CN113169420A - 电化学的蓄能单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学蓄能单元(1)，包括至少一个电芯(2)，所述电芯容纳在壳体(3)中，所述壳体(3)在至少一个端侧(4)上用盖子(5)封闭，所述盖子(5)构成壳体(3)的一部分，其中，在所述电芯(2)与壳体(3)之间设置至少一个绝缘元件(11)，所述至少一个绝缘元件(11)由电绝缘的且能导热的材料构成。

Description

电化学的蓄能单元
技术领域
本发明涉及一种电化学的蓄能单元，所述电化学蓄能单元包括至少一个电芯，所述电芯容纳在壳体中，所述壳体在至少一个端侧上用盖子封闭。
背景技术
这种蓄能单元例如由DE 10 2008 025 884A1已知并且在工程技术中广泛使用。这种蓄能单元在俯视图中观察通常构造成圆形的并且因此也以名称圆形电池已知。圆形电池例如用于驱动电池驱动的手持工具。但也已知的是，将多个圆形电池组成一个单元，所述单元也适于向电动车辆提供能量。此外，还已知棱柱形电池。对于圆形电池和对于棱柱形电池，层状电芯(Zellwickel)设置在固定的、构造成圆柱形或方体形的壳体中，所述壳体由固体材料、多数由铝或不锈钢制成。
在对蓄能单元进行充电或放电时，由于在电芯的内部的电化学反应会释放热量。根据运行条件，这里可能必要的是，导出在电芯内部形成的热量。目前为止，这通过多数在外部配设在壳体的底部或侧壁的区域内的冷却装置来实现。
但由于结构条件，在电芯内部沿着层的热流明显大于穿过一个或者特别是多个层的热流。由此，在垂直地竖放在壳体中的电芯中，朝向底部和盖子方向的热流明显大于朝向壳体周壁方向的热流。这限制了通过配设给侧壁的冷却装置进行散热的可能性。
发明内容
本发明的目的是，改进所述电化学的蓄能单元，使得实现改进的散热。
所述目的利用权利要求1的特征来实现。有利的设计方案参见从属权利要求。
为了实现所述目的，根据本发明的电化学的蓄能单元包括至少一个电芯，所述电芯容纳在壳体中，所述壳体在至少一个端侧上用盖子封闭，所述盖子构成壳体的一部分，其中，在所述电芯与壳体之间设置至少一个绝缘元件，所述至少一个绝缘元件由电绝缘的且能导热的材料构成。因此，在本发明中，术语“绝缘元件”的组成部分“绝缘”仅是指电绝缘。
绝缘元件的电绝缘特性防止在电芯的部件与壳体之间发生电短路。例如，给壳体组成部分盖子多数配设一个电极部段，所述电极部段与电芯的放电导体连接。就此而言，绝缘元件使得，仅通过放电导体在盖子、或者说盖子的电极部段与电芯之间建立导电的连接。此外，所述绝缘元件还防止在电芯的各层之间发生电短路。
通过将绝缘元件设计成能导热的，电芯中形成的热量可以朝绝缘元件的方向传输并且通过绝缘元件朝盖子、壳体的配设给绝缘元件的侧壁或底部的方向传导。通过在外部设置在蓄能单元的相应区域中的冷却装置可以导出通过绝缘元件输送的热量。由于在电芯的内部中的热流沿轴向方向明显大于沿径向方向的热流，所述绝缘元件可以吸收并传导较大的热量。这使得能够对电芯进行有效的冷却。
对于圆形电池，由于圆形电池的形状，电芯多数是立式设置的。所述电极部段这里可以设计成，使得两个电极部段和其接线端指向一个方向，例如指向盖子的方向。也可以设想的是，两个电极部段指向两个相反的方向，一个电极部段指向盖子的方向，还有一个电极方向指向底部的方向。在棱柱形电池中，电芯同样可以立式地设置在壳体中。在这种情况下，尤其是对于较大棱柱形电池，两个电极部段多数指向盖子的方向。这里，也可以在壳体中设置多个平行的电芯。备选地，所述电芯也可以横向地设置在壳体中。在这种情况下，放电导体朝壳体的侧壁方向伸出并且在壳体的内部朝设置在盖子中的电极部段转向。
优选所述绝缘元件构造成，使得电芯与壳体、特别是电芯与盖子之间的空间被填充。这里，所述绝缘元件既与电芯的端侧接触，也与盖子的内侧和壳体的侧壁接触。通过这些部件的直接接触，在电芯和壳体或者说盖子之间实现了不受阻碍的热流。
