CN110447122B - 储能设备 - Google Patents

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Abstract

一种储能设备(1)，包括：容器(2)，芯轴(3)，至少一个分隔器材料(4)片，和两个或更多个电极(5)。容器(2)包括内表面(10).芯轴(3)包括芯轴表面(11,12)，且被定位在容器(2)内，以便芯轴表面(11,12)从内表面(10)间隔开以限定腔(9a)在容器(2)内。容器(2)具有包装轴线(P)，其穿过腔(9a)，芯轴表面(11,12)和内表面(10)。芯轴(3)可沿包装轴线(P)的方向压缩，该至少一个分隔器材料(4)片被布置在腔(9a)内以沿包装轴线(P)提供多个分隔器层，且电极(5)被提供在分隔器层之间。

Description

储能设备
技术领域
本发明涉及一种用于储能设备的容器。更具体地说，本发明涉及一种电化学电池的容器。
背景技术
电化学电池包括反应性和有害材料，其需要仔细包装以确保产品安全。该包装应包含有害材料且还适应当电池充放电时材料温度和体积的改变。除了具有所需的稳健性外，该包装还要求包装具有较低的重量且体积有效，以便不降低储能设备的总能量密度。该包装和包装的设计还应避免对储能设备添加任何不必要的电阻。
用于储能设备的传统设计和包装可能不能够安全和有效地容纳具有增加能量密度的电池。储能技术的进展已经产生具有增加能量密度的电化学电池。相比于传统电化学电池,在充放电过程期间这可导致活性材料较高的操作温度和较大体积变化。对于传统缠绕电池，到电极的电触点数量受限于被施加到集电器箔的凸片的数量。增加集电器上的凸片的数量导致用于活性电极涂层的的表面区域减少且由此降低电池容量和能量密度。接触凸片的受限制数量，与使用于绕组的增加的电极长度相结合，增加了电流路径长度且增加总电池电阻。
传统柱状或硬壳电池容器提供了更稳健的包装用于电化学电池。电极和分隔器在张力作用下被缠绕，提供了压力以及电极层和分隔器之间的良好接触。硬壳容器的坚硬性质不允许在循环期间电极的大体积膨胀和收缩。
传统软包装柱状袋式包装被用于容纳多电极布置。在软包装设计中，真空密封确保电池的部件通过外部压力被保持在一起以提供电极和分隔器之间的期望的物理接触。此外，软包装材料的性质适应充/放电循环期间电极的膨胀。然而，软设计可看出本身是不安全的，因为它很容易被损坏和破裂，因此不适用于高能量密度的电池。
发明内容
根据本发明的第一方面，本文提供了一种储能设备，包括：容器，芯轴，至少一个分隔器材料片，和两个或更多个离散电极；容器包括内表面；以及芯轴包括芯轴表面，且被定位在容器内，使得芯轴表面从所述内表面间隔开以在容器内限定电池腔；其中容器具有包装轴线，其穿过所述腔，芯轴表面和内表面，以及其中芯轴可沿包装轴线的方向压缩，所述至少一个分隔器材料片被布置在腔内以沿包装轴线提供多个分隔器层，且电极被提供以占据每个分隔器层之间的空间。
本发明的离散电极片和可压缩芯轴的组合允许电池包括有效连接高能量密度电极堆叠被存储在弹性防护容器内，与通常的卷绕电池(其依靠卷绕在分隔器材料内的连续的正电极/负电极材料片)形成对照。由此，该设备可包括两个或更多个离散的正极以及两个或更多个离散的负极。
多个分隔器层和离散电极(其占据分隔器层)可沿包装轴线对齐以便电池沿与包装轴线大体相同的方向膨胀和收缩。可压缩芯轴可被用作卷绕辅助件，且更重要的是适应分隔器层内的电极的体积变化，以确保电极之间有足够的压缩和稳定的物理接触，同时在充放电期间吸收材料中的任何膨胀。换句话说，本发明不依靠要绕芯轴卷绕的电化学电池部件，该芯轴主要功能是通过依照充电或放电期间电极体积而收缩或膨胀，以支撑分隔器材料抵靠容器的内表面。
可压缩芯轴的使用会在储能设备容器内产生死区，因此可以看出，与传统的软包装电池真空密封设计相比，可压缩芯轴的效率较低。然而，硬壳设计的改善的安全性对高能量密度储能设备是非常重要的。本发明由此提供包装安全的改进，同时提供些微低的包装效率。此外，良好的接触水平可通过芯轴的偏置实现，芯轴是可压缩的以吸收电极材料的任何膨胀。优选地，芯轴由单个材料制成以降低制造成本且被成形以便沿容器的包装轴线方向弹性偏置。
