CN115117522A - 软包式电池模块及其电能供应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种软包式电池模块及其电能供应器，其利用独立且完整的电池单元相互接触连接来构成串联、并联或是串并联混合的电池芯，再通过可塑金属膜外封装壳体来予以封装，因电池单元之间仅有电荷转移而无进行电化学反应，因此可配合可塑金属膜外封装壳体的壳体的内导电区域，来与电池芯的电能输出端直接接触构成电性连接，避免现有技术需要额外拉线导通所衍生的问题，使电池芯的电流路径最大化。

Description

软包式电池模块及其电能供应器

技术领域

本发明涉及一种电池模块，尤指一种利用完整且独立封装的电池单元堆 栈构成电池芯，并利用可塑金属膜外封装壳体予以封装的软包式电池模块及 其电能供应器。

背景技术

铝塑膜为软包电池封装的关键所在，因其具有质量轻、厚度薄、外型设 计灵活等优势，因此使得铝塑膜软包电池在各种领域应用上逐渐获得广泛的 应用。就组成来说，铝塑膜依序由最外层的尼龙层、中间的铝箔层、以及最 内侧的热封内层所构成，通过此铝塑膜来将电池芯封装于其内来形成软包电 池。

一般说来，铝塑膜需要具备有非常好的阻绝与热封性能，来隔绝外界的 水气与氧气渗入内部的电池芯，对内而言得具有耐电解液或是有机溶剂等强 酸的抗性，避免受到内部电解液或有机溶剂侵蚀而减损或破坏其阻绝性。

因此，内部的电池芯则仅能利用铝塑膜的间隙才能拉线来导引，譬如中 国专利CN109860445A、CN110416442所载，其所揭露的铝塑膜钮扣电池利用正 /负极耳一端连接正/负极片，并将正/负极耳另一端由铝塑膜外壳上下层贴合 的缝隙引出。但这样的方式并无法使电流路径最大化，传输损耗较大，且因 为电阻值较高，也较易于产生热，严重影响电池芯的稳定性。

有鉴于此，本发明针对上述缺失，提出一种崭新的软包式电池模块及其 电能供应器。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种软包式电池模块及其电能供应器，利用完 整且独立模块的电池单元堆栈成电池芯，配合可塑金属膜外封装壳体的盖体 的内、外导电区域与电池芯两端的集电层构成电性连接，使得电池芯的电流 路径最大化。

本发明提出一种软包式电池模块，其包含有电池芯以及可塑金属膜外封 装壳体，电池芯由多个电池单元相互堆栈形成串联、并联、或是串联并联混 合的型态所构成，且每一电池单元具有独立封装结构，以使此些电池单元间 仅具有电荷转移而无进行电化学反应；而可塑金属膜外封装壳体通过两个盖 体所组成，每一盖体具有内表面与外表面，内表面具有内导电区域，外表面 具有外导电区域，内导电区域与外导电区域电性连接，两个盖体以内表面相 对而通过黏着层相互黏着接合，来供电池芯设置于其中，且电池芯的两个电能输出端可分别与盖体的内导电区域直接接触，并通过盖体的外导电区域来 将电力向外导引，进而使电池芯的电流路径最大化。

另一方面，电池芯与可塑金属膜外封装壳体之间可充填有阻燃剂，来提 升电池装置的安全性。

再者，本发明提出一种电能供应器，其包含有具有第一图案化金属层的 第一绝缘层以及具有第二图案化金属层的第二绝缘层来相对设置，且前述软 包式电池模块以至少一个软包式电池模块为一个纵向群组，以形成多个纵向 群组，此些纵向群组以横向延伸的型态设置于第一绝缘层与第二绝缘层之间， 并且软包式电池模块通过电能输出端与第一图案化金属层与第二图案化金属 层直接接触而在横向上电性连接。

