CN109923690A - 电池 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电池，该电池包括限定电化学区的壳体，至少一个包括导电基材的电极，其中该基材包括电化学区中的第一区和由电化学区突出的第二区，和连接至第二区的接触片，其中第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1。

Description

电池
技术领域
本公开涉及一种电池。本公开还涉及一种从电池中除去热量的方法。
背景技术
典型的电化学电池包括负极，正极和设置于负极和正极之间的电解质。负极、正极和电解质可以包含于壳体，例如小袋内。电池可以具有电连接，例如接触片(contact tab)以提供与电池的负极和正极的电连接。
随着电池充电或放电，其温度可能会升高。在某些情况下，确保电池在最佳温度范围内运行可以是期望的。例如，通过使空气在电池周围循环，可以降低电池的温度。由于偶连至电池壳体的电连接件与电池电极连接，这些连接也可以帮助将热传导出电池壳体。通过使空气在电连接周围循环，也可以从电池中除去热量。
附图说明
本公开的方面仅通过举例的方式在附图中示意性地示出，其中：
图1是根据本公开的实施例的电池中所采用的负极的平面图；
图2是根据本公开的实施例的电池中所采用的正极的平面图；
图3是根据本公开的实施例的电池的等距视图；且
图4是根据本公开的另外的实施例的电池的等距视图；
图5和6是显示实施例1的结果的图表；且
图7是显示实施例2的结果的图表。
具体实施方式
在描述本发明的具体实施例之前，应该理解的是，本公开不限于本文公开的具体电池或方法。还应该理解的是，本文使用的术语仅用于描述具体实施例，并非旨在限制范围。
在描述和要求保护本发明的电池和方法时，将会使用以下术语：单数形式“一个”，“一种”和“该”除非上下文另有明确说明，包括复数形式。因此，例如提及“负极”包括提及一个或多个这种元件。
根据本公开，提供了一种电池，其包括限定电化学区的壳体；至少一个包括导电基材的电极，其中基材包括电化学区中的第一区和从电化学区突出的第二区，和连接至第二区的接触片，其中第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1。
如上描述的，电池包括限定电化学区的壳体。电池的电化学反应发生于该区域内。因此，至少部分电池电极存在于电化学区内。当电池充电和/或放电时，可能在电化学区内产生热量，导致电池温度升高。流过和流出电极和接触片的电流也可以通过例如焦耳加热引起温度升高。
本公开的电池包括至少一个包括导电基材的电极。该基材包括电化学区中的第一区和从电化学区突出的第二区。因为第二区从电化学区突出，可以通过导电基材将任何不期望的热量从电化学区传导出去。通过将接触片连接至第二区，可以通过接触片将热量从导电基材传导出去。发现通过控制导电基材的第二区的宽度与接触片的宽度的比率，可以进一步提高从电池排热的速率。具体地，通过确保第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1，就可以改进排热。
优选地，第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1:1至7:1。更优选地，第二区的宽度与接触片的宽度的比率为2:1至5:1。
导电基材
导电基材可以采取导电材料的片材、网或织物的形式。导电材料可以包括金属，碳和/或聚合物。第一区和第二区可以是同一导电基材的一部分。例如，在导电基材是金属片材或丝网片的情况下，第一区和第二区可以是同一片金属片材或丝网片的一部分。
在优选的实施方式中，导电基材包括金属。合适的金属包括碱金属，例如锂和钠。其他合适的金属包括铝，镍，镁，铜和不锈钢。
金属可以采取丝网或金属片材的形式。优选地，导电基材包括金属片材。金属片材可以是金属箔。导电基材可以由单个金属片材(例如，箔)形成，或可以由通过例如焊接连接在一起的多个片材(例如，箔)形成。
