CN107431238A - 电池组电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组电池（10），其包括：具有阴极和阳极的电极单元（2）和构造为固体的电解质，其中所述电极单元（2）与功率电子装置（3）一起布置在共同的电池壳体（1）内。

Description

电池组电池

技术领域

本发明涉及一种电池组电池、特别是可重复充电的锂离子电池组电池，其包括具有阴极和阳极的电极单元和构造为固体的电解质。

背景技术

呈现出：在今后不仅在静止应用、如风力发电设施中、在设计成混合动力车辆或电动机动车的机动车中，而且在电子设备、如笔记本电脑或移动电话中使用新型电池组系统，对所述新型电池组系统在可靠性、安全性、功率能力和寿命方面提出很高的要求。

在这种情况下特别是使用所谓的锂离子电池组电池。锂离子电池组电池的特征特别是在于高的能量密度、热稳定性和极少的自放电。锂离子电池组电池具有正电极和负电极，在其上锂离子可以在充电过程中以及在放电过程中可逆地换入以及重新换出。这样的过程也称为插层或脱层。

电池组电池通常包括一个或多个电极单元，所述电极单元以卷的形式设计。电极单元具有两个薄膜状构造的电极、即阳极和阴极。电极在中间插入隔离物的情况下被缠绕成电极卷，该电极卷也称为Jelly卷。电极卷的两个电极借助集电体与电池组电池的也称为端子的极电连接。

电池组电池还具有例如由铝构成的电池壳体。电池壳体通常棱柱形、特别是长方体形地设计和密封地构造。在将电极与端子连接之后，将液态电解质填充到电池壳体中。多个这样的电池组电池可以组合成也称为电池组包的电池组系统。

为了控制电机、例如电动机动车的电机，设置有功率电子装置。功率电子装置将电池组电池或电池组系统提供的电能转换为被需要用来运行电机的形式。例如功率电子装置提供交流电流，该交流电流具有相较于电池组电池或电池组系统提高的电压。

功率电子装置在此在壳体中通常与电池组电池或电池组系统分开地布置。因此功率电子装置可以在例如80℃至150℃的温度下运行，由此能够相对简单并且成本适宜地实施功率电子装置的冷却。

已知的锂离子电池组电池例如在25℃至40℃的温度下运行。锂离子电池组电池在较高温度下的运行导致锂离子电池组电池的加速老化并且因此导致寿命的缩短。在高于80℃的温度下运行锂离子电池组电池时存在以下风险，即在液态电解质和电极之间发生化学反应。这样的反应能够特别是导致锂离子电池组电池的热损坏甚至爆炸。

从JP 2012/204160已知一种电池组电池，其具有构造为固体的电解质。电池组电池不是布置在壳体中而是安装在电路板上。电极在此分别由烧结的氧化物材料制成。

在US 2011/0048781中公开了一种电池组电池，其嵌入在两个电路板之间。在此，在电路板上还布置有集成电路。

发明内容

提出一种电池组电池、特别是可重复充电的电池组电池、特别是锂离子电池组电池，其包括具有阴极和阳极的电极单元和构造为固体的电解质。

根据本发明，电极单元与功率电子装置一起布置在共同的电池壳体中。电池组电池的电池壳体在此优选地棱柱形地、特别是长方体形地构造。电池组电池的电池壳体优选地还包括负端子和正端子，其中所述端子与电极单元以及与功率电子装置电连接。

构造为固体的电解质被选择成，使得能够实现电池组电池在60℃至180℃的温度范围内、优选地在80℃至130℃的温度范围内并且特别优选地在80℃至100℃的温度范围内的运行。因此电解质是温度稳定的。

在此，电解质优选地由聚合锂离子导体或者陶瓷的或玻璃状锂离子导体或者由这些锂离子导体的混合物构成。优选的聚合锂离子导体既可以是聚合物电解质又可以是聚电解质。作为聚合物电池组，特别是可以考虑基于聚环氧乙烯（PEO）的具有双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）的材料作为导电盐，其中PEO可以实施为纯的材料或嵌段共聚物，例如具有聚苯乙烯（PS）作为第二给定结构的相。根据本发明同样可以设想用于提高离子传导能力的液态电解质或离子液体的附加物。此外，由锂石榴石的种类构成的陶瓷离子导体以及由硫化玻璃的种类构成的电解质是优选的。

电解质在此具有相对高的离子传导能力。优选地，电解质的离子传导能力在此大于1mS/cm，特别优选地，电解质的离子传导能力在此大于10mS/cm。

有利地，阳极具有温度稳定的活性材料。阳极的温度稳定的活性材料被选择成，使得能够实现电池组电池和特别是电极单元在60℃至180℃的温度范围内、优选地在80℃至130℃的温度范围内并且特别优选地在80℃至100℃的温度范围内的运行。

