CN107438910A - 具有棱柱形金属外壳的电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池，其具有棱柱形金属外壳，其具有外壳内侧和外壳外侧；至少一个具有至少一个正电极和至少一个负电极的单个电池单元，其布置在金属外壳内；以及极柱，其电连接到至少一个正电极或至少一个负电极并与金属外壳电绝缘，并且布置在金属外壳外侧的电消耗件能够连接到所述极柱。根据本发明，金属外壳包括矩形底板，其具有底板内侧和底板外侧；矩形盖，其具有盖内侧和盖外侧，所述矩形盖的大小和形状大致对应于底板的大小和形状；以及四个矩形侧部元件，其连接底板和盖并且每一者均具有内侧和外侧。所述至少一个单个电池单元具有带有第一面和第二面的卷绕包的形式，其中第一面指向底板的方向且第二面指向盖的方向。电连接到金属外壳的底板的火花捕捉器凸片从第一面破出。所述火花捕捉器凸片紧固于导电的收集和定位构件，所述导电的收集和定位构件被插入金属外壳的底板中的容器并被紧固在该处。

Description

具有棱柱形金属外壳的电池

技术领域

下文描述的发明涉及一种具有棱柱形金属外壳的电池。

背景技术

术语“电池”最初指代串联连接的多个自发电池单元。然而，现今，单个自发电池单元（单个电池单元）也经常被称为电池。在自发电池单元的放电期间，发生提供能量的化学反应，所述化学反应由两个相互电气联接、但空间上相互分离的部分反应组成。氧化过程中在负电极处释放电子，从而产生经由外部负载到正电极的电子电流，所述正电极接收对应数量的电子。因此，在正电极处发生还原过程。同时，在电池单元内建立对应于电极反应的离子电流。由离子传导电解质来确保离子电流。在二次电池单元和电池中，该放电反应是可逆的；因此，可能使在放电期间发生的化学能到电能的转化逆转。

在已知的二次电池当中，具体地在锂离子电池中（即，在其中锂离子在充电和放电过程期间从一个电极迁移到另一个电极的电池中）实现比较高的能量密度。

锂离子电池包括至少一个具有至少一个正电极和至少一个负电极的单个电池单元。具体地，其能够包括呈绕组形式的单个电池单元。

在许多情况下，锂离子电池的至少一个单个电池单元被插入棱柱形金属外壳的内部。金属外壳通常由以下各项组成：容器，其具有矩形外壳基底和以直角布置到其的四个侧壁；以及外壳盖，其大体具有与外壳基底相同的形状和大小。换言之，其优选地为立方形。外壳盖通常极少为异形，并且能够被描述为实质上平坦。金属外壳通常是闭合的，因为外壳盖的边缘被焊接到容器的开口边缘。

为接触位于外壳外侧的电负载，电池通常包括至少一个接触杆，负载能够连接到所述接触杆。布置在外壳的外侧上的金属部件通常用作接触杆。

电池能够包括两个接触杆，其中一个接触杆（所谓的正接触杆）经由与金属外壳电绝缘的第一极柱连接到至少一个正电极，且另一个接触杆（所谓的负接触杆）经由与金属外壳电绝缘的第二极柱连接到至少一个负电极。然而，金属外壳自身也可能充当正或负接触杆，或至少充当接触杆中的一个与至少一个正电极或至少一个负电极之间的电桥。在这种情况下，外壳必须电连接到至少一个正电极或至少一个负电极。为此，优选地通过焊接形成属于待连接的电极的电流导体与外壳基底的面向外壳内部的一侧之间的电接触。

具体地，如果电池包括呈绕组形式的单个电池单元，则这导致结构问题。通常，此类绕组具有第一和第二平坦端面及连接这两个端面的周向套壳，其中，相应的电流导体（所谓的导体叶片（conductor vane））（经由所述电流导体，电流能够从电极流出和流至电极）从第一和第二端面退出。出于显而易见的原因，极性相反的导体叶片在空间上彼此分离。极性不同的导体叶片优选地也在不同端面处退出；例如，在第一端面处连接到至少一个正电极的导体叶片和在第二端面处连接到至少一个负电极的导体叶片。

由于在将此类绕组插入金属外壳内之前必须将从所述绕组的端面退出的导体叶片焊接到外壳基底的面向外壳内部的一侧，所以必须或者选择极长的导体叶片或者借助于焊接上的导体延长这些导体叶片。当在焊接程序之后将绕组插入金属外壳内时，必须将这些导体叶片或延伸部折叠并抵靠基底安置。因此增加了金属外壳内侧的不能被用于电极材料的死体积。

