压缩密封件84可被配置成将一次密封件92压靠在端子柱76(电接触部)的第一部分94上。因此，锂离子电池单元44可被视为包含多个一次密封部件96，其中一次密封部件96可包含压缩密封件84、一次密封件92，并且可还包含壳体58的突出部(例如，圆柱形延伸部80)。在其他实施例中，一次密封部件96可仅包含其中的一些，例如，一次密封件92，或者在更进一步的实施例中，包含其它子集，例如，一次密封件92和从壳体58延伸的突出部，但不包含压缩密封件84。
压缩密封件84可由任何以下合适的材料制成：该材料能够向圆柱形延伸部80提供向内的压缩力从而将圆柱形延伸部80和一次密封件92压靠在端子柱76上。。换句话说，压缩密封件84提供压缩力，以使得圆柱形延伸部80和一次密封件92朝向电接触部(端子柱76)被向内推压。作为非限制性实例，压缩密封件84可由金属材料、聚合物(例如，弹性体)材料、陶瓷材料等制成或包含上述材料。在某些实施例中，可希望压缩密封件84由能够经由例如压入配合操作而变形为基本上永久的压缩构型的金属材料制成。在一个实施例中，压缩密封件84可被视为包含围绕突出部(例如，圆柱形延伸部80)和/或一次密封件92而设置的金属环。金属环可变形为压缩状态以提供压缩力。
虽然一次密封部件96可在某些配置中提供足够的密封，但现在认识到希望二次密封件82提供额外密封，在下文中更详细地描述了其若干益处。如图7所示，在涂覆二次密封剂(二次密封剂可包含可固化树脂以及其它组分)之后，二次密封件82可被定位成邻近于压缩密封件84，例如，在压缩密封件84上方(例如，将端子柱76相对于电池单元44的壳体58的方向用作参考)。换句话说，二次密封件82(或至少其部分)可设置在压缩密封件84、圆柱形延伸部80和一次密封件92上方。此外，如图所示，二次密封件82可与端子柱76(或单元44的其它电接触部)直接接触。换句话说，二次密封件82抵靠一次密封件92并围绕电接触部(端子柱76)的第二部分98而设置。如图所描绘，第二部分98比第一部分94远离锂离子电池单元44的活性组成部分。二次密封件82还被示出为远离(径向远离)端子柱76的第二部分98延伸并延伸到压缩密封件84(例如，延伸到压缩密封件84的外边缘)，以使得压缩密封件84和二次密封件82在锂离子电池单元44的纵向方向上呈重叠关系。根据此位置关系，压缩密封件84设置在壳体58与二次密封件82之间。并且，二次密封件82完全在壳体58外部。
在这方面，并且根据图4、图6和图7所阐述的密封配置，二次密封件82能够并且被配置成阻挡电解质从电池单元44排出，即使在一次密封件92、压缩密封件84或两者都不能保留电解质(例如，由于制造缺陷或因力的施加所致的机械故障)的情况下也是如此。另一方面，二次密封件82还可通过作为阻碍水分的最外部特征来提供增强的保护并阻碍水进入到电池单元44中。这可实现壳体58内部的活性组成部分(例如，电解质86和电极组件88)的提高的稳定性。
根据本发明的实施例，二次密封件82可完全或部分围绕压缩密封件84而设置(例如，将压缩密封件84相对于端子柱76的位置用作参考)或者可部分或整体处于压缩密封件84上方和周围。此外，二次密封件82可部分或整体处于圆柱形延伸部80上方和/或周围。此外，二次密封件82可部分或整体处于一次密封件92周围，或可部分或整体处于整个一次密封件92上方，或这些情况的任何组合。实际上，在一个实施例中，二次密封件82可相对于一次密封件92定位成阻止一次密封件92受外部材料影响(例如，阻碍与水分接触)。此外，二次密封件82可相对于一次密封件92而定位，以使得基本上一次密封件92的任何机械故障均由二次密封件82以使电解质86能够保留在单元44内的方式得到补偿。
如图示，二次密封件82可还包含锥形部99。锥形部99可变化，但通常被配置成使得二次密封件82的厚度从端子柱76(电接触部)在径向向外的方向上减小。锥形部99的此配置可希望引导物质(例如，水、碎屑、液体)远离端子柱76并远离二次密封件82和一次密封件92与端子柱76相会的位置。实际上，二次密封件82与端子柱76相会处的二次密封件82的较大厚度还可增强其在电池单元44最可能发生泄漏的位置处阻挡电解质从电池单元44排出的能力。
