CN110867555A - 电池单池和用于制造电池单池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池单池1，其具有正电极和负电极8a、8b以及置于其间的隔板7的堆叠体2，其中，电极8分别具有电极凸肩3，电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器4焊接。电极凸肩3与放电器4分别在端侧通过对头焊缝5连接。通过根据本发明的电池单池，可以更好地利用或者在相同的容量的情况下减小单池的结构空间。

Description

电池单池和用于制造电池单池的方法
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的电池单池，尤其是用于锂离子牵引电池的电池单池，尤其是用于电动车，和一种用于制造这种电池单池的方法。
背景技术
在现有技术中已知锂离子牵引电池，该锂离子牵引电池包括具有正电极和负电极以及置于其间的隔板(或称为隔膜)的堆叠体的电池单池，其中，电极分别具有电极凸肩，电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器(Ableiter)焊接。该结构通常被绝缘材料包围。电极分别具有电极凸肩，电极凸肩从电极的堆叠体导出，并且与也被称为集电器的放电器连接、通常焊接。示例性地，针对该结构参考DE 10 2011 109 237 A1。该结构在此构造为，一个极(Pol)和另一极的电极凸肩彼此分离地从由正电极和负电极以及置于其间的隔板堆叠成的堆叠体伸出。然后，电极凸肩与布置在平行于堆叠平面的平面内的放电器借助搭接接头焊接。在集电器与电极的各个电极凸肩之间的连接在此对于安全的和可靠的功能性来说是非常重要的。因此，通常使用超声波焊接法。为了实现安全的和可靠的连接，现在必须以非常高的能量来焊接，这可以在制造期间对电池单池的电极和结构造成强烈负载，并且这此外需要比较多的能量。
在电极凸肩与放电器的连接的备选的设计方案中，EP 2 584 629 A1建议，在电池单池的活性材料中的凹部中设置所述连接，以便因此减小放电器和电极凸肩堆叠体的在结构空间中需要的厚度。
US 2014/0079983 A1描述了针对该类型的电池单池的另一可能性。电池单池同样包括正电极和负电极以及置于其间的隔板的堆叠体，其中，电极分别具有电极凸肩，电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器焊接。放电器对置地在单池的不同的侧面从保护套导出。放电器利用金属层多层地构造，金属层布置在相应一个粘贴层与非传导性的密封层之间。这用于使密封层能够同时与保护套连接，或者在放电器从保护套穿过的区域中将密封层用作保护套。通常，在该文献中，以常见的方式例如通过利用搭接接头的超声波焊接建立电极凸肩与放电器之间的连接。
所有迄今为止已知的该类型的电池单池具有搭接区域(或称为重叠区域)作为电极凸肩与放电器之间的焊接连接，在搭接区域中，借助搭接接头建立焊接连接。
本发明的一个方面因此是，提供针对锂离子牵引电池的电池单池，该电池单池允许对结构空间的更好的利用。同时可以实现的是，一方面电极凸肩与另一方面放电器之间的电子连接的机械和电气稳定性至少和迄今为止的借助搭接接头实现的连接的特性一样好。
从该类型的US 9,882,193 B2已知具有正电极和负电极以及置于其间的隔板的堆叠体的电池单池，其中，电极分别具有电极凸肩，电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器焊接。电极凸肩与放电器分别在端侧通过对头焊缝借助搅拌摩擦焊接来连接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，改进一种电池单池。
根据本发明，该技术问题通过具有权利要求1的特征的电池单池解决。
本发明包括一种电池单池，具有正电极和负电极以及置于其间的隔板的堆叠体，其中，电极分别具有电极凸肩，电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器焊接。电极凸肩与放电器分别在端侧通过对头焊缝连接。
