CN109564991A - 电化学电池和具有这种电池的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学电池，其包括环形的电极复合体和环形的、液体密封的、中空柱形的壳体，所述壳体具有环形的内部空间，所述壳体围绕中心穿孔或留空部布置。环形的电极复合体布置在环形的内部空间中。所述壳体具有在5mm至40mm范围内的高度和在6mm至20mm范围内的外径。本发明还涉及一种设备，其包括这种电池和至少一个电子构件，所述电子构件布置在中心穿孔或留空部中。电子构件由所述电池供应电能。

Description

电化学电池和具有这种电池的设备

技术领域

接下来描述的发明涉及一种电化学电池和一种具有这种电池的设备。

背景技术

特别熟知的电化学电池实施方式是纽扣电池和圆形电池。纽扣电池通常具有柱形壳体，壳体的高度等于或小于其直径。在圆形电池中，壳体也构造成柱形，但是该壳体的高度超过其直径。

壳体中可以分别包含非常不同的电化学系统。非常常见的是基于锌/空气、锌/ 二氧化锰和镍/锌的电池。次级（可充电）系统也非常常见。对此的示例是镍/金属氢化物电池、镍/镉电池和锂离子电池。

在一般情况下，圆形电池和纽扣电池的柱形壳体通常由两个实心的、通常是金属的壳体部件组成，在壳体部件之间布置有电绝缘的密封件。壳体部件中的一个壳体部件与正电极电连接并且相应地正极化。另一个壳体部件与负电极电连接并相应地负极化。密封部应防止相反极化的壳体部件之间的电接触。此外，密封部应该抵挡液体或湿气从壳体中漏出或渗入壳体。

锂离子电池可以达到非常高的能量密度。在一些情况下，基于锂离子的电池包含由多个单电池组成的电池组（stack）形式的复合体。然而在大多数情况下，电池含有卷绕的复合体，该复合体通常是卷绕形式的单个电池。具有卷绕复合体的纽扣电池例如在WO2010/ 146154A2和WO2010 / 089152A1中有所描述。

卷绕复合体通常通过呈螺旋状卷绕带状电极和至少一个带状隔离物制成。它们通常具有如下顺序：正电极/隔离物/负电极。通常，这种卷绕复合体制造为所谓的双电池，所述双电池可能的顺序是：负电极/隔离物/正电极/隔离物/负电极，或者正电极/隔离物/负电极/隔离物/正电极。在此，电极通常分别包括金属集电器以及电化学活性组分和电化学惰性组分。

针对次级锂离子系统考虑所有能接收并再次释放锂离子的材料作为电化学活性组分（通常也称为活性材料）。在这方面，针对负极的现有技术特别是碳基材料，例如石墨碳或能够嵌入锂的非石墨碳材料。此外，还可以使用能够与锂形成合金的金属和半金属材料，或者这些材料与碳基材料的复合材料。针对正极，特别是考虑锂-金属氧化物-化合物和锂-金属磷酸盐-化合物，例如LiCoO₂和LiFePO₄。

作为电化学惰性组分首先要提到的是电极粘合剂和集电器。后者用于使电化学活性组分尽可能大面积地电接触。集电器通常由呈带状的扁平的金属基底制成，例如由金属箔或金属泡沫或金属化非织造物制成。电极粘合剂确保电极的机械稳定性并负责电化学活性材料颗粒彼此之间以及其与集电器的接触。此外，该术语电化学惰性组分还特别包括导电剂，即例如炭黑。

特别地，考虑将多孔塑料膜、例如由聚烯烃或者由聚醚酮制成的多孔塑料膜作为上述复合体的隔离物。

为了制造用于卷绕复合体的电极，通常将膏浆以薄层的形式涂覆到所述集电器上、进行干燥并形成期望的形状，所述膏浆包括上述电化学活性组分以及电极粘合剂（和必要时的导电剂）。通常在干燥后对这些层进行辊压和挤压。这样形成的带状正电极和负电极彼此组合以及与一个或多个带状隔离物组合以形成带状单电池。为此，电极可以例如层压在隔离物的对置的侧上。

然后将带状单电池送入卷绕设备并在其中加工成上述卷绕复合体。为此，单电池通常卷绕在卷绕心轴或卷绕芯上。在通常是预先确定的匝数之后（在此，复合体围绕卷绕心轴或卷绕芯的每一个整圈被理解为一匝），中断卷绕过程。所形成的卷绕复合体例如借助切割或冲压工具从单个电池的紧接着的尚未卷绕的部分分开。那么在卷带内部通常存在沿轴向取向的空腔。空腔就是例如在从卷绕心轴移除卷带时形成的，或者是说利用卷绕芯填充空腔。