因为二次密封件82可接触端子柱76与单元壳体58两者(例如，在圆柱形延伸部80处)，所以可希望二次密封件82并且在一些实施例中希望用于制造二次密封件82的材料(被称为二次密封剂)是电绝缘的。例如，二次密封件82可具有不允许二次密封件82在电池模块28的工作电压下传导可感知的电流的电阻。换句话说，二次密封件82被配置成在电池模块28的工作电压下充当介电材料。例如，二次密封件82可在2V与150V之间的电压下维持在1000兆欧与20000兆欧之间的电阻。然而，这仅是一个实例，并且可存在二次密封件82的使用可适用的其它电阻范围和其它电压。
根据本发明的实施例而使用的二次密封剂可以是导致二次密封件82具有适当电阻(例如，如上文所阐述)以及适当密封能力来阻挡或阻碍电解质86从电池单元44排出的任何材料。作为非限制性实例，二次密封剂可包含许多不同组分，包含可固化树脂(例如，可固化粘合树脂)，其中可固化树脂包含聚合物材料、低聚物材料、单元材料或其组合。树脂可以是可使用例如光(例如，紫外(UV)光)、热或任何其它适当外部刺激来固化。然而，可希望可固化树脂是可UV固化的，以使二次密封剂能够在未施加热或可不利地影响电池单元44的其它外部刺激的情况下固化。例如，可希望避免加热电池单元44，这是因为这种加热可加热单元44内的电解质86和/或加热单元44的活性材料并因此可能降低单元性能(例如，由于电解质挥发和/或电极剥离)。
包含可固化树脂的二次密封剂可具有与电池单元44的材料(例如，外部材料，诸如壳体58、压缩密封件84和绝缘密封件92以及端子柱76)兼容并还能够粘附到电池单元44的一个或更多个外表面(例如，壳体58、密封件84、92和端子柱76的表面)的化学成分。例如，正端子柱和负端子柱可以是相同或不同金属材料(例如，铜和铝)，并且可固化树脂(及其固化形式)应与端子柱材料兼容。此外，在一个实施例中，用于制造二次密封件82的二次密封剂可包含能够在分子水平上与一次密封件92相互作用的树脂，这可实现增强的密封。例如，二次密封剂的可固化树脂可能够在一定程度上流动到一次密封件92中，并且当二次密封剂的树脂固化时，二次密封剂可通过将二次密封件82的延伸部并入到一次密封件92中而加固一次密封件92。然而，在其它实施例中，二次密封剂可被选择为不经受此相互作用的材料，例如，以避免一次密封件92的提早降解。
作为非限制性实例，二次密封剂的可固化树脂可以是环氧树脂、丙烯酸酯树脂或任何其它适当粘合树脂。根据本公开的方面，与仅基于粘合特性来进行选择相反，可UV固化的环氧树脂或丙烯酸酯化聚氨酯树脂可基于其以本文所述的方式密封电池单元端子(例如，第一电池单元端子60和第二电池单元端子62)的能力来选择。作为一个实例，可UV固化的树脂可以是可从Dy max Corporation of Torrington,CT,USA购得的
Figure GDA0002565179110000141
706或
Figure GDA0002565179110000142
729可UV固化的丙烯酸酯树脂。作为另一实例，可UV固化的树脂可以是可从Resin Design,LLC of Woburn,MA,USA购得的
Figure GDA0002565179110000143
可UV固化的环氧树脂粘合剂。
包含可固化树脂的二次密封剂可包含各种额外组分或与各种额外组分混合。例如，二次密封剂可还包含填料材料，以将额外化学抗性、机械强度、电阻、热导性或其任何组合提供给二次密封件92。例如，填料可具有任何合适的几何形状，例如，粒状、管状、纤维状等，并且作为非限制性实例，可包含陶瓷材料、聚合物材料、玻璃材料或任何其它合适的填料材料。