发明内容

本发明的目标在于提供电池（具体地锂离子电池），所述电池具有棱柱形金属外壳，并且其中不出现或在更小程度上出现所述问题。

该目标由具有权利要求1的特征的电池实现。从属权利要求2到6中揭示了根据本发明的电池的优选实施例。根据权利要求7的方法也促成实现所述目标。权利要求8中揭示了根据本发明的方法的优选实施例。所有权利要求的措辞由此是基于本说明书的内容。

本发明的主题是具有棱柱形金属外壳的电池，所述棱柱形金属外壳具有外壳内侧和外壳外侧。外壳遮蔽至少一个单个电池单元免受其环境的影响，并且优选地被设计为不透气和不透流体的。

具有至少一个正电极和至少一个负电极的至少一个单个电池单元布置在金属外壳内侧。所述单个电池单元优选地是基于锂离子的电池单元。对应地，根据本发明的电池优选地是锂离子电池。

单个电池单元优选地呈具有正电极/隔膜/负电极的序列的电极箔和隔膜箔的复合物的形式。在此，电极优选地包括通常呈二维或三维平面结构的形式的金属集流器。在锂离子电池中，铝网或铝箔（例如，铝板网或穿孔铝箔）位于比如正电极的一侧上。铜网或铜箔通常被用作在负电极的一侧上的集流器。

根据本发明的电池包括极柱，所述极柱电连接到至少一个正电极或至少一个负电极并与金属外壳电绝缘，并且布置在金属外壳外侧的电负载能够连接到所述极柱。该极柱优选地由金属（诸如，铜）制成。极柱与金属外壳之间的电绝缘件能够是例如绝缘块（诸如DE100 47 206 A1中所描述的绝缘块）或塑料箔。

电池的金属外壳优选地包括矩形基底，其具有基底内侧和基底外侧；以及矩形盖，其具有盖内侧和盖外侧，所述矩形盖的大小和形状大致对应于基底的大小和形状。此外，金属外壳优选地包括四个矩形侧部元件，这些矩形侧部元件连接基底和盖并且每一个均具有内侧和外侧。基底和盖优选地彼此平行地对齐。基底和盖以及侧部元件优选地每一个均与所有直接相邻的侧部元件围成直角。因此，外壳优选地形成为立方体。

在组装期间，金属外壳优选地由容器和匹配的盖组成，所述容器包括基底和侧部元件。为此，盖通常被焊接于侧部元件。

金属外壳的侧部元件和基底及盖优选地在其整个表面内具有大致均匀且恒定的厚度。该厚度的范围例如在0.3 mm与3 mm之间。

金属外壳的盖优选地具有通孔，与金属外壳电绝缘的极柱从金属外壳的内侧被向外导引穿过所述通孔。在优选的实施例中，极柱的位于外壳外侧的一部分形成接触杆，或与单独的接触杆电接触。

电池能够基本上包含包括多个扁平的单个电池单元的电池单元堆叠（堆叠）和一个或多个卷绕的单个电池单元（线圈）两者。然而，其特别优选地包括呈具有第一端面和第二端面的绕组的形式的单个电池单元。端面优选地平坦地且彼此平行地对齐。它们经由周向套壳被连接。

优选的是，绕组布置在金属外壳内侧，使得第一端面面向基底的方向且第二端面面向盖的方向。端面、基底和盖优选地全部彼此平行地对齐。

优选的是，电连接到金属外壳的基底的导体叶片从第一端面退出，同时电连接到与金属外壳电绝缘的极柱的导体叶片从第二端面退出。如在开端所论述的电池中那样，电流能够经由这些导体叶片从电极流出和流至电极。为此，导体叶片优选地电连接到电极中的前述集流器。在若干优选的实施例中，导体叶片也能够是集流器的未被电极材料覆盖的部分。

根据这些实施例，优选的是，导体叶片由与集流器相同的材料制成。

从第一端面退出的导体叶片特别优选地固定于导电收集和定位构件，且同时，基底具有用于收集和定位构件的接收构件，收集和定位构件被插入和固定在所述接收构件中。

收集和定位构件一方面起聚集或收集从第一端面退出的导体叶片的作用。在优选的实施例中，收集和定位构件是或包括导体叶片被固定在其中的金属夹持轨。夹持轨能够具有例如其间固定有导体叶片的两个夹持肢部（clamping limb），所述夹持肢部彼此平行地延伸并且经由轭（yoke）彼此连接。出于固定的目的，能够优选地将导体叶片焊接于夹持肢部。

