CN117352807A - 储能设备 - Google Patents

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Abstract

一种储能设备(1)，包括：容器(2)，芯轴(3)，至少一个分隔器材料(4)片，和两个或更多个电极(5)。容器(2)包括基座(7)和内表面(10)，其形成内部空间(9)。芯轴(3)定位在容器(2)内，且从内表面(10)间隔开以限定腔(9a)在容器(2)内。分隔器材料片(4)绕芯轴(3)布置，以在所述腔(9a)内提供多个离散分隔器层。至少一个电极(5)被提供在每个离散分隔器层之间，且容器(2)的外表面的至少一部分具有弯曲轮廓。

Description

储能设备
本申请是中国发明专利申请(申请号：201880018914.7，申请日：2018年3月16日，发明名称：储能设备)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于储能设备的容器。更具体地说，本发明涉及一种电化学电池的容器。
背景技术
容纳在能量储存设备中的电化学电池包括反应性和有害材料，其需要仔细包装以确保产品安全。该包装应包含有害材料且还适应当电池充放电时材料温度和体积的改变。除了具有所需的稳健性外，该包装还要求包装具有较低的重量且体积有效，以便不降低储能设备的总能量密度。该包装和包装的设计还应避免对储能设备添加任何不必要的电阻增益。
储能技术的进展已经产生具有增加能量密度的电化学电池。相比于传统电化学电池,在充放电过程期间这可导致活性材料较高的操作温度和较大体积变化。用于储能的传统包装可能不能够安全和有效地容纳具有增加能量密度的电池。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种储能设备，包括：容器，芯轴，至少一个分隔器材料片，和两个或更多个离散电极，所述容器包括基座和内表面，其形成内部空间；所述芯轴定位在容器内，且芯轴和内表面间隔开以在容器内限定腔；分隔器材料片绕芯轴布置，以在所述腔内提供多个离散分隔器层，以及其中至少一个电极被提供以占据在每个离散分隔器层之间的空间，且容器的外表面的至少一部分具有弯曲轮廓。
本发明提供了一种高能量密度电化学存储设备，其在组合成阵列时能够与其他类似设备密铺，同时还具有外表面，其在处于阵列中时将减少与相邻能量储存设备的接触。尽管这将降低阵列的总能量密度，由外表面的弯曲部分导致的设备之间的空隙允许冷却流体在设备之间流动，且在充放电期间将多余的热量从设备抽除。
本发明的离散电极片和可压缩芯轴的组合允许电池包括有效连接高能量密度电极堆叠被存储在弹性防护容器内，与通常的卷绕电池(其依靠卷绕在分隔器材料内的连续的正电极/负电极材料片)形成对照。由此，该设备可包括两个或更多个离散的正极以及两个或更多个离散的负极。在充放电期间，每个设备内的能量密集电极材料的集合预期产生一定热量，其需要被从设备发散。此外，在设备之间的空气或流体间隙允许在阵列中的设备热击穿事件中的隔离。
芯轴的表面可为弯曲的。芯轴的弯曲表面可提供一致的堆叠压力在包装内的电极的表面之上。此外，芯轴可调节其形状，以有效地释放在电池膨胀期间任何积累的压力。芯轴可成形为使得其表面与所述容器的内表面的弯曲同心。此外，芯轴的形状还可以与容器的整个外部形状同心。本发明不依靠要绕芯轴卷绕的电化学电池部件，该芯轴主要功能是通过依照充电或放电期间电极体积而收缩或膨胀，以支撑分隔器材料抵靠容器的内表面。
芯轴可具有单个表面且为圆形或弧形形状，或替代地芯轴可被成形为具有第二表面。例如，芯轴的第二表面可为弯曲的以使芯轴的横截面形状是椭圆形的。在替代布置中，第二芯轴表面可为平坦的且依靠容器的另一内壁或表面。替代地，第二芯轴表面可接触分隔器材料以提供压缩力。接触第二芯轴表面的分隔器材料可为与接触第一芯轴表面的相同或不同的分隔器材料。
容器的内表面可为弯曲的，以使容器是大体圆柱形形状。芯轴可被定位以使它的纵向轴线与容器的纵向轴线对齐。在此实施例中，腔是大体管形的，且分隔器材料片绕芯轴卷绕以填充该腔。此实施例中的设备是相对容易构造的。然而，由于分隔器材料片的螺旋和每个分隔器层的尺寸差异，电极的尺寸沿包装轴线远离芯轴而增加。
