CN116368665A - 具有在共同的电池单体壳体中的多个电极单元的电池单体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池单体，其包括在共同的电池单体壳体中的多个电极单元(10a、10b)，其中，——所述电极单元(10a、10b)分别设有一个保护膜(12)，——所述保护膜(12)具有内层(12a)和外层(12b)，——所述内层(12a)布置在所述电极单元(10a、10b)上，并且所述外层(12b)布置在所述内层(12a)上，并且——所述外层(12b)具有比所述内层(12a)高的熔点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多个电极单元的电池单体，这些电极单元布置在共同的电池单体壳体中。
背景技术
在电驱动的机动车、如电动车辆、混合动力车辆或插电式混合动力车辆中使用高压电池，所述高压电池典型地具有一个或多个分别带有多个电池单体的电池模块。由于可实现的高能量密度，在机动车中特别是使用锂离子电池单体。在这里和在下文中，术语“锂离子电池单体”同义地用于所有在现有技术中常用的、用于含锂的原电池和电池单体的名称，例如锂电池、锂电池单体、锂离子电池单体、锂聚合物电池单体和锂离子蓄电池。特别是，包括可再充电电池(二次电池)。锂离子电池单体还可以是固态电池单体，例如陶瓷的或基于聚合物的固态电池单体。
在机械碰撞到电池单体上且其例如导致变形和/或尖锐物体侵入到电池单体中的情况下，或者在电池单体过载时，可能存在电池单体过热的风险。通过放热的电极反应，例如由于电极短路，可能出现电池单体的热击穿(thermal runaway)。在高温下，特别是可能出现包含在电池单体中的电解质的蒸发，由此在电池单体中产生临界的过压。在具有多个电池单体的电池模块中，电池单体的热击穿会导致过热扩散到相邻的电池单体上，从而如果这没有通过合适的安全措施防止的话，可能存在损坏整个电池模块或者甚至整个高压电池的风险。
由文献102012205810A1已知一种具有硬壳电池单体壳体的电池单体，其中多个分别构造为单体卷的电极单元布置在硬壳电池单体壳体中。通过这样将多个电极单元布置在共同的壳体中，可能存在电极单元的热击穿在极短的时间内扩散到其他布置在共同的壳体中的电极单元的风险。
发明内容
本发明的任务是，给出一种具有在共同的电池单体壳体中的多个电极单元的改进的电池单体，其中防止或至少减缓电极单元的热击穿扩散到相邻的电极单元上。
该任务通过根据权利要求1的电池单体来解决。本发明的有利的实施方式和进一步改进方案由从属权利要求得出。
根据本发明的一个实施方式，所述电池单体包括在共同的电池单体壳体中的多个电极单元。所述电极单元例如是电极堆或电极卷。所述电极堆或电极卷特别是分别包含由阳极层和阴极层组成的层序列，这些层序列分别通过分离件彼此分开。所述电池单体可以特别是锂离子电池单体。
所述电池单体优选是棱柱形电池单体，其具有坚固的电池单体壳体，所述多个电极单元布置在该电池单体壳体中。所述电池单体壳体例如可以具有矩形的基面并且基本上是方形的。棱柱形的电池单体可以有利地容易地堆叠并且组装成电池模块。电池单体壳体例如可以具有壳体基体以及盖，该壳体基体具有底壁和侧壁。
所述电极单元在根据本发明的电池单体中分别设有一个保护膜。根据一个实施方式，该保护膜至少具有一个内层和一个外层。内层布置在电极单元上，并且外层布置在该内层上。外层有利地具有比内层更高的熔点。换句话说，该保护膜至少实施成两层，其中，外层具有比内层更大的耐热性。也可能的是，该保护膜具有多于两个层，例如三个层。
本发明特别是基于以下阐述的考虑：在电极单元热击穿的情况下，在几秒内能够释放大的能量。这可能导致电解质蒸发和/或电极的活性材料分解。此外，由于温度升高，所述电极之间的分离件可能受到损坏，由此可能导致电极大面积短路并且放电电极单元的全部能量。这导致非常剧烈的压力升高和在非常短的时间内高能量的释放。所述能量加热环境并且可以导致相邻电极单元达到临界温度。在临界温度的情况下，例如Tcrit＞150℃至180℃，可以进行相邻电极单元的热击穿，从而释放其它能量。所述能量能够通过电池单体壳体的侧壁排出给其它电池单体并且因此可能在链式反应中损坏其它电池单体。在根据本发明的电池单体中，通过电极单元的保护膜防止或至少减缓这种链式反应。特别是，所述保护膜的较低的导热能力延迟了电极单元排出给相邻电极单元的能量。因此，在热击穿时由电极单元排出的总能量由此虽然没有明显改变，但该总能量以延缓的方式排出到环境中。这能够实现通过其它路径、例如通过冷却、通过盖、拉杆等进行散热并且因此降低通过电池单体的侧壁排出的热量。在最好的情况下，所述效应这样强烈，使得相邻的电池单体保持在临界温度之下并且由此停止热击穿的传播。然而，即使相邻的电池单体达到临界温度，这也会减慢。在机动车的包括多个电池单体的高压电池中，由此减小了整个高压电池损坏的风险。
由内层和外层组成的保护膜的优选的至少两层的实施方案具有如下优点，即外层可确保保护膜的耐热性直至比仅存在内层时更高的温度。通过熔化内层可以吸收一些能量，同时外层仍然是耐热的。
