CN110915015A - 锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种锂离子电池(10)，其包括：多个阴极面和阳极面，其中，所述阴极面和阳极面(50‑55)相对于彼此基本平行地布置并且与第一方向(70)基本垂直地延伸；壳体底部(20)；以及壳体盖(30)，其布置成与所述壳体底部(20)电绝缘，其中，所述壳体底部(20)与所述壳体盖(30)一起围成空腔(45)，所述阴极面和阳极面(50‑55)布置在所述空腔(45)中，其特征在于，所述壳体盖(30)相对于所述壳体底部(20)在所述第一方向(70)上可移动，以增大和减小所述空腔(45)的尺寸。

Description

锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，其包括多个阳极面和阴极面。
背景技术
在各种实施方式中呈现了锂离子电池，如在汽车工业的电池组中也使用的锂离子电池。一种类型的锂离子电池是所谓的壳式电池(nutshell cell)。传统上，这种类型也被称为“纽扣电池”。体积越大，能量和功率含量因此越大，壳式的原理也适用于汽车领域。与传统纽扣电池中的情况一样，此处的两个半壳体代表阳极电导和阴极电导。在电池壳体的内部，阳极箔(集电器和活性材料)、阴极箔(集流体和活性材料)、隔膜和(固态)电解质的单独层彼此堆叠。连接在一起的阳极箔形成负极，而阴极箔形成正极。电极分别电连接到相应的半壳体。
在现有技术中，形成布置有阳极箔、阴极箔、隔膜和(固态)电解质的空腔的半壳体或壳体件利用电绝缘体而粘接在一起。半壳体在其最终组装状态下彼此固定且实际上不可拆卸地连接(粘接)在一起，并且仅通过一个电绝缘体而彼此绝缘。结果通常是，壳体体积即使在开始状态下也必须具有相对较大的尺寸，以便主要取决于与箔层正交或垂直的时间/操作和充电状态相关情况(箔上的锂含量)来适应阳极箔和阴极箔的容积变化或体积变化或体积增加。这种死体积通常为锂离子电池或壳式电池总体积的约15％～约20％，因此会降低锂离子电池的容积能量密度。
阳极箔和阴极箔仅在电池经过相对较长的运行并取决于其充电状态之后才靠在半壳或壳体部分的内侧或内表面上。因此，从一开始就必须有相应的体积用于约占整个体积的25％(包括公差)的箔的体积扩大。据此通常不可能精确地捕获或测量电极或堆叠的热状况，因此，电池单元的不正确装载可能会发生在不利的情况下，因为热量由于堆叠或电极与壳体之间缺少(立即或直接)接触而不能消散。
在不利的情况下，无法确定的热传递会在电池内部导致部分过载，从而导致锂离子电池的热老化和过早失效。在最坏的情况下，也没有排除所谓的电池热失控。同样，锂离子电池内部的热传递的不确定状态导致单个电池、组件以及整个电池组的温度管理的条件更加困难。
发明内容
本发明的优点
本发明的实施方式可以有利地使得锂离子电池能够具有高容积能量密度。
根据本发明的第一方面，提出了一种锂离子电池，包括：多个阴极面和阳极面，其中，所述阴极面和阳极面相对于彼此基本平行地布置并且与第一方向基本垂直地延伸；壳体底部；以及壳体盖，其布置成与所述壳体底部电绝缘，其中，所述壳体底部与所述壳体盖一起围成空腔，所述阴极面和阳极面布置在所述空腔中，其特征在于，所述壳体盖相对于所述壳体底部在所述第一方向上可移动，以增大和减小所述空腔的尺寸。
这样做的一个优点是：空腔通常可以随着电极增大而在第一方向上尺寸增大，和/或随着电极变小而在第一方向上尺寸减小。因此，通常不需要提供死体积作为空腔的一部分，电极可以在第一方向上向其中扩大。结果，通常获得更高的容积能量密度。
根据一种实施方式，所述壳体盖具有凸起，并且所述壳体底部具有用于容纳所述凸起的切口；或者，所述壳体底部具有凸起，并且所述壳体盖具有用于容纳所述凸起的切口，其中，所述凸起在所述切口中布置成使得所述切口中的凸起在所述第一方向上可移动。这样做的一个优点是：通常，壳体盖在技术上简单地连接至壳体底部，而同时确保了壳体底部相对于壳体盖可移动。
根据一种实施方式，所述壳体底部通过弹簧连接到所述壳体盖。这样做的优点是：弹簧通常确定壳体底部相对于壳体盖的固定的基部位置，其中壳体底部或壳体盖通过弹簧而移动。另外，将壳体底部推到壳体盖上所用的力通常取决于挠曲的大小，即，阴极/阳极面的增长或增大的尺寸。
