CN107887542A - 用于电池单池的绝缘成形件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于至少一个电池单池的壳体、尤其用于至少一个锂离子电池单池的壳体的绝缘成形件（1），其中，在所述绝缘成形件（1）的至少一个成形件侧壁（3a、3b）处构造凹槽（5），所述凹槽通过减小的壁厚形成，用于减小作用到电池单池上的力。
Description
技术领域
本发明涉及按照独立权利要求的前序部分所述的一种用于至少一个电池单池的壳体的绝缘成形件以及一种具有绝缘成形件的电池单池、尤其锂离子电池单池以及一种电池。
背景技术
电池单池是一种电化学能量存储器，所述电化学能量存储器在其放电时将所存储的化学能通过电化学反应转化成电能。这表明：未来无论是在固定式应用如风力发电设备中、在设计成混合动力机动车或电动机动车的机动车中，还是在电子设备中，都会使用新型的电池系统，在可靠性、安全性、效率和使用寿命方面都对所述新型的电池系统提出了非常高的要求。
尤其锂离子电池基于其大的能量密度作为用于电驱动的机动车的能量存储器来使用。
电池单池、尤其锂离子电池单池具有例如电极复合结构，所述电极复合结构包括阴极、分离器和阳极，所述阴极、分离器和阳极例如彼此卷绕地或彼此堆叠地存在。阴极包括例如阴极膜，阴极膜用活性材料涂覆，并且阳极包括例如阳极膜，阳极膜用活性材料涂覆。阴极膜包括例如铝，并且阳极膜包括例如铜。电池单池壳体包括例如金属、塑料或者由塑料和金属制成的复合结构。所述电池单池壳体能够构造成棱柱形或具有不同于棱柱形的形状。
电池单池在当前例如通过基于聚合物的材料彼此电绝缘。所述基于聚合物的材料包括例如薄膜、胶带、收缩软管、绝缘漆或由塑料制成的壳体罩壳。
多个电池单池机械地接合成模块并且例如并联或串联。
在US 2010/0028765中公开了一种可重复充电的电池，所述电池的电池单池分别布置在壳体中。壳体具有填料，填料包围电池单池。壳体在此不同地成形且具有带有不同的壁厚的不同的分区段。
US 2006/0051666公开了一种具有壳体的电池单池，所述壳体具有用于补偿电池单池的膨胀的元件。这个元件能够以下述方式形成：壳体壁在相应部位处具有向内的偏移，其中壁厚保持不变。
发明内容
按照本发明，提供具有独立权利要求的特征性特征的一种用于至少一个电池单池的壳体的绝缘成形件以及一种电池单池和一种电池。
在电池单池的使用寿命内，该电池单池的内压提高并且出现了电池单池的膨大，这尤其归因于电极的活性的材料的膨大（例如由于在充电过程中锂的嵌入和分离）和/或归因于电池单池内部的气体产生。这可能导致存储容量减小并且由此导致电池单池的过早老化，这又意味着电池单池的巨大的功率损失。为了对抗这一点并且为了机械地固定电池单池以便例如防止电池单池的振动运动，将例如接合成模块的电池单池机械地相互张紧并且以这种方式固定。这样产生的经常非常大的张紧力可能导致非常强的负载并且由此例如导致分离器的孔隙度下降。此外，出现了电极的局部的过载并且例如形成多孔的树枝状的锂沉积物。这些锂沉积物例如垂直于阳极作为树枝状结晶体（Dendriten）在阳极上增长并且能够在空间上穿透下列元件，例如布置在阳极和阴极之间的分离器。这大多造成了内部的短路。
按本发明的用于电池单池的壳体的绝缘成形件至少在成形件侧壁处包括通过减小的壁厚形成的凹槽。这种绝缘成形件的优点在于，通过该凹槽获得了空腔，该空腔首先未被填充。在使用寿命内，电池单池膨胀并且现在逐渐填充由绝缘成形件的凹槽形成的空腔或者将成形件侧壁在凹槽的部位处向外压。通过下述方式：电池单池在其例如由于膨大或气体产生而膨胀时能够填充凹槽的空间并且没有立即碰到无凹槽的绝缘成形件侧壁或相邻单池，或者通过所述凹槽找到空间（其方式为：将成形件侧壁在所述凹槽的部位处向外压）以便膨胀，减小了作用到电池单池上的力。以这种方式显著减小或甚至防止电池单池内压的升高。
