CN110350135B - 具有非对称封装和对称电流路径的电池电芯的电池组 - Google Patents

Abstract

电池电芯具有正电芯极耳、负电芯极耳和电芯层叠；正电芯极耳和负电芯极耳从第一边缘突出，电芯层叠在袋内。阳极箔和阴极箔连接到靠近第一边缘的电芯极耳，阳极箔在第二边缘附近彼此连接。相对于电芯层叠的厚度，存在阳极箔的最外集电器。阴极箔连接到靠近第一边缘的正电芯极耳。阳极箔彼此连接，并且负电芯极耳靠近第二边缘，使得最外集电器在第一边缘和第二边缘之间形成内部汇流条。电池电芯具有非对称封装和对称内部电流路径。一种系统包括驱动负载的电池组，该电池组具有如上所述构造的电池电芯。

Description

具有非对称封装和对称电流路径的电池电芯的电池组

引言

电化学电池电芯和电池组用于为各种系统上的扭矩产生电机、附件模块或其他电气负载供电。典型的电池组包括多个可充电电池电芯。在某些电池电芯配置的内部多层层叠中，绝缘材料为隔膜层，设置在带相反电荷的电极箔(即，阴极箔和阳极箔)之间，并封装在含有电解质溶液的密封袋中。隔膜材料，例如薄聚乙烯和/或聚丙烯膜，有助于防止电池电芯内部电路内的电短路情况，同时允许电极之间的电子自由转移。

电极箔能够由合适的导电材料薄片构成，例如用于阴极的铝箔和用于阳极的铜箔。电极箔涂有适用活性材料，例如氧化锂或石墨。使用超声波焊接技术、导电接合技术或另一种导电连接技术，将正电芯极耳和负电芯极耳连接到相应电极的内部极耳引线，使得电芯极耳从箔袋的周边边缘突出一小段距离。因此，在构造电池组时，电芯极耳是用于焊接操作的可接入端子。

电池电芯层叠具有上述箔袋构造，并且具有对称或非对称电芯极耳配置。在本领域中，有时将对称配置称为“N型”配置，将非对称配置称为“P型”配置。在对称电池电芯配置中，正电芯极耳和负电芯极耳从箔袋的径向相对的周边边缘突出。相反，非对称电池电芯的电芯极耳从相同的周边边缘突出，即并排布置。多个类似构造的电池电芯的电芯极耳，无论外部封装构造是否对称，都通过导电互连构件电互连，以便构造一种具有特定应用电压容量的电池组。

发明内容

本发明公开了一种电池电芯，提供以上提及的非对称外部封装，以及对称内部电流。这样，所公开的电池电芯将所需的封装效率(即改进的容积效率)与改进的电流分布相结合。电池电芯可包括外部箔袋，外部箔袋包含在电解质材料中的上述电芯层叠。电极端子在本文中称为电芯极耳，其定位在箔袋的相同横向边缘(即共同边缘)上，或从相同横向边缘突出，以便提供所需的非对称容积/封装效率。然而，电池电芯内的电流流动路径是对称的。也就是说，在箔袋内部的电极之间提供延长距离，以便改进整体电流分布和均匀性。

在此认识到，虽然对称电芯配置通常提供更优化的电流分布水平和电流的均匀性，但由于电芯极耳的位置和所需电极焊接接头的位置径向相对，非对称电芯配置倾向于消耗额外的封装空间。结果，对称电芯配置的容积效率通常低于非对称电芯配置的容积效率。由于电芯极耳的位置并排，非对称电池电芯倾向于更有效地利用电池模块中的可用空间，但是这种益处可能以降低电流分配效率为代价。因此，本公开旨在改进现有的电池电芯容积效率，而不降低电芯内电流性能。

电池电芯的特定实施例具有包括第一边缘和第二边缘的外袋，正电芯极耳、负电芯极耳，以及电芯层叠；第一边缘和第二边缘径向相对，正电芯极耳和负电芯极耳从第一边缘突出，电芯层叠位于袋内。电芯层叠包括多个阳极箔和多个阴极箔。最外集电器，例如阳极箔的最外集电器，相对于电芯层叠的厚度，最外集电器相对于其相对位置是“最外面的”。例如通过阴极极耳引线，将阴极箔电连接至第一边缘附近的正电芯极耳；并且例如通过阳极极耳引线，将多个阳极箔彼此电连接、且电连接至第二边缘附近的负电芯极耳。最外集电器形成内部汇流条，内部汇流条在第一边缘和第二边缘之间延伸，使得电池电芯具有非对称封装配置和对称内部电流路径配置。

