CN115117497A - 具散热匣体的电池模块及其电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具散热匣体的电池模块及其电池系统，其利用散热匣体设置于单一轴向堆栈的电池单元之间，散热匣体利用片状承载部体与电池单元的片状集电层以大面积直接接触的方式，配合片状承载部两侧延伸的翼部来与金属壳的内侧壁面直接接触，以提供电池芯大面积的散热路径，大幅提高电池芯的效能与稳定性。

Description

具散热匣体的电池模块及其电池系统

技术领域

本发明是关于一种电池芯，尤指一种于单一轴向堆栈的电池单元间增设有散热匣体的电池模块及其电池系统。

背景技术

近年来随着各种便携式电子产品/电动汽车/储能电站等领域的快速发展，延伸出对能量储存密度较高与兼具环境保护的储能装置的高度要求，而离子二次电池成为首选，进而发展出如锂离子二次电池、镁离子二次电池、钠离子二次电池等各种二次电池。实务上，最常见者为将电池单元采用并联的方式来构成电池芯，以达到足够的容量来应用于各种装置。

现有电池芯的散热方式，于电池芯下方采用额外设置导热用金属板/块、或使用内部可流通过液体或气体金属流道，以去除电池芯在充放电期间产生的热量。然而，在结构中设置金属板或金属流道必须于电池芯外部另行接合将热导出的部件(如连接管、冷却板/管等)，此将会使整体电池的机构增加，且所增加的部件的接合处(譬如焊接点等)可能降低电池芯的冷却效果，并且使电池组装上工序繁复。

此外，传统上电池模块的散热方式是采用在电池模块外加一冷却系统或冷却板，如此一来，电池模块的整体体积将会增加，且难以均匀冷却电池模块，相同地，电池组装的工序也会变得更加繁复。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具散热匣体的电池模块及其电池系统，利用散热匣体以大面积直接接触的方式来直接接触于电池单元的片状集电层，以提供电池芯大面积的散热路径。

本发明的另一目的在于提供一种具散热匣体的电池模块及其电池系统，相邻两个电池模块的接合部以上下错位方式堆栈，由此降低电池系统的整体体积。

本发明提出一种具散热匣体的电池模块，其包含有电池芯、金属壳以及至少一个散热匣体所构成，电池芯由多个电池单元单一轴向堆栈而成，每一个电池单元为完整且独立的模块，其包含有两个片状集电层、以及设置于其中的电化学系统；散热匣体具有片状承载部以及由片状承载部边缘延伸的至少一个翼部，片状承载部设置于任二个电池单元之间，并直接接触设置于此二个电池单元具相同极性的片状集电层，且翼部接触于金属壳的内侧壁面，以提供电池芯大面积的散热路径，大幅提高电池芯的效能与稳定性。

另一方面，本发明提出一种电池系统，其通过多个前述具散热匣体的电池模块所构成，其中金属壳的上盖与下盖形成向外突出的接合部，且相邻的电池模块的接合部相互错位设置，由此降低电池系统的整体体积；接合部形成的间隙处可设置为热流道，使得电池系统无须额外设置散热系统，进一步再减少电池结构整体体积。

底下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1A、图1B为本发明具散热匣体的电池模块的示意图。

图2A为本发明具散热匣体的电池模块的电池单元的示意图。

图2B为本发明具散热匣体的电池模块的电池单元的另一实施例示意图。

图2C为本发明具散热匣体的电池模块的电池单元的分解示意图。

图3A、图3B为本发明散热匣体的示意图。

图4A、图4B为本发明具散热匣体的电池模块的另一实施例示意图。

图5A、图5B为本发明具散热匣体的电池模块的另一实施例示意图。

图6A、图6B为本发明具散热匣体的电池模块的另一实施例示意图。

图7为本发明具散热匣体的电池模块应用的电池系统的示意图。

附图标记

1 电池模块

11 电池芯

20 电池单元

201 电化学系统

21 隔离层

22、23 活性材料层

24、25 片状集电层

26 框胶

261 改质硅胶层

262 改质硅胶层

263 硅胶层

30 金属壳

301 接合部

31 上盖

32 下盖

33 绝缘片

40 散热匣体

401 绝缘层

41 片状承载部

42 翼部

51 连接端子

71 热流道

具体实施方式

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易明确的了解，后续将以实施例并参照所述图式进行详述与讨论。需声明的是该些实施例仅为本发明代表性的实施例，并不以此局限本发明的实施态样与权利要求仅能局限于该些实施例态样。提供该些实施例的目的仅是让本发明的公开内容更加透彻与易于了解。

