CN113079707A - 按压电池单元的设备 - Google Patents

Abstract

根据本公开内容实施方式的按压电池单元的设备包括：第一按压板和第二按压板，在所述第一按压板与所述第二按压板之间形成空间以便设置电池单元，所述第一按压板和所述第二按压板按压所述电池单元，其中所述第一按压板和所述第二按压板中的至少一个按压构件由形状记忆材料形成。

Description

按压电池单元的设备

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2019年11月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0140360号的权益，通过引用将该申请的公开内容整体并入本申请。

本公开内容涉及按压电池单元的设备，更特别地，涉及使用形状记忆材料的按压电池单元的设备。

背景技术

二次电池易于应用于各种产品种类并且具有诸如高能量密度的电特性，二次电池不仅普遍应用于便携式装置，而且普遍应用于电动车辆或混合动力车辆、由驱动电源驱动的能量储存系统或类似者。由于二次电池具有显著减少化石燃料的使用并且还不会因能量的使用而产生任何副产物的主要优点，因此这种二次电池作为提高能量效率的新的环境友好型能源引起了关注。

传统上，镍镉电池或氢离子电池已用作二次电池。然而，近来广泛地使用锂二次电池，因为锂二次电池因与镍基二次电池相比具有极小的记忆效应而可自由充放电，自放电速率非常低，并且能量密度较高。

锂二次电池主要使用氧化锂和碳质材料分别作为正极活性材料和负极活性材料。锂二次电池包括电极组件和外部材料，在电极组件中布置分别涂覆有正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板，并且在正极板与负极板之间具有隔膜，外部材料是密封并容纳电极组件和电解质溶液的电池壳体。

锂二次电池包括正极、负极、隔膜和置于它们之间的电解质。取决于正极活性材料和负极活性材料使用哪种材料，锂二次电池被分类为锂离子电池和聚合物锂离子电池。通常，通过将正极活性材料或负极活性材料施加到由铝或铜片、网、膜、箔或类似物制成的集电器、然后进行干燥而制备锂二次电池的电极。

同时，必须将正极板、负极板和隔膜均匀地彼此贴附而成为整体，使得可在二次电池的所有部分中均匀地发生反应。因此，需要开发一种以均衡的方式按压二次电池的设备。

发明内容

技术问题

本公开内容的目的是提供一种实现恒定压力的按压电池单元的设备。

然而，本公开内容的实施方式所要解决的问题不限于上述问题，可在本公开内容中包括的技术思想的范围内有各种扩展。

技术方案

根据本公开内容实施方式的按压电池单元的设备包括第一按压板和第二按压板，在所述第一按压板与所述第二按压板之间形成空间以便设置电池单元，所述第一按压板和所述第二按压板按压电池单元，其中所述第一按压板和所述第二按压板中的至少一个按压构件由形状记忆材料形成。

所述按压构件允许在所述电池单元被驱动的温度下根据所述电池单元来记忆所述按压构件的形状，然后将因所述电池单元的体积膨胀而导致的所述按压构件的变形用作在所述电池单元被驱动之后使所述按压构件的形状返回所述按压构件的原始形状的力，从而按压所述电池单元。

所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔可由于所述电池单元的体积膨胀而增大。

所述第一按压板的上表面和所述第二按压板的下表面由于所述电池单元的厚度方向上的膨胀而被按压，使得所述第一按压板和所述第二按压板的形状改变。

当所述电池单元的体积减小时，所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔可减小。

所述形状记忆材料可包括形状记忆聚合物。

所述电池单元可被构造成使得具有正极、负极和介于所述正极与所述负极之间的隔膜的结构的电极组件与电解质一起被密封在电池壳体的内部。

所述第一按压板可与所述电池壳体的下表面接触，所述第二按压板可与所述电池壳体的上表面接触，并且位于所述第一按压板和所述第二按压板之间的所述电池壳体的侧表面可暴露于外。

所述第一按压板和所述第二按压板可通过耦接翅片彼此耦接。

所述耦接翅片可由多个翅片形成并且可由弹簧形成。

所述耦接翅片可由多个翅片形成并且可由形状记忆材料形成。

所述耦接翅片可由形状记忆聚合物形成。

所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔可等于或大于所述电池单元的厚度。

所述电池单元可以是锂金属电池。

所述第一按压板和所述第二按压板的面积可大于所述电池单元的面积。

有益效果

根据实施方式，通过在锂金属电池中使用利用形状记忆材料的按压电池单元的设备，可产生由电池单元的体积改变导致的恢复力，由此实现恒压夹具效果。因此，可用较轻的重量通过优异的形状恢复力提供锂金属电池所需的较大的力。