附加存在的内层此外可以对于保护膜的机械特性是有利的。特别是，内层可以具有一种硬度比外层低的材料。在这种情况下，较软的内层可以更好地分布作用到电极单元上的压力并且因此降低如下风险，即电极单元在外部压力下通过保护膜的较硬的外层而损坏。
在一个优选的设计方案中，内层包括聚丙烯(PP)或聚乙烯(PP)。外层优选具有聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，例如聚酯薄膜，或聚酰亚胺，例如聚酰亚胺胶带。
保护膜的厚度优选在20μm(包括20μm)至200μm(包括200μm)之间。在多层保护膜的情况下，保护膜的厚度应理解为层的总厚度。
在一个有利的设计方案中，保护膜具有多个开口。这些开口便于电解质渗透到电极单元中。保护膜中的开口优选朝向电池单体壳体的底面。开口的数量优选为约10至20个。
电池单体优选是锂离子电池单体。锂离子电池单体的特征在于高能量密度并且因此特别是适合于在机动车中的高压电池中使用。
还提出了一种具有多个在此描述的电池单体的锂离子电池以及一种具有锂离子电池的机动车。由于改进的安全性，这里描述的电池单体可以有利地用在锂离子电池中，该锂离子电池可以特别是用作电驱动的机动车中的牵引电池。
附图说明
下面借助于附图描述本发明的一个优选的实施例。由此得出本发明的其它细节、优选的实施方式和进一步改进方案。详细地示意性地示出
图1示出根据一个实施例的电池单体的分解示图，
图2示出电极单元的横截面视图，
图3示出在电极单元的底侧上的保护膜的俯视图，以及
图4示出电极单元的横截面视图。
具体实施方式
相同的或相同作用的组成部分在附图中分别设有相同的附图标记。所示的组成部分以及各组成部分彼此间的大小关系不能视为是符合比例的。
在图1中示意性地在分解示图中所示的电池单体20是棱柱形的电池单体20。电池单体20具有电池单体壳体，该电池单体壳体由壳体基体9和盖4构成。电池单体壳体构成了用于布置在其中的电极单元10a、10b的机械上坚固的外壳。在所示的示例中，在电池单体中两个电极单元10a、10b布置在电池单体壳体中。在电极单元10a、10b中，电极层例如能够作为堆叠(Stack)或卷(Jelly Roll，瑞士卷)存在。在该实施例中，电池单体壳体具有矩形的基面并且基本上是方形的。电池壳体的壳体基体9和盖4可以由金属、例如铝构成。可能的是，电池单体壳体至少局部地具有电绝缘的涂层。
电池元件20具有第一端子1和第二端子2，其中，所述端子1、2布置在电池元件壳体的盖4上。端子1、2设置用于电池单体20的极的电触点接通并且可以分别通过绝缘板3与盖4电绝缘。在所示的示例中，端子1、2分别通过被引导穿过盖4的铆钉6与电极单元10的集电器8连接。为了密封穿过盖4的引导通过部，设有密封件5。电极单元10a、10b可以通过布置在电极单元10与盖4之间的保持件7和侧向的保持件11固定在电池单体壳体中。
在电池单体壳体的盖4上布置有紧急排气开口13。紧急排气开口13在电池单体20正常运行时例如通过破裂膜封闭。如果电池单体20中的内部压力上升超过临界极限(典型地在6bar至15bar之间)，则破裂膜打开，从而压力可以逸出。破裂膜(未示出)例如可以通过激光焊接固定在紧急排气开口13中。破裂膜例如可以具有80μm到400μm、优选100μm到300μm的厚度。
布置在电池单体中的电极单元10a、10b分别具有一个保护膜12。保护膜12有利地基本上完全覆盖电极单元10a、10b。“基本上完全”特别是可以意味着，除了可能的用于电气引导通过的开口和/或用于渗入液态电解质的开口之外，薄膜覆盖电极单元。
在图2中示出电极单元10a、10b的横截面的示意图。在所示的示例中，两个电极单元10a、10b彼此相邻地布置。但可能的是，电池单体具有多于两个电极单元，其中，多个电极单元可以串联或并联连接。电极单元10a、10b上的保护膜12有利地实施为两层的。保护膜包括内层12a和外层12b。外层12b具有尽可能高的熔点，优选高于150℃或者甚至高于200℃。外层12b特别是设置用于，在电极单元10a、10b热击穿的情况下确保保护膜12的耐热性。优选地，外层12b包括聚对苯二甲酸乙二酯，例如聚酯薄膜，或者聚酰亚胺，例如聚酰亚胺薄膜。内层12a可以具有比外层12b低的熔点。如果在电极单元热击穿的情况下内层12a的熔点被超过并且内层12a由此被损坏，则外层12b有利地更长时间地保持完好无损。内层12a有利地由比外层12b更软的塑料构成。内层12a特别是可以改善电极单元10a、10b上的压力分布。优选地，内层12a包括聚丙烯或聚乙烯。双层的保护膜12有利地具有小的导热能力。保护膜降低相邻的电极单元10a、10b之间的热传输。在电极单元、例如电极单元10a热击穿时，相邻的电极单元10b的热击穿被阻止或至少被延迟。在电池单体中产生的热量被如此缓慢地释放，从而热量可以更好地被导出、例如通过电池单体壳体的盖或冷却被更好地导出。当多个电池单体布置在一个电池中时，则防止整个电池的损坏。
