CN117751486A - 电池电芯和包括该电池电芯的电池模块 - Google Patents

电池电芯和包括该电池电芯的电池模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电池电芯和包括该电池电芯的电池模块，并且特别涉及一种待直接液体冷却的电池电芯和包含该电池电芯的待直接液体冷却的电池模块。根据本发明，可以使用离子化倾向大于电池壳体的金属的牺牲金属来增强电池电芯的耐腐蚀性，并且可以使用用于车辆的常规冷却水来降低电池电芯的热量。

Description

电池电芯和包括该电池电芯的电池模块
技术领域
本发明是一种电池电芯和包括该电池电芯的电池模块，其具体涉及一种直接水冷电池电芯和包括该电池电芯的直接水冷电池模块，并且详细地，涉及一种能够通过使用具有比电池电芯壳体的金属离子化倾向更高的牺牲金属来提高电池电芯的耐腐蚀性的直接水冷电池电芯和包括该电池电芯的直接水冷电池模块。
本申请要求基于日期为2022年2月10日的韩国专利申请No.10-2022-0017379的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
环保汽车中使用的电池会产生大量热量，这是因为需要高功率，为了提高电池性能和寿命，有效地排放电池产生的热量，从而防止电池过热是非常重要的。
传统上，作为用于从电池散热的冷却系统，已知直接空气冷却方法、间接水冷却方法或直接水冷却方法。
直接水冷法是将电池电芯直接浸入冷却水中，并且将来自电池电芯的热量直接排放到冷却水中的方法。
图1是传统的电池模块(10)的示意性配置图。
如图1所示，直接水冷电池模块(10)由电芯框架(11)和多个电池电芯(12)组成。多个电池电芯(12)在电芯框架(11)中彼此间隔开。电池电芯框架(11)被设置为使得冷却水能够流动。
通常，在电池电芯(12)中，容纳内部电极的外部壳体由镀镍铁制成。因此，当用冷却水直接浸入电池电芯(12)时，由于外部壳体的材料特性，它容易受到腐蚀。此外，还有一个问题，即外部壳体是有极性的，而且电绝缘也很脆弱。
为了防止传统的直接水冷方法的电池模块(10)中的电池电芯(12)的腐蚀，使用绝缘油或专用冷却水(M)(例如3M的NOVEC)。
然而，绝缘油具有容易着火的问题，并且诸如3M的NOVEC的特殊冷却水作为电池电芯的冷却剂是极好的，因为它是非极性的并且具有耐腐蚀性，但是它是昂贵的，由此存在增加电池模块的制造成本的问题。
此外，当如传统技术中那样将防锈液涂敷到电池电芯的外部壳体以防止电池电芯的腐蚀时，需要使用无纺布覆盖电池电芯外部壳体的后处理过程来保持防锈液。
此外，即使防锈液被涂敷到电池电芯的外部壳体上，由于表面张力，防锈剂也从电池电芯的外部壳体流下，由此存在防锈剂不能均匀地涂敷到外部壳体上的问题。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种能够通过使用具有比电池电芯壳体的金属离子化倾向更高的牺牲金属来提高电池电芯的耐腐蚀性的直接水冷电池电芯，以及包括该电池电芯的直接水冷电池模块。
技术方案
根据本发明的一个示例的用于直接水冷的电池电芯，该电池电芯包括：电极组件；壳体，壳体容纳电极组件；牺牲金属部分，牺牲金属部分设置在壳体的外表面上，并且由具有比壳体的金属离子化倾向更高的材料形成；以及电芯片材，电芯片材包括金属层，并且设置成围绕牺牲金属部分和壳体。
此外，牺牲金属部分可以包括包选自由铝、镁、锌、铝合金、镁合金和锌合金组成的组中的一种或更多种。
此外，牺牲金属部分可以分别设置在壳体的上表面和下表面上，并且可以设置为将上表面和上表面的至少部分区域暴露于外部。
此外，牺牲金属部分可以设置为沿着上表面和下表面的周边方向具有环形。
此外，牺牲金属部分可以设置为沿着上表面和下表面的周边方向具有C形。
此外，电芯片材可以包括：压敏粘合剂层，其被设置在金属层的一个表面上并且粘附到壳体；以及防水层，其被设置在沿与金属层的一个表面相反的方向的另一表面上。
此外，金属层可以由具有比壳体的金属离子化倾向更高的材料形成。
此外，金属层可以由与牺牲金属部分相同的材料形成。
此外，电芯片材可以围绕壳体的外表面，使得电芯片材的一端在沿着壳体的周边方向覆盖电芯片材的另一端的同时交叠。
此外，牺牲金属部分可以被激光联接到壳体的外表面。
此外，牺牲金属部分可以设置为以带状围绕壳体的部分区域。
此外，牺牲金属部分可以沿着壳体的周边在壳体的上表面和下表面之间的中心部分处联接。
此外，根据本发明的另一示例的用于直接水冷的电池模块包括：多个直接水冷电池电芯；电芯框架，电芯框架被设置为使得多个电池电芯彼此分开设置，并且允许冷却水在多个电池电芯之间流动；以及冷却水供应部分，冷却水供应部分用于将冷却水供应到电芯框架中。
此外，电池模块可以包括防水层，该防水层被设置在电芯框架内部并且设置为分别覆盖壳体的上表面的侧端部和下表面的侧端部。此外，防水层可以包括防水粘合剂或灌封树脂。
此外，冷却水供应部分可以被设置为供应未隔热的冷却水。
有益效果
如上所述，与本发明的至少一个示例相关的直接水冷电池电芯以及包括其的直接水冷电池模块具有以下效果。