由此又能够限制在电池单池机械地张紧时导入到所述电池单池中以便机械地固定所述电池单池的夹紧力，因此使电池单池不那么强烈地负载。基于此，在电池单池的内部的构件、例如分离器或电极能够更长时间地运转。此外还提高了电池单池的安全性，因为作用到电池单池的构件上的负载被最小化，因而阻止了这些构件的退化并且由此例如不出现短路。
同时，电池单池通过所述绝缘成形件被机械地固定并且通过该绝缘成形件承受所期望程度的张紧力。
按照本发明，绝缘成形件因此承担两个功能。所述绝缘成形件确保了所需的保持力或张紧力并且同时由于绝缘成形件在凹槽中的刚性减小而引起：在电池单池的使用寿命内没有额外的力形成到所述电池单池上。
当前的具有凹槽的绝缘成形件的其它有利的实施方式由从属权利要求得出。
在一种有利的实施方式中，所述绝缘成形件包括至少四个尤其被全面地（vollflächig）构造的成形件侧壁。在此有利的是，所述绝缘成形件由此在电池单池壳体的所有的侧面——所述侧面否则能够与相邻布置的电池单池的壳体面处于接触中——处被成形件包围并且由此电绝缘。此外，电池单池的成形件在所有的电池单池壳体侧壁处提供了机械的保护，所述成形件尤其全面地贴靠在所述电池单池壳体侧壁上。此外特别有利的是，绝缘成形件夹紧电池单池并且不需要或很少需要用于产生作用到电池单池上的预紧力的其它器件。
绝缘成形件备选地包括至少四个尤其被全面地构造的成形件侧壁和尤其被全面地构造的成形件底壁。此外，绝缘成形件备选包括至少四个尤其全面地构造的成形件侧壁和成形件顶壁。在这个实施方式中当然也能够构造附加的底壁。在此有利的是，被成形件包围的电池单池附加地在底面处通过成形件底壁和/或在顶面处通过成形件顶壁来电绝缘并且机械地得到保护。此外，能够通过附加的成形件底壁和/或附加的成形件顶壁来避免在利用所述电池单池的电池单池侧壁并排布置的电池单池之间的空气隙和爬电距离。沿着固体的绝缘材料的表面在两个导电的部件之间的最短的距离被称为爬电距离。在两个导电的部件之间的最短的距离被称为空气隙。
电池单池的壳体被设计成棱柱形，用于所述电池单池的绝缘成形件具有两个较长的电池单池侧壁和两个较短的电池单池侧壁，在所述绝缘成形件中特别有利的是，凹槽被引入在所述较长的成形件侧壁中的一个或两个较长的成形件侧壁中，因为电池单池的最大的鼓胀出现在其较长的侧面处。绝缘成形件的凹槽然后直接贴靠在电池单池的最大的鼓胀所在的地方并且能够特别有效地平衡这个最大的鼓胀。
在一种特别有利的实施方式中，绝缘成形件尤其直接贴靠在电池单池的壳体侧面上，或者绝缘成形件尤其直接贴靠在电池单池的壳体侧面上以及贴靠在电池单池的壳体底面上和/或壳体顶面上。在此有利的是，在电池中没有不需要的空间被白白浪费，并且绝缘成形件的一个/若干凹槽通过直接的接触特别有效地被鼓胀的电池单池填充或者成形件侧壁在凹槽的部位处被特别有效地向外压。
在一种优选的实施方式中，壁厚的减小涉及至少一个成形件侧壁的外侧，因而凹槽沿至少部分被绝缘成形件包围的电池单池的方向构造。在此有利的是，凹槽中的成形件侧壁不那么结实并且由此比凹槽外的成形件侧壁更能活动。在电池单池体积增加时，凹槽中的成形件侧壁由此强烈地松弛并且施加比在凹槽外的部位处的绝缘成形件更小的压力到电池单池上。由此保护了电池单池的内部结构并且不会出现电极和分离器的过载。
在一种特别优选的实施方式中，壁厚的减小涉及至少一个成形件侧壁的内侧，因而凹槽离开至少部分被绝缘成形件包围的电池单池指向。在此有利的是，凹槽被鼓胀的电池单池填充并且由此更少的力作用到电池单池上，由此保护了该电池单池的内部结构。不会出现电极和分离器的过载。