电子进出复合体电极的馈电和放电通常通过导电片（Ableiterfahnen）进行，导电片例如可以在端面从所形成的卷绕复合体伸出。导电片电连接到集电器或集电器的一部分上。

电化学电池的一个非常重要的特性是它们的电容量。为了实现高电容量，必须为电化学活性材料提供尽可能多的空间。当使用所述卷绕复合体时，试图使所述复合体内的轴向空腔保持尽可能小。轴向空腔表示相对于电池电容量的死体积。但是空腔直径选择得越小，卷绕半径也就朝向卷带的中心减小得越厉害。这导致所述带状单电池在卷绕时的高机械负载。在极端情况下，隔离物和/或集电器的电极溶解。这可以通过添加适当的添加剂对电极赋予更高的机械弹性来抵挡。但是由于这些添加剂本身是电化学惰性的，由此也降低了电池的电容量。

发明内容

本发明的目的在于提供具有高电容量的电化学电池，其中应当避免或至少在较小程度上发生所述问题。

所述目的通过具有权利要求1的特征的电化学电池实现。在从属权利要求2至4中给出了根据本发明的电池的优选实施方式。此外，本发明还包括具有权利要求5的特征的设备。所有权利要求的措辞由此通过引用结合到本说明书的内容中。

根据本发明的电化学电池的特征在于以下特征：

•电化学电池包括环形的电极复合体：在此例如是通过呈螺旋状卷绕带状电极和至少一个带状隔离物（如前所述）制造成的卷绕复合体。在此引入开头对卷绕复合体所作的陈述作为参考。特别优选地，环形电极复合体是电极卷带，其例如在WO2010 / 089152A1的图3a和图3b中所述；

要强调的是，复合体并非必须包括具有能够接收和再次释放锂离子的活性材料的电极。其他电化学系统的电极也完全可以组合在复合体中，例如镍/金属氢化物；

•电化学电池包括环形的、液体密封的壳体，该壳体具有环形的内部空间并且围绕中心的穿孔或留空部布置：常见的圆形电池和纽扣电池的壳体构造成柱形。这些壳体不具有中心的穿孔或留空部；

壳体要么具有穿孔，要么具有留空部。中心的穿孔总是构造成可通过的，它从一侧到另一侧穿透壳体并且相应地可从壳体的两侧接近。而留空部是构造成不可通过的。留空部只能从壳体的一侧接近；

•环形电极复合体布置在环形内部空间中：大多数电化学系统需要液体电解质。例如，镍/金属氢化物电池需要含水的碱液作为电解质。在一般情况下，锂离子系统需要其中溶解有锂-导电盐的有机电解质。利用电解质浸渍的电极复合体在内部空间受到保护，防止湿气进入。同时，液体密封的壳体也防止电解液泄漏。

在一般情况下，根据本发明的电化学电池的特征还在于以下两个附加特征中的至少一个：

•壳体具有至少两个在空间上彼此分开的密封区域；

•密封区域分别构造为环形。

如开头所述，在一般情况下，圆形电池和纽扣电池的柱形壳体通常由两个实心的、通常是金属的壳体部件组成，在壳体部件之间布置有电绝缘的密封件。这些电池总是具有刚好一个密封区域。这在根据本发明的电池的情况下是不同的。中心穿孔或留空部的存在要求它们通常具有两个或更多个密封区域。因此，必要时也需要多于一个密封件来密封根据本发明的电池。

在根据本发明的电池的特别优选的实施方式中，电池具有以下附加特征中的至少一个特征：

•壳体构造为中空柱形；

•中心穿孔或留空部具有柱形几何形状；

•电极复合体可以作为由电极带和至少一个隔离物带形成的中空柱形的卷带，卷带的端面由电极带的纵向边缘形成，在卷带的中心存在沿轴向取向的空腔，该空腔在端面的中心具有开口；

•壳体可以包括两个圆环形的、彼此间隔开的且彼此平行的壳体底部，以及连接壳体底部的圆环形的内部壳体罩，和连接壳体底部的环形的外部壳体罩，其中壳体罩中的每一个壳体罩和壳体底部中的每一个壳体底部分别具有指向内部空间的内侧和指向相反方向的外侧。

为了实现电容量的最佳利用而有利的是，使环形电极复合体和环形液体密封的壳体的几何形状特征尽可能好地彼此匹配。电极复合体（例如WO2010 / 089152A1的图3a和图3b中描述的那些）几乎是完美的中空柱形。如果内部空间同样具有中空柱形的形状，那么这些电极复合体就可以最好地利用环形内部空间的体积。