在替代实施例中，容器可被成形以使它包括与内表面相对的第二内表面。例如，容器可为立方体或长方体形状，其中相对表面是弯曲的。在此替代实施例中，包装轴线可从内表面穿过容器延伸到第二内表面，且芯轴可沿包装轴线定位以提供第二腔。至少一个分隔器材料片可被布置在第二腔内以沿包装轴线提供第二多个分隔器层，且一个或多个电极被提供在该第二分隔器层之间。使得具有大体立方体或长方体形状的容器允许电极具有相似的尺寸。此外，在此实施例中，分隔器材料片绕芯轴的布置可采取数个形式。例如，分隔器材料片可绕芯轴卷绕，或分隔器材料片可被折叠在腔内。当具有多于一个腔时，在每个腔内可设置有至少一个分隔器材料片可。每个腔包括至少一个分隔器材料片。此外，在每个腔内可设置有分隔器材料的离散卷。具有多于一个分隔器材料片允许腔内的不同包装布置，且还意味着在设备的一个部分中的电极或分隔器材料的损坏可被隔离。
容器的内表面和/或第二内表面可为凹形的。通过弯曲面向芯轴表面的表面，更一致的压力可被应用到腔内的电池。这在电极和分隔器材料之间提供了一致压力，且提高了电池的效率。
附图说明
为了更好地理解本发明，和更清楚地示出本发明如何发生作用，现在将通过实例、参考以下附图来描述本发明，其中：
图1是本发明的储能设备的示意性分解图；
图2a-d是储能设备内的分隔器材料和芯轴的替代布局的图示；
图3a-c是本发明的储能设备的替代实施例的图示；以及
图4a和b是替代容器形状阵列的图示。
具体实施方式
图1示出了储能设备1，其包括容器2，可压缩芯轴3,分隔器材料4，和分立的电极5。容器2具有外壳6，基座7和盖8，其一起形成储能设备1的壳体。外壳6由稳固材料形成，以避免外部物品刺穿或破裂设备1。外壳6可以通被深拉拔/卷起/成形,且形成有基座7和盖8以便形成内部空间9用于保持电化学电池部件，也就是可压缩芯轴3，分隔器材料4和电极5。该外壳6具有内表面10，该内表面面向该空间9。基座7和盖8设置在外壳6的打开端部上,以封闭容器2内的电化学电池部件3，4，5。尽管基座7和盖8被示出为相对外壳6独立的部件，可想像外壳6可包括，或被附接到，预成形基座7和盖8。
芯轴3具有第一芯轴表面11和第二芯轴表面12，其通过臂部13连接。芯轴3由单件柔韧材料形成，比如塑料或金属。芯轴3的横截面通常具有S形形状且它的轮廓是椭圆。芯轴3具有纵向轴线L，其垂直于由弯曲表面11，12和臂部13形成的S形。芯轴3沿它的纵向轴线L延伸以使它长度方向与容器2类似。芯轴3的大体横截面形状沿它的纵向轴线L的整个长度是相同的。
芯轴3被成形以便它可被放置在容器2的内部空间9内。当芯轴3被放置在内部空间9内时，腔9a保持在芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间。由于芯轴3的形状，中空无效空间柱存在于芯轴表面11，12和臂部13之间(其沿纵向轴线L延伸)。该中空柱允许用于芯轴3的空间坍塌，而且提供了用于当电化学电池部件3，4，5被放置在容器2内时,到基座7的至少一部分的焊接的通路。
芯轴3是可沿包装轴线P的方向压缩的，其将关于分隔器材料4更详细地描述。一般而言，芯轴3可压缩和/或变形以使它的横截面的大体椭圆形形状轮廓尺寸减少。随着芯轴3的压缩，芯轴3所占空间9的体积减小。此外，芯轴表面11，12可在极端压力的作用下变形以使曲率或弧度可依照被应用于表面的压缩力而改变。
图1中示出的分隔器材料4是连续的电绝缘多孔材料片。分隔器材料4被卷起且被定位在容器2和芯轴3之间的腔9a内。分隔器材料4围绕芯轴3绕卷绕轴线W卷绕,当电化学电池容器1在它的完整形式中时该轴线W位于在芯轴3的纵向轴线L上。当分隔器材料4的片绕卷绕轴线W卷绕时，随着片材卷到自身上,分隔器材料层被形成。在整个储能设备1中，分隔器材料4被布置在容器2内以提供多个分隔器层(其沿包装轴线P放置)。这建立分隔器材料4的层之间的空间14(其由电极占据)。
电极5沿包装轴线P定位在卷绕分隔器材料4的空间14内。为了简单起见，仅仅两个电极5(一个正极和一个负极与分隔器材料4一起形成电池)被示出在图1中。然而，本发明的电化学电池容器1可包含许多电极5，形成多个电化学电池。
电极5每个包括凸片15a，15b，其可被固定到基座7和盖8的内表面。通过提供凸片15a，15b在每个电极5上，用于每个电极的电流路径长度被减小且电池的内部电阻被降低。
当电池充放电时，电极5可膨胀和收缩。当电极5膨胀且占据内部空间9内的更多体积时，芯轴3压缩。同样地，当电极收缩时，芯轴3膨胀以重新占据该体积同时还沿包装轴线P在分隔器材料4和电极5之间提供恒定的压缩力。弯曲芯轴表面11，12确保电极5的表面上的一致压力被保持。
各种替代电化学电池容器1布置(其在本发明的范围内)在图2a-d中示意性地示出。为了简单起见，电化学电池容器1沿芯轴3的纵向轴线L的横截面示出，没有电极5。每个电化学电池容器1以简化地方式作为方形容器2被示出。然而应理解,分隔器材料4将弯曲以占据容器2的内部空间9。