添加剂也可并入到二次密封剂中。例如，可固化树脂可与颜料、化学抗性添加剂等混合以制造二次密封剂。实际上，现在认识到，可希望可固化树脂与颜料混合以便于自动化制造。例如，在某些自动化制造工艺期间，光学系统可追踪某些电池单元特征的相对位置、电池单元相对于其它部件(例如，其它电池单元、模块外壳)的位置以及电池单元的某些焊缝。通过将颜料并入到原本透明或相对无对比的形式的二次密封剂中，这些光学系统可以能够追踪二次密封件82(包含在二次密封剂的涂覆期间)，并且还可使自动化系统能够在涂覆期间以及在涂覆之后执行各种质量检查和测量。实际上，在某些实施例中，二次密封件82可包含使其能够与电池单元44的其它部件(例如，压缩密封部件)相对比以供光学自动化检测系统检测的颜料。
本文中提供可UV固化的树脂的实例规格，并且符合这些实例规格的树脂可用作根据本公开的二次密封剂。然而，这些规格仅是实例，并不详尽。实际上，可存在额外考虑事项(例如，化学抗性)，这些考虑事项未在本文中指定，但当选择材料充当二次密封剂时，可以是重要考虑事项。此外，树脂可具有在固化之后(在二次密封件82的形成之后)改变的某些性质，在下文中酌情将这些性质表示为“未固化树脂”和“固话树脂”。
可固化树脂的粘度可以是在树脂固化和硬化之前实现树脂到电池单元44的受控涂覆的重要性质。实际上，如果粘度过低，那么树脂可能不会在涂覆期间保持在适当的位置，并且树脂可能被浪费。另一方面，如果粘度过高，那么树脂可能不会恰当地流动或允许进行对电池单元44清洁的涂覆。作为非限制性实例，未固化树脂的粘度可根据ASTM D1084来测量，并且可具有在约1000厘泊与约4000厘泊之间的粘度，例如，在约1500厘泊与约3500厘泊之间或在约1800厘泊与约2800厘泊之间的粘度。
一旦固化，树脂可具有足以耐受可施加在单元44的端子(例如，第一端子60和第二端子62)上的物理应力的硬度。并且，固化树脂的硬度可与树脂的交联密度相关，而树脂的交联密度可能也与树脂的化学稳定性相关。作为非限制性实例，固化树脂可具有在约40与约80之间的邵氏D硬度(即，根据ASTM D2240测量的硬度，或者称为邵氏D标度上的硬度)，例如，在约45与约75之间或在约50与约70之间的邵氏D硬度。
如上文所阐述，固化的树脂可接触若干导电部件，并且因此可具有期望程度的电绝缘。一种此类度量是固化树脂(二次密封件82)的介电耐压，其中介电耐压表示树脂的电绝缘的有效性，并且可根据MIL-I-46058C来测量。介电耐压可被视为表示特定材料并非足够介电的材料(例如，不足以阻碍电流在导电元件之间流动)时的电压。在一些实施例中，固化树脂的介电耐压可以是至少100伏(V)、至少500V、至少1000V、至少1500V、至少2000V或更高。作为进一步的实例，固化树脂(二次密封件82)的介电耐压可以在100V与5000V之间，例如，在1000V与4000V之间或在2000V与4000V之间。
图7所图示的实施例也可被视为表示二次密封锂离子电池单元的形成。更具体来说，图7中使用附图标记44a而描绘的锂离子电池单元44可被视为表示具有经密封的端子区域的锂离子电池单元44。用于由电池单元44a制造二次密封锂离子电池单元(图7中使用附图标记44b来描绘)的方法可包含例如将二次密封剂(包含可固化粘合树脂)设置在经密封的端子区域78上，以使得二次密封剂覆盖端子区域78的端子柱76的第二部分98(通常为电接触部的第一部分)以及一次密封件92(通常为抵靠电接触部的第二部分而设置的第一密封件)。该方法可还包含使可固化粘合树脂固化以形成覆盖端子柱76的第二部分98(通常为电接触部的第一部分)以及一次密封件92(通常为抵靠电接触部的第二部分而设置的第一密封件)的二次密封件82。接着可使用例如UV光、或热、或化学固化剂或其任何组合来固化树脂。
如作为与上文参照图7所阐述的类似的横截面图的图8和图9所示，电池单元44可包含聚合物形式的壳体58，其中壳体58包含包含充当圆柱形延伸部80与一次密封件92两者的组合的套环100。实际上，由壳体58的聚合物材料制成的套环100可被设定大小，以使得当端子柱76滑动穿过套环100的环时，套环100通过其充当活动弹簧的能力而提供压缩力。以此方式，图8和图9的套环100充当压靠在端子柱76(电接触部)的第一部分94上的一次密封件(一次密封部件)。