穿孔优选地构造为可通过的柱形孔。留空部优选地构造为在一侧完全封闭或至少部分封闭的柱形孔。

除了已经描述过的一些或多个可选特征之外或作为其替代，根据本发明的电化学电池可具有以下特征：

•变形方案1 - 壳体包括两个同心布置的不同直径的中空柱形环，其中较小的中空柱形环形成内部壳体罩，并且较大的中空柱形环形成外部壳体罩：这是对于根据本发明的电池来说能想到的最简单的壳体变形方案之一。为了闭合壳体，必须闭合环之间的两个圆环形开口，例如借由箔片进行闭合。这导致四个在空间上彼此分开的环形密封区域；

•变形方案2 - 壳体包括两个分别由环形盘和中空柱形环形成的环形套筒，其中该中空柱形环中的一个中空柱形环被插入另一个中空柱形环中，从而使环形盘形成彼此平行的壳体底部并且插入彼此的中空柱形环形成内部壳体罩：在该实施方式中，插在一起的环形套筒形成盘式线圈。在环形电极复合体的制造中，该盘式线圈可以用作卷绕心轴或卷绕芯。因此，电极复合体可以直接在壳体部件上制造；

•变形方案3 - 所述壳体包括两个分别由环形盘、中空柱形的内环和中空柱形的外环形成的杯形半部件，其中半部件中的一个半部件被插入另一个半部件中，从而使环形盘形成彼此平行的壳体底部，且内环形成内部壳体罩并且外环形成外部壳体罩：该实施方式确保在杯形半部件组合之后不再需要封闭开口。

壳体材料的选择基本上没有限制。因此例如在变形方案3中，两个半部件都可以由金属、例如镀镍钢制成，并且因此也用作电池的极。在这种情况下，需要具有电绝缘特性的密封元件，这些密封元件必须布置在两个半部件之间。此外，在这种情况下，电极复合体的电极必须电耦合到半部件上。例如，像现有技术中已知的那样，这可以通过使导电片在端面从所形成的卷绕复合体伸出并通过焊接而与壳体连接来完成。

替代地，在变形方案3中，两个半部件也可以由塑料制成。然而在这种情况下，壳体必须设置极引线，以便与电极复合体的电极进行电接触。

原则上，根据本发明的电池在其尺寸方面不受限制，包括直径比（外径/内径）或电池的高度。然而在壳体构造为中空柱形的一些实施方式中，壳体的高度优选最多以因数2超过其外径。在扩展方案中，高度/外径的比率≤1。

特别优选地，根据本发明的电池适用于小型化应用，接下来将对其中一些优选应用进行描述。根据本发明的用于这种设备的电池优选具有构造成中空柱形的壳体，该壳体具有在5mm至40mm范围内的高度以及在6mm到20mm范围内的外径。在这种情况下，留空部或穿孔优选构造为柱形，并且优选地具有在3mm至10mm范围内的直径。

根据本发明的电池提供了可比较的传统电池所不具有的几个优点。尽管根据本发明使用的电极复合体在复合体内部也具有轴向空腔。但是由于根据本发明的壳体的设计方案，轴向空腔不会导致壳体内部的死体积。而是在穿孔或留空部中可以布置电子构件，这些电子构件由根据本发明的电池供电。

相应地，本发明的内容还包括一种设备，该设备包括根据本发明的电化学电池以及布置在根据本发明的电化学电池的环形壳体的中心穿孔中的至少一个电子构件。在此，电子构件由电池供应电能。

作为电化学电池优选应用一种适用于小型化应用的实施方式，也就是具有构造成中空柱形的壳体的电池，该壳体具有在5mm至30mm范围内的高度和在8mm至20mm的范围内的外径。

该设备例如可以是无线耳机，特别是“入耳式耳机”形式的无线耳机，也就是插入耳中的耳机，因此耳机必须非常小。相应地，电子构件可以特别是扬声器或扬声器组件或电子发送和接收单元，例如无线或蓝牙芯片组。

在另一种实施方式中，所述设备可以是无线助听器，特别是“入耳式助听器”形式的无线助听器，也就是插入耳中的助听器，因此助听器必须非常小。相应地，电子构件可以特别是扬声器或扬声器组件或麦克风或麦克风组件或电子发送和接收单元，例如无线或蓝牙芯片组，或电子放大器模块或语音处理器。

附图说明

由附图以及以下附图说明得出本发明的其他特征以及由本发明产生的优点。接下来描述的实施方式仅仅用于阐述和更好地理解本发明，而绝不能理解成限制性的。

具体实施方式

图1A和1B示出了卷带形式的电极-隔离物复合体100，其可以在根据本发明的电化学电池中用作电极复合体（示意图）。图1A是从上方垂直到卷带的端面101上的俯视图。图1B是从上方倾斜的视图。卷带100由带状单电池制成，该单电池包括两层隔离物带102和103以及两个电极层104和105（一个正电极和一个负电极）。带状单电池呈螺旋状卷绕并通过胶带106保持在一起。在卷带100的中心存在轴向空腔107。