根据一个可能的实施例，阳极极耳引线能够共同延伸，延伸高达第二边缘宽度的45％。在另一个实施例中，阳极极耳引线共同延伸，延伸高达第二边缘宽度的90％。通常，精确的百分比是如本文所述的电芯宽度的函数。

每个阳极箔包括开路部件，开路部件配置为控制电池电芯内的电流流动，开路部件可包括在阳极箔的相应表面中冲压或形成的槽。

阴极箔能够由铝构成，并涂覆有第一适用活性材料，例如但不限于锂氧化物，例如锂钴氧化物，锂锰氧化物，或锂镍锰钴(NMC)氧化物。阳极箔可由铜构成，并涂覆有不同于第一活性材料的第二适用活性材料，例如石墨。

每个正电芯极耳和负电芯极耳中的极耳宽度能够分别约为每个阳极箔和阴极箔中的宽度的一半。在一些实施例中，极耳宽度至少为90mm。

一种系统，包括为负载(例如，机动车辆的驱动轮)供电的电池组，该电池组由多个上述电池电芯构成。

以上发明内容并不旨在表示本发明的每个实施例或方面。相反，前述发明内容举例说明了本文所述的某些新颖方面和特征。结合附图和所附权利要求书，通过以下对用于执行本发明的代表性实施例和模式的详细描述，本发明的上述特征和其它特征以及优点将变得显而易见。

附图说明

图1是示例性机动车辆的示意图，使用由本文所述类型的电池电芯构成的多电芯电池组。

图2A是示例性电池电芯的示意性横截面图，又如图2B所示，示出了对称内部电流流动路径和相应结构。

图2B是图2A的示例性电池电芯的示意性平面图，具有非对称封装和对称内部电流路径。

图3A、图3B和图3C分别共同地描述了多个阴极、阳极和集电器的平面图，用于构造如图2B所示的电池电芯。

图4是如图2B所示的电池电芯的替代实施例的示意性平面图，其中阴极箔沿着电芯底部边缘经由最外导体连接到位于电芯顶部边缘上的阴极极耳。

图5是阳极、阴极和集电器的示意性平面图，用于构造根据另一可能实施例的电池电芯。

图6是的电池电芯的示意性平面图，使用图5的示例性阳极、阴极和集电器构造而成。

本发明易于进行各种修改和替代形式，其中代表性实施例已经通过附图中的示例示出，并在下文中详细描述。本发明的创造性不限于所公开的具体形式。相反，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明范围内的所有修改、等同物、组合和替代。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记在若干视图中指代相同的部件，电池组10做为系统14的一部分在图1中示出，例如机动车辆，具有相对于车身18布置的驱动轮16。电池组10为驱动轮16或系统14上的另一负载(例如发电机、电动机、辅助动力单元和压缩机等)供电。在非限制性示例性实施例中，图1的电池组10能够多样地配置为可再充电的锂离子或镍镉电池组。其他实施例可能具有不同形状或额定功率，或者采用其他活性材料，因此图1的具体配置是示例性而非限制性的。

如图2A和图2B所示的构造，电池组10包括多个袋型电池电芯20，或在此公开的各种替代实施例。如下面参照图2A至图6所述，电池组10的每个电池电芯20具有对称的内部电流配置和非对称的外部封装配置，这些部件共同改进封装效率，保证内部电流分布的最佳均匀性。

如图所示，电池组10可以是基本上扁平的“扁平”式结构，其中在此所述的多个电池电芯20，例如八个或更多这样的电池电芯20，一个堆叠在另一个之上。这种配置能够设置在示例性系统14的底板(未示出)下方。类似配置节省空间，能够使其他应用(例如发电厂、移动平台或机器人)或其他运载应用(例如飞行器、航天器或船)受益，因此图1的机动车辆仅仅是电池组10的一种可能的有益用途。