如图8所示，此实施例可包含压缩密封件84。然而，如图9所示，端子60、62的某些实施例可不利用压缩密封件84，这是因为套环100可提供抵靠端子柱76的充分压缩力。二次密封剂82可具有与上文关于一次密封件92所阐述类似的相对于套环100的位置关系。也就是说，二次密封件82可设置在套环100上方、周围和/或附近，以使二次密封件82能够充当阻碍污染物质(例如，水)进入的一次特征并充当阻碍电解质或类似物质从电池单元44排出的二次特征。
实例
根据所公开的实施例，进行各种实验来确定用于防止电解质从电池单元损失的二次密封件82的有效性。根据测试程序，获得若干棱柱形电池单元，包含无泄漏的对照样本以及泄漏范围从电解质的轻微泄漏到严重泄漏的样本。单元的分组与从单元端子发生的已知泄漏的相对量一起提供在下文表1中。
Figure GDA0002565179110000161
Figure GDA0002565179110000171
接着使用涂覆在压缩密封件84、一次密封件92和圆柱形延伸部80上方的二次密封剂来密封单元分组C、D、E和F，如图10a到图10f所示。具体来说，图10a和图10d分别图示电池单元44a和44b，其中二次密封剂已涂覆在两者之间。图10b和图10c图示电池单元44a(不具有二次密封件82)的第一端子和第二端子的放大图，而图10e和图10f图示具有二次密封件82的电池单元44b的第一端子和第二端子的放大图。
在研究的情况下，分组C和D是使用
Figure GDA0002565179110000172
可UV固化的环氧树脂密封的，而分组E和F是使用
Figure GDA0002565179110000173
729可UV固化的丙烯酸酯化聚氨酯树脂密封的。针对分组E的每一单元，在一次密封件92上钻出1.0mm的孔102，以模拟超过通常在操作期间发生的泄漏情形，如图11所示。
在涂覆二次密封剂并使之固化以形成二次密封件82之后，历经数日监视电池单元44的泄漏，在此期间，单元44上下颠倒(端子朝下)存放在真空室中。具体来说，使用可从美国印第安纳州印第安纳波利斯的Advanced Test Concepts,Inc购得的质量提取泄漏测试装置(下文中称为“ATC”装置)而刚好在密封之后针对泄漏来测试电池单元44，并且随后通过对单元称重来监视电池单元44。刚好在密封之后确定从密封单元发生的氦气的泄漏的氦泄漏测试结果提供在下文表2中。具体来说，所示出的结果是通过/失败结果，其中如果从密封单元发生的氦气的泄漏被确定为低于阈值，那么给出“通过”。
Figure GDA0002565179110000181
接着，在整个真空存放的七天的时间段内收集从ATC装置获得的值。这些值列在下文表3中。
表3——整个存放期间的泄漏测试结果
Figure GDA0002565179110000191
还周期性地从真空室移除单元44并称重。单元44的重量提供在下文表4中。表3和图4所列出的结果分别以图形描绘在图12和图13中。
Figure GDA0002565179110000201
如从制成表格并以图形描绘的数据可见，对于具有已知且显著的泄漏的电池单元44来说，单元泄漏完全减轻。因此，相信包含本文所公开的二次密封件82的电池单元的当前公开的实施例可用于在电池单元制造期间提高有用电池单元的产率(例如，通过减小或消除泄漏的电池单元的产生)。实际上，相信当前公开的实施例可提供100％的有用电池单元产率。
所公开的实施例中的一个或更多个可单独地或组合地提供可用于电池模块以及电池模块的一部分的制造中的一个或更多个技术效果。例如，本方法的某些实施例可实现具有二次密封件的锂离子电池单元的制造，其中二次密封件能够增强电解质在单元内的保留并防止水进入到单元的内部中。本说明书中的技术效果和技术问题是示例性的，而不是限制性的。应注意，本说明书所述的实施例可具有其它技术效果，并且可解决其它技术问题。
已通过举例方式示出上文所述的具体实施例，并且应理解，这些实施例可具有各种修改和替代形式。应进一步理解，权利要求书不旨在限于所公开的特定形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。