在本发明公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非在限制本发明所公开的各种实施例。除非有清楚的另外指示，所使用的单数形式也包含复数形式。除非另有限定，否则在本说明书中使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)具有与本发明公开的各种实施例所属领域技术人员通常理解的涵义相同的涵义。上述术语(诸如在一般使用辞典中限定的术语)将被解释为具有与在相同技术领域中的语境涵义相同的涵义，并且将不被解释为具有理想化的涵义或过于正式的涵义，除非在本发明公开的各种实施例中被清楚地限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”等地描述意指结合该实施例描述地具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，除非另有规定或限定，需要说明的是术语“耦接”、“连接”、“设置”应做广义的理解，例如，可以是机械连接或电性连接，也可以是两个组件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间相连，对于本领域技术人员者而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体涵义。

请参阅图1A、图1B，本发明所公开的具散热匣体的电池模块1，其包含有电池芯11、金属壳30以及至少一个散热匣体40所构成，电池芯11通过多个电池单元20以单一轴向堆栈而成，如图中所绘示为垂直(Z轴)的堆栈，其电性连接方式可为串联、并联或是串联并联混合型态，且每一个电池单元20为完整且独立的模块，以下详述之。

请参阅图2A、图2C，本发明采用完整且独立的电池单元20来构成电池芯11，电池单元20包含有两个片状集电层24、25、电化学系统201与框胶26，电化学系统201包含有隔离层21、两个活性材料层22、23、以及含浸/混炼于活性材料层22、23的电解质系统，隔离层21的材料可选自于高分子材料、陶瓷材料或玻璃纤维材料，或者是涂覆有陶瓷粉体的高分子材料或玻璃纤维材料，隔离层21具有微孔洞可供离子通过，微孔洞可为贯通孔或是蚁孔(非直线贯通的态样)的型态，甚至是直接采用多孔性材料来达成，其中陶瓷粉体选自于绝缘材料时，可以是微米级与纳米级或者微米级与纳米级混合的二氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)等材质或是烷基化的陶瓷颗粒所形成。陶瓷材料也可以选自氧化物固态电解质，例如锂镧锆氧(lithium lanthanum zirconium oxide；Li₇La₃Zr₂O₁₂；LLZO)或者磷酸钛铝锂(LATP)等。此外，陶瓷材料也可以是上述绝缘陶瓷材料与氧化物固态电解质所混合而成。当使用陶瓷粉体堆栈组构成上述的隔离层时还可以包含高分子黏着剂，例如聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯－共－三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、压克力酸胶(Acrylic Acid Glue)、环氧树脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)或聚亚酰胺(PI)等。

电解质系统含浸或混炼于活性材料层22、23中，其可为液态、胶态、固态电解液、或是其任意组合的混合电解液；活性材料层22、23与通过中间的隔离层21予以隔离并构成电化学系统201，通过其活性材料成份可将化学能转成电能使用(供电)或将电能转换成化学能储存于系统之中(充电)，而能同时达成离子的导通与迁移，而所产生的电子则可直接由片状集电层24、25向外导出。而片状集电层24、25的材料常见者为铜以及铝，当然亦可是其他镍、锡、银、金等金属或金属合金。

同时，片状集电层24、25配合周缘的框胶26而作为电池单元20的封装组件；框胶26是聚合物材料，只要能够黏固到片状集电层24、25的表面上并且对电解质系统是耐用的即可，并没有特别的限制，热固性树脂是优选。举例来说，胶框26的材质可为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、热塑性聚亚胺、硅氧树脂、压克力树脂、硅胶或紫外线硬化胶，其设置于两个片状集电层24、25的周缘，并圈绕封围于电化学系统201(活性材料层22、23与中间的隔离层21)，同时用以黏着两个片状集电层24、25并将电解质系统封装于两个集电层24、25之间而不会外漏、且不与其他电池单元20的电解质系统相互流通；因此，电池单元20是直接采用片状集电层24、25与框胶26作为封装结构所形成的独立且完整供电的模块。