另一方面，在此，收集和定位构件能够有助于将绕组定位在金属外壳内侧，具体地促进将所述绕组定位在金属外壳的基底上。

在用于组装根据本发明的电池的优选实施例中，收集和定位构件首先布置在绕组的第一端面上（优选地，在中央位置中），并且导体叶片被固定在收集和定位构件之上或之中（具体地通过焊接）。在后续步骤中，在第一端面首当其冲的情况下，绕组被插入容器内直到收集和定位构件到达基底，其中所述容器具有矩形基底和成直角地布置于其的四个侧部元件。通过接收构件的定位，实现了绕组在基底上的期望位置，所述接收构件就形状及大小而言与收集和定位构件匹配。一旦被插入接收构件内，收集和定位构件就能够被固定在其中（例如通过将其焊接到基底）。

在优选的另一发展方案中，基底具有通孔来作为用于收集和定位构件的接收构件。该技术措施的优点是显而易见的。收集和定位构件也可通过通孔从金属外壳外侧通达。因此，例如，在金属外壳已通过将盖放置在其上而被闭合之后，能够将收集和定位构件焊接到基底。具体地，对长的或延长的导体叶片的使用及因此迄今必须的对其的折叠也是不必要的。

优选的是，从第一端面退出的导体叶片连接到正电极，并且从第二端面退出的导体叶片连接到负电极。换言之，金属外壳优选地具有正极性，同时与金属外壳绝缘的极柱具有负极性。

在优选实施例中，从第一端面退出的导体叶片和/或收集和定位构件和/或金属外壳的基底和/或整个金属外壳由铝或铝合金制成。

在优选实施例中，除与金属外壳电绝缘的极柱之外，根据本发明的电池还能够包括另外的极柱，所述极柱从金属外壳的内侧被向外导引穿过金属外壳中的、具体地在金属外壳的盖中的通孔，而同时经由金属外壳及收集和定位构件电连接到电极中的一个。在这个实施例中，与金属外壳电绝缘的极柱优选地连接到至少一个负电极，同时另外的极柱经由金属外壳及收集和定位构件电连接到至少一个正电极。

这种类型的实施例例如在保险丝被整合在另外的极柱与外壳之间的电流路径中时能够是适宜的，所述保险丝能够中断另外的极柱与外壳之间的电接触。具体地，可能的保险丝是布置在金属外壳内侧的热或气动-机械保险丝。

本发明的主题也是一种用于制造根据本发明的电池的方法。所述方法包括以下步骤：

• 提供具有至少一个正电极和至少一个负电极的单个电池单元，所述单个电池单元呈具有第一端面和第二端面的绕组的形式，其中，连接到正电极的导体叶片从第一端面退出，且连接到负电极的导体叶片从第二端面退出；

• 将收集和定位构件布置在绕组的端面中的一个上，并且将从该端面退出的导体叶片固定在收集和定位构件之中或之上；

• 提供容器，所述容器具有矩形基底和成直角地布置于其的四个侧部元件，所述侧部元件的自由边缘形成开口，其中，基底具有用于收集和定位构件的接收构件，收集和定位构件能够被插入和固定在所述接收构件中；

• 在设有收集和定位构件的端面首当其冲的情况下，将绕组插入容器内直到收集和定位构件到达基底并且被插入接收构件内；

• 将收集和定位构件固定在接收构件中；以及

• 借助于矩形盖将开口闭合。

优选地，借助于焊接（具体地借助于激光）来进行导体叶片在收集和定位构件之中或之上的固定以及收集和定位构件在接收构件中的固定。

已关于根据本发明的电池解释了在所述方法的背景内所使用的所有电池部件。代替重复解释，请参阅以上对应的解释。

在所述方法的优选实施例中，在插入盖之前，由塑料材料制成的模制零件被放置在设有收集和定位构件的端面上，除了收集和定位构件之外，所述模制零件完全覆盖所述端面。模制零件优选地是由具有在80 μm与120 μm之间的平均厚度的塑料箔制成的深拉零件。具体地，可能的箔材料是PPS（聚苯硫醚）和PEEK（聚醚醚酮）。

在用以说明本发明的附图的以下描述中揭示了本发明的另外的特征和由本发明所致的优点。下文描述的实施例仅起到本发明的解释和更好的理解的作用，且不应当以任何方式被视为限制性的。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电池100的实施例的基底区域的横截面（示意图）。这具有棱柱形铝外壳101，所述外壳101具有基底102和四个侧部元件（在横截面图中仅两个侧部元件103和104可见）。单个电池单元105布置在外壳101中。该电池单元具有绕组的形式。多个导体叶片107（其被聚集在收集和定位构件108中）在绕组的第一端面106处退出，所述第一端面106面向基底102。由塑料材料制成的模制零件113被放置在端面106上，除收集和定位构件108之外，所述模制零件113完全覆盖端面106。