在此，阳极的活性材料优选地由锂金属或包含锂的合金（例如由Li和Si构成的合金）构成。此外，基于碳的阳极材料、如石墨或非晶碳以及钛酸锂是优选的。同样可以的是所说明的材料的混合物。

有利地，阴极具有温度稳定的活性材料。阴极的温度稳定的活性材料被选择成，使得能够实现电池组电池和特别是电极单元在60℃至180℃的温度范围内、优选地在80℃至130℃的温度范围内并且特别优选地在80℃至100℃的温度范围内的运行。

在此，阴极的活性材料优选地由转换材料、特别是硫碳化合物或利用硫交联的聚合物、例如聚丙烯腈-硫，由V2O5或锂钒氧化物氟化物构成。此外，插层材料、特别是典型的层状氧化物、诸如氧化锂钴、NCM、NCA、LMO或磷酸盐、诸如LiFePO4。

根据本发明的一种有利的设计方案，电极单元和功率电子装置水平相邻地布置电池组电池的电池壳体内。由此电极单元和功率电子装置具有至电池组电池的电池壳体的外壁或外表面的最好可能的热接触。此外，电极单元和功率电子装置具有彼此间的最好可能的热接触。由此还产生电池组电池的电池壳体之内的相对均匀的温度分布。

根据本发明的另一种有利的设计方案，电极单元和功率电子装置垂直相邻地布置电池组电池的电池壳体内。由此简化了电极卷和功率电子装置在电池组电池的电池壳体内至两个端子的内部电互连。特别是所需的电流路径更短并且欧姆损耗因此更低。

根据本发明的电池组电池有利地应用于电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）或插电式混合动力车辆（PHEV）。

本发明的优点

通过电池组电池的根据本发明的设计方案，省去了用于功率电子装置的单独壳体以及电池组电池与功率电子装置之间的布线。由此降低了所需的结构空间。

根据本发明的电池组电池能够在较高的温度范围内运行。由此简化对电池组电池的冷却系统的要求。此外，电极单元和功率电子装置可以借助共同的冷却系统来冷却。因此不需要用于电极单元和功率电子装置的分离的冷却系统。由此还降低了所需的结构空间。此外，电池组电池的构造以及生产得以简化并且更成本适宜。

特别是整个电池组电池能够在功率电子装置所能够运行的温度范围内运行，例如在80℃并且更高的温度下运行。对于这样的温度范围，特别是从内燃机驱动的车辆出发，已知经证明的冷却系统、例如常规的循环水冷却器。在此，为了传输热所需的面积由于与环境空气的较高温度差而较小。

能量密度或比能量、即电池组电池所能够存储的能量与重量的比有利地被提高。电池组电池的所能够存储能量与所需结构空间的比也有利地被提高。

附图说明

借助附图和随后描述详细解释本发明的实施方式。其中：

图1示出电池组电池的封闭电池壳体的示意性透视图，

图2示出根据第一实施方式的电池组电池的示意性透视半透明图，和

图3示出根据第二实施方式的电池组电池的示意性透视半透明图。

具体实施方式

在图1中示意性透视地示出电池组电池10的电池壳体1。电池组电池10的电池壳体1棱柱形地、当前长方体形地构造。电池组电池10的电池壳体1当前导电地实施并且例如由铝制成。也可以设想，电池组电池10的电池壳体1由不导电材料、例如塑料制成。

电池组电池10包括负端子41和正端子42。通过两个端子41、42可以量取由电池组电池10提供的电压。此外，电池组电池10可以通过两个端子41、42充电。

电池组电池10的长方体形构造的电池壳体1具有六个面，其具有三种不同大的面积，其中具有相同大面积的各两个面彼此相对地布置。具有最大面积的两个面在下文中被称为第一前面61和第二前面62。具有最小面积的两个面在下文中被称为第一端面81和第二端面82。具有中间大面积的两个剩余面在下文中被称为盖面5和底面7。

两个端子41、42在电池壳体1的盖面5上彼此间隔开地布置。在此，负端子41与第一端面81相邻，并且正端子42与第二端面82相邻。两个端子41、42在此从电池壳体1的盖面5上伸出。

在图2中示出根据第一实施方式的电池组电池10的示意性透视半透明图。电池组电池10包括当前构造为电极卷的电极单元2。电极单元2包括两个电极、即阴极和阳极。阴极和阳极薄膜状地实施并且在中间插入隔离物的情况下被缠绕成电极卷。

阴极和阳极由之前提及的活性材料和电解质构成的混合物以及由用于提高电子传导能力的导电附加物、例如炭黑来组成。特别是在使用玻璃状或陶瓷电解质的情况下可能需要聚合离子导体的附加物来改进活性材料与固体电解质之间的接触。