在导电基材由金属形成的情况下，金属可以是在电池的电化学循环期间被氧化或还原的电活性材料。在优选的实施方式中，导电基材萃取由锂或锂金属合金形成的片材(例如，箔)的形式。金属片材可以是电池的负极或正极，优选是电池，例如锂电池(例如，锂硫电池)的负极。
代替电活性材料的片材，导电基材可以是将电流传导至电活性材料或由电活性材料传导电流的无源集电器(passive current collector)。电活性材料可以与集电器电接触。例如，电活性材料可以沉积于集电器上。在一个实施例中，导电基材包括集电器，集电器包括由金属，例如铝，镍或铜形成的片材。在优选的实施例中，集电器包括铝箔。集电器可以是电池的负极或正极，优选电池的正极的集电器。例如，在一个实施方式中，集电器涂覆有电活性硫材料，并且所获得的复合材料用作锂电池(例如，锂硫电池)的正极。
电池可以包括至少一个正极，正极包括导电基材，和至少一个包括导电基材的负极。每个导电基材包括电化学区中的第一区和从电化学区突出的第二区。接触片连接至每个第二区，其中第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1。
电池可以包括多个导电基材。例如，电池可以包括用作负极或负极的一部分的导电基材和用作正极或正极的一部分的导电基材。每个导电基材可以包括金属片材，例如金属箔片。每个导电基材包括电化学区中的第一区和从电化学区突出的第二区。两个或更多个导电基材的第二区可以压制或结合在一起而形成导电基材的第二区的堆叠。结合可以通过任何合适的方法，包括熔焊，钎焊，铆接，压接或夹接。也可以使用粘合剂或紧固件，例如螺纹固定件。
一旦导电基材的第二区结合在一起，接触片可以连接至该堆叠。接触片可以位于堆叠的顶部、底部或中间位置。堆叠中的至少一个基材的第二区的宽度与接触片的宽度的比率可以大于1。在一个实施例中，堆的第二区的宽度与接触片的宽度的比率可以大于1。
电池可以包括第一负极和第二负极，而每个负极包括导电基材，导电基材包括包含于电化学室内的第一区和突出超过电化学室的第二区。第一负极的第二区可以与第二负极的第二区接触放置。接触片可以连接至至少一个负极的第二区。在电池包括多个负极的情况下，负极的第二区可以压制或连接(例如，熔焊或钎焊)在一起而形成堆叠。接触片可以连接至该堆叠的顶部、底部或中间的负极。如下描述的，接触片可以通过熔焊、粘合剂或钎焊连接。
电池可以包括第一正极和第二正极，而每个正极都包括集电器，集电器包括包含于电化学室内的第一区和突出超过电化学室的第二区。第一正极的第二区可以与第二正极的第二区接触放置。接触片可以连接至至少一个正极的第二区。在电池包括多个正极的情况下，每个正极的集电器的第二区可以压制或连接(例如，熔焊或钎焊)在一起而形成堆叠。接触片可以连接至堆叠中的顶部、底部或中间的集电器。如下描述的，接触片可以通过熔焊、粘合剂或钎焊连接。
导电基材可以是材料的平面片材。导电基材可以具有电化学区中的第一平面区和延伸到电化学区外部的第二平面区。第一区的宽度可以与第二区的宽度相同或更大。
在一个实施例中，第一区可以具有3至50cm的宽度，优选3至22cm。第二区可以具有0.5至9cm的宽度，优选1至4cm。第一区的长度可以为3至50cm，例如3.0至22cm。第二区的长度可以为0.3至3cm，例如0.4至1cm。第一区的长度与第二区的长度的比率可以为1:1至170:1，例如9:1至35:1。第一区的宽度与第二区的宽度的比率可以为1:1至100:1，例如1:1至10:1。
第二区的厚度可以为0.001至0.4mm，例如0.005至0.2mm。在多个第二区压制或结合至一起而形成连接至接触片的堆叠的情况下，堆叠可以具有0.001至15mm，例如0.03至8mm的厚度。
导电基材的第二区可以从电化学区突出，但仍可以与周围气氛隔离。这在例如导电基材的第二区由空气(和/或水分)敏感的材料(例如，锂或钠)形成的情况下可以是重要的。例如，第二区可以从电化学区突出，但仍然可以包含于壳体内，例如处于密封区中或处于壳体的密封件中。
接触片