可压缩芯轴允许系统具有多于两个高能量密度电极。大量活性材料片的体积变化可由可压缩芯轴吸收。这还有另一优势在于较低的总电阻可通过使得设备内的每个电极具有连接凸片而实现。得到的电池具有电极，其具有穿过集电器的较短的电流路径长度。相比之下，传统卷绕电池具有两个活性材料的连续片，其比本发明的布置更易于且便宜于制造。此外，穿过用于传统设备的活性材料的电流路径长度要长得多，因此具有更高的电阻，从而降低了设备的效率。
由此，本发明允许设备具有多个电化学电池，其被稳固地存储，而不会对设备的体积包装或工作效率造成不适当的损害。
芯轴的表面可为弯曲的。芯轴的弯曲表面可提供一致的堆叠压力在包装内的电极的表面之上。此外，芯轴可回应和调节其形状，以有效地释放在设备内的活性材料的膨胀期间任何积累的压力。
芯轴可具有单个表面且为圆形或弧形形状，或替代地芯轴可被成形为具有第二表面。例如，芯轴的第二表面可为弯曲的以使芯轴的横截面形状的轮廓是椭圆形的。在替代布置中，第二芯轴表面可为平坦的且依靠容器的另一内壁或表面。替代地，第二芯轴表面可接触分隔器材料以提供压缩力。接触第二芯轴表面的分隔器材料可为与接触第一芯轴表面的相同或不同的分隔器材料。当离散电极的布置沿包装轴线与芯轴的表面对齐时，这尤其有利。芯轴的表面可大于离散电极部件的长度或与其相同长度。这使得自膨胀电极的压缩力跨芯轴的表面被吸收。
容器的内表面可为弯曲的，以使容器是大体圆柱形形状。芯轴可被定位以使它的纵向轴线与容器的纵向轴线对齐。在此实施例中，腔是大体管状或管形的，且分隔器材料片绕芯轴卷绕以填充该腔。此实施例中的设备是相对容易构造的。然而，由于分隔器材料片的螺旋和每个分隔器层的尺寸差异，电极的尺寸沿包装轴线远离芯轴而增加。
在替代实施例中，容器可被成形以使它包括与内表面相对的第二内表面。例如，容器可为立方体或长方体形状，其中相对的内表面是弯曲的。在此替代实施例中，包装轴线从内表面穿过容器延伸到第二内表面，且芯轴沿包装轴线定位以提供第二腔。芯轴可延伸跨过容器的整个宽度，或容器的足够宽度以划分内部空间为两个腔。至少一个分隔器材料片可被布置在第二腔内以沿包装轴线提供第二多个分隔器层，且一个或多个电极被提供在该第二分隔器层之间。此外，在此实施例中，分隔器材料片绕芯轴的布置可采取数个形式。例如，分隔器材料片可绕芯轴卷绕，或分隔器材料片可被折叠在腔内。在任一种情况下，数个分隔器层被创建，其可由离散电极占据。当具有多于一个腔时，在每个腔内可设置有至少一个分隔器材料片可。此外，在每个腔内可设置有多个离散的分隔器材料片。具有多于一个分隔器材料片允许腔内的不同包装布置，且还意味着在设备的一个部分中的电极或分隔器材料的损坏可被隔离。
容器的内表面和/或第二内表面可为凹形的。通过弯曲面向芯轴表面的表面，更一致的压力可被应用到腔内的电池。这在电极和分隔器材料之间提供了跨过它们宽度的一致压力，从而提高了电池的效率。
芯轴可沿包装轴线居中地定位以便分隔器层和第二分隔器层(以及由此占据的电极)关于芯轴对称地布置。
附图说明
为了更好地理解本发明，和更清楚地示出本发明如何发生作用，现在将通过实例、参考以下附图来描述本发明，其中：
图1是本发明的储能设备的示意性分解图；
图2a-d是储能设备内的分隔器材料和芯轴的替代布局的图示；
图3a-c是本发明的储能设备的替代实施例的图示；以及
图4a和b是替代容器形状阵列的图示。
具体实施方式
图1示出了储能设备1，其包括容器2，可压缩芯轴3,分隔器材料4，和分立的电极5。容器2具有外壳6，基座7和盖8，其一起形成储能设备1的壳体。外壳6由稳固材料形成，以避免外部物品刺穿或破裂设备1。外壳6可以通被深拉拔/卷起/成形,且形成有基座7和盖8以便形成内部空间9用于保持电化学电池部件，也就是可压缩芯轴3，分隔器材料4和电极5。该外壳6具有内表面10，该内表面面向该空间9。基座7和盖8设置在外壳6的打开端部上,以封闭容器2内的电化学电池部件3，4，5。尽管基座7和盖8被示出为相对外壳6独立的部件，可想像外壳6可包括，或被附接到，预成形基座7和盖8。