焊接接头是指其中焊接部件相互结合的区域。存在不同的接头类型，其在ISO17659中标准化，并且通过工件或其端部面的结构布置来区分。在对头焊缝或者说对接接头焊缝中，待连接的工件的端侧直接对置。换言之，通过焊接连接的部件的端侧、当前一方面电极凸肩的端侧和另一方面若干放电器的若干端侧或一个放电器的一个端侧彼此相遇，并且这些部件在一个平面内对置。在对接接头中不存在待连接的部件之间的搭接区域。
有利地，通过根据本发明的对头焊缝几何形状来连接电极凸肩与一个或多个放电器(其实现为电气的、即正的和负的连接部)，能够实现对电池单池的结构空间的更好的利用。通过取消电极凸肩和放电器的迄今为止常见的搭接区域，由此变空的结构空间可以要么用于在相同的尺寸的情况下增大电池单池的容量，要么用于在相同的容量的情况下减小电池单池的尺寸。
此外，力线以相对均匀的应力分布在对接缝中延伸，由此可以避免应力峰值，并且由此，机械稳定性也是很好的，因为在外力作用下不会导致部件彼此间的相对移动。
可以在一定的程度中补偿电极凸肩与放电器之间的厚度差异。在此，较薄的构件与较厚的构件的对称布置是优选的。当较小的必需的动态强度是可能的时，电极凸肩与放电器的非对称布置同样是可能的。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，借助激光束焊接或电子束焊接建立端侧的连接。刚好对于大批量生产来说有利的是在电子束焊接或激光束焊接之间替代选择的可能性，电子束焊接和激光束焊接对于在电极凸肩与放电器之间根据本发明地制造对头焊缝来说一样好地使用。此外也可以应用其他的焊接方法、如金属-惰性气体焊接(MIG)、钨-惰性气体焊接(WIG)和/或等离子体焊接。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，焊缝构造用于在一侧或两侧建立电极凸肩与放电器的端侧的连接。
由于接触的电气和热要求而强制需要的是，所有电极凸肩都与放电器连接。为此，根据接合配对体的厚度比和总厚度，可以设置一侧的贯穿焊接(通焊(Durchschweissen))或两侧的焊接。在两侧的焊接中，两个焊根应该重叠，以便避免未接触的凸肩。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，电池单池可以具有保护套，堆叠体和电解质一起布置在保护套中，其中，用于电极凸肩与放电器的端侧的连接的焊缝布置在保护套内。
保护套可以由薄膜或薄膜袋形成，薄膜或薄膜袋可以由绝缘材料构成或多层地由具有环绕的绝缘材料的金属薄膜构成。电池单池的组成部分和电解质一起密封地被包围在保护套内。电池单池的这种结构作为所谓的口袋或咖啡包单池是特别简单和有效的，因为电极和隔板的堆叠体在与放电器焊接后例如可以焊入堆叠体的下方和上方的薄膜袋或两个彼此对置的薄膜中。该结构因此可以简单和有效地绝缘并且流体密封地封装，从而填入袋中或填入薄膜之间的电解质安全和可靠地保留在该区域中。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，放电器可以从保护套伸出。
用于连接电极凸肩与放电器的焊缝布置在保护套内，并且仅放电器的对于电池单池的另外的电连接部来说需要的区域从保护套伸出。以该方式很好地保护焊缝以防受到外部影响。放电器的在保护套外的区域可以在从电池单池堆叠为电池的情况下与相应的汇流条连接，以便使各个电池单池相互并联和/或串联连接。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，电极凸肩分组地与放电器在端侧连接。
该设计方案尤其在如下情形中可以是有利的，即当薄膜堆与放电器之间的厚度差异太大，通过焊缝不能太好地补偿厚度差异时。因此可能有利的是，构造一个极性的电极凸肩堆，从而电极凸肩堆以至少两组在至少两个不同的区域中从电极的堆叠体伸出，并且每个组都与相应的放电器的另一区域焊接。此外在电极凸肩与放电器的特别好的焊接和因此特别好的电连接的情况下相应减小了向比较敏感的电池单池中的热量输入。此外，该结构允许处理每个电池单池中相应更大数量的电极，因为电极的电极凸肩在各个组中与放电器焊接，并且由此总体上更大数量的各个电极凸肩可以安全和可靠地与放电器焊接。因此可以提高由电池单池建立的电池的功率密度。