也可以设想，电极单元2构造为电极堆。还可以设想，电极单元2包括多个电极卷和/或多个电极堆。

未示出电解质，电解质是电极和隔离物的完整组成部分。电解质由允许在80℃和更高温度下运行的材料制成。隔离物在此实施为电解质并且由之前提及的材料或由其混合物构成。

电极单元2的阳极具有温度稳定的活性材料，该活性材料同样允许在80℃和更高温度下运行。电极单元2的阴极也由温度稳定的活性材料制成，该活性材料允许在80℃和更高温度下运行。

电池组电池10还包括功率电子装置3。功率电子装置3当前构造为全桥并且包括具有所属的驱动器和相应控制逻辑电路的半导体功率开关。功率电子装置3也可以替代地构造为半桥。

电极单元2和功率电子装置3分别近似长方体形地设计。电极单元2和功率电子装置3水平相邻地布置在电池组电池10的电池壳体1内。在此，电极单元2与电池壳体1的第一前面61相邻。功率电子装置3与电池壳体1的第二前面62相邻。此外，电极单元2和功率电子装置3也在共同的面处彼此相邻，该共同的面平行于第一前面61并且平行于第二前面62地定向。

电极单元2和功率电子装置3在此放置在电池壳体1的底面7上。在背向底面7的端部处设置有在电极单元2与电池壳体1的盖面5之间的以及在功率电子装置3与电池壳体1的盖面5之间的空腔17。两个端子41、42伸入空腔17并且抓住电池壳体1的盖面5。

电池组电池10的调温在此优选地通过电池壳体1的第一前面61以及第二前面62进行。此外，电池组电池10的调温通过两个端子41、42以及通过电池壳体1的盖面5和底面7进行。在小的程度上，电池组电池10的调温也通过电池壳体1的第一端面81以及第二端面82进行。

在图3中示出根据第二实施方式的电池组电池10的示意性透视半透明图。根据第二实施方式的电池组电池10与根据第一实施方式的电池组电池10包括相同元件、即特别是功率电子装置3和电极单元2。电极单元2在此包括阳极和阴极并且如已经在根据第一实施方式的电池组电池10中所描述的那样来构造。功率电子装置3也如已经在根据第一实施方式的电池组电池10中所描述的那样来构造。

电极单元2和功率电子装置3垂直相邻地布置在电池组电池10的电池壳体1内。在此，电极单元2当前与电池壳体1的底面7相邻。功率电子装置3布置在电极单元2的背向底面7的侧上。在功率电子装置3和电池壳体1的盖面5之间设置有空腔17。

两个端子41、42从功率电子装置3穿过空腔17和盖面5从电池壳体1中伸出来。电极单元2与功率电子装置3电连接，该功率电子装置建立至端子41、42的连接。

根据第二实施方式的电池组电池10的调温特别是通过两个端子41、42以及通过电池壳体1的盖面5和底面7进行。根据第二实施方式的电池组电池10的调温同样通过电池壳体1的第一前面61以及第二前面62进行。根据第二实施方式的电池组电池10的调温少量上也通过电池壳体1的第一端面81以及第二端面82进行。

本发明不限于所描述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内可以进行多种变型，所述变型处于本领域技术人员处理的范围内。

Claims (9)

1.一种电池组电池（10），包括：

具有阴极和阳极的电极单元（2）和构造为固体的电解质，

其特征在于，

所述电极单元（2）与功率电子装置（3）一起布置在共同的电池壳体（1）内。

2.根据权利要求1所述的电池组电池（10），其特征在于，所述电解质具有聚合的、陶瓷的或玻璃状的锂离子导体或这些锂离子导体的混合物或者由其构成。

3.根据上述权利要求之一所述的电池组电池（10），其特征在于，所述阳极具有温度稳定的活性材料。

4.根据权利要求3所述的电池组电池（10），其特征在于，阳极的活性材料具有锂、包含锂的合金、石墨、非晶碳、锂石榴石或这些材料的混合物或者由其构成。

5.根据上述权利要求之一所述的电池组电池（10），其特征在于，所述阴极具有温度稳定的活性材料。

6.根据权利要求5所述的电池组电池（10），其特征在于，阴极的活性材料具有转换材料、利用硫交联的聚合物、锂钒氧化物氟化物、插层材料、磷酸盐或这些材料的混合物或者由其构成。

7.根据上述权利要求之一所述的电池组电池（10），其特征在于，所述电极单元（2）和所述功率电子装置（3）水平相邻地布置在所述电池壳体（1）内。

8.根据上述权利要求之一所述的电池组电池（10），其特征在于，所述电极单元（2）和所述功率电子装置（3）垂直相邻地布置在所述电池壳体（1）内。

9.根据上述权利要求之一的电池组电池（10）在电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）或插电式混合动力车辆（PHEV）中的应用。