在另一种特别优选的实施方式中，壁厚的减小涉及至少一个成形件侧壁的内侧和外侧，因而在成形件侧壁中构造有两个尤其对置的凹槽。在此同时利用了两个之前的实施方式的优点。
在一种优选的实施方式中有利的是，至少一个成形件侧壁的外侧在壁厚减小的区域中形成向内朝着至少部分被绝缘成形件包围的电池单池的拱曲。在一种附加或备选的优选的实施方式中有利的是，至少一个成形件侧壁的内侧在壁厚减小的区域中构造有向外离开至少部分被绝缘成形件包围的电池单池的拱曲，该拱曲形成凹槽。成形件侧壁在凹槽中的壁厚由此连续地减小或增加。因此在凹槽内不存在分级的过渡。在此有利的是，通过拱曲的凹槽绝缘成形件的弹性同样逐渐增加或减小并且没有中断。由此，如果凹槽构造在成形件侧壁的内侧上，在鼓胀时同样有拱曲的形状的电池单池能够最优地置入到所述凹槽中。此外，电池单池由此在最大的拱曲的部位处通过凹槽的同样拱曲的形状而例如承受了与在最小的拱曲的部位处同样高的压力，不管绝缘成形件的凹槽构造在成形件侧壁的内侧上还是外侧上还是内侧和外侧上。
在一种实施方式中，凹槽仅部分拱曲，例如壁厚连续地减小或增加，但是在凹槽的中央，材料减少是均匀的并且既不减小也不增加。
在另一种特别优选的实施方式中，凹槽定位在至少一个成形件侧壁的居中的区域中，所述区域地被至少一个成形件侧壁的边缘区域环绕地包围。在此有利的是，电池单池在包括电极和至少一个分离器的电极复合结构的居中的区域中承受最大的鼓胀。因此电池单池的壳体在电池单池侧壁的居中的区域中最为强烈地膨胀。绝缘成形件以在居中的区域中的凹槽因此正好定位在电池单池的最大的膨胀的部位处，因而电池单池的鼓胀尽可能好地被补偿。因此没有附加的力通过鼓胀作用到电池单池上。
在另一种实施方式中，绝缘成形件设计成至少一个电池单池的壳体。在此有利的是，以这种方式需要更少的壳体材料，由此一方面节省了重量并且另一方面降低了电池单池的材料成本和制造成本。此外还有利的是，绝缘成形件因此直接贴靠在电池单池的变形的部件上，并且没有通过电池单池壳体与这些部件分离。
在一种有利的实施方式中，绝缘成形件包括塑料。在此有利的是，由塑料制成的构件能够非常简单并且成本低廉地制造并且此外能够非常简单地重复使用。在一种特别有利的实施方式中，绝缘成形件包括热塑性塑料、例如聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯及其混合物。在此有利的是，这些材料能够特别良好地焊接。
聚烯烃是柔性的且具有高的机械稳定性和化学稳定性。在聚烯烃中，例如聚乙烯具有高的粘度、低的吸水性和水蒸气渗透性以及高的耐化学物质作用性，并且此外能良好地加工且成本低廉。聚丙烯具有低的吸水性，耐化学物质作用、电绝缘且能良好地加工以及成本低廉。聚酰胺的特征在于高的强度、高的化学和气候耐受性以及特征在于低的应力裂纹形成倾向。聚氯乙烯耐化学物质作用，具有高的强度且成本低廉。聚对苯二甲酸乙二醇酯具有高的断裂强度和温度稳定性。
在一种实施方式中，绝缘成形件借助注塑工艺制造。借助注塑工艺能够例如在短的周期内制造具有复杂的几何形状和高精度的塑料构件。注塑工艺是非常经济的工艺、尤其在大批量制造时。
在一种有利的实施方式中，绝缘成形件在成形件侧壁的边缘处具有凸起。该凸起能够构造在成形件侧壁的上侧处和/或成形件侧壁的下侧处，如果在那里例如没有成形件底壁或成形件顶壁邻接。在此有利的是，凸起例如用作安装期间或电池单池运行期间绝缘成形件的定位辅助结构。