而为了使框胶26的封装效果更佳，当采用为硅胶材质时，可设计框胶26具有三层的结构，请参阅图2B，上下两层为改质硅胶层261、262而中间为硅胶层263，两侧的改质硅胶层261、262为硅胶通过调整加成型硅胶与缩合型硅胶的组成比例、或是添加添加物来予以改质，使其适合黏接异质性的材料(也就是片状集电层24、25与中间的硅胶层263)，由此设计则可使其接口间的接着力提高，同时，使得整体外观的完整性更高，生产良率亦提高。

接续回到图1A、图1B，金属壳30包含有上盖31与下盖32，上盖31与下盖32间具有一个绝缘片33使其电性绝缘，绝缘片33可为O型环或垫片等绝缘材所构成，可以将电池芯11封装于其内，且上盖31与下盖32各与电池芯11的相异极性端电性连接，以分别形成一正极端与一负极端；如图中所绘示，上盖31上方形成正极端、下盖32的下方形成负极端。散热匣体40插设于任两个电池单元20之间，来提供大面积的散热途径，请参阅图3A，散热匣体40具有片状承载部41以及由片状承载部41边缘延伸的至少一个翼部42，就此图来说，片状承载部41相对的两侧具有翼部42，当然，如图3B所示，也可为四个侧边都具有翼部42，翼部42的数量与形状仅为示意，并非用以限定仅能采用此些数量或是形状。

接续同时参照图1A与图3A，散热匣体40为高导热的金属材质所构成，片状承载部41的面积略大于电池单元20的片状集电层24、25，因此可将电池单元20承托于片状承载部41之上，并且与片状集电层24、25呈现大面积的直接接触；而散热匣体40边缘的翼部42则向垂直方向延伸(就图上来说为向上延伸)，并且与金属壳30(如图中绘示为上盖31)的内侧壁面直接接触，因此，可以将电池芯在充放电期间产生的热量予以导引散热。

再者，就图1A所绘示，因电池芯11是采用电池单元20以垂直方向进行堆栈，因此散热匣体40的片状承载部41的上下两侧都会与电池单元20接触到，且因为散热匣体40也是导电材料，因此，两侧所接触的电池单元20为具相同极性的片状集电层24、25。再者，为了避免翼部42内部与电池单元20的侧面接触而短路，因此于翼部42内侧可设置有绝缘层401来予以隔绝。

就图1A的实施态样而言，散热匣体40设置于正极，也就是位于接触上盖31的内侧壁面的位置，除了散热匣体40上下两侧为以相同极性接触外，其余电池单元20依序正反直接接触进行堆栈，再配合多个连接端子51，将相同极性的片状集电层24、25分别进行导通而形成并联型态的设置；另一方面，请参阅图1B，也可以将散热匣体40设置于负极，其余配置则维持相同，在此不重复赘述。

当然，除了单一个散热匣体40外，也可以于单一极(上盖31或下盖32)上设置有两个散热匣体40，请参阅图4A、图4B，分别于正极(上盖31)与负极(下盖32)设置有两个散热匣体40，而位于同一极性的两组并联的电池单元20，利用散热匣体40至少一侧壁为镂空的型态，而可通过连接端子51予以连接，构成并联型态，譬如请参阅图3A，可利用散热匣体40的右上或是左下的侧面来进行导通，再者，如果为图3B的型态，也可以于翼部42的部分开设有供连接端子51穿过的槽；相同地，就散热匣体40设置的数量与位置来说，可依照实际使用需求来变化。

同样的，除了前述采用相同方向堆栈之外，也可以采用为串联与并联混合的型态，请参阅图5A，可于电池单元20堆栈时采用串联与并联混合的型态，以三个电池单元20为一个群组都具有一个散热匣体40，通过依序正反堆栈并配合连接端子51的设置来构成内部并联，接续再通过三个电池单元群组予以同向堆栈，来构成外部串联的型态，在此需特别说明，此部分所指称的外部与内部的连接，以三个电池单元20所构成的电池单元群组来说，为群组内部与外部的并联与串联，并非指电池芯1(或金属壳30)的内外而言；再者最底下的电池单元群组来说，因为边缘所连接的部分为负极(下盖32)，因此散热匣体40所设置位置与另外两组略有不同；再者，请参阅图5B，则为四组电池单元群组的状态，正极(上盖31)与负极(下盖32)的部分都设置有两个散热匣体40，其连接方式与前述图5A相同，仅为再延伸出一组电池单元群组，其余连接方式均相同，在此不重述赘述。