尽管为了简单说明而进行省略，但是在本领域中很好理解，电池组，例如图1的示例性电池组10，可选地能够使用“重复框架”配置来构造，在该“重复框架”构造中，其中单个电芯框架形成冷却剂歧管，并且还向图2A和图2B中的电池电芯20、以及在此公开的各种替代实施例提供结构刚性。例如，两个电池电芯20能够相对于一对电芯框架布置。在典型配置中，一对包含正电极和负电极的电池电芯20、限定内部冷却剂通道的散热片(未示出)和泡沫分隔器(未示出)能够以重复布置的方式夹在相邻电芯框架之间，贯穿电池组10。然后冷却剂能够经由冷却剂端口(未示出)流入，循环通过电池电芯20，或围绕电池电芯20循环。

参照图2A和图2B，每个电池电芯20的外部/封装配置用作图1的电池组10的一部分，并且是非对称的。这样，电池电芯20包括阳极箔30和、阴极箔130，以及例如阳极箔30的最外集电器43，如图所示。集电器43电连接到阳极箔30，这种连接在图2A中通过导电接头25示意性地示出这种连接。集电器43具有或连接到负(-)电芯极耳30T。尽管为了清楚起见而在图2A和图2B中省略，但是到电芯极耳30T和电芯极耳130T的电连接可以经由相应的插入的阳极极耳引线30L或阴极极耳引线130L(见图3A和图3C)，例如电芯极耳30T和电芯极耳130T通过超声焊接或其他方式导电地连接到极耳引线30L或极耳引线130L。例如，在图2B中，电芯极耳30T(即阳极极耳)与集电器43的极耳引线30L之间的导电接头可出现在标记为36的区域中，而电芯极耳130T(即阴极极耳)与内部极耳引线130L之间的接头出现在标记为35的区域中。

隔膜层26(即，薄聚乙烯和/或聚丙烯膜)将阳极箔30与相邻的阴极箔130隔开，有助于防止电池电芯20内出现电短路情况。如图2B所示，电池电芯20或其密封箔袋32在矩形实施例中具有边缘33T、33B和33L。即，径向相对的边缘33L与边缘33T和边缘33B正交地布置。电芯极耳30T和电芯极耳130T都从公共边缘延伸，例如边缘33T。电芯极耳30T和电芯极耳130T在电池电芯20的箔袋32内电连接到相应的电荷特定电极箔30或电极箔130，如图2A中最清楚示出的，穿过电芯密封件(未示出)从边缘33T突出，或从另一公共边缘33B或33L突出，电芯密封件形成垫圈或其他结构，围绕电芯极耳30T和电芯极耳130T，从而保护箔袋32的内部免受来自周围环境的灰尘和湿气的影响。

任选地，图2B的箔袋32能够由层压金属箔或其他合适的材料构成。在一些实施方案中，能够使用聚合物涂覆的铝矩形袋或方形袋。虽然在图2B的平面图透视图中，箔袋32分别具有顶部边缘33T和底部边缘33B，但是电池电芯20的方向可对应于或不对应于图1所示的电池组10的顶部方向和底部方向。即，如图1所示，扁平型电池组10中的电池电芯20的顶部能够朝向车辆14的前部，并且电池组10的底部能够朝向车辆14的后部。因此，术语“顶部”和“底部”旨在表示图2B的平面图方向的相对位置。

图2A从左向右示出了电池电芯20的示例性内部层叠。条形阳极箔30和条形阴极箔130(例如铜和铝)能够分别涂覆有适用的相应第一活性材料层24和第二活性材料层29，第一活性材料层24和第二活性材料层29彼此不同。例如，活性材料可分别包括碳质材料(如石墨)和锂过渡金属氧化物，例如锂钴、锂锰或锂镍锰钴(NMC)氧化物。电芯极耳30T和电芯极耳130T从箔袋32(见图2B)的边缘33T突出，可涂覆或不涂覆这种材料。如图2A中最左边所示，相对于电芯层叠的厚度，最外集电器43用作电汇流条，将电流从图2B的边缘33T传导到边缘33B。通过导电接头25(即，如图2B所示的对应于导电焊接接头34的导电结构或材料)，电极箔30在内部靠近边缘33B处连接在一起。也就是说，导电接头25分别与阳极箔30的极耳引线44和集电器43的极耳引线144重合并连接在一起，分别如图3B和图3C所示，并且位于与边缘33T的位置径向相对的位置，电芯极耳30T和电芯极耳130T从该位置突出。这种结构提供了本文所述的所需对称内部电流流动路径。最外集电器43具有校准厚度(T)，校准厚度(T)超过阳极箔30和阴极箔130的校准厚度，因为来自电池电芯20的所有电流均通过最外集电器43。