电池包括接触片，其连接至导电基材的第二区。接触片可以由导热和导电材料形成。在一个实施例中，接触片由金属形成。合适的金属的实例包括铝，镍和铜。在优选的实施方式中，接触片可以由镍或铝形成。在一个实施方式中，镍接触片可以连接至由例如锂形成的导电基材的第二区。在另一个实施方式中，铝接触片可以连接至由例如铝集电器形成的导电基材的第二区。
接触片可以通过例如导电粘合剂或钎焊连接至导电基材的第二区。其他方法包括铆接，压接或夹接。也可以采用粘合剂或紧固件，例如螺纹系紧固件。可替换地，电连接件可以熔焊(例如，超声波或激光熔焊)至导电基材的第二区。导电基材的第二区和接触片之间的接合部可以存在于电化学区之外，但仍然处于壳体的密封区内。这在例如导电基材的第二区由空气(和/或水分)敏感的材料(例如，锂)形成的情况下可以是重要的。
第二区的宽度与接触片的宽度的比率大于1，优选大于1:1至7:1。更优选地，第二区的宽度与接触片的宽度的比率范围为2:1至5:1。
接触片可以具有0.5至8cm，优选1至4cm的宽度。接触片可以具有1至8cm，例如，2至6cm的长度。
接触片可以具有0.05至1mm，例如，0.1至0.4mm的厚度。接触片的厚度与接触片连接的(一个或多个)导电基材的第二区的厚度的比率为0.01:1至10:1。
随着电流通过接触片流入和流出电池时，接触片的温度可能通过焦耳加热而升高。
壳体
电池包括限定电化学区的壳体。如上解释的，这是其中电池的电化学反应发生的区域。壳体可以采取任何形式。例如，壳体可以是小袋或圆柱形壳体。在一个实施例中，壳体可以采用柔性袋的形式。柔性袋可以由例如金属和聚合物的复合材料形成。
壳体可以包含密封件，并包封(一个或多个)导电基材的第一区而限定电化学区。导电基材的第二区可以突出到密封件中或甚至超出密封件。在一个实施例中，导电基材的第二区突出到密封件中并且在密封件的区域中与接触片重叠。
锂硫电池
电池可以是任何合适的电池。电池可以包括密封于壳体中的一个或多个电化学电池。每个电化学电池可以包括负极和正极，以及存在于负极和正极之间的电解质。负极和正极可以各自包括包含于电化学区中的第一区和从电化学区突出的第二区。
在电池中存在多个电化学电池的情况下，每个负极的第二区可以压制或连接在一起而形成连接至接触片的负极的堆叠。电池的每个正极的第二区压制或连接在一起而形成连接至另外的接触片的堆叠。接触片和其各自的负极和正极的堆叠之间的连接或重叠可以包含于壳体的密封件内。这可能有助于避免负极和正极与周围空气接触。
电池可以包含任何合适的电化学电池。在本公开的一些实施例中，电化学电池是锂电池。合适的锂电池包括锂-离子，锂-空气，锂-聚合物和锂-硫电池。
在优选的实施方式中，电池是锂硫电池。
在电池是锂电池(例如，锂硫电池)的情况下，负极可以包含锂金属或锂金属合金的片材形式的导电基材。这种片材可以连接至由例如镍形成的接触片。接触片可以通过焊接，例如超声波焊接而连接至锂金属或锂金属合金的片材。
正极可以包括电活性材料沉积于其上的集电器。集电器可以由金属箔，例如铝箔形成。电活性材料可以包括电活性硫材料，其可以与导电材料混合。可以将获得的混合物作为电活性基质涂覆于集电器上。例如，由铝形成的接触片可以连接至集电器。这种连接可以通过焊接，例如超声波焊接进行。
沉积于集电器上的电活性硫材料可以包括单质硫，基于硫的有机化合物，基于硫的无机化合物和含硫聚合物。优选使用单质硫。
导电材料可以是任何合适的固体导电材料。优选地，固体导电材料可以由碳形成。实例包括碳黑，碳纤维，石墨烯和碳纳米管。其他合适的材料包括金属(例如，薄片，锉屑和粉末)和导电聚合物。优选使用碳黑。
电活性硫材料可以以60至90重量％，优选65至85重量％，更优选70至80重量％的量存在于沉积于集电器上的基质中。
导电材料可以以10至45重量％，优选15至35重量％，更优选20至25重量％的量存在于沉积于集电器上的基质中。
电活性硫材料与导电材料的重量比可以为0.01至10:10至50，优选0.1至5:15至45，更优选1至5:20至35。