另一方面，请参阅图6A、图6B，也可将三个电池单元20为一个群组先进行串联，也就是此三个电池单元20以同方向进行堆栈，之后再以此三个电池单元20为一个群组，进行反向堆栈，配合连接端子51来进行群组间的并联。另外，需特别说明，电池芯11的电池单元20堆栈的型态为单一轴向，其堆栈方式并不仅局限于前述图式与说明。

请参阅图7，为本发明利用多个前述电池模块1来构成电池系统，其中金属壳30的上盖31与下盖31间利用绝缘片33使其电性绝缘，并且会形成向外突出的接合部301，利用相邻的电池模块1的接合部301相互错位设置，由此降低电池系统的整体体积，并且提高整体电池系统的单位容电容量密度；除了前述所描述电池模块1内部利用散热匣体40来提供电池芯11大面积的散热路径，电池模块1外部可利用接合部301所形成的间隙处来设置为热流道71，使得电池系统无须额外设置散热系统，进一步再减少电池结构整体体积；相同地，图中仅绘示两个电池模块1，实际使用时可依照需求予以形成更多的水平排列架构。

综上所述，本发明提出一种具散热匣体的电池模块及其电池系统，利用散热匣体以大面积直接接触的方式来直接接触于电池单元的片状集电层，以提供电池芯大面积的散热路径，能有效将电池芯作用所产生的热导出，维持电池芯的最佳效能；且所构成的电池系统中，相邻两个电池模块的接合部以上下错位方式配置，由此降低电池系统的整体体积，且接合部形成的间隙处可设置为热流道，使得电池系统无须额外设置散热系统，进一步再减少电池结构整体体积。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种具散热匣体的电池模块，该具散热匣体的电池模块包含有：

一电池芯，通过多个电池单元以单一轴向堆栈而成，每一该电池单元包含有：

两个片状集电层，相互平行设置，该两个片状集电层做为该电池单元的封装组件；以及

一电化学系统，设置于该两个片状集电层之间，该电化学系统包含有一电解质系统，其中该些电池单元的该电解质系统不会相互接触；

一金属壳，其包含有一上盖与一下盖，该上盖与该下盖间电性绝缘，该金属壳将该电池芯封装于其内，且该上盖与该下盖各与该电池芯的相异极性端电性连接，以分别形成一正极端与一负极端；以及

至少一散热匣体，具有一片状承载部以及由该片状承载部边缘延伸的至少一翼部，该片状承载部设置于其中两个该电池单元之间，并接触设置于该两个电池单元具相同极性的该些片状集电层，且该些翼部接触于该金属壳的内侧壁面。

2.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该散热匣体该翼部内侧设置有一绝缘层，防止该翼部与该电池单元侧面接触。

3.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该金属壳的该上盖与该下盖之间还包含有一绝缘片，防止该上盖与该下盖电性连接。

4.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该散热匣体的该片状承载部略大于该些电池单元的该些片状集电层。

5.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该电解质系统为胶态、液态、固态电解液或其组合。

6.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该些电化学系统的该电解质系统相互不流通，且相邻的该些电化学系统仅具有电荷转移而无进行电化学反应。

7.根据权利要求1所述的具散热匣体的电池模块，其中该电化学系统包含有:

两个活性材料层，分别设置并接触于该两个片状集电层；以及

一隔离层，设置于该两个活性材料层之间；

一框胶，设置于该两个片状集电层之间且圈绕于该电化学系统周围。

8.根据权利要求7所述的具散热匣体的电池模块，其中该框胶包含有一硅胶层以及该硅胶层两侧的二个改质硅胶层。

9.一种电池系统，该电池系统包含多个根据权利要求1电池模块所构成，其中该金属壳的该上盖与该下盖形成一向外突出的接合部，且相邻的该些电池模块的该接合部相互错位设置。

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