附图说明

图1A为本发明软包式电池模块的电池单元的示意图。

图1B为本发明软包式电池模块的电池单元的另一实施例示意图。

图1C为本发明软包式电池模块的电池单元的分解示意图。

图2A为本发明软包式电池模块的串联型态示意图。

图2B-图2E为本发明软包式电池模块的不同封装架构示意图。

图3A、图3B为本发明软包式电池模块的可塑金属膜外封装壳体的盖体的 示意图。

图4为本发明软包式电池模块的并联型态示意图。

图5为本发明软包式电池模块的串联并联混合型态示意图。

图6A、图6B为本发明软包式电池模块的电池芯结合导电散热柄的示意图。

图7A、图7B为本发明利用软包式电池模块构成电能供应器的示意图。

附图标记

20 电池单元

201 电化学系统

21 隔离层

22、23 活性材料层

24、25 集电层

26 胶框

261 改质硅胶层

262 改质硅胶层

263 硅胶层

30 可塑金属膜外封装壳体

31 盖体

311 内表面

312 外表面

313 内导电区域

314 内绝缘区域

315 内绝缘层

316 外导电区域

317 外绝缘层

33 黏着层

34 绝缘阻水层

40 电池芯

41 正极导电散热柄

411 本体

412 延伸部

42 负极导电散热柄

421 本体

422 延伸部

50 绝缘片

60 软包式电池模块

71 第一绝缘层

711 第一图案化金属层

72 第二绝缘层

721 第二图案化金属层

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请求范畴仅能局限于该些 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，亦 可以是两个组件内部的连通，可以是直接相连，亦可以通过中间媒介间相连， 对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体涵义。

本发明软包式电池模块的电池芯采用完整且独立的电池单元20进行堆栈 并搭配一可塑金属膜外封装壳体进行封装成为类钮扣电池模块，因此首先针 对电池单元20的部分来予以说明，请参阅图1A、图1C，本发明的电池单元20 包含有两个集电层24、25、电化学系统201与胶框26，电化学系统201包含有 隔离层21、两个活性材料层22、23、以及含浸或混炼于其中的电解质系统。 隔离层21的材料可选自于高分子材料或玻璃纤维材料所形成的多孔性层状 物，或者是由陶瓷颗粒材料所堆栈或烧结形成具有微孔洞可供离子通过的陶瓷隔离层，此处的微孔洞可为贯通孔或是蚁孔(非直线贯通的态样)的型态。 隔离层21也可选自于多孔性层状物表面上具有陶瓷颗粒强化层的类型，或者 是由陶瓷颗粒与具有离子传导性高分子混合而成的隔离膜类型。上述的陶瓷 粉体材料可以是微米级或纳米级或是两种差异较大的尺度混合，例如微米级 与纳米级混合，而材料种类可以选自于绝缘的二氧化钛(TiO₂)、三氧化二 铝(Al₂O₃)、二氧化矽(SiO₂)等材质或是烷基化的陶瓷颗粒所形成，或者 也可以选自氧化物固态电解质，例如锂镧锆氧(lithium lanthanum zirconiumoxide；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。上述由陶瓷颗粒堆 栈所形成的隔离层21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。上述的可塑金属膜材质可以为铝。

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集电层24、25向外导 出。而集电层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。

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)， 同时与两个集电层24、25黏着并将电解质系统封装于两个集电层24、25之间 而不会外漏，并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是直接采用集电层24、25与胶框26作为封装结构所形成的独立且完整 供电的模块。

而为了使胶框26的封装效果更佳，当采用为硅胶材质时，可设计胶框26 具有三层的结构，请参阅图1B，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 就是集电层24、25)，通过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。

本发明通过前述的电池单元20进行堆栈后，再利用可塑金属膜外封装壳 体30来进行封装，形成软包式电池模块60(类钮扣电池)，请参阅图2A至图2E， 多个电池单元20为同方向进行堆栈，换句话说，相同极性的集电层24皆朝上 设置，使得下方的集电层25会与相邻的电池单元20的集电层24直接接触，因 而依序电性相接而构成串联型态的电池芯40来进行封装，因此，会于最上层 的集电层24与最下层的集电层25形成此电池芯40的两个电能输出端。而本发 明的每一个电池单元20都具有独立封装结构，以使相邻的电池单元20间仅具 有电荷转移而无进行电化学反应；就譬如图1A至图1C中所绘示，电池单元20 的封装结构即为两个集电层24、25与胶框26。

接续，针对可塑金属膜外封装壳体30的各种架构型态进行解释与说明。 可塑金属膜外封装壳体30其由两个盖体31所组成，请同时参阅图2A、图3A、 图3B，盖体31由一可塑性金属本体层所构成，可塑性金属本体层包含有内表 面311与外表面312，内表面311具有内导电区域313与内绝缘区域314，内绝缘 区域314由在内表面311涂覆一内绝缘层315所形成；外表面312具有外导电区 域316与外绝缘区域，外绝缘区域由在外表面312涂覆一外绝缘层317所形成。 内导电区域313与外导电区域316是电性连通，内绝缘层315的存在能够使电池 芯40侧面能够绝缘以避免与可塑金属本体层接触，造成短路。接续同时参照 图2A，两个盖体31以内表面311相对设置且通过一黏着层33接着于内绝缘区域 314的部分表面(于此将该部分表面定义为内黏着区域)，来使两个盖体31相互 黏着接合，而形成腔体来供电池芯40设置。电池芯40的两个电能输出端(也 就是两端最上层的集电层24与最下层的集电层25)分别与盖体31的内导电区 域313直接接触来构成电性连接，然后再通过盖体31外表面312的外导电区域 316来将电力向外导引。