根据一种实施方式，所述弹簧布置并构造成使得当将所述壳体底部从基本位置移出以远离所述壳体盖时所述弹簧是张紧的。这样做的一个优点是：如果电极的尺寸在第一方向上减小，则空腔的尺寸通常会再次减小。以这种方式，空腔通常可能在充电/放电过程中通过变大或变小(增大或减小在第一方向上阴极/阳极面的尺寸)而适应锂离子电池或电极的“呼吸”。因此，锂离子电池通常只需要很小的体积。
根据一种实施方式，所述壳体底部和/或所述壳体盖在其各自的内侧上具有平坦表面，其中，各自的表面相对于所述阴极面和阳极面基本平行地延伸。结果，通常可以通过壳体底部和壳体盖来实现在锂离子电池内特别均匀良好地温度捕获电极或堆叠(包括阳极箔、阴极箔、隔膜和(固态)电解质)的温度。因此，在当前情况下，尤其是在温度管理中，电池管理系统(BMS)通常能够确定锂离子电池内的可靠温度条件。
根据一种实施方式，所述壳体底部和/或所述壳体盖的各自的内侧的表面与所述阴极面和阳极面中的至少一个直接接触。这样做的一个优点是：从技术上讲，通常可以在锂离子电池外部将电极简单地很好冷却。这通常会提高锂离子电池的效率。另外，通常可以在技术上特别简单且可靠地捕获阳极面和阴极面的温度。
根据一种实施方式，所述壳体盖通过绝缘元件与所述壳体底部电绝缘，其中，所述绝缘元件具有所述切口或所述凸起。这样做的优点是：通常获得了壳体底部与壳体盖的技术上简单的绝缘。
根据一种实施方式，所述壳体底部和/或所述壳体盖是预张紧的，使得所述壳体底部在所述第一方向上被推向所述壳体盖。这样做的一个优点是：如果电极的尺寸在第一方向上减小，则空腔的尺寸通常会再次减小。通常可以通过增加和减小空腔的尺寸来适应锂离子电池或电极的“呼吸”。
根据一种实施方式，相对于环境的负压存在于所述空腔中。这样做的一个优点是：考虑到电极尺寸的增加，一旦不再在第一方向上将壳体底部推离壳体盖，空腔的尺寸通常会在没有机械力的情况下再次自行减小。通常以这种方式确保壳体底部或壳体盖的内侧的表面总是始终与电极直接接触。这通常使得阴极面/阳极面的温度控制和/或温度测量更容易。
根据一种实施方式，所述壳体底部相对于所述壳体盖可移动，特别是连续地在第一位置与第二位置之间的区域中可移动，在所述第一位置处所述壳体底部具有距所述壳体底部的最小距离，并且在所述第二位置处所述壳体底部具有距所述壳体底部的最大距离。这样做的一个优点是：即使当壳体底部相对于壳体盖移动时，空腔也通常保持与环境隔离。因此，通常通过第一位置和第二位置可设置空腔的尺寸的两个极端。
关于本发明的实施方式的思想可以被认为是基于以下描述的概念和发现。
应当注意，本文将参照锂离子电池的不同实施方式来描述本发明的一些可能的特征和优点。本领域技术人员知晓：可以适当地组合、修改或调换这些特征从而获得本发明的其他实施方式。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的实施方式，其中，附图和描述均不应被解释为限制本发明。
图1示出了根据本发明的锂离子电池的第一实施方式的剖视图；
图2示出了图1的锂离子电池的区域II的详细视图；
图3示出了根据本发明的锂离子电池的第二实施方式的剖视图；以及
图4示出了图3的锂离子电池的区域IV的详细视图。
附图仅是示意性的，而不是按比例的。附图中相同的附图标记表示相同的特征或具有相同作用的特征。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的锂离子电池10的第一实施方式的剖视图。图2示出了图1的锂离子电池10的区域II的详细视图。
锂离子电池10包括壳体盖、壳体底部20、交替布置的多个阴极面和阳极面50-55、一个或多个隔膜和电解质(例如固态电解质)。壳体底部20和壳体盖30一起围成空腔45。阴极面和阳极面50-55布置在空腔45中。阴极面电连接到壳体盖30，并且阳极面电连接到壳体底部20。或者，阳极面电连接到壳体盖30，并且阴极面电连接到壳体底部20。
锂离子电池10具有圆角的大致长方体外形。
图1未示出阴极面和阳极面50-55分别电连接到壳体盖30和壳体底部20。集电器的电连接是在现有技术中众所周知的。
阴极面和阳极面50-55相对于彼此基本平行地布置。阴极面和阳极面50-55与第一方向70基本垂直或正交地延伸。在图1中，第一方向70从左向右延伸，反之亦然。因此，阴极面和阳极面50-55具有与第一方向70垂直的最大维度或尺寸。因此，阴极面和阳极面50-55的最大维度或尺寸在图1中从顶部延伸至底部并延伸进入或离开附图平面。