在一种实施方式中，电池具有至少两个带有各一个按本发明的绝缘成形件的电池单池，其中，所述绝缘成形件具有不同大小的凹槽。绝缘成形件的凹槽备选或附加地不一样深。凹槽例如备选或附加地定位在绝缘成形件的不同的成形件侧壁处和/或同一成形件侧壁的不同的位置处。在此有利的是，电池通过在这一段中提到的实施方式能够非常灵活地设计并且能够根据所属的电池单池在电池中的位置个性化地调整绝缘成形件的材料的特性、如稳定性、刚性或柔韧性。因此并排地布置成电池模块且居中地处在该电池模块中的电池单池的绝缘成形件例如具有比布置在模块的边缘区域中的电池单池的绝缘成形件更大和/或更深的凹槽。在此有利的是，在需要时，所需的鼓胀空间与模块复合结构中的每个单池位置相匹配。
在一种备选的实施方式中，在模块中居中布置的电池单池的绝缘成形件例如具有比布置在模块的边缘区域中的电池单池的绝缘成形件更小和/或不那么深的凹槽。
在另一种备选的实施方式中，在按本发明的绝缘成形件中放入两个或更多的电池单池。
附图说明
本发明的实施方式在附图中示出且在接下来的附图说明中加以详细阐释。附图中：
图1以3D视图示出了在第一个实施方式中用于电池单池的至少一个壳体的、具有凹槽的按本发明的绝缘成形件的示意图；
图2示出了按图1的按本发明的绝缘成形件的垂直的剖面的示意图；
图3示出了在第二个实施方式中用于电池单池的至少一个壳体的、具有凹槽的按本发明的绝缘成形件的垂直的剖面的示意图；
图4示出了在第三个实施方式中用于电池单池的至少一个壳体的、具有凹槽的按本发明的绝缘成形件的垂直的剖面的示意图；
图5示出了在第四个实施方式中用于电池单池的至少一个壳体的、具有凹槽的按本发明的绝缘成形件的垂直的剖面的示意图；并且
图6以3D视图示出了按图1的具有凸起的按本发明的绝缘成形件的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于电池单池的至少一个壳体的绝缘成形件1的第一个实施方式。绝缘成形件1包括两个长的成形件侧壁3a和两个短的成形件侧壁3b，所述成形件侧壁被全面地构造。长的成形件侧壁3a包括各一个外侧33a和内侧33i。绝缘成形件1此外还包括在图1中看不到的成形件底壁。绝缘成形件1还备选没有成形件底壁。绝缘成形件1还备选地包括未示出的成形件顶壁。绝缘成形件1在长的成形件侧壁3a处具有凹槽5，该凹槽通过长的成形件侧壁3a的减小的壁厚形成。在图1中仅能看到长的成形件侧壁3a中的一个长的成形件侧壁的凹槽5。长的成形件侧壁3a的壁厚的减小在图1中构造在长的成形件侧壁3a的外侧33a处，因而沿对置的长的成形件侧壁3a的方向形成凹槽5。凹槽5在图1中定位在长的成形件侧壁3a的居中的区域中。凹槽5被长的成形件侧壁3a的边缘区域7环绕地包围。备选地，长的成形件侧壁3a中的仅一个长的成形件侧壁包括凹槽5。此外，一个或两个短的成形件侧壁3b备选或附加地包括凹槽5。
绝缘成形件1例如包括塑料、尤其热塑性塑料，如聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯及其混合物。绝缘成形件1例如借助注塑工艺一体式制造。绝缘成形件备选也能够由多个部分形成。
在图1中未示出的电池单池能放入该绝缘成形件1中。在一种未示出的实施方式中，绝缘成形件1本身形成电池单池的壳体。
在图2中以沿切割线A-A'的剖视图示出了按图1的绝缘成形件1。凹槽5在图2中部分拱曲。绝缘成形件1的长的成形件侧壁3a的壁厚沿凹槽5的方向连续地减小或者离开凹槽5连续地增加。在凹槽5的中央，壁厚的厚度没有变化，而是既不减小也不增加。此外，在这个图中能看到成形件底壁4。在图2中电池单池10被额外放入到该绝缘成形件中，因而电池单池10的所有的电池单池壳体侧壁都被绝缘成形件1的成形件侧壁3a、3b包围，并且电池单池壳体底壁被绝缘成形件1的成形件底壁4包围。在电池单池10鼓胀时，这个电池单池将长的成形件侧壁3a在凹槽5中沿着箭头方向D向外压。