在根据本发明的电池单池的设计方案中，电池单池是锂离子电池或锂聚合物电池。尤其是在口袋形式中，该类型的电池单池用于各种应用中。
本发明的另一主题是用于制造电池单池的方法，该方法包括如下步骤：
-提供正电极和负电极以及置于其间的隔板的堆叠体，其中，电极分别具有电极凸肩，
-分别将正电极和负电极的电极凸肩与至少一个正的和至少一个负的放电器焊接，
-将所述堆叠体连同焊接在电极凸肩上的放电器插入到保护套中，使得电极凸肩与放电器之间的焊缝布置在保护套内，并且放电器从保护套伸出，
-填入电解质，和
-密封保护套，
其中，电极凸肩与放电器分别在端侧通过对头焊接来连接，其中，借助激光束焊接或电子束焊接、WIG、MIG或等离子体焊接建立端侧的连接。
有利地，通过根据本发明的对头焊接步骤来连接电极凸肩与一个或多个放电器(其实现为电气的、即正的和负的连接部)，能够实现对电池单池的结构空间的更好的利用。通过取消电极凸肩和放电器的迄今为止常见的搭接区域，由此变空的结构空间可以要么用于在相同的尺寸的情况下增大电池单池的容量，要么用于在相同的容量的情况下减小电池单池的尺寸。
此外，力线以相对均匀的应力分布在对接缝中延伸，由此可以避免应力峰值，并且由此，机械稳定性也是很好的，因为在外力作用下不会导致部件彼此间的相对移动。
可以在一定的程度中补偿电极凸肩与放电器之间的厚度差异。在此，较薄的构件与较厚的构件的对称布置是优选的。当较小的必需的动态强度是可能的时，电极凸肩与放电器的非对称布置同样是可能的。
此外，本发明的主题是使电池单池或用于制造根据本发明的电池单池的方法用于将单池堆构造为至少部分被电驱动的车辆中的牵引电池。
根据本发明的电池单池可以简单和有效地制造，并且能够实现比较好的有效功率或者每个电池单池中的更小的结构空间。因此，可以简单和有效地、廉价地制造非常高功率的电池。这尤其是对于使用在针对至少部分被电驱动的车辆的牵引电池中来说是特别有利的，因为在此基于期望的件数和与电池相关联的成本，关于有效的制造、高的功率密度和安全和可靠的结构的优点是特别重要的。
存在许多设计和改进电池单池的可能性。为此首先参考从属于权利要求1的权利要求。接下来根据附图和相关描述来详细阐述本发明的优选的设计方案。
附图说明
图1以非常示意性的图示示出该类型的电池单池的一般设计；
图2以非常示意性的图示作为截面图示出电极堆的电极凸肩与放电器的连接的根据现有技术的布置；
图3以非常示意性的图示作为截面图示出电极堆的电极凸肩与放电器的连接的根据本发明的布置；
图4以非常示意性的图示作为截面图示出电极堆的电极凸肩与放电器的连接的根据本发明另一设计方案的布置；
图5以非常示意性的图示作为细节图示出电极堆的电极凸肩与放电器的连接的根据本发明另一设计方案的布置；和
图6以非常示意性的图示作为细节图示出电极堆的电极凸肩与放电器的连接的根据本发明另一设计方案的布置。
具体实施方式
图1示出了一种电池单池1，其具有正电极和负电极8a、8b以及置于其间的隔板7的堆叠体2，其中，电极8分别与至少一个正的和至少一个负的放电器4焊接。电池单池1具有保护套6，堆叠体2通常和电解质一起布置在保护套中。放电器4从保护套6部分地伸出。电池单池1可以是锂离子或锂聚合物电池。
在图2中示意性地作为该类型的电池单池1的细节图示出了电极堆2的电极凸肩3与放电器4的连接5的根据现有技术的常见布置。从电极堆2出发，电极凸肩3朝放电器4的方向延伸，并且电极凸肩通过一个或多个焊缝5与到放电器4连接。放电器4通过在此仅非常示意性示出的保护套6向外延伸。根据现有技术的布置设置有搭接区域，在搭接区域中，电极凸肩3与放电器4搭接，并且在搭接区域中制造一个焊缝或多个焊缝5。因此涉及搭接接头，其中，两个待焊接的部分相叠地布置。
与此相对，在图3中示意性地作为该类型的电池单池1的细节图示出了电极堆2的电极凸肩3与放电器4的连接5的根据本发明优选设计方案的新的布置。从电极堆2出发，电极凸肩3朝放电器4的方向延伸，并且电极凸肩通过焊缝5与放电器4连接。放电器4通过在此仅非常示意性示出的保护套6向外延伸。根据本发明，电极凸肩3与放电器4的焊接连接是对头焊缝5。换言之，根据本发明，在待连接的部分之间没有设置搭接区域。待连接的部分没有相叠，而是其在端侧对置地布置在一个平面内。