图2A中示出了壳体的包括两个中空柱形环201和202的部件200。环201布置在环202内部，从而形成同心布置。在两个环之间的间隙203中插入如图1中示出的环形电极复合体。

为了使所述壳体完整，在环之间的圆环形开口必须是闭合的，例如借由箔204闭合。图2B是由此产生的根据本发明的电化学电池的横截面示意图，该电化学电池具有中心穿孔206，该中心穿孔在尺寸和形状方面与环201内部的空腔205基本上相同。

图3A中示出了盘式线圈形式的根据本发明的电化学电池的壳体的部件300。盘式线圈由环形套筒301和302组成。环形套筒分别包括环形盘301a和302a以及中空柱形环301b和302b。线圈可以用作制造环形电极复合体的卷绕心轴。图3B中示出了所得到的电化学电池（示意性横截面图）。在由环形套筒301和302形成的线圈300上，卷绕环形电极复合体303。所得到的电池的外罩由箔304形成。

图4A中示出了根据本发明的电化学电池的壳体400。该壳体可以通过将半部件401插入半部件402中来形成。半部件分别构造成杯形，并且包括中空柱形内环401a和402a、中空柱形外环401b和402b以及环形盘401c和402c。当半部件 402被插入到半部件401中时，环形盘形成壳体400的底部。图4B中示意性示出了所得到的电池的横截面，该电池包括插入到壳体中的电极复合体403。未示出的是电极复合体的电极与半部件401和402的接触。同样未示出的是密封件，密封件在必要时必须布置在半部件之间以密封壳体，并且半部件彼此电绝缘。

图5中示意性示出了根据本发明的设备（左侧是俯视图，右侧是沿截面S的横截面）。501表示根据本发明的电化学电池，其具有中心穿孔503。在中心穿孔中布置有电子构件502，例如助听器或耳机的扬声器。

Claims (5)

1.一种电化学电池，其具有以下特征：

a. 所述电化学电池包括环形的电极复合体；

b. 所述电化学电池包括环形的、液体密封的、构造成中空柱形的壳体；

c. 所述壳体包括环形的内部空间；

d. 所述壳体围绕中心穿孔或留空部布置；

e. 所述壳体具有在5mm至40mm范围内的高度和在6mm至20mm范围内的外径；

f. 所述环形的电极复合体布置在环形的内部空间中。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于以下附加特征中的至少一个特征：

a. 所述壳体具有至少两个在空间上彼此分开的密封区域；

b. 所述密封区域分别构造成环形。

3.根据权利要求1或根据权利要求2所述的电池，其特征在于以下附加特征中的至少一个特征：

a. 所述中心穿孔或留空部具有柱形几何形状；

b. 所述壳体包括两个圆环形的、彼此间隔开的且彼此平行的壳体底部，以及连接所述壳体底部的环形的内部壳体罩，和连接所述壳体底部的环形的外部壳体罩，其中所述壳体罩中的每一个壳体罩和所述壳体底部中的每一个壳体底部分别具有指向所述内部空间的内侧和指向相反方向的外侧；

c. 所述电极复合体作为由电极带和至少一个隔离物带形成的中空柱形的卷带存在，所述卷带的端面由所述电极带的纵向边缘形成，并且在所述卷带的中心存在沿轴向取向的空腔，所述空腔在所述端面的中心具有开口。

4.根据权利要求3所述的电池，其特征在于以下附加特征中的任一项特征：

a. 所述壳体包括两个同心布置的不同直径的中空柱形环，其中较小的中空柱形环形成所述内部壳体罩，并且较大的中空柱形环形成所述外部壳体罩；

b. 所述壳体包括两个分别由环形盘和中空柱形环形成的环形套筒，其中所述中空柱形环中的一个中空柱形环被插入另一个中空柱形环中，从而使所述环形盘形成彼此平行的所述壳体底部，并且插入彼此的所述中空柱形环形成所述内部壳体罩；

c. 所述壳体包括两个分别由环形盘、中空柱形的内环和中空柱形的外环形成的杯形半部件，其中所述半部件中的一个半部件被插入另一个半部件中，从而使所述环形盘形成彼此平行的壳体底部，且所述内环形成所述内部壳体罩并且所述外环形成所述外部壳体罩。

5.一种设备，其具有以下特征：

a. 所述设备包括具有根据权利要求1至4中任一项所述特征的电池；

b. 所述设备包括至少一个电子构件，所述电子构件布置在中心穿孔或留空部中；

c. 所述电子构件由所述电池供应电能。