CN109428113B - 用于锂离子单元电池的传感器装置、锂离子单元电池 - Google Patents

用于锂离子单元电池的传感器装置、锂离子单元电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于能量存储器的锂离子单元电池、特别地袋型单元电池(1)的传感器装置(7)，其具有参比电极(10)，该参比电极可设置在锂离子单元电池(1)的阳极(5)和阴极(6)之间并且可通过评估装置(20)电接触。在此设成，参比电极(10)沿环形框架(8)延伸，该环形框架承载可布置在阳极(5)和阴极(6)之间的隔板(4)，其中参比电极(10)至少分段地在框架(8)的朝向/可朝向阳极(5)和/或阴极(6)的端面(12,13)上延伸。此外，本发明涉及具有这种传感器装置的锂离子单元电池、特别地袋型单元电池。

Description

用于锂离子单元电池的传感器装置、锂离子单元电池
技术领域
本发明涉及一种用于能量存储器的锂离子单元电池、特别地袋型单元电池的传感器装置，其具有参比电极，该参比电极可布置在锂离子单元电池的阳极和阴极之间并且可通过评估装置电接触。
此外，本发明涉及具有这种传感器装置的锂离子单元电池、特别地袋型单元电池。
背景技术
从现有技术中已知所述类型的传感器装置和锂离子单元电池。例如，出版物DE102012 202 433 A1公开了一种用于电池单元的传感器装置，其具有参比电极和评估装置，其中所述评估装置一方面与参比电极电连接以及另一方面与锂离子单元电池的阳极和阴极电连接。借助于该参比电极，可检测阳极和阴极的电极电位，从而例如在操作期间对锂离子单元电池的性能或任何发生的老化进行监测。参比电极在此布置在阴极和阳极之间，使得相对于阳极和相对于阴极均具有相应可测量的电势，从而可确定锂离子电池的状态。由出版物DE 10 2014 220 993 A1还已知一种制备用于锂离子单元电池的参比电极的方法，其中将参比电极电沉积在中性金属杯的内侧。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的传感器装置，其允许更容易地集成到锂离子单元电池、特别地袋型电池中，并且特别地还以节省空间的方式设计。
本发明的目的通过一种用于能量存储器的锂离子单元电池的传感器装置实现，所述传感器装置具有：
环形的框架；
被夹紧在框架中且被框架承载的隔板，所述隔板能够布置在锂离子单元电池的阳极和阴极之间；
布置在框架上的参比电极，该参比电极能够设置在锂离子单元电池的阳极和阴极之间并且能够通过评估装置电接触，
其中，参比电极沿环形的框架延伸，其中参比电极至少分段地在框架的能够朝向阳极的第一端面和/或能够朝向阴极的第二端面上延伸。
这具有以下优点：参比电极能够以节省空间的方式被引入到锂离子单元电池中，方式是将所述参比电极分配给(zuordnen)布置在阴极和阳极之间的隔板。在此，参比电极布置在同样承载隔板的框架上。通过将隔板布置在阳极和阴极之间，由此也同时将参比电极定位在阳极和阴极之间。因此，迄今为止传统的隔板被根据本发明的由框架、参比电极和隔板组成的单元所代替，该单元特别地为预组装组件。由此，能够实现简单地集成到锂离子单元电池中。在此，参比电极布置在所述框架的朝向或可分配给/分配给阴极和/或阳极的端面上，以能够检测或测量相对于阳极的电位、相对于阴极的电位或相对于阳极的电位和相对于阴极的电位两者。根据应用情况，参比电极仅布置在两个端面中的一个上可能就足够了。然而，参比电极优选地可在两个端面上提供，以便对锂离子单元电池的两个电极(阳极和阴极)进行有利的电位测量。
根据本发明的优选的实施方式设成，框架的环形形状沿着偏离圆形的形状延伸。由此，框架不是圆形的，而是具有不规则的轮廓，这允许框架在锂离子单元电池中的明确定位，特别地相对于锂离子单元电池的电极。由此导致，一方面组装以及另一方面传感器装置的运行可靠性得到优化。
特别地设成，框架的环形形状至少基本上沿矩形形状延伸。由此导致，框架与参比电极一起可有利地用在袋型单元电池中，该袋型单元电池通常同样是矩形的。矩形形状在锂离子单元电池的框架和壳体之间和/或锂离子单元电池上的电极和参比电极之间提供有利的抗扭转(防转动锁定Verdrehsicherung)。