如图2B最清楚示出的，第一导电接头35在图3A的阴极极耳130T和阴极极耳引线130L之间形成阴极接头，其跨度小于边缘33T的一半，即高达边缘33T的跨度/长度的大约45％。第二导电接头36沿着边缘33T，形成于在阳极接头30T和图3C所示的集电器引线30L之间。在其他配置中，阴极箔130和阳极箔30的相对位置能够反转。在一些实施例中，如图2B中边缘33B示出的那样，导电焊接接头34的宽度大约为280mm，而整个电池电芯20的近似宽度(WW)大约为310mm。在边缘33T上，各个单个电芯极耳30T和电芯极耳130T的极耳宽度(W)约为90-120mm，在一个实施例中，“约”是指±10％，并且在同一实施例中，整个电池电芯20的近似高度(H)约为250mm，其他实施例中可能存在相对应的尺寸。

如图2B示意性所示，在示例性锂离子实施例中，当电池电芯20释放电能时，锂离子通过电流流动路径从负电芯极耳30T传递到正电芯极耳130T，在电流流动路径(箭头DD)中，穿过导电焊接接头34，从电芯极耳30T传递到阳极箔30，在电流流动路径(箭头uu)中从阳极箔30穿至电芯极耳130T，通过离子转移到阴极箔130。

如图2B所示，存在超宽电芯极耳30T、电芯极耳130T和导电焊接接头34，使得电流密度分布更均匀，具有方向特异性，以便更好地对电池电芯20进行热管理。最终，由于减小电池电阻，改善了热损耗，进而降低了焦耳热，提高了功率容量。在该特定实施例中，阴极箔130的内部焊接少于阳极箔30的内部焊接，以便能够实现所需的封装和容积效率。例如，图2B沿着边缘33B示出了四个阳极引线接头，而沿着边缘33T示出了两个阴极接头。此外，由于可能的扁平模块配置，所提供的配置能使800V/150kW的电池组具有超小外形(例如小于90mm)，减少在电池组10中使用电池电芯20的数量，增加功率容量。

图3A、图3B和图3C共同描述了可能的制造方法，用于实现图2A和图2B的配置，其中电池电芯20由图2B中所示的这种配置组装而成。如图3B和图3C所示，具有相应电芯引线44的多个相同构造的阳极箔(A1)30可由单片箔(例如涂覆有活性材料的铜箔)构造，并通过分离部件40彼此分离。分离部件40可包括通过刻划阳极箔30的表面而形成的浅槽或凹口，从而便于在制造期间分离相邻的阳极箔30。尽管在阳极箔30上示出，但在替代实施例中，这种方法同样可用于阴极箔(C1)130。同样地，根据配置，集电器(CC1)43配置为如图所示连接到阳极箔30，或用作阳极箔30的一部分；或者能够将集电器(CC1)43配置为在阴极箔130上，或与阴极箔130一起使用。

极耳引线44跨越图3B的阳极箔30的相应底部或下部边缘41，并且极耳引线144跨越图3C的集电器43的相应底部或下部边缘45，例如图3B和图3C的示例性实施例中所示的四个这样的引线44和引线144。如图2B所示，当完全组装时，极耳引线44和极耳引线144共置，能够使极耳引线44和极耳引线144沿着箔袋32的边缘33B超声焊接或以其它方式导电连接在一起，即作为接头34。该特征使得图2B的电芯极耳30T和电芯极耳130T能够从电池电芯20的公共边缘(例如，所示实施例中的边缘33T)突出。

另外，如图3B所示，能够将可选的开路部件47冲压或形成在阳极箔30的表面，目的是使用活性材料涂覆阳极箔30，反之亦然。也就是说，开路部件47，例如在阴极箔130上具有预定尺寸和位置的槽，可用于引导电流流入阴极箔，或在其他实施例中流入阳极箔。因此，可使用开路部件47来改变电池电芯20内的示意性电路径(图2A的箭头DD和uu)。由于电流通过电阻最小的路径，开路部件47能够引导电流通过阴极箔130中的预定路径，阴极箔130中的预定路径缺少这种开路部件47。