优选所述绝缘元件具有至少0.5W/(m·K)的导热率。特别优选的是，所述导热率至少为1W/(m·K)。具有这样的导热率的绝缘元件使得可以对电芯进行有效的调温或者说可以对在电芯中产生的热量进行有效的散热。
此外，在外部温度较低时，也可以设想的是，通过在外部设置在蓄能单元上的热源经由绝缘元件将热量输入到电芯中，以便实现将电芯调温到容量最佳的范围。加热特别是对于一些类型的蓄能单元是重要的，这些类型在温度较高时才具有其完整的工作能力。例如对于固态电池就是这种情况。这里，为了使得固体电解质具有改进的离子电导性，多数情况需要提高的温度。
除了电芯内部和电芯外部之间的调温，根据本发明的绝缘元件还有助于在电芯本身中实现温度均匀化。这样，例如与电芯外部的温度相比，可以更好地使电芯内部的温度均衡。由此，可以避免这两个区域出现不同的老化。
所述绝缘元件优选由可膨胀的材料构成。目前为止，对于密封元件通常这样进行材料选择，即，考虑到要密封的介质，在密封元件中尽可能不发生的膨胀。
但在这个实施形式中，出人意料地已经证实有利的是，绝缘元件在定位在壳体中之后并且特别是在与包围电芯的电解质接触之后发生确定的膨胀。通过这个膨胀过程可以实现的是，使得绝缘元件填充电芯、盖子和壳体的侧壁之间的空间。由此，实现了绝缘元件与邻接的部件直接和紧邻的接触并且改进了热传递流。
所述绝缘元件可以由弹性体材料构成。由弹性体材料制成的绝缘元件可以与邻接的部件的外形相适配并且由此实现了最佳地填充可用的空间。
所述绝缘元件可以由硅基的弹性体构成。有利的硅基的弹性体例如是硅橡胶(VMQ)或硫化的硅橡胶(F-VMQ)。硅基的弹性体一方面是弹性材料，并且使得可以制造柔性的绝缘元件。另一方面，硅材料在与电化学蓄能单元的多种电解质、例如与锂离子蓄电池的电解质接触时发生膨胀。通过硅基的弹性体与和电芯一起处于壳体中的并且包围电芯的电解质接触，绝缘元件发生膨胀并且其体积变大。由此，绝缘元件可以完全填满盖子、电芯和壳体侧壁之间的空间并且确保实现形锁合。
所述电芯可以由基于聚烯烃的弹性体构成。一种特别优选的基于聚烯烃的弹性体这里是丁基橡胶(IIR)。IIR特别是相对于所述电解质是化学稳定的。此外，IIR可以设计成，在与电解质和类似物接触时减少干扰物质、例如软化剂的释放。另一种基于聚烯烃的弹性体是三元乙丙橡胶(EPDM)。EPDM相对于电解质同样是化学稳定的。
原理上有利的是，绝缘元件由聚合物材料构成。作为另外的材料，必要时也可以考虑使用基于氟橡胶(FKM)、丙烷酸酯橡胶(ACM)的材料。原理上也可以设想使用热塑性弹性体，例如基于聚烯烃、聚酰胺或聚酯的弹性体。
此外，所述绝缘元件在膨胀过程结束之后有预紧地贴靠在邻接的部件上，这改进了电芯、绝缘元件和盖子或壳体周面之间的导热性。
当绝缘元件配备有能导热的颗粒时，可以改善绝缘元件的导热性。这里，作为能导热的颗粒优选考虑采用不导电的矿物颗粒。这种能导热的颗粒由氧化铝(Al2O3)、水合氧化铝(AlOOH)、氢氧化铝(Al(OH)3)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、氧化镁(MgO)、氮化铝(AlN)或氮化硼(BN)。也可以设想采用其他非贵金属的氧化物、氢氧化物或氮化物。
虽然金属氢氧化物或水合氧化物形式的能导热的颗粒通常与氧化物相比会导致较低的导热性，但使用这种化合物是有利的，因为这种化合物在超过确定的温度时在吸收热量的情况下会吸热地分解，此时会吸收很多能量并且释放出水。这里，可以实现大于1kJ/g材料的吸收热量。这种反应可能有助于实现缓存热量并且防止所述单元被热击穿。此外，可以降低热能有害地传输到相邻单元的风险。
壳体可以具有底部，在底部和电芯之间设置另一个绝缘元件。由此可以进一步改进对蓄能单元的调温。在这个设计方案中，电芯夹层式地设置在两个导热的绝缘元件之间。通过各所述绝缘元件传输的热量的散热这里在电芯、绝缘元件和壳体壁之间进行。
根据另一个有利的设计方案，所述绝缘元件可以包围电芯。这里，绝缘元件设置在侧壁和电芯之间，在圆形电池中，所述侧壁是圆柱形的壁部。由此，在侧向冷却蓄能单元时，可以改进电芯和壳体壁之间的传热。