电池可以进一步包含与负极和正极接触的电解质。可以使用任何合适的电解质。电解质可以包含有机溶剂和锂盐。合适的有机溶剂包括醚，酯，酰胺，胺，亚砜，磺酰胺，有机磷酸酯和砜。实例包括四氢呋喃，2-甲基四氢呋喃，丙酸甲基丙酯，丙酸乙基丙酯，乙酸甲酯，1,2-二甲氧基乙烷，1,3-二氧戊环，二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)，三甘醇二甲醚，四甘醇二甲醚，丁内酯，1,4-二噁烷，1,3-二噁烷，六甲基磷酰胺，吡啶，二甲基亚砜，磷酸三丁酯，磷酸三甲酯，N,N,N,N-四乙基磺酰胺，和砜及它们的混合物。
合适的电解质盐包括锂盐。合适的锂盐包括六氟磷酸锂，六氟砷酸锂，硝酸锂，高氯酸锂，三氟甲磺酰亚胺锂，双(草酸)硼酸锂和三氟甲磺酸锂。优选的锂盐是三氟甲磺酸锂(lithium trifluoromethanesulphonate)(也称为三氟甲磺酸锂(lithium triflate))。可以使用盐的组合。例如，三氟甲磺酸锂可以与硝酸锂组合使用。锂盐可以以0.1至5M，优选0.5至3M的浓度存在于电解质中。
隔板可以放置于负极和正极之间。在存在隔板的情况下，隔板可以包括允许离子在电池的电极之间移动的任何合适多孔基材。隔板应该位于电极之间以防止电极之间的直接接触。基材的孔隙率应该为至少30％，优选至少50％，例如高于60％。合适的隔板包括由聚合物材料形成的网。合适的聚合物包括聚丙烯，尼龙和聚乙烯。非编织聚丙烯是特别优选的。可以采用多层隔板。
现在将参考附图描述本发明的各方面，其中：
图1是用于锂硫电池的负极10的平面视图。负极采取锂箔的平面片材的形式。片材包括第一区10a和较窄的第二区10b。
图2是用于锂硫电池的正极12的平面视图。正极采取由铝箔的平面片材形成的集电器14的形式。
沉积于集电器的第一区14a上的是包含单质硫、碳和粘合剂的电活性基质。集电器14还包括比第一区14a更窄的第二区14b。
图3是锂硫电池16的等距视图，其包括限定电化学区的袋18。电池16包括负极10和正极12。负极10和正极12的第一区10a、14a包含于电化学区内，而第二区10b、14b从电化学区突出。负极10和正极12的第一区10a、14a布置为使它们彼此相对，其中正极12的电活性基质面向负极10。电解质浸泡的隔膜(未显示)位于负极10和正极12之间。
第二区(或“突出部”)10b、14b延伸超出电化学区，但包含于壳体18中的密封件20内而使它们不与周围大气接触。
突出部12b、14b连接至接触片22。连接至负极的突出部10b的接触片22a由镍形成，而连接至正极的突出部14b的接触片22b则由铝形成。接触片22a、22b通过超声焊接至突出部10b、14b。
如图3所示，突出部10b、14b的宽度大于接触片22a、22b的宽度。
当电流吸入或引入电池时，负极10、正极12和接触片22的温度由于例如焦耳加热而升高。热量可以经由突出部10b、14b从电化学区传导出，并经由接触片22远离电池的其余部分。通过相对于接触片22的宽度控制突出部10b、14b的宽度，可以控制排热速率。
图4描绘了图3中显示的电池的变型。在图4的电池中，电池的长度与电池的宽度的长宽比小于1。
虽然在附图中显示了电池的具体实例并且如上描述，但应该理解的是，可以设想到本发明的其他实例。例如，电池可以包括多个电化学电池的堆叠，每个电池都具有其自己的负极10和正极12。负极的第二区可以压制在一起而形成连接到接触片中的一个的突出部，而正极的第二区可以压制在一起而形成与另一个接触片连接的突出部。
实施例1
在该实施例中，对具有图3所示的构造的电池进行模拟以研究改变突出部10b、14b和接触片22a、22b的尺寸对电化学区温度的影响。将区域10b和14b的突出部的高度(h_pro)分别保持恒定于10mm、20mm、30mm和40mm来进行模拟。
在图5中，电化学区假设为主要的热源，而在图6中，由于电流通过，还假设焦耳加热也发生于接触片22a、22b中。假设热损耗仅通过突出部10b、14b和接触片22a、22b发生。假设接触片22a、22b的表面处于恒定温度下。
由图5和图6中可以看出，当突出部的宽度与接触片的宽度的比率小于1时，电化学区的最高温度最大。随着突出部的宽度相对于接触片的宽度增加，电化学区的最大温度降低超过3℃。这表明热损耗的改进。突出部的宽度与接触片的宽度的比率随着比率超过1而改进并在约2的比率下最优。