附图说明

图1是示出根据本公开内容实施方式的其中二次电池单元设置在按压电池单元的设备中的状态的侧视图；

图2是图1的按压电池单元的设备的正视图；

图3是示出锂二次电池的结构的透视图；以及

图4是绘示根据温度的弹性模量的图表。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本公开内容的各种实施方式，使得本领域技术人员能容易地实施这些实施方式。可以各种不同方式修改本公开内容，而不限于本文阐述的实施方式。

为了清楚地描述本公开内容，将省略与本说明书不相关的部分，并且相同的附图标记在整个说明书中表示相同元件。

此外，为了便于说明，各图中所示的每个元件的大小和厚度被任意地绘示，并且本公开内容不必限制于附图中所示的内容。在附图中，为清楚起见，各个层的厚度、区域等被放大。在附图中，为了便于说明，一些层的厚度和一些区域被放大图示。

另外，将理解的是，当诸如层、膜、区域或板的元件被描述为在另一元件“上”或“上方”上时，其可直接位于该另一元件上或亦可存在中间元件。相比之下，当一元件被描述为“直接”在另一元件“上”时，其意指不存在其他中间元件。另外，用语“在……上”或“在……上方”意指设置在参考部分上或下，而不必然意指朝向与重力相反的方向设置在参考部分的上端。

另外，在整个说明书中，当一部分被描述为“包括”或“包含”某一部件时，其意指该部分可进一步包括其他部件而非排除其他部件，除非另有说明。

另外，在整个说明书中，当被描述为“平面”时，其意指从顶部观看目标部分，当被描述为“截面”时，其意指从竖直切割的截面的侧部观看目标部分。

图1是示出根据本公开内容实施方式的其中二次电池单元设置在按压电池单元的设备中的状态的侧视图。图2是图1的按压电池单元的设备的正视图。图3是示出锂二次电池的结构的透视图。图4是绘示根据温度的弹性模量的图表。

参照图1和图2，根据本实施方式的按压电池单元的设备500包括通过多个耦接翅片120彼此耦接的一对按压板100a和100b，电池单元1位于该对按压板100a和100b之间。根据本实施方式的耦接翅片120可由弹簧形成。

多个耦接翅片120可设置在按压板100a和100b的平面的四个角部。第一按压板100a和第二按压板100b可被设置为因耦接翅片120的耦接形式而彼此间隔开。在彼此间隔开的第一按压板100a与第二按压板100b之间形成其中可设置电池单元1的空间。其中设置电池单元1的空间的内部宽度，即按压板100a与100b之间的间隔可与电池单元1的厚度相同或略大于电池单元1的厚度。

根据本实施方式，电极引线31和32沿电池单元1的一个方向突出，并且电极引线31和32可在位于按压板100a和100b的侧边的两个耦接翅片120之间突出。

根据本实施方式的按压板100a和100b的至少一个是由形状记忆材料形成的按压构件。形状记忆材料是具有形状记忆效应的材料，其在特定温度下记忆形状，当被施加力时变形成完全不同的形状，并且当被加热时恢复到原始形状。

根据本实施方式的由形状记忆材料形成的按压构件在电池单元1被驱动的温度下根据电池单元1记忆形状，然后因电池单元的体积膨胀而导致的按压构件的变形用作在电池单元1的驱动之后使按压构件的形状恢复成按压构件的原始形状的力，从而由按压构件按压电池单元1。换句话说，当电池单元1膨胀时，电池单元1向外推动由形状记忆材料形成的按压构件，而由于记忆材料的特性，电池单元1被总是倾向于使按压构件的形状恢复成按压构件的原始形状的力按压。详细而言，若图1和图2中所示的电池单元1在厚度方向上膨胀，则第一按压板100a的上表面和第二按压板100b的下表面被按压，从而第一按压板100a和第二按压板100b的形状改变。也就是说，第一按压板100a与第二按压板100b之间的间隔由于电池单元1的体积膨胀而增大。之后，若将热施加到按压电池单元的设备500，则产生倾向于使第一按压板100a和第二按压板100b恢复到原始形状的恢复力，使得可将恢复力施加到电池单元1以限制电池单元1的体积膨胀。若电池单元1的膨胀的体积由于电池单元1的放电而减小，则第一按压板100a与第二按压板100b之间的间隔可减小。