壳体盖30具有绝缘元件40，该绝缘元件40使壳体盖30与壳体底部20电绝缘。绝缘元件40固定地(例如一体地)连接到壳体盖30或壳体盖30的一部分。绝缘元件40或壳体盖30具有缺口35。壳体底部20的凸起25布置在切口35中。壳体底部20部分地定位在壳体盖30内。沿第一方向70，切口35的长度大于凸起25的长度。因此，凸起25可以沿着第一方向70在切口35中移动。结果，壳体底部20可朝着壳体盖30移动(到图1中的左侧)并且远离壳体盖30移动(到图1中的右侧)。在每种情况下这都是可能的，直到凸起25邻接切口35的外围为止。如果图1或图2中的凸起25在切口35中尽可能地位于左侧，则壳体底部20具有距壳体盖30的最小距离(第一位置)。如果图1或图2中的凸起25在切口35中尽可能地位于右侧，则壳体底部20具有距壳体盖30的最大距离(第二位置)。
还可以想到的是，绝缘元件40布置在壳体底部20上或者是壳体底部20的一部分。还可以想到的是，凸起25是绝缘元件40或包括绝缘元件40。另外，可以想到的是，凸起25是壳体盖30的一部分，并且壳体底部20具有切口35。
在充电期间，阴极面和/或阳极面50-55主要在第一方向70上扩大。这意味着阴极面和/或阳极面50-55的体积在第一方向70上增长。阴极面和/或阳极面50-55的体积也可以在与第一方向70垂直的两个方向上增长。然而，这种增长明显小于与第一方向70垂直所发生的增长。
在放电期间，阴极面和/或阳极面50-55的体积再次减小。充电和放电过程中的阴极面和/或阳极面50-55的维度的增加和减小也被称为锂离子电池10的“呼吸”。
在充电以及增加在第一方向70上阴极面和/或阳极面50-55的尺寸的过程中，将壳体盖30推离壳体底部20。结果，空腔45或由壳体盖30和壳体底部20包围的空腔45的体积增长。
相对于环境的负压可以产生在空腔45中。在放电时，当阴极面和/或阳极面50-55就其在第一方向70上的范围/维度或尺寸而言再次减小时，壳体底部20再次朝着壳体盖30移动，这减小了空腔45的尺寸。
这也可以通过凸起25具有相对于第一方向70的(非常尖锐的)角度并且通过凸起25或切口35与凸起25立即或直接接触的接触区域具有与前面的角度(即(非常尖锐的)角度)互补的角度来实现。考虑到壳体底部20的预张紧，其试图以与第一方向70垂直地扩大(到图1中的顶部和底部)，壳体底部20被推向壳体盖30。
还可以想到的是，弹簧将图1和图2中的凸起25推向左侧，从而将壳体底部20推向壳体盖30。
阴极面和/或阳极面50-55可以在每种情况下包括(涂覆的)箔或被(涂覆)箔。
阴极面和/或阳极面50-55与壳体底部20或壳体盖30的内表面立即或直接接触。这是正确的，而基本上与阴极面和/或阳极面50-55的扩大或增大无关，因为总是在第一方向70上将壳体底部20或壳体盖30推向阴极面和阳极面50-55的两个最外的面。
阴极面和/或阳极面50-55也可以在与第一方向70延伸垂直的两个方向上与壳体盖30或壳体底部20立即或直接接触。这是正确的，尤其是在充电后在这两个方向上扩大或增大尺寸之后。
考虑到阴极面和/或阳极面50-55与壳体盖30或壳体底部20的内表面之间的立即或直接接触，在技术上可简单地从锂离子电池10的外部捕获或测量阴极面和/或阳极面50-55的温度。此外，例如，通过使流体沿着壳体底部20和/或壳体盖30的外部流动，在技术上可以简单地实现锂离子电池10的阴极面和/或阳极面50-55或者空腔45的冷却或温度控制。
因此，锂离子电池10可以在特别有效的温度范围内操作。
图3示出了根据本发明的锂离子电池10的第二种实施方式的剖视图。图4示出了图3的锂离子电池10的区域IV的详细视图。
图3和图4所示的实施方式与图1和图2所示的实施方式的不同之处仅在于：没有使用凸起25和切口35来将壳体底部20可移动地连接至壳体盖30，但是壳体底部20通过弹簧60连接到壳体盖30。在图3中，壳体底部20处于基部位置。当阴极面和/或阳极面50-55的维度或尺寸在第一方向70上增长时，弹簧60是张紧的，结果弹簧60在第一方向70上将壳体底部20推向壳体盖30。
电绝缘元件40布置在弹簧60与壳体盖30之间。还可以想到的是，弹簧60被构造成电绝缘并且形成绝缘元件40。