芯轴3具有第一芯轴表面11和第二芯轴表面12，其通过臂部13连接。芯轴3由单件柔韧材料形成，比如塑料或金属。芯轴3的横截面通常具有S形形状且它的轮廓是椭圆。芯轴3具有纵向轴线L，其垂直于由弯曲表面11，12和臂部13形成的S形。芯轴3沿它的纵向轴线L延伸以使它长度方向与容器2类似。芯轴3的大体横截面形状沿它的纵向轴线L的整个长度是相同的。
芯轴3被成形以便它可被放置在容器2的内部空间9内。当芯轴3被放置在内部空间9内时，腔9a保持在芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间。由于芯轴3的形状，中空无效空间柱存在于芯轴表面11，12和臂部13之间(其沿纵向轴线L延伸)。该中空柱允许用于芯轴3的空间坍塌，而且提供了用于当电化学电池部件3，4，5被放置在容器2内时,到基座7的至少一部分的焊接的通路。
芯轴3是可沿包装轴线P的方向压缩的，其将关于分隔器材料4更详细地描述。一般而言，芯轴3可压缩和/或变形以使它的横截面的大体椭圆形形状轮廓尺寸减少。随着芯轴3的压缩，芯轴3所占空间9的体积减小。此外，芯轴表面11，12可在极端压力的作用下变形以使曲率或弧度可依照被应用于表面的压缩力而改变。
图1中示出的分隔器材料4是连续的电绝缘多孔材料片。分隔器材料4被卷起且被定位在容器2和芯轴3之间的腔9a内。分隔器材料4围绕芯轴3绕卷绕轴线W卷绕,当电化学电池容器1在它的完整形式中时该轴线W位于在芯轴3的纵向轴线L上。当分隔器材料4的片绕卷绕轴线W卷绕时，随着片材卷到自身上,分隔器材料层被形成。在整个储能设备1中，分隔器材料4被布置在容器2内以提供多个分隔器层(其沿包装轴线P放置)。这建立分隔器材料4的层之间的空间14(其由电极占据)。
电极5沿包装轴线P定位在卷绕分隔器材料4的空间14内。为了简单起见，仅仅两个电极5(一个正极和一个负极与分隔器材料4一起形成电池)被示出在图1中。然而，本发明的电化学电池容器1可包含许多电极5，形成多个电化学电池。
电极5每个包括凸片15a，15b，其可被固定到基座7和盖8的内表面。通过提供凸片15a，15b在每个电极5上，用于每个电极的电流路径长度被减小且电池的内部电阻被降低。
当电池充放电时，电极5可膨胀和收缩。当电极5膨胀且占据内部空间9内的更多体积时，芯轴3压缩。同样地，当电极收缩时，芯轴3膨胀以重新占据该体积同时还沿包装轴线P在分隔器材料4和电极5之间提供恒定的压缩力。弯曲芯轴表面11，12确保电极5的表面上的一致压力被保持。
各种替代电化学电池容器1布置(其在本发明的范围内)在图2a-d中示意性地示出。为了简单起见，电化学电池容器1沿芯轴3的纵向轴线L的横截面示出，没有电极5。每个电化学电池容器1以简化地方式作为方形容器2被示出。然而应理解,分隔器材料4将弯曲以占据容器2的内部空间9。
在图2a中，分隔器材料4的两个片绕芯轴3卷绕。芯轴3沿分隔器材料4的卷绕轴线W定位。分隔器材料4的片关于芯轴3的纵向轴线L同中心。多个层14被提供在卷绕的分隔器材料4的层之间用于容纳电极5。电极5沿包装轴线P布置。
在图2b中，芯轴3被提供具有单个弯曲表面11。芯轴臂部13搁置抵靠在容器2的内表面10上。分隔器材料4的一个片被设置在内部空气9内且围绕卷绕轴线W卷绕。线圈轴线W没有位于芯轴3的纵向轴线L上。离散层14被提供在分隔器材料4的卷内用于容纳电极。电极5沿包装轴线P布置。
图2c和d示出了本发明的另一替代方式，其中分隔器材料片4的卷或折叠件被定位在绕芯轴3的腔9a中，该分隔器4不绕芯轴3缠绕。图2c中的设备在每个腔9a内包括两个分隔器材料片4的卷。在图2d中，分隔器材料4的片折叠在腔9a中。电极5将被放置在分隔器材料4的螺旋层或折叠内。在这种情况下，芯轴3仅仅作用于吸收设备1内的电极5的膨胀，且不提供线轴用于要被卷绕的材料4，5。