在图3中示出了按本发明的绝缘成形件1的第二个实施方式的剖视图。不同于绝缘成形件1的在图1和2中示出的第一个实施方式的是，长的成形件侧壁3a的壁厚的减小在图3中构造在长的成形件侧壁3a的内侧33i处，因而凹槽5离开被放入到绝缘成形件10中的电池单池10指向。凹槽5在图3中部分拱曲。绝缘成形件1的长的成形件侧壁3a的壁厚沿凹槽5的方向连续地减小或离开凹槽5连续地增加。在凹槽5的中央，壁厚的厚度没有改变，而是保持不变。在电池单池10鼓胀时，电池单池10逐渐至少部分填充绝缘成形件1的凹槽5。
在图4中示出了按本发明的绝缘成形件1的第三个实施方式的剖视图。不同于绝缘成形件1的第一和第二个实施方式的是，长的成形件侧壁3a的壁厚的减小在图4中既构造在内侧33i处也构造在外侧33a处。由此在每个长的成形件侧壁3a上构造有两个凹槽5。成形在绝缘成形件1的长的成形件侧壁3a的外侧33a处的凹槽5朝着被绝缘成形件5包围的电池单池10延伸。成形在绝缘成形件1的长的成形件侧壁3a的内侧33i处的凹槽5离开被放入到绝缘成形件1中的电池单池10指向。凹槽5在图3中部分拱曲。绝缘成形件1的长的成形件侧壁3a的壁厚沿凹槽5的方向连续地减小或离开凹槽5连续地增加。在该凹槽5的中央，壁厚的厚度并没有改变，而是既不减小也不增加。在长的成形件侧壁3a的外侧33a处的凹槽5与在长的成形件侧壁3a的内侧33i处的凹槽5镜像对称地对置。凹槽5备选不对置，而是彼此错开布置。
在图5中示出了按本发明的绝缘成形件1的第四个实施方式的剖视图。不同于绝缘成形件1的之前的实施方式的是，凹槽5表示为拱曲。这就是说，长的成形件侧壁3a的壁厚在凹槽5中连续地减小或增加。由此在凹槽5内不存在分级的过渡。
在图5中，壁厚的减小构造在长的成形件侧壁3a的内侧33i处，因而凹槽5离开被放入到绝缘成形件1中的电池单池10指向。备选或附加例如构造通过长的成形件侧壁3a的外侧33a的壁厚的减小而形成的相应的凹槽5。
在图6中示出了按图1的绝缘成形件1，其区别在于，该绝缘成形件1在成形件侧壁3a、3b的边缘处具有凸起9。凸起9构造在成形件侧壁3a、3b的上侧处。凸起9备选或附加地构造在成形件侧壁3a、3b的下侧处，如果在那里例如没有成形件底壁或成形件顶壁邻接。
所有所述的实施方式都能任意相互组合。凹槽5在图中居中地形成在长的成形件侧壁3a中并且彼此对置。凹槽5备选或附加地引入到短的成形件侧壁3b中。此外，凹槽5备选不居中地布置在成形件侧壁3a、3b中。此外，凹槽5例如至少部分布置在同一成形件侧壁3a、3b的不同的位置处和/或至少部分布置在两个对置的成形件侧壁3a、3b的不同的位置处，因而这些凹槽不是镜像对称地对置，而是错开。
在一个实施方式中，例如具有各一个按本发明的绝缘成形件1的两个或多个的电池单池相互排列在一个电池模块中。在此，绝缘成形件1例如具有不同大小的和/或不同深度的凹槽5。凹槽5备选或附加地例如定位在绝缘成形件1的不同的成形件侧壁3a、3b处和/或定位在同一成形件侧壁3a、3b的不同的位置处。具有至少两个带有按本发明的绝缘成形件1的电池单池的电池例如使用在机动车中、尤其混合动力运行或电动运行的车辆中。
Claims (14)
1.用于至少一个电池单池的壳体、尤其用于至少一个锂离子电池单池的壳体的绝缘成形件（1），其特征在于，在所述绝缘成形件（1）的至少一个成形件侧壁（3a、3b）处构造凹槽（5），所述凹槽通过减小的壁厚形成，用于减小作用到电池单池上的力。
2.按照权利要求1所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）包括至少四个尤其被全面地构造的成形件侧壁（3a、3b），或者所述绝缘成形件（1）包括至少四个尤其被全面地构造的成形件侧壁（3a、3b）和尤其被全面地构造的成形件底壁（4）和/或成形件顶壁。