弹簧60固定地连接到壳体底部20和壳体盖30或绝缘元件40，或者弹簧60是壳体底部20或壳体盖30的一部分。弹簧60在横截面上基本上具有拉丁大写字母C的形状。弹簧被构造成一种类型的板簧。
弹簧60可以是扭力弹簧。除了扭力弹簧以外，同样可以想到另一种类型的元件，该元件可逆地改变成使得壳体底部20可以移离壳体盖30，并且该元件将壳体底部20推到壳体盖30上。同样可以想到的是，存在多个弹簧60。
在图1和图3中，阴极面和/或阳极面50-55被示为位于距壳体盖30的内表面和壳体底部20一定距离的位置。阴极面和/或阳极面50-55的两个最外的面(在图1和图3的最右边或最左边)通常直接或立即接触壳体盖30或壳体底部20的内侧的表面。
最后，应该指出，如“具有”、“包含”等术语不排除任何其他元件或步骤，并且如“一个(a)”或“一个(an)”等术语不排除多重性。权利要求中的附图标记不应被认为是限制。
锂离子电池可用于例如电动车辆、混动车辆或插电式混动车辆。

Claims (10)

1.一种锂离子电池(10)，包括：
多个阴极面和阳极面(50-55)，其中，所述阴极面和阳极面(50-55)相对于彼此基本平行地布置并且与第一方向(70)基本垂直地延伸，
壳体底部(20)，以及
壳体盖(30)，其布置成与所述壳体底部(20)电绝缘，
其中，所述壳体底部(20)与所述壳体盖(30)一起围成空腔(45)，所述阴极面和阳极面(50-55)布置在所述空腔(45)中，
其特征在于，
所述壳体盖(30)相对于所述壳体底部(20)在所述第一方向(70)上可移动，以增大和减小所述空腔(45)的尺寸。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体盖(30)具有凸起(25)，并且所述壳体底部(20)具有用于容纳所述凸起(25)的切口(35)，或者
所述壳体底部(20)具有凸起(25)，并且所述壳体盖(30)具有用于容纳所述凸起(25)的切口(35)，
其中，所述凸起(25)在所述切口(35)中布置成使得所述切口(35)中的凸起(25)在所述第一方向(70)上可移动。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体底部(20)通过弹簧(60)连接到所述壳体盖(30)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，特别是根据权利要求3所述的锂离子电池(10)，其中，
所述弹簧(60)布置并构造成使得当将所述壳体底部(20)从基部位置移出以远离所述壳体盖(30)时所述弹簧(60)是张紧的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体底部(20)和/或所述壳体盖(30)在其各自的内侧上具有平坦表面，其中，各自的表面相对于所述阴极面和阳极面(50-55)基本平行地延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体底部(20)和/或所述壳体盖(30)的各自的内侧的表面与所述阴极面和阳极面(50-55)中的至少一个直接接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体盖(30)通过绝缘元件(40)与所述壳体底部(20)电绝缘，其中，所述绝缘元件(40)具有所述切口(35)或所述凸起(25)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体底部(20)和/或所述壳体盖(30)是预张紧的，使得所述壳体底部(20)在所述第一方向(70)上被推向所述壳体盖(30)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
相对于环境的负压存在于所述空腔(45)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的锂离子电池(10)，其中，
所述壳体底部(20)相对于所述壳体盖(30)可移动，特别是连续地在第一位置与第二位置之间的区域中可移动，在所述第一位置处所述壳体底部(20)具有距所述壳体底部(20)的最小距离，并且在所述第二位置处所述壳体底部(20)具有距所述壳体底部(20)的最大距离。
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