在黏合方式上，黏着层33可延伸至内表面311的几乎全部的内绝缘区域 314，如图2B；结合后再配合边缘的绝缘阻水层34来完成整个封装结构。

另一方面，也可直接在内绝缘区域314上形成黏着层33来相互接触接合， 而构成如图2C所绘示的上、下双层的黏着层33型态。另外，如图2D所示，因 为黏着层33具绝缘性，因此也可以采直接在内表面涂覆上黏着层33来界定出 内绝缘区域314，而无须内绝缘层315涂覆的施作步骤。

黏着层33的材质可为聚乙烯或聚丙烯所组成，亦可为与电池单元20的胶 框26为相同的材料，其主要目的除了黏合两个盖体31外，同时也兼具有阻水 与绝缘的效果。另外，如考虑黏着层33已经具有足够的阻水与绝缘的效果， 亦可将边缘的绝缘阻水层34予以省略(见图2E)。

接续请参阅图4，为并联型态的封装，多个电池单元20为反方向进行堆栈， 换句话说，相同极性的集电层24、25依序相互接触，再配合极耳或是导电柄 等来将相同极性的所有集电层24、25予以连接，而构成并联型态的电池芯40 来进行封装。其他封装与电性接触部分，则与前述实施例相同，在此不重复 赘述。

如为串联、并联混合型态，请参阅图5，串联并联型态可依据实际使用需 求，譬如电容量、电压大小等来加以调整，在此仅配合图式来说明，依据图 中显示，电池单元20以三个为一组先进行并联，并联方式与前述图3A、图3B 相同，然后再通过三个并联的组来进行串联，相同地，串联方式与前述图2A 至图2E态样相同，因而能构成串联、并联的混合型态。

且前述的可塑金属膜外封装壳体30内，也就是可塑金属膜外封装壳体30 与电池芯40之间充填有阻燃剂，来提升电池装置的安全性。

另一方面，为了提高散热效果，电池芯40可还包含有散热导电柄，请参 阅图6A、图6B，包含有正极导电散热柄41与负极导电散热柄42，正极导电散 热柄41包含有片状本体411与多个片状延伸部412、负极导电散热柄42包含有 片状本体421与多个片状延伸部422，正极导电散热柄41的片状延伸部412接触 正极端的集电层24表面，负极导电散热柄42的片状延伸部422接触负极端的集 电层25表面。

就此实施态样而言，电池芯40的电池单元20为同方向进行堆栈，换句话 说，相同极性的集电层24皆朝上设置，并与皆与正极导电散热柄41的延伸部 412直接接触来进行电性连接；相同的，另外一个极性的集电层25皆朝下并与 负极导电散热柄42的延伸部422直接接触来进行电性连接，也就是会呈现正极 导电散热柄41的延伸部412与负极导电散热柄42的延伸部422交错配置的型 态，来构成并联的连接态样，因此，正极导电散热柄41与负极导电散热柄42 皆为导电材料所构成。此时，为了避免位于中间的正极导电散热柄41的延伸部412与负极导电散热柄42的延伸部422接触而形成短路，因此，可于两者之 间增设有绝缘片50来加以隔绝；通过此大面积的接触方式，能有效将电池芯 40作用所产生的热导出，维持电池芯40的最佳效能。

实际应用上，为了达到足够的电量与电压，可将前述可塑金属膜外封装 壳体30封装的电池芯40所构成的软包式电池模块60视为一个电池单体，再利 用此单体来进行串联、并联或是串并联混合连接来形成电能供应器，请参阅 图7A，通过前述第5图所揭露的软包式电池模块60结合具有第一图案化金属层 711的第一绝缘层71以及具有第二图案化金属层721的第二绝缘层72来相对设 置，也就是以第一图案化金属层711与第二图案化金属层721相对朝内的方式 来设置，中间再供软包式电池模块60予以配置，通过软包式电池模块60外侧 两端的外导电区域316来与第一图案化金属层711、第二图案化金属层721构成 电性连接。

另外，也可于Z轴(垂直)相互串联后，再进行X轴(水平)方向的延伸 串联，如图7B所示，换句话说，软包式电池模块60以至少一个软包式电池模 块60为一个纵向群组，以形成多个纵向群组，此些纵向群组以横向延伸的型 态设置于第一绝缘层71与第二绝缘层72之间；如前所述，所采用的软包式电 池模块60并不限定仅能采用图5的态样，亦可采用如图2A至图2E、图4或是其 他任意串联、并联型态配置的软包式电池模块60的态样，同样的，软包式电 池模块60的堆栈连接也不仅限定为图7A、图7B的态样，其可任意进行堆栈连 接、或是于任意方向进行延伸，此部分可参阅如本申请人的中国台湾专利 TW107135860、TW107135859、TW109203275等案件来进行3D方向的拓展。