特别地，可能出现造成锂金属电池爆炸或寿命缩短的枝晶现象。枝晶现象是指产生树枝形状的晶体，该晶体形成在锂金属的表面上。也就是说，可应用根据本实施方式的按压电池单元的设备，以在锂金属电池中出现锂枝晶现象时实现所需的加压。

其上应用了根据本实施方式的按压电池单元的设备的电池单元1对应于锂金属电池，锂金属电池在充放电期间具有较大体积膨胀。当锂金属电池被按压时，在充放电循环期间的寿命性能优于不被按压时的寿命性能。因此，在锂金属电池的情况中，按压设备是完全必要的。

当锂金属电池被驱动时，需要最大4MPa的高压力，并且可使用由具有高强度的金属材料制成的用于按压电池单元的厚且重的设备，但因为按压设备是笨重的，因此就大能量密度而言可能是不利的，而大能量密度是将锂金属应用于负极时最大的益处。因此，当根据本实施方式使用由形状记忆材料形成的按压构件时，可实现小而轻且同时施加强力的按压设备。与在按压电池单元的设备中使用具有固定厚度的静态夹具相比，当使用施加特定压力的弹簧夹具时可提高按压设备的寿命性能。根据本实施方式，可将诸如弹簧夹具的恒压夹具实施为由形状记忆材料形成的按压构件。

通过根据本实施方式的形状记忆材料的按压构件实现形状记忆效应，并且产生因电池单元1的体积改变导致的恢复力以操作为恒压夹具效果。

如图3所示，根据本实施方式的电池单元被构造为使得由正极、负极和介于正极与负极之间的隔膜形成的电极组件20被放入电池壳体10的内部。可将从电极组件20的正极和负极突出的电极接片21和22安装成分别与正极和负极的电极引线31和32电连接，并暴露到外面。

根据本实施方式，第一按压板100a可与电池壳体10的下表面接触，第二按压板100b可与电池壳体10的上表面接触，并且位于第一按压板100a与第二按压板100b之间的电池壳体10的侧表面可暴露于外。这里，电池壳体10的侧表面具有四个表面，优选使四个表面全部暴露于外。将以包围电池单元的电池壳体本身是由形状记忆合金形成的情况作为比较例对此结构的原因进行解释。

与锂离子电池中包括的电池不同，应用本公开内容实施方式的锂金属电池的体积改变在一次充放电时是非常大的，并且因为锂枝晶不断地形成，电池单元的厚度在重复循环时不断地增大。当用于按压的板甚至固定SOC0状态下的电池壳体10的侧表面时，厚度差非常大，因此若按压设备被制成具有对应于SOC100的电池单元的厚度，则在SOC0状态下可能不施加压力。另外，当通过重复充放电而到达寿命终点(EOF)时，与初始SOC100相比，电池单元的厚度可显著增大，从而导致比初始SOC100更大的压力。因而，在将形状记忆合金用作为电池壳体本身的比较例中，其全部侧表面是固定的，使得难以向电池单元施加特定压力。此外，当通过使用对应于比较例的电池壳体来按压电池单元时，难以向电极区域均匀地传递力。这是因为，在诸如罐型的电池壳体的情况中，在电池单元的体积膨胀期间膨胀的电池壳体表面是弯曲的，因而难以均匀地按压电极。