为此目的，优选地设成，框架被构造为适于在隔板的第一侧上接收阳极并且在隔板的背离第一侧的第二侧上接收阴极。因此，阴极和阳极在组装期间至少部分地插入框架中，并且在框架内通过隔板相互隔开。由于阳极和阴极可各自插入框架中，从而锂离子单元电池、特别地带型单元电池的特别节省空间的设计是可能的。在这种情况下，框架优选地具有用于限制阳极和阴极在框架中的最大插入深度的间隔件，以确保电极的明确且可靠的定位，特别地与隔板间隔开。由于偏离圆形的形状，特别地由于矩形形状，框架还可适配于或适配于锂离子单元电池的电极的形状，使得阳极和阴极在框架内部被框架保持为防转动锁定的。由此，还可靠地防止了电极相对于彼此的转动。
因此，根据本发明的一个优选的改进方案设成，框架的形状至少在框架的内轮廓上适配于阳极和阴极的形状，以便以防转动锁定的方式接收电极。由此，可靠地保证了阳极相对于阴极以及参比电极相对于阳极和阴极的上述防转动锁定。
此外，参比电极优选地在框架的相应端面上环形地(以环形的形式)延伸，也就是说沿着框架的环形端面延伸。由此导致检测电位时高的测量精度。
特别优选地，参比电极在框架的两个端面上环形地延伸。这意味着在框架的两个端面上，参比电极连续地以环形的形式延伸并且相应地形成或具有单独的与阳极或阴极之一相对应的参比电极环。由此确保了对于阴极和阳极两者的可靠的电位测量。或者，优选地设成，在相对置的端面上的参比电极仅分段地沿着环形框架延伸，使得例如参比电极在框架的环形延伸部分中有时在一个端面、有时在另一个端面上延伸，以便能够对锂离子单元电池的两个电极进行电位检测。
优选地，参比电极在一个端面上具有第一环形轨道(Ringbahn)并且在另一个端面具有第二环形轨道。结果，参比电极以简单的方式存在于框架的两个端面上。这代表了特别具有成本效益的变型。两个环形轨道彼此电连接，并且特别地可通过评估装置的单个触点端子(Kontaktanschluss)形成触点接通。触点端子特别地形成在框架外周表面上和/或布置在那里。
根据本发明的备选实施方式，优选地设成，参比电极从一个端面穿过框架延伸至另一个端面。例如，当参比电极沿着框架的环形形状有时在一个端面上、有时在另一个端面上延伸时(如上所述)，就是这种情况。然而，如果参比电极在两个端面上都被设计成环形的，则根据该实施方式设成，参比电极形成框架本身的一部分并且优选地具有开口以将支架固定到框架上，框架穿过所述开口延伸，或者用于将参比电极定位在框架上的紧固装置可穿过该开口。因此，在这种情况下，参比电极本身设计成框架形的，例如呈框架状延伸的电极条的形式，其端面在框架的端面处露出。
此外，优选地，框架被设计成锂离子单元电池的壳体。由此，传感器装置的框架本身形成锂离子单元电池的壳体，从而可实现锂离子单元电池的特别紧凑的设计。对此，电极可布置在框架中或框架上，使得壳体闭合并且电解质不可逸出。为此目的，电极特别地布置在保持板上，该保持板至少部分地覆盖框架的端面，以确保可靠的布置，其中选择框架和保持板的连接，使得参比电极保持与电解质接触。
特别地设成，传感器装置具有评估装置。在这种情况下，评估装置例如布置在框架上并且由传感器装置引导。这导致传感器装置也被简单集成在现有锂离子单元电池或能量存储器中。
根据本发明，还提供了一种锂离子单元电池，特别地袋型单元电池，其具有阳极和阴极，所述阳极和阴极与电解质一起布置在壳体中，其中在阳极和阴极之间布置有根据本发明的传感器装置。这导致已经提到的优点。特别地设成，传感器装置的框架适配于阳极和阴极的形状和轮廓，使得它们以防转动锁定的方式被保持在框架中/上，并且特别地至少部分地突出到框架中，如前所述。
其它优点和优选的特征以及特征组合特别地从前文和后文的描述中得出。
附图说明
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。附图示出了：
图1：具有传感器装置的锂离子单元电池的简化侧视图，
图2：根据第一实施例的传感器装置的俯视图，
图3：根据第二实施例的传感器装置的透视图，和
图4A至4C：根据另外的实施例的传感器装置的几个简化的侧视图。
具体实施方式
图1示出了锂离子袋型单元电池1的简化侧视图，该锂离子袋型单元电池具有容器2，其中存在电解质3。所述容器在此被隔板4分成两部分，其中在一个部分中引入阳极5以及在另一个部分中引入阴极6作为袋型单元电池1的电极。为了能够检测袋型单元电池1、特别地阳极5和阴极6的老化而希望也能够在操作期间对它们进行监测。为此目的，已知将具有第三电极(所谓的参比电极)的传感器装置7添加到锂离子单元电池中，使得参比电极同样与电解质3接触，从而测量阳极5和阴极6两者的电位。参考图2至图4，下面将呈现具有可插入锂离子袋型单元电池1中的这种参比电极的有利传感器装置7，其中所呈现的传感器装置7可建设性地已在锂离子单元电池的制造中被考虑到，或者也可事后插入到现有的袋型单元电池中。