在图2的布置与图3的根据本发明的布置的比较中，现在明显的是实现了减小电池单池的结构空间。通过取消迄今为止视为强制性的在电极凸肩3与放电器4之间的搭接区域，要么可以在电池单池的相同的容量的情况下减小需要的结构空间，要么迄今为止被搭接区域占据的结构空间可以用于功率承载构件、如电极和电解质，从而电池单池可以具有更大的容量。同时，可以通过根据本发明的对头焊接实现过程简化，因为焊接连接可以不仅在一侧借助贯穿焊接进行，而且也可以在两侧进行，并且除了超声波焊接以外，激光束焊接现在也可以用于建立电极凸肩3与放电器4之间的连接。在对头缝中的力线以相对均匀的应力分布延伸，从而此外避免应力峰值。
在图4中以非常示意性的图示作为截面图示出电极堆2的电极凸肩3与放电器4的连接5的根据本发明另一设计方案的布置。在此也借助在电极凸肩3的端侧与放电器4之间的对头焊接建立连接5。在所示的设计方案中，与图3的设计方案不同地，电极凸肩分组布置。由此又可以实现过程简化。
在图5中以非常示意性的图示作为横截面细节图示出电极堆的电极凸肩3与放电器4的连接5的根据本发明另一设计方案的布置。一组电极凸肩3分别在端侧与放电器4借助对头焊接5连接。在此在两侧执行对头焊接，从而能够利用激光束焊接或电子束焊接、MIG、WIG和/或等离子体焊接实现可很好控制的过程引导。在两侧的焊接中，两个焊根应该搭接，以便避免未接触的凸肩。
在图6中以非常示意性的图示作为横截面细节图示出电极堆的电极凸肩3与放电器4的连接5的根据本发明另一设计方案的布置。在此，一组电极凸肩3也在端侧借助对头焊接5与放电器4连接。在本设计方案中，对头焊接仅在一侧进行，并且形成贯穿焊缝5。
附图标记清单
1 电池单池
2 电极的堆叠体
3 电极凸肩
4 放电器
5 焊缝
6 保护套
7 隔板
8 电极

Claims (8)

1.一种电池单池(1)，所述电池单池具有正电极和负电极(8a、8b)以及置于其间的隔板(7)的堆叠体(2)，其中，电极(8)分别具有电极凸肩(3)，所述电极凸肩分别与至少一个正的和至少一个负的放电器(4)焊接，其中，电极凸肩(3)与放电器(4)分别在端侧通过对头焊缝(5)连接，其特征在于，借助激光束焊接或电子束焊接、WIG、MIG或等离子体焊接建立端侧的连接。
2.根据权利要求1所述的电池单池，其特征在于，焊缝(5)被构造用于在一侧或两侧建立电极凸肩(3)与放电器(4)的端侧的连接。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池，其特征在于，所述电极凸肩(3)分组地与放电器(4)在端侧连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单池，其中，所述电池单池(1)具有保护套(6)，堆叠体(2)和电解质一起布置在保护套中，其特征在于，用于电极凸肩(3)与放电器(4)的端侧的连接的焊缝(5)布置在保护套(6)内。
5.根据权利要求4所述的电池单池，其特征在于，放电器(4)从保护套(6)伸出。
6.根据权利要求1所述的电池单池，其特征在于，电池单池(1)是锂离子电池或锂聚合物电池。
7.一种用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的电池单池的方法，所述方法包括如下步骤：
-提供正电极和负电极(8a、8b)以及置于其间的隔板(7)的堆叠体(2)，其中，电极(8)分别具有电极凸肩(3)，
-分别将正电极和负电极(8a、8b)的电极凸肩(3)与至少一个正的和至少一个负的放电器(4)焊接，
-将堆叠体(2)连同焊接在电极凸肩(3)上的放电器(4)插入到保护套(6)中，使得电极凸肩(3)与放电器(4)之间的焊缝(5)布置在保护套(6)内，并且放电器(4)从保护套(6)伸出，
-填入电解质，和
-密封保护套(6)，
其中，电极凸肩(3)与放电器(4)分别在端侧通过对头焊接来连接，其中，借助激光束焊接或电子束焊接、WIG、MIG或等离子体焊接建立端侧的连接。
8.用根据前述权利要求中任一项所述的电池单池(1)或用于制造电池单池(1)的方法来将单池堆构造为至少部分被电驱动的车辆中的牵引电池的应用。
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