Claims (23)

1.一种电池模块，包括：
锂离子电池单元，所述锂离子电池单元设置在所述电池模块的外壳内，所述锂离子电池单元包括：
壳体，所述壳体封装所述锂离子电池单元的活性组成部分，所述活性组成部分包括电解质以及与所述电解质接触的电极组件，其中所述壳体包括设置在所述壳体的顶部处的突出部，并且所述突出部限定所述壳体中的开口；
端子，所述端子电连接到所述电极组件，其中所述端子包含延伸穿过所述壳体中的所述开口的电接触部，其中所述壳体的所述突出部包括限定与所述电接触部共轴的环形区域的圆柱形延伸部；
一次密封部件，所述一次密封部件抵靠所述电接触部而设置，以相对于所述壳体来密封所述电接触部；
二次密封件，所述二次密封件围绕所述电接触部并抵靠所述一次密封部件而设置，其中所述二次密封件由可固化粘合树脂形成，并被配置成阻挡所述电解质从所述锂离子电池单元排出；以及
压缩密封件，所述压缩密封件围绕所述圆柱形延伸部、所述一次密封部件以及所述电接触部的第一部分而设置，并且所述压缩密封件被配置成将所述一次密封部件围绕所述电接触部压紧；
其中所述二次密封件抵靠所述一次密封部件并围绕所述电接触部的第二部分而设置，所述第二部分比所述第一部分远离所述锂离子电池单元的所述活性组成部分。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述压缩密封件提供压缩力，以使得所述圆柱形延伸部朝向所述电接触部被向内推压。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件抵靠所述压缩密封件而设置，以使得所述压缩密封件定位在所述二次密封件与所述锂离子电池单元的所述顶部之间。
4.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述一次密封部件包括设置在所述开口内并且设置在所述突出部与所述电接触部之间的聚合物一次密封件，并且所述壳体和所述突出部是金属。
5.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件由包括可UV固化的环氧树脂或可UV固化的丙烯酸酯化聚氨酯树脂的二次密封剂形成。
6.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件具有足以使所述二次密封件在所述电池模块的工作电压下充当介电材料的介电耐压。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其中所述二次密封件的所述介电耐压在1000V与4000V之间。
8.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件包括被配置成将所述二次密封件与所述锂离子电池单元的其它部件光学地对比的颜料。
9.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件具有邵氏D标度上在40与80之间的硬度。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述二次密封件被配置成阻挡水分进入到所述锂离子电池单元内。
11.根据权利要求1所述的电池模块，其中：
所述锂离子电池单元的所述壳体是棱柱形壳体；
所述端子是电连接到所述电极组件的端子柱；
所述一次密封部件被配置成相对于所述壳体而密封所述端子柱的所述第一部分；以及
所述二次密封件围绕所述端子柱的第二部分和所述一次密封部件而设置，其中所述端子柱的所述第一部分比所述第二部分更靠近所述活性组成部分，
其中所述棱柱形壳体是金属的，所述棱柱形壳体包括与所述端子柱平行的所述圆柱形延伸部，并且所述一次密封部件包括设置在所述端子柱的所述第一部分与所述圆柱形延伸部之间的绝缘聚合物一次密封件，所述绝缘密封件被配置成将所述圆柱形延伸部与所述端子柱电绝缘。
12.一种锂离子电池单元，包括：