图2为此目的示出了传感器装置7的简化的俯视图。它具有矩形框架8，隔板4被夹紧在矩形框架8中。这意味着，隔板4在由框架8于内侧形成的整个开口9上延伸。框架8使开口9 360°闭合并且因此是环形的。在框架8上，还布置有参比电极10，其沿着框架8的环形路线延伸，并因此也设计成环形的。在框架8的一侧，参比电极10可通过端子11电接触(或称为电触点接通)。此时，框架8以这种方式来确定尺寸，使得它可插入容器2中的阳极5和阴极6之间，从而隔板4位于阳极5和阴极6之间。同时，参比电极10也位于阳极5和阴极6之间，从而可进行上述有利的电位测量。在这种情况下，特别地设成，框架8的高度(垂直于纸平面)几乎对应于隔板4的厚度，从而可将参比电极10以节省空间的方式引入现有的袋型单元电池1中以进行测试测量。
图3示出了传感器装置7的第二实施例，其中由图2已知的元件具有相同的附图标记，并因此参考上述说明。从本质上讲，仅对差异进行讨论。
与前一实施例不同，现在设成，框架8具有显著大于隔板4的厚度的高度H，使得布置在框架8的中央的隔板分别布置在距框架8的第一端面12和第二端面13一定距离处。由此在隔板4和相应的端面12,13之间形成接收凹槽14和15，其中可插入袋型单元电池1的电极。因此特别地设成，阳极5插入接收凹槽14以及阴极6插入接收凹槽15中。因此，袋型单元电池1的电极至少部分地沉入相应的接收凹槽14,15中，从而被布置在框架8内并集成在其中。有利地，选择框架8的内轮廓或相应的接收凹槽14,15，使得其对应于相应电极或阳极5或阴极6的外轮廓而形成，从而由于框架8和电极5,6的矩形形状而在它们之间形成防转动锁定，使得电极5,6在操作期间或组装期间不能相对于彼此转动。因此，框架8的内轮廓仅略大于电极5,6的外轮廓。结果，框架8形成用于锂离子单元电池的壳体16，其中当相应地位于接收凹槽14,15中的电极5,6可密封地被布置在其中时，壳体16与插入其中的电极5,6一起形成完整的锂离子单元电池。为此目的，电极5,6例如固定在相应的端板上，端板可固定在框架8上并紧密地密封内部空间。在这种情况下，电极5,6或保持板之间的物理接触(实体接触)则位于电极10的外部，使得它与电解质接触，以便能够进行所需的测量。
在图2和图3中，可以看出，参比电极10分别布置在框架8的端面12,13之一上。如果电极10实际上仅布置在一个端面上，则仅可测量相对于电极5或6中的一个的电位。在此优选地设成，电极10设置在框架8的两个端面、即第一端面12和第二端面13上。为了实现这一点，可使用不同的变型，这将在下面参考图4A至4C进行说明。
图4A至4C中所示的传感器装置7的实施例的共同之处在于，在每个端面12,13上，参比电极10与电解质接触。
根据图4A中的实施例(其以根据图3的线A-A的剖面图的形式示出了传感器装置7)设成，参考电极10被设计为电极条，其宽度至少对应于框架8的高度H，使得它从两个端面12,13突出或至少与它们齐平地封闭，如图4A中所示。因此，参比电极10从第一端面12穿过框架8到第二端面13。为了更好地理解图3中所示的方案，图4A中的虚线表示阳极5和阴极6，其中电极5,6在此部分地插入相应的接收凹槽14,15中。在这种情况下，框架8优选地在靠近隔板4处具有间隔件17，该间隔件17向隔板4的两侧延伸并限制电极5,6的最大插入深度，从而确保它们与参比电极10隔开一定距离，使得电极5,6和参比电极10在各自的情况下通过电解质3彼此电连接。
图4B示出了沿图3的虚线B-B穿过框架的剖视图。与前面的实施例不同的是，电极10此时这样设计并布置在框架8中，使得电极10分段地有时沿着一个第一端面12延伸，以及有时沿着第二端面13延伸，从而它交替地有时被分配给阳极5，有时被分配给阴极6。在这种情况下，参比电极10则不是环形地延伸穿过端面12,13，而是仅沿着框架8以环形方式延伸，其中它在此分段地被分配给相应的端面12,13。然而，即便用这种参比电极10也可实现相对于阳极5和阴极6的电位的测量。