综上所述，本发明提出一种软包式电池模块及其电能供应器，利用独立 且完整模块的电池单元进行串联、并联或是串并联混合予以构成电池芯，并 搭配可塑金属膜外封装壳体进行封装，以构成软包式电池模块。本发明利用 可塑金属膜外封装壳体的盖体的内导电区域与电池芯的电能输出端直接接 触，再配合盖体外露出的外导电区域直接作为导电区使用，因而可省去现有 技术铝塑膜电池需要额外进行拉线导引等方式来进行电力传输，而能达到电 流路径最大化的目的。再者，本发明由软包式电池模块纵向堆栈时直接通过外导电区域进行上下堆栈设置的电池的电性连接，无须额外的拉线导引，能 提高组设过程的效率，以及当单一软包式电池模块失效时进行更换的便利性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明实施的范围。 本领域技术人员可以在发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或 等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。因此本 发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims (13)

1.一种软包式电池模块，该软包式电池模块包含有：

一可塑金属膜外封装壳体，其包含有两个盖体与一黏着层，每一该盖体包含有一内表面与一外表面，该内表面具有一内导电区域，该外表面具有一外导电区域，该内导电区域与该外导电区域电性连接，该黏着层接着该两个盖体的部分为该内表面；以及

一电池芯，设置于该可塑金属膜外封装壳体内，该电池芯由多个电池单元相互堆栈所形成且该电池芯具有两个电能输出端，该些电池单元间为串联、并联或是串联并联混合的型态，每一该电池单元为独立封装结构，以使该些电池单元间仅具有电荷转移而无进行电化学反应；

其中该电池芯的该两个电能输出端分别与该内导电区域电性连接。

2.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中每一该电池单元包含有：

两个集电层，相互平行设置；

一电化学系统，设置于该两个集电层之间，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集电层；以及

一隔离层，设置于该两个活性材料层之间；以及

一胶框，设置于该两个集电层之间且圈绕于该电化学系统周围；

其中该两个集电层与该胶框是该电池单元的封装结构。

3.根据权利要求2所述的软包式电池模块，其中该电池芯两端的该集电层是作为该两个电能输出端。

4.根据权利要求2所述的软包式电池模块，还包含有一正极导电散热柄与一负极导电散热柄，其中该正极导电散热柄与该负极导电散热柄各包含有一片状本体与多个片状延伸部，该正极导电散热柄的该片状延伸部接触正极端的该集电层表面，该负极导电散热柄的该片状延伸部接触负极端的该集电层表面。

5.根据权利要求2所述的软包式电池模块，其中该电化学系统包含有一电解质，该电解质含浸于该些活性材料层，该电解质选自于胶态电解质、液态电解质、聚合物固态电解质、离子液体或其组合，该电池单元彼此间的该电解质相互不流通。

6.根据权利要求2所述的软包式电池模块，其中该些电池单元以该集电层相互直接接触来进行堆栈。

7.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中该可塑金属膜外封装壳体与该电池芯间充填有一阻燃剂。

8.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中该隔离层是由陶瓷粉体与黏着剂所组成。

9.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中该盖体由一可塑性金属本体所构成，该可塑性金属本体的部分内表面涂覆一绝缘层，以形成一内绝缘区域。

10.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中该盖体由一可塑性金属本体所构成，该可塑性金属本体的部分内表面涂覆该黏着层，以形成一内绝缘区域。

11.根据权利要求1所述的软包式电池模块，其中两个该盖体的接合处边缘还设置有一绝缘阻水层。

12.一种使用权利要求1所述的软包式电池模块所组构的电能供应器，其包含有:

一第一绝缘层，其一表面上具有一第一图案化金属层；

一第二绝缘层，其一表面上具有一第二图案化金属层，并以该第二图案化金属层面对于该第一图案化金属层而与该第一绝缘层相对设置；

以及

多个该软包式电池模块，其以至少一该软包式电池模块为一纵向群组，以形成多个纵向群组，该些纵向群组以横向延伸的型态设置于该第一绝缘层与该第二绝缘层之间，并且该些软包式电池模块通过该电能输出端与该第一图案化金属层与该第二图案化金属层直接接触而在横向上电性连接。

13.根据权利要求12所述的电能供应器，其中当该纵向群组内的该软包式电池模块为两个以上的该软包式电池模块堆栈而成时，该软包式电池模块利用该盖体的该外导电区域直接接触进行电性连接。

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