所述绝缘元件可以设有蓄热的颗粒。特别是在快速充电过程中，在特别短的时间内出现很多热量。蓄热的颗粒在这种情况下可以吸收并存储通过电芯引入绝缘元件中的热量的一部分。由此，可以使绝缘元件和壳体或者说壳体的盖子、底部和侧壁之间的热流均匀化。这里例如可以设想采用相变材料，所述相变材料选择成，使得所述材料在蓄能单元较高的运行温度范围内具有相过渡。在所述相过渡期间，相变材料吸收热能，而不会导致蓄能单元中的温度升高。
绝缘元件这里起到热缓冲器的作用，并且部分地吸收在快速充电过程中发出的热量并接着逐渐地向蓄能单元的壳体释放所述热量。由此可以减少出现温度峰值的情况。
特别是当蓄热的颗粒构造成相变材料时，则能得到热存储的这种有利的作用。相变材料形式的有利的蓄热颗粒例如以是以封装形式存在的蜡或者是有机盐或无机盐。构造成相变材料的蓄热颗粒这里优选具有在30℃至50℃的范围内的、优选为40℃的相变温度。
原理上，所述绝缘元件是独立的构件。备选地也可以设想的是，所述绝缘元件的材料在制造蓄能单元期间直接施加到壳体表面上。这例如可以以硫化或注塑的方式进行。由此实现了由绝缘元件和壳体组成的热复合体。
此外也可以设想由可压缩的结构组成的绝缘元件。这种绝缘元件例如可以是无纺织物，在其基质中容纳陶瓷颗粒。
附图说明
下面参考附图详细说明电化学的蓄能单元的几个实施形式。这里分别示意性地：
图1用剖视图示出具有一个绝缘元件的蓄能单元；
图2用剖视图示出具有两个绝缘元件的蓄能单元；
图3示出棱柱形单元形式的蓄能单元的第一实施形式；
图4示出棱柱形单元形式的蓄能单元的第二实施形式；
图5示出棱柱形单元形式的蓄能单元的第三实施形式；
图6用细部图示出电芯和绝缘元件之间的接触区域；
图7根据第二实施例用细部图示出电芯和绝缘元件之间的接触区域；
图8用细部图示出蓄能单元的盖区域；
图9用细部图示出带有杆状的中间件的绝缘元件；
图10示出带有杆状的中间件的由固体材料制成的绝缘元件
图11示出具有多个蓄能单元的电池系统。
具体实施方式
图1和2示出圆形电池形式的电化学的蓄能单元1。图3至5示出棱柱形电池形式的电化学的蓄能单元1。
在前面所述的实施例中，蓄能单元1包括电芯2，所述电芯容纳在壳体3中。如果蓄能单元1构造成锂离子蓄电池，电芯2包括两个导电体，就是说阳极15和阴极17，以及包括两个隔膜16、18，导电体15、17通过隔膜16、18相互分离。在导电体15、17上施加有效材料并且两个通过隔膜16、18分离的导电体15、17卷绕成圆形的结构体，即电芯2。
壳体3由金属材料制成并且在根据图1和图2的实施形式中是圆柱形的，而在根据图3的实施形式中构造成方体形的。在端侧上，所述壳体3具有与侧壁14材料统一和一体地构成的底部13。在与底部13相对置的端侧4上，所述壳体3通过盖子5封闭。
所述盖子5具有固定部段6，用于将盖子5固定在壳体3上。此外，所述盖子5具有电极部段7，用于与电芯2的放电导体8接触。电芯2的第二放电导体8'配设给壳体3的底部13。
所述盖子5具有固定部段6，用于将盖子5固定在壳体3上。所述固定部段6和电极部段7通过补偿元件9相互连接。所述补偿元件9构造成弹性的和电绝缘的。在当前实施形式中，补偿元件9由弹性体材料制成。
在根据图1的实施形式中，在电芯2和盖子5之间设置绝缘元件11。所述绝缘元件11由绝缘的并且能导热的材料制成。绝缘元件11的基本材料在当前实施形式中是硅橡胶，硅橡胶构造成具有由金属氢氧化物、在当前情况下由氢氧化铝构成的能导热的颗粒。通过这种实施形式，绝缘元件11具有1.5W/(m·K)的导热率。以当前可供使用的材料为基础，绝缘元件能达到10W/(m·K)的导热率，可以设想达到75W/(m·K)的导热率。备选地，绝缘元件11的基本材料由IIR构成。
为了拦截在快速充电过程中出现的温度峰值，绝缘元件11此外还设有颗粒状的相变材料。所述相变材料在当前情况下由无机盐构成。在一个备选的设计方案中，绝缘元件11设有基于有机蜡的封装的相变材料。