图4C以根据图3的线B-B的纵向剖视图示出了传感器装置7的另一实施例。根据该实施例设成了，参比电极10被分成两个环形轨道18,19，它们分别布置在一个端面12,13上并因此沿着框架8环形地延伸。两个环形轨道18,19在触点端子11处汇集在一起，使得参比电极10可在总体上通过触点端子11电接触，并且可执行所描述的测量。这代表参比电极10的特别简单和低成本的实现。
有利地，如图1所示，电极5,6以及参比电极10与评估装置20连接，该评估装置监测相对于阳极5和阴极6的电位并且例如传送到更高级别的控制单元，从而使用锂离子单元电池的有利操作策略是可行的。
附图标记清单
1 袋型单元电池
2 容器
3 电解质
4 隔板
5 阳极
6 阴极
7 传感器装置
8 框架
9 开口
10 参比电极
11 触点端子
12 第一端面
13 第二端面
14 接收凹槽
15 接收凹槽
16 壳体
17 间隔件
18 环形轨道
19 环形轨道
20 评估装置

Claims (14)

1.用于能量存储器的锂离子单元电池的传感器装置(7)，其具有：
环形的框架(8)；
被夹紧在框架(8)中且被框架(8)承载的隔板(4)，所述隔板(4)能够布置在锂离子单元电池的阳极(5)和阴极(6)之间；
布置在框架(8)上的参比电极(10)，该参比电极能够设置在锂离子单元电池(1)的阳极(5)和阴极(6)之间并且能够通过评估装置(20)电接触，
其中，参比电极(10)沿环形的框架(8)延伸，其中参比电极(10)至少分段地在框架(8)的能够朝向阳极(5)的第一端面(12)和/或能够朝向阴极(6)的第二端面(13)上延伸。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，框架(8)的环形形状沿着偏离圆形的形状延伸。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，框架(8)的环形形状至少基本上沿矩形形状延伸。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，框架(8)被设计成在隔板(4)的第一侧上至少部分地接收阳极(5)并且在隔板的背离第一侧的第二侧上至少部分地接收阴极(6)。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，框架(8)的形状适配于阳极(5)和阴极(6)的形状，以便以防转动锁定的方式接收它们。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，参比电极(10)在框架(8)的第一端面(12)或第二端面(13)上环形地延伸。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，参比电极(10)在框架(8)的第一端面(12)和第二端面(13)上都环形地延伸。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，参比电极(10)在第一端面(12)上具有第一环形轨道(18)并且在第二端面(13)上具有第二环形轨道(19)。
9.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，参比电极(10)从第一端面(12)穿过框架(8)延伸到第二端面(13)。
10.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，框架(8)被设计成锂离子单元电池(1)的壳体(16)。
11.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，它具有评估装置(20)。
12.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述锂离子单元电池是袋型单元电池(1)。
13.锂离子单元电池，其具有阳极(5)和阴极(6)，所述阳极和阴极与电解质(3)一起布置在壳体(16)中，其中在阳极(5)和阴极(6)之间布置有根据权利要求1至12之一所述的传感器装置(7)。
14.根据权利要求13所述的锂离子单元电池，其特征在于，所述锂离子单元电池是袋型单元电池(1)。
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