在图2a中，分隔器材料4的两个片绕芯轴3卷绕。芯轴3沿分隔器材料4的卷绕轴线W定位。分隔器材料4的片关于芯轴3的纵向轴线L同中心。多个层14被提供在卷绕的分隔器材料4的层之间用于容纳电极5。电极5沿包装轴线P布置。
在图2b中，芯轴3被提供具有单个弯曲表面11。芯轴臂部13搁置抵靠在容器2的内表面10上。分隔器材料4的一个片被设置在内部空气9内且围绕卷绕轴线W卷绕。线圈轴线W没有位于芯轴3的纵向轴线L上。离散层14被提供在分隔器材料4的卷内用于容纳电极。电极5沿包装轴线P布置。
图2c和d示出了本发明的另一替代方式，其中分隔器材料片4的卷或折叠件被定位在绕芯轴3的腔9a中，该分隔器4不绕芯轴3缠绕。图2c中的设备在每个腔9a内包括两个分隔器材料片4的卷。在图2d中，分隔器材料4的片折叠在腔9a中。电极5将被放置在分隔器材料4的螺旋层或折叠内。在这种情况下，芯轴3仅仅作用于吸收设备1内的电极5的膨胀，且不提供线轴用于要被卷绕的材料4，5。
图1中的容器2被示出为圆柱形，但也能够形成任何柱形电池的形状。横截面图示被示出在本发明的设备1的图3a-c中。为了简化图的绘制，分隔器材料4的层被示出为同心环而不是在腔9a内的连续卷绕片材。电极5示意性地示出为虚线，且可被定位在分隔器材料4的卷绕片材之间的层14内的任何位置。图3a示出了图1中的整个设备1的简化横截面视图。内表面10时一个连续的表面，且芯轴表面11，12面向相同内表面10的不同区域。
图3b示出了设备1，其具有大体立方体形状容器2，其中面向芯轴表面11，12的内表面10是凹形的。分隔器材料4被折叠或卷绕以便填充芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间的腔9b。分隔器材料10被布置为沿包装轴线P提供层14，该层被填充有电极5。凹形内表面10的曲率类似于芯轴表面11，12的曲率,以使一致的压力被跨分隔器材料4的层14内的电极5的表面施加。
图3c示出了设备1，其具有大体长方体形状的容器2，其中设备1仅仅具有一个腔9c(其被填充有电化学电池)。面向芯轴表面11的内表面10是凹形的。分隔器材料4被折叠或卷绕以便填充芯轴表面11，12和容器2的内表面10之间的腔9c。分隔器材料10被布置为沿包装轴线P提供层14，该层被填充有电极5。凹形内表面10的曲率类似于芯轴表面11，12的曲率,以使一致的压力被跨分隔器材料4的层14内的电极5的表面施加。
在图3a-c中所示的实施例中，外部外壳的曲率匹配内表面10的凹形形状，外部外壳可为平坦的以提供外部长方形形状。然而，可有利地保持外壳6的曲率。
图4a和b示出了分别依照图3b和c的储能设备1的阵列。外壳6的曲率允许当被布置为阵列时容器2之间的间隙16。弯曲外壳6确保邻近容器2的物理接触被减少。流体(比如空气)可被提供在容器2之间的间隙16内。容器2之间减少的接触确保较低热传递发生在邻近设备1之间。此外，流体自由流动越过容器的阵列且充当冷却剂以移除设备1内的电池发出的任何多余热量。

Claims (7)

1.一种储能设备，包括：容器，芯轴，至少一个分隔器材料片，和多个离散电极，
所述容器包括基座和内表面，其形成内部空间；
所述芯轴定位在容器内，且芯轴和内表面间隔开以在容器内限定腔，所述芯轴的横截面为S形，轮廓为椭圆形，并且所述芯轴是可压缩的；
分隔器材料片绕芯轴布置，以在所述腔内提供多个分隔器层，以及
其中所述多个电极被提供以占据在每个分隔器层之间的空间，且容器的外表面的至少一部分具有弯曲轮廓，并且其中设备包括两个或更多个离散的正极以及两个或更多个离散的负极。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述芯轴具有弯曲的第一表面。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述芯轴具有第二表面。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述芯轴的第二表面是弯曲的。
5.如权利要求4所述的设备，其中容器的至少一个壁具有凹形内表面，其与芯轴的弯曲的第一表面相对。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述凹形内表面由于容器壁的外表面的所述至少一部分的弯曲轮廓而形成。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述芯轴的第一表面和第二表面与所述容器的内表面的弯曲同心。
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