特别是与锂离子蓄电池的电芯2相结合，包围电芯2的电解质与绝缘元件11的硅弹性体的相互作用使得硅弹性体膨胀。这里，绝缘元件11整面地贴合在电芯2上、盖子5的内侧上和壳体3的侧壁上。由此确保了，所述绝缘元件11与电芯2、盖子5和壳体3接触。由此，确保实现电芯2、绝缘元件11和盖子5或壳体3之间的热流。所述电芯2直接设置在壳体3的底部13上。
图2示出根据图1的蓄能单元1的一个实施形式，这里，在电芯2和底部13之间设置另一个绝缘元件11'。所述另一个绝缘元件11'也如同设置在电芯2和盖子5之间的绝缘元件11那样构成。放电导体8通过两个绝缘元件11、11'伸出，以便使电芯2与盖子5和底部13的电极部段7、7‘接通。
在俯视图中观察，盖子5构造成圆形的。电极部段7设置在中央并居中地设置在盖子5中并且由补偿元件9包围。所述补偿元件9形锁合和材料锁合地连接在电极部段7上。固定部段6具有盘状的部段，补偿元件9和电极部段7设置在所述盘状部段的开口中。补偿元件9材料锁合地固定在固定部段6的开口的边缘的区域中。固定部段6此外还具有圆柱形的部段，这个圆柱形的部段支承在壳体3端侧的边缘上。在两个相互接触的边缘的区域中，盖子5和壳体3材料锁合地通过电磁脉冲成型相互连接。
图3示出棱柱形电池形式的电化学的蓄能单元1的第一备选实施形式。在这个实施形式中，两个电极部段7、7'设置在盖子5中。第一绝缘元件11'设置在电芯2和底部13之间。这两个电极部段7、7'通过补偿元件9、9'与盖子5的固定部段6连接。补偿元件9、9'构造成弹性的并且是电绝缘的，从而两个电极部段7、7'相互电绝缘。
图4示出棱柱形电池形式的电化学的蓄能单元1的第一备选实施形式。在这个实施形式中，两个电极部段7、7'设置在盖子5中。第一绝缘元件11设置在电芯2和盖子5之间，而另一个绝缘元件11'设置在电芯2和底部13之间。这两个电极部段7、7'通过补偿元件9、9'与盖子5的固定部段6连接。补偿元件9、9'构造成弹性的并且是电绝缘的，从而两个电极部段7、7'相互电绝缘。
图5示出棱柱形电池形式的电化学的蓄能单元1的第一备选实施形式。在这个实施形式中，两个电极部段7、7'设置在盖子5中。第一绝缘元件11设置在电芯2和盖子5之间，第二绝缘元件11'设置在电芯2和底部13之间，而第三绝缘元件11”设置在电芯2与壳体的侧壁14之间。这两个电极部段7、7'通过补偿元件9、9'与盖子5的固定部段6连接。补偿元件9、9'构造成弹性的并且是电绝缘的，从而两个电极部段7、7'相互电绝缘。
图6用细节图示出电芯2与绝缘元件11之间的接触区域。电芯2包括由面式构成的阳极15、面式构成的第一隔膜16、面式构成的阴极17和面式构成的第二隔膜18组成的螺旋状卷绕的布置形式。这些面式构成的组成部分螺旋状地卷绕成电芯2。由于材料选择，这里至少所述隔膜16、18具有较差的导热性。就此而言，横向于隔膜16、18的导热性明显更差。在上面示出的实施形式中，绝缘元件11直接在安装之后仅在端侧贴合在隔膜16、18上。通过与包围电芯2的电解质接触，绝缘元件11的材料发生膨胀，从而如下面的图示所示，绝缘元件最终在端侧与阳极15、两个隔膜16、18和阴极17接触。这里特别有利的是，由阳极15和阴极17发出的热量可以由绝缘元件11吸收和导出。
图7示出根据图4的电芯2的一个备选实施形式。在当前实施形式中，阳极15在端侧突出于第一隔膜16。这种实施形式实现了更好的空间利用并且由此提高了蓄能器1的容量。但这仅是由于以下事实才是可能的，即，绝缘元件11在端侧包围阳极5并且由此防止了，例如由于形成枝晶而在阳极15和阴极17之间发生短路。通过与包围电芯2的电解质接触，绝缘元件11的材料发生膨胀，从而所述材料如在下面的图示中示出的那样最终在端侧与阳极15、两个隔膜16、18和阴极17接触。这里特别有利的是，由阳极15和阴极17发出的热量可以由绝缘元件11吸收和导出。在当前实施形式中，阳极15在端侧穿过绝缘元件11埋入。由此，通过这个实施形式，能导热的阳极15与绝缘元件11发生直接的热接触。