3.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）尤其直接贴靠在电池单池的壳体侧面上，或者所述绝缘成形件（1）尤其直接贴靠在电池单池的壳体侧面上以及贴靠在电池单池的壳体底面上和/或壳体顶面上。
4.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，壁厚的减小涉及所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的外侧（33a），因而所述凹槽（5）沿至少部分被所述绝缘成形件（1）包围的电池单池的方向构造。
5.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，壁厚的减小涉及所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的内侧（33i），因而所述凹槽（5）离开至少部分被所述绝缘成形件（1）包围的电池单池指向。
6.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，壁厚的减小涉及所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的内侧（33i）和外侧（33a），因而构造有两个尤其对置的凹槽（5）。
7.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的内侧（33i）和/或外侧（33a）在壁厚减小的区域中构造有：向内朝着至少部分被所述绝缘成形件（1）包围的电池单池的拱曲或者向外离开至少部分被所述绝缘成形件（1）包围的电池单池的拱曲，所述拱曲形成所述凹槽（5）。
8.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述凹槽（5）定位在所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的居中的区域中，所述区域被所述至少一个成形件侧壁（3a、3b）的边缘区域（7）环绕地包围。
9.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）形成至少一个电池单池（10）的壳体。
10.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）包括塑料、尤其热塑性塑料。
11.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）借助注塑工艺制造。
12.按照前述权利要求中任一项所述的绝缘成形件（1），其特征在于，所述绝缘成形件（1）在所述成形件侧壁（3a、3b）的边缘处具有凸起（9）。
13.电池单池、尤其锂离子电池单池，所述电池单池具有按照权利要求1至12中任一项所述的绝缘成形件（1），其中，所述绝缘成形件（1）尤其直接贴靠在所述电池单池的壳体侧面上，或者其中，所述绝缘成形件（1）尤其直接贴靠在所述电池单池的壳体侧面上以及贴靠在所述电池单池的壳体底面上和/或壳体顶面上，或者其中，所述绝缘成形件（1）形成所述电池单池的壳体。
14.电池，所述电池包括至少两个按照权利要求13所述的电池单池，其特征在于，所述电池单池具有按照权利要求1至13中任一项所述的、带有尤其不同大小的凹槽（5）的绝缘成形件（1）。
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