收集和定位构件108被形成为夹持肢部109与110之间的夹持轨，导体叶片107通过焊接固定于其中。接触元件111（其具有在中心的通孔112）被钻埋在基底102内。该通孔充当用于收集和定位构件108的接收构件，所述收集和定位构件108被插入通孔112内并通过焊接到接触元件111而被固定在其中。

图2示出图1中所图示的基底区域的基本部件的概览。这示出单个电池单元105连同从端面106退出的导体叶片107。这些已经在中心被折叠以在下一步骤中被推入形成为夹持轨的收集和定位构件108的肢部之间。模制零件113相应地在中心具有用于夹持轨108的通孔114。棱柱形铝外壳101包括具有中央凹部115的基底102，接触元件111能够被钻埋在所述中央凹部115中。

Claims (8)

1.一种电池，其具有：

• 棱柱形金属外壳，其具有外壳内侧和外壳外侧，

• 至少一个具有至少一个正电极和至少一个负电极的单个电池单元，其布置在所述金属外壳的内侧，以及

• 极柱，其电连接到所述至少一个正电极或所述至少一个负电极，并与所述金属外壳电绝缘，并且布置在所述外壳外侧的电负载能够连接到所述极柱，

其中

• 所述金属外壳包括矩形基底，其具有基底内侧和基底外侧；矩形盖，其具有盖内侧和盖外侧，所述矩形盖的大小和形状大致对应于所述基底的大小和形状；以及四个矩形侧部元件，其连接所述基底和所述盖并且每一个均具有内侧和外侧，

• 所述盖具有通孔，与所述金属外壳电绝缘的所述极柱从所述金属外壳的内侧被向外导引穿过所述通孔，

• 所述至少一个单个电池单元呈具有第一端面和第二端面的绕组的形式，并且所述第一端面面向所述基底的方向且所述第二端面面向所述盖的方向，

• 电连接到所述金属外壳的基底的导体叶片从所述第一端面退出，

• 电连接到与所述金属外壳电绝缘的所述极柱的导体叶片从所述第二端面退出，

其特征在于

• 从所述第一端面退出的导体叶片固定到导电的收集和定位构件，并且

• 所述基底具有用于所述收集和定位构件的接收构件，所述收集和定位构件被插入和固定在所述接收构件中。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述收集和定位构件是所述导体叶片固定于其中的金属夹持轨。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的电池，其特征在于，所述基底具有通孔作为用于所述收集和定位构件的接收构件，使得所述收集和定位构件能够从所述金属外壳外侧通达。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，从所述第一端面退出的导体叶片连接到所述正电极，且从所述第二端面退出的导体叶片连接到所述负电极。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，从所述第一端面退出的导体叶片和/或所述收集和定位构件和/或所述金属外壳的基底和/或整个所述金属外壳由铝或铝合金制成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其特征在于，除与所述金属外壳电绝缘的所述极柱之外，其还包括另外的极柱，所述极柱从所述金属外壳的内侧被向外导引穿过所述金属外壳中、具体地所述金属外壳的盖中的通孔，并且经由所述金属外壳及所述收集和定位构件电连接到所述电极中的一个。

7.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的电池的方法，其包括以下步骤：

• 提供具有至少一个正电极和至少一个负电极的单个电池单元，所述单个电池单元呈具有第一端面和第二端面的绕组的形式，其中，连接到所述正电极的导体叶片从所述第一端面退出，并且连接到所述负电极的导体叶片从所述第二端面退出，

• 将收集和定位构件布置在所述绕组的端面中的一个上并且将从该端面退出的所述导体叶片固定在所述收集和定位构件之中或之上，

• 提供容器，所述容器具有矩形基底和成直角地布置于其的四个侧部元件，所述侧部元件的自由边缘形成开口，其中，所述基底具有用于所述收集和定位构件的接收构件，所述收集和定位构件能够被插入和固定在所述接收构件中，

• 在设有所述收集和定位构件的端面首当其冲的情况下，将所述绕组插入所述容器内直到所述收集和定位构件到达所述基底并且被插入所述接收构件内，

• 将所述收集和定位构件固定在所述接收构件中，以及

• 借助于矩形盖将所述开口闭合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在插入所述盖之前，将由塑料材料制成的模制零件放置在设有所述收集和定位构件的所述端面上，除所述收集和定位构件之外，所述模制零件完全覆盖所述端面。