图8示出绝缘元件11的一个备选实施形式。这里，放电导体8集成到绝缘元件11中。根据一个有利的实施形式，放电导体8构造成金属的内置件，绝缘元件11的弹性体材料注塑在所述内置件上。但也可以设想的是，绝缘元件11由不同材料的复合体构成，此时，构成放电导体8的区域包括导电的聚合物。
图9示出绝缘元件11，所述绝缘元件具有基部19和杆状的突起12。这里突起12构成电芯2的芯部并且简化了电芯2的制造。此外，突起12改善了从电芯2的芯部向壳体3的与绝缘元件11邻接的各部件的热传输。在圆形电池形式的蓄能单元1中，突起12优选是旋转对称的，在棱柱形电池形式的蓄能单元1中，突起12优选是轴对称的。
图10示出根据图7的绝缘元件11的一个改进方案，在上面的实施形式中，突起12的材料与绝缘元件11的基部19不同。在下面的设计方案中，突起12具有由不同的材料、优选强度更高的材料制成的芯部，所述芯部由基部19的弹性体材料包围。
图11示出具有多个根据前面所述实施形式的蓄能单元1的电池系统20。所述蓄能单元1设置在用于对蓄能单元1进行调温的装置21上。这里，蓄能单元1平放或立式地设置在所述装置21上。在当前实施形式中，所述装置21是调温液体流动通过的通道。这里，所述通道由固体材料制成，所述材料由塑料或金属组成。在通道与蓄能单元1之间设置由弹性材料制成的热传输元件22。由此实现了电芯2、绝缘元件11、壳体3、热传输元件22以及带有通道和调温液体的装置21之间良好的热传输。

Claims (13)

1.电化学的蓄能单元(1)，包括至少一个电芯(2)，所述电芯容纳在壳体(3)中，所述壳体(3)在至少一个端侧(4)上用盖子(5)封闭，所述盖子(5)构成壳体(3)的一部分，其特征在于，在所述电芯(2)与壳体(3)之间设置至少一个绝缘元件(11)，所述至少一个绝缘元件(11)由电绝缘的且能导热的材料构成。
2.根据权利要求1所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)具有至少为0.5W/(m·K)的导热率。
3.根据权利要求1或2所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)由能膨胀的材料构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)由聚合物材料构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)由弹性体材料构成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)由硅基的弹性体构成。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)由基于聚烯烃的弹性体构成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)配备有能导热的颗粒。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述壳体(3)具有底部(13)，在所述底部(13)与电芯(2)之间设置绝缘元件(11)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电化学的蓄能单元，其特征在于，所述绝缘元件(11)设有蓄热的颗粒。
11.根据权利要求10所述的电化学蓄能单元，其特征在于，所述蓄热的颗粒构造成相变材料。
12.电池系统(20)，包括由多个根据上述权利要求中的任一项所述的电化学的蓄能单元(1)组成的布置系统。
13.根据权利要求12所述的电池系统(20)，其特征在于，所述蓄能单元(1)配设有用于对所述蓄能单元(1)进行调温的装置(21)。
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