根据本实施方式的形状记忆材料可以是形状记忆聚合物。形状记忆聚合物与形状记忆合金相比可为高弹性变形的，并且具有低成本、低密度、优异的形状恢复力和高抗拉强度的优点。

根据本实施方式，因在按压设备中所包括的按压板中使用形状记忆聚合物，故可提供将按压板应用于锂金属电池时所需恢复力(即恢复压力)的约400％或更大的强力。

此外，参照图4，图4是关于根据温度的弹性模量的图表，钢是指钢金属，SMA是指形状记忆合金，SMP是指形状记忆聚合物。在特定温度区间内，SMP的弹性模量值低于SMA的弹性模量值。这表示SMP可比SMA更好地伸长。随着图1和图2所示的电池单元1膨胀且电池单元1的厚度增大，按压电池单元100的设备的按压板100a与100b之间的间隔应增大，使得施加于电池单元1的压力是均匀的。这里，因SMP相比于SMA更好地伸长，故使用SMP时施加于电池单元1的压力比SMA低。因此，SMP比SMA更适于锂金属电池的恒压夹具类型。图4的图表的来源如下：Tobushi,Hisaaki,Shunichi Hayashi和Yoshiki Sugimoto."Two-way bendingproperties of shape memory composite with SMA and SMP."Materials 2.3(2009):1180-1192。

当电池单元1设置在按压电池单元的设备的内部，并且第一按压板100a和第二按压板100b通过耦接翅片120彼此耦接时，若对电池单元1进行激活和老化处理，则电池单元膨胀并且其厚度增大。本文中提到了在产品发售之前的激活和老化处理，但其不限于处理步骤，根据本公开内容实施方式的按压电池单元的设备可应用于电池单元驱动步骤。

一对按压板100a和100b由形状记忆材料形成并且通过耦接翅片120彼此耦接，因此它们重量轻且易于操控。在以上配置的根据本公开内容实施方式的按压电池单元的设备中，按压板100a和100b由形状记忆材料形成，因此它们能够是轻质的且重量轻，并且可适用于单位重量能量密度很重要的电池，如无人机。

在上述实施方式中，已经说明耦接翅片120由弹簧形成，但作为变形实施方式，耦接翅片120可由形状记忆材料形成。为此，若第一按压板100a与第二按压板100b之间的间隔因电池单元1的体积膨胀而增大，耦接翅片120的长度也可增大。因为耦接翅片120本身由形状记忆材料形成，从而产生了恢复力，因此电池单元1的体积膨胀可进一步因恢复力而被限制。耦接翅片120也可由形状记忆聚合物形成。

尽管上文已详细描述了本公开内容的优选实施方式，但本公开内容的范围不限于此，本领域技术人员使用在随附权利要求书中限定的本公开内容的基本构思进行的各种修改和改进也属于权利范围。

符号说明

1：电池单元

10：电池壳体

20：电极组件

100a、100b：按压板

Claims (15)

1.一种按压电池单元的设备，所述设备包括：

第一按压板和第二按压板，在所述第一按压板与所述第二按压板之间形成空间以便设置电池单元，所述第一按压板和所述第二按压板按压所述电池单元，

其中所述第一按压板和所述第二按压板中的至少一个按压构件由形状记忆材料形成。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述按压构件允许在所述电池单元被驱动的温度下根据所述电池单元来记忆所述按压构件的形状，然后因所述电池单元的体积膨胀而导致的所述按压构件的变形用作在所述电池单元被驱动之后使所述按压构件的形状返回所述按压构件的原始形状的力，从而按压所述电池单元。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔由于所述电池单元的体积膨胀而增大。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述第一按压板的上表面和所述第二按压板的下表面由于所述电池单元的厚度方向上的膨胀而被按压，使得所述第一按压板和所述第二按压板的形状改变。

5.如权利要求3所述的设备，其中当所述电池单元的体积减小时，所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔减小。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述形状记忆材料包括形状记忆聚合物。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述电池单元被构造成使得具有正极、负极和介于所述正极与所述负极之间的隔膜的结构的电极组件与电解质一起被密封在电池壳体的内部。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述第一按压板与所述电池壳体的下表面接触，所述第二按压板与所述电池壳体的上表面接触，并且位于所述第一按压板和所述第二按压板之间的所述电池壳体的侧表面暴露于外。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述第一按压板和所述第二按压板通过耦接翅片彼此耦接。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述耦接翅片由多个翅片形成并且由弹簧形成。

11.如权利要求9所述的设备，其中所述耦接翅片由多个翅片形成并且由形状记忆材料形成。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述耦接翅片由形状记忆聚合物形成。

13.如权利要求1所述的设备，其中所述第一按压板与所述第二按压板之间的间隔等于或大于所述电池单元的厚度。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述电池单元是锂金属电池。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述第一按压板和所述第二按压板的面积大于所述电池单元的面积。

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