图5和图6示出了方法的替代配置，分别在图2B和、图3A至3C以及图4中示出。在图5中，内部汇流条/集电器(CC2)43A、阴极箔(C2)130A和阳极箔(A2)30A通过类似于以上图3A至图3C所述的方式形成，使得沿着电池电芯20的底部边缘33B能够形成简化的导电焊接接头134。与图2B和图4的实施例不同，其中导电焊接接头34与边缘33B共同延伸，例如，至少延伸边缘33B的宽度的90％，如图6所示，电池电芯200中的导电焊接接头134不与边缘33B共同延伸，而是沿着边缘33B的宽度延伸大约一半，即，延伸高达边缘33B的宽度的45％。至少，在给定的电芯极耳和袋的边缘之间需要保留间隙，例如每一侧至少保留15mm。因此，对于300mm的示例性电芯宽度，电芯接头的最大宽度约为270mm，即90％。另外，阴极箔130A具有两条电芯引线44，例如如图所示的矩形引线44，构造图6的电池电芯200时，重叠集电器43A的极耳引线144。

如上面参照图1至图6所述，电池电芯20能够得益于非对称封装和对称电流的组合。通过替换大部分未充分利用的最外电极箔(例如在非限制性示例性情况下阳极箔30中的最外电极箔，但也能够为阴极箔130中的一个)，并且通过导电接接头25将各种电极箔30接合到最外集电器43，来自多个阳极箔30的总电流通过最外集电器43传递到电芯极耳30T。这使得当最外集电器43是阴极组件的一部分时，最外集电器43能够以内部汇流条的方式作用到电芯极耳30T，或者在其他实施例中作用于电芯极耳130T，继而能够在电池电芯20内更均匀地分配电流，同时保持所需的容积效率。

虽然已经详细描述了一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所述元件和特征的组合和子组合。详细描述和附图支持和描述了本教导，本教导的范围仅由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种电池电芯，包括

袋，具有完全相对的第一和第二边缘；

正电芯极耳和负电芯极耳，所述正电芯极耳和负电芯极耳从所述第一边缘突出；和

电芯层叠，位于所述袋内，所述电芯层叠包括多个阳极箔和多个阴极箔，所述阳极箔包括最外集电器，相对于所述电芯层叠的厚度，所述最外集电器是所述阳极箔中的最外集电器；

其中，所述多个阴极箔电连接至所述正电芯极耳，所述正电芯极耳在所述第一边缘附近；并且所述多个阳极箔彼此电连接、且电连接至所述负电芯极耳，所述负电芯极耳在所述第二边缘附近，使得所述最外集电器形成内部汇流条，所述内部汇流条在所述第一边缘和所述第二边缘之间延伸，所述电池电芯具有非对称封装配置和对称内部电流路径配置；

其中所述多个阴极箔中的每个阴极箔限定靠近所述第二边缘的多个极耳引线。

2.根据权利要求1所述的电池电芯，其中所述多个极耳引线共同延伸，延伸高达所述第二边缘宽度的45％。

3.根据权利要求2所述的电池电芯，其中所述多个极耳引线共同延伸，延伸高达所述第二边缘宽度的90％。

4.根据权利要求1所述的电池电芯，其中所述多个阳极箔中的每个阳极箔包括开路部件，所述开路部件配置为控制所述电池电芯内的电流流动。

5.根据权利要求4所述的电池电芯，其中所述开路部件包括多个槽，所述多个槽冲压或形成在所述阳极箔的对应表面。

6.根据权利要求1所述的电池电芯，其中所述阳极箔由铜构成，涂覆有第一活性材料，并且所述阴极箔由铝构成，涂覆有第二活性材料，所述第二活性材料不同于所述第一活性材料。

7.根据权利要求1所述的电池电芯，其中所述最外集电器的厚度超过所述多个阳极箔的其他阳极箔的厚度。

8.根据权利要求1所述的电池电芯，其中每个所述正电芯极耳和负电芯极耳的极耳宽度分别约为每个所述阳极箔和阴极箔的宽度的一半。

9.根据权利要求8所述的电池电芯，其中所述极耳宽度至少为90mm。

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