图1中的容器2被示出为圆柱形，但也能够形成任何柱形电池的形状。横截面图示被示出在本发明的设备1的图3a-c中。为了简化图的绘制，分隔器材料4的层被示出为同心环而不是在腔9a内的连续卷绕片材。电极5示意性地示出为虚线，且可被定位在分隔器材料4的卷绕片材之间的层14内的任何位置。图3a示出了图1中的整个设备1的简化横截面视图。内表面10时一个连续的表面，且芯轴表面11，12面向相同内表面10的不同区域。
图3b示出了设备1，其具有大体立方体形状容器2，其中面向芯轴表面11，12的内表面10是凹形的。分隔器材料4被折叠或卷绕以便填充芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间的腔9b。分隔器材料10被布置为沿包装轴线P提供层14，该层被填充有电极5。凹形内表面10的曲率类似于芯轴表面11，12的曲率,以使一致的压力被跨分隔器材料4的层14内的电极5的表面施加。
图3c示出了设备1，其具有大体长方体形状的容器2，其中设备1仅仅具有一个腔9c(其被填充有电化学电池)。面向芯轴表面11的内表面10是凹形的。分隔器材料4被折叠或卷绕以便填充芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间的腔9c。分隔器材料10被布置为沿包装轴线P提供层14，该层被填充有电极5。凹形内表面10的曲率类似于芯轴表面11，12的曲率,以使一致的压力被跨分隔器材料4的层14内的电极5的表面施加。
在图3a-c中所示的实施例中，外部外壳的曲率匹配内表面10的凹形形状，外部外壳可为平坦的以提供外部长方形形状。然而，可有利地保持外壳6的曲率。
图4a和b示出了分别依照图3b和c的储能设备1的阵列。外壳6的曲率允许当被布置为阵列时容器2之间的间隙16。弯曲外壳6确保邻近容器2的物理接触被减少。流体(比如空气)可被提供在容器2之间的间隙16内。容器2之间减少的接触确保较低热传递发生在邻近设备1之间。此外，流体自由流动越过容器的阵列且充当冷却剂以移除设备1内的电池发出的任何多余热量。

Claims (11)

1.一种储能设备，包括：容器，芯轴，至少一个分隔器材料片，和第一多个离散电极；
容器包括第一内表面；以及
芯轴包括第一芯轴表面，且被定位在容器内，使得第一芯轴表面从所述第一内表面间隔开以在容器内限定电池腔；
其中容器具有包装轴线，其穿过所述腔，第一芯轴表面和第一内表面，以及
其中芯轴可沿包装轴线的方向压缩，所述至少一个分隔器材料片被布置在腔内以沿包装轴线提供第一多个分隔器层，且所述第一多个离散电极被提供以占据所述第一多个分隔器层的每层之间的空间，
并且其中，所述设备还包括第二多个离散电极，
其中容器包括被布置为与所述第一内表面相对的第二内表面，包装轴线从所述第一内表面到所述第二内表面穿过容器，且芯轴沿包装轴线定位以提供第二腔；
其中至少一个分隔器材料片被布置在第二腔内以沿包装轴线提供第二多个分隔器层，且所述第二多个离散电极被提供以占据所述第二多个分隔器层的每层之间的空间。
2.如权利要求1所述的设备，其中设备包括两个或更多个离散的正极以及两个或更多个离散的负极。
3.如权利要求1所述的设备,其中第一芯轴表面是弯曲的。
4.如权利要求3所述的设备，其中芯轴具有第二芯轴表面。
5.如权利要求4所述的设备，其中第二芯轴表面也是弯曲的，使得芯轴的横截面形状是椭圆形的。
6.如权利要求5所述的设备，其中至少一个分隔器材料片被绕芯轴卷绕。
7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一内表面是弯曲的。
8.如权利要求1所述的设备，其中第一内表面和/或第二内表面是凹形的。
9.如权利要求8所述的设备,其中芯轴沿包装轴线居中地定位，使得分隔器层和第二分隔器层关于芯轴对称地布置。
10.如权利要求8所述的设备，其中每个腔中设置至少一个分隔器材料片。
11.如权利要求10所述的设备，其中每个腔包括多个分隔器材料片。
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