棱柱形壳体，所述棱柱形壳体封装所述锂离子电池单元的活性组成部分，所述活性组成部分包括电解质以及与所述电解质接触的电极组件；
端子，所述端子包括延伸穿过所述壳体中的开口的端子柱，其中所述端子柱电连接到所述电极组件；
一次密封部件，所述一次密封部件被配置成相对于所述壳体而密封所述端子柱的第一部分；以及
二次密封件，所述二次密封件围绕所述端子柱的第二部分和所述一次密封部件而设置，其中所述端子柱的所述第一部分比所述第二部分靠近所述活性组成部分，并且所述二次密封件由可固化粘合树脂形成，并且所述二次密封件被配置成阻挡所述电解质从所述锂离子电池单元排出，并被配置成阻挡水分进入到所述锂离子电池单元中；
其中所述一次密封部件包括：
一次密封件，所述一次密封件设置在所述开口内并设置在所述壳体与所述端子柱之间以将所述端子柱与所述壳体电绝缘；以及
压缩密封件，所述压缩密封件围绕所述一次密封件以及所述端子柱的所述第一部分而设置，其中所述压缩密封件被配置成将所述一次密封件围绕所述端子柱压紧；并且
其中所述二次密封件径向远离所述端子柱的所述第二部分延伸并延伸到所述压缩密封件，以使得所述压缩密封件和所述二次密封件在所述锂离子电池单元的纵向方向上呈重叠关系。
13.根据权利要求12所述的锂离子电池单元，其中所述棱柱形壳体是金属的，所述棱柱形壳体包括与所述端子柱平行的圆柱形延伸部，所述圆柱形延伸部限定对应于所述开口的环形区域，并且所述一次密封部件包括设置在所述端子柱的所述第一部分与所述圆柱形延伸部之间的绝缘聚合物一次密封件，所述绝缘密封件被配置成将所述圆柱形延伸部与所述端子柱电绝缘。
14.根据权利要求12所述的锂离子电池单元，其中所述棱柱形壳体是聚合物的，所述棱柱形壳体包括与所述端子柱平行的圆柱形延伸部，所述圆柱形延伸部限定对应于所述开口的环形区域，并且所述一次密封部件包括所述圆柱形延伸部。
15.根据权利要求12所述的锂离子电池单元，其中所述二次密封件包括被配置成将所述二次密封件与所述压缩密封件光学地对比的颜料，所述二次密封件具有在1000V与5000V之间的介电耐压，并且所述二次密封件具有邵氏D标度上在40与80之间的硬度。
16.根据权利要求12所述的锂离子电池单元，其中所述二次密封件由可UV固化的粘合树脂形成。
17.根据权利要求16所述的锂离子电池单元，其中所述可UV固化的粘合树脂包括可UV固化的环氧树脂。
18.根据权利要求16所述的锂离子电池单元，其中所述可UV固化的粘合树脂包括可UV固化丙烯酸酯化聚氨酯树脂。
19.根据权利要求12所述的锂离子电池单元，其中所述二次密封件包括被配置成将所述二次密封件与所述锂离子电池单元的其他部件光学地对比的颜料。
20.一种双重密封的锂离子电池单元，其中所述双重密封的锂离子电池单元是通过包含以下步骤的过程制成的：
将包括可固化粘合树脂的二次密封剂设置在棱柱形锂离子电池单元的经密封的端子区域上以使得所述二次密封剂覆盖所述端子区域的电接触部的第二部分，以及将一次密封部件的一次密封件设置为抵靠所述电接触部的第一部分设置，其中所述第二部分比所述第一部分更远离所述双重密封的锂离子电池单元的活性组成部分，其中所述一次密封部件进一步包括压缩密封件，所述压缩密封件围绕所述一次密封件以及所述端子区域的所述第一部分而设置，其中所述压缩密封件被配置成将所述一次密封件围绕所述端子区域压紧；以及
使所述可固化粘合树脂固化，以形成覆盖所述电接触部的所述第一部分和所述一次密封部件的二次密封件。
21.根据权利要求20所述的双重密封的锂离子电池单元，其中使所述可固化粘合树脂固化包括用UV光照射所述二次密封剂。
22.根据权利要求20所述的双重密封的锂离子电池单元，其中将所述二次密封剂设置在所述经密封的端子区域上包括将可UV固化的环氧树脂或可UV固化的丙烯酸酯化聚氨酯树脂设置在所述经密封的端子区域上。
23.根据权利要求20所述的双重密封的锂离子电池单元，其中所述二次密封剂具有在1000厘泊与4000厘泊之间的粘度。
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