实施例2
用具有图4所示的构造的电池重复实施例1的模拟。由图7可以看出，观察到类似于关于实施例1描述的趋势。突出部的宽度与接触片的宽度的比率随着比率超过1而改进并在约2的比率下最优。随着比率升高超过5，温度看起来变得平稳。在图7的模拟中，假设电化学区是主要的热源，但由于电流通过，也假设焦耳加热发生于接触片22a，22b中。

Claims (16)

1.一种电池，包括：
限定电化学区的壳体，
至少一个包含导电基材的电极，其中所述基材包括处于所述电化学区中的第一区和从所述电化学区突出的第二区，以及
连接至所述第二区的接触片，其中所述第二区的宽度与所述接触片的宽度的比率大于1。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述第二区的宽度与所述接触片的宽度的比率为大于1:1至7:1。
3.根据权利要求2所述的电池，其中，所述第二区的宽度与所述接触片的宽度的比率为2:1至5:1。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述第二区的宽度小于或等于所述第一区的宽度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述导电基材选自片材、网或织物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述导电基材是金属片材，所述金属片材是金属箔的片材。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述电池包括至少一个负极，所述负极包括锂箔的片材。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述接触片由镍箔形成，并且所述镍箔通过焊接连接至所述锂箔的片材。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述电池包括至少一个正极，所述正极包括铝箔的片材形式的集电器，由此正极活性材料沉积于所述铝箔的片材的所述第一区的至少一部分上。
10.根据权利要求9所述的电池，其中，所述正极活性材料包括包含电活性硫材料和导电材料的基质。
11.根据权利要求9或10所述的电池，其中，所述接触片由铝箔形成并且所述接触片的铝箔通过焊接连接至所述正极的铝箔。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其包括：
第一负极和第二负极，每个负极包括金属片材，所述金属片材包括包含在电化学室内的第一区和突出电化学室外的第二区，
其中所述第一负极的第二区与所述第二负极的第二区接触放置，并且其中所述接触片连接至所述负极的第二区中的至少一个。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其包括：
第一正极和第二正极，每个正极包括集电器，所述集电器包括包含于电化学室内的第一区和突出电化学室外的第二区，
其中所述第一正极的第二区与所述第二正极的第二区接触放置，并且其中所述接触片连接至所述正极的第二区中的至少一个。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述壳体具有密封区，由此所述导电基材的第二区从所述电化学区突出至所述密封区中，并且由此所述接触片连接至并重叠于所述密封区中的金属片材的第二区。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电池，其中，所述壳体是柔性袋。
16.一种从电化学电池中除去热量的方法，所述方法包括：
a.提供电化学电池，所述电化学电池包括限定电化学区的壳体，至少一个包括导电基材的电极，其中所述导电基材包括所述电化学区中的第一区和从所述电化学区突出的第二区，以及
将接触片连接至所述第二区，其中所述第二区的宽度与所述接触片的宽度的比率大于1。
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