图3示出保护膜12在朝向壳体基体9的底部的面上的一个实施例的俯视图。有利地，在该区域中对保护膜12进行穿孔。例如，保护膜12在该区域中具有大约10至20个开口14。当电池单体被填充液态电解质时，电解质可以有利地通过保护膜12中的开口14渗入到电极单元10a、10b中。
图4示出电极单元10a中的层堆叠的一个示例。电极单元10a包括铜箔15和铝箔19，所述铜箔涂覆有阳极活性材料16，所述铝箔涂覆有阴极活性材料18。
阳极活性材料16例如是如下组中的材料，所述组包括含碳材料、硅、亚氧化硅、硅合金、铝合金、铟、铟合金、锡、锡合金、钴合金及其混合物。优选地，阳极活性材料选自如下组，所述组包括合成石墨、天然石墨、石墨烯、中间相碳、掺杂碳、硬碳、软碳、富勒烯、硅碳复合材料、硅、表面涂覆的硅、亚氧化硅、硅合金、锂、铝合金、铟、锡合金、钴合金及其混合物。
阴极活性材料18可以具有层状氧化物，例如锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂钴氧化物(LCO)或锂镍钴氧化物(LNCO)。层状氧化物尤其可以是过锂化的层状氧化物(OLO，overlithiated layered oxide)。其它合适的阴极活性材料是具有尖晶石结构的化合物，例如锂锰氧化物(LMO)或锂锰镍氧化物(LMNO)，或具有橄榄石结构的化合物，例如磷酸铁锂(LFP)或磷酸锰铁锂(LMFP)。
阳极活性材料16分别通过分离件17与阴极活性材料18分离。分离件17特别是薄膜并且具有对于锂离子可穿透的、但对于电子不可穿透的材料。作为分离件可以使用聚合物，特别是如下聚合物，所述聚合物选自如下组，该组包括聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚烯烃，特别是聚乙烯和/或聚丙烯，聚丙烯腈，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯，聚醚酰亚胺，聚酰亚胺，芳族聚酰胺，聚醚，聚醚酮、合成蜘蛛丝或其混合物。分离件可以可选地附加地用陶瓷材料和粘合剂来涂覆，例如基于AI2O3的那样。
在电极单元10a中，具有两侧用阳极活性材料16涂覆的铜箔15、两侧用阴极活性材料18涂覆的铝箔19和分离件17的层序列S可以多次重复(在附图中以N*S表示)。在两侧上，以阳极活性材料16覆层的铜箔15构成电极单元10a的末端。
尽管已经借助实施例详细说明和描述了本发明，但本发明不受这些实施例的限制。相反，本领域的技术人员可以从中推导出本发明的其它变型方案，而不背离由权利要求限定的本发明的保护范围。
附图标记列表
1 第一端子
2 第二端子
3 绝缘板
4 盖
5 密封件
6 铆钉
7 保持件
8 集电器
9 壳体基体
10 电极单元
11 侧向的保持件
12 保护膜
12a 内层
12b 外层
13 紧急排气开口
14 开口
15 铜箔
16 阳极活性材料
17 分离件
18 阴极活性材料
19 铝箔
20 电池单体
Claims (10)
1.电池单体，所述电池单体包括在共同的电池单体壳体中的多个电极单元(10a、10b)，其中，
——所述电极单元(10a、10b)分别设有一个保护膜(12)，
——所述保护膜(12)具有内层(12a)和外层(12b)，
——所述内层(12a)布置在所述电极单元(10a、10b)上，并且所述外层(12b)布置在所述内层(12a)上，并且
——所述外层(12b)具有比所述内层(12a)高的熔点。
2.根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述内层(12a)具有比所述外层(12b)低的硬度。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体，其中，所述内层(12a)具有聚乙烯或聚丙烯。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体，其中，所述外层(12b)具有聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体，其中，所述保护膜(12)的厚度在20μm至200μm之间，其中，包含20μm且包含200μm。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体，其中，所述保护膜(12)在朝向所述电池单体壳体的底部的区域中具有多个开口(14)。
7.根据权利要求6所述的电池单体，其中，所述开口(14)的数量在10至20之间，其中，包含10且包含20。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池单体，其中，所述电池单体(20)是锂离子电池单体。
9.锂离子电池，所述锂离子电池包括多个根据权利要求8所述的电池单体(20)。
10.机动车，所述机动车包括根据权利要求9所述的锂离子电池。
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