通过使用具有比电池壳的金属离子化倾向更高的牺牲金属，可以提高电池电芯的耐腐蚀性。此外，电池电芯的热量可以通过使用未隔热的低成本车辆通用冷却水来冷却。
此外，可以通过在壳体中设置的金属层来提高电池电芯的耐腐蚀性，并且可以通过防水层来改善电池电芯的耐热性、防水性和绝缘性。
此外，由于耐腐蚀材料(例如，防锈剂)包含在压敏粘合剂中，并且金属层通过压敏粘合剂粘附到壳体，所以耐腐蚀材料可以均匀地涂敷到壳体的外表面。
此外，由于金属层的交叠界面被密封，因此当电池电芯长时间浸入在高温的冷却水中时，可以防止湿气和氧气通过金属层的交叠界面渗透到壳体中。
附图说明
图1是传统的电池模块的示意性配置图。
图2是根据本发明的第一示例的直接水冷电池模块的配置图。
图3示意性地示出了根据本发明的第一示例的电池电芯的透视图。
图4示意性地示出了图3的A-A截面。
图5和图6是用于解释根据本发明的第一示例的安装在壳体中的牺牲金属部分的状态和形状的图。
图7是根据本发明的第二示例的直接水冷电池模块的配置图。
图8是用于解释根据本发明的第二示例的安装在壳体中的牺牲金属部分的状态和形状的图。
图9示意性地示出了根据本发明的第二示例的电池电芯的透视图。
图10和图11示意性地示出了图9的B-B截面。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的一个示例的直接水冷电池电芯以及包括其的直接水冷电池模块。
此外，不管附图标记如何，相同或对应的部件由相同或相似的附图标记给出，将省略对其的重复描述，并且为了便于解释，可以夸大或缩小所示的每个部件构件的尺寸和形状。
图2是根据本发明的第一示例的直接水冷电池模块的配置图，图3示意性地示出了根据本发明的第一示例的电池电芯的透视图。
此外，图4示意性地示出了图3的A-A截面，图5和图6是用于解释根据本发明的第一示例的安装在壳体中的牺牲金属部分的状态和形状的图。
根据本发明的一个示例的直接水冷电池电芯(120)包括电极组件(129)、容纳电极组件(129)的壳体(121)、以及设置在壳体(1211)的外表面上并且由具有比壳体的金属离子化倾向更高的材料形成的牺牲金属部分(122、123)。此外，电池电芯(120)包括金属层(124b)，并且包括设置成围绕牺牲金属部分(122、123)和壳体(121)的电芯片材(124)。在这种情况下，电芯片材(124)在至少部分区域中与牺牲金属部分(122、123)接触。
此外，电极组件(129)容纳在壳体(121)中，并且包括正极、负极和设置在正极和负极之间的隔膜。电极和隔膜可以构成一体的电极组件。例如，电极组件(129)可以是：卷芯型电极组件，其中片状正极和负极在隔膜介于它们之间的状态下被卷绕；堆叠型电极组件，其中多个正极和负极在隔膜介于它们之间的状态下被顺序堆叠；或者是堆叠/折叠型电极组件，其中通过在隔膜介于其间的状态下以预定单元堆叠正极和负极而获得的单元电芯在它们被定位在分离膜上的状态下被顺序卷绕。
此外，壳体(121)用于容纳电极组件(123)，并保护电池电芯(120)免受外部冲击。壳体(121)可以是圆柱形、袋状或有角度的，例如，壳体可以是圆柱形的。特别地，电极组件可以是卷绕的卷芯型电极组件，壳体可以是圆柱形壳体，并且直接水冷电池电芯(120)可以是圆柱形电池电芯。
如图2所示，根据本示例的直接水冷电池模块(100)包括：多个直接水冷电池电芯(120)；电芯框架(110)，其被设置为使得多个电池电芯(120)彼此分开布置，并且允许冷却水(W)在多个电池电芯(120)之间流动；以及冷却水供应部分(150)，其用于将冷却水供应到电芯框架(110)中。
在电芯框架(110)中具有预定的空间部分(111)，并且电芯框架(110)被设置为冷却水能够在空间部分内流动的结构。冷却水(W)可以被供应到电芯框架(110)的内部空间部分(111)，然后被排放到电芯框架(110)的外部，并且为此，电池模块(100)可以包括用于将冷却水(W)排放到电芯框架(110)的外部的冷却水排放部分。冷却水供应部分(150)可以包括冷却水储罐和泵。此外，冷却水供应部分(150)可以被设置为供应未隔热的冷却水(W)。一般冷却水(W)可以是通常在车辆中使用的冷却水。
直接水冷电池电芯(120)包括壳体(121)、牺牲金属部分(122、123)和电芯片材(124)。电芯片材(124)包括压敏粘合剂层(124a)、金属层(124b)和防水层(124c)。
此外，壳体(121)可以由金属材料形成，并且壳体的表面可以镀镍。也就是说，镀镍层可以设置在壳体(121)的表面上。
此外，牺牲金属部分(122、123)可以由具有比壳体(121)的金属离子化反应更高的材料形成。牺牲金属部分(122、123)可以包括从由铝、镁、锌、铝合金、镁合金和锌合金组成的组中选择的一种或更多种。
参照图4，牺牲金属部分(122、123)可以设置在壳体(121)的外表面上。牺牲金属部分(122、123)可以分别设置在壳体(121)的上表面(121a)和下表面(121b)上。此外，可以设置牺牲金属部分(122、123)以将上表面和下表面的至少部分区域暴露于外部。暴露于外部的上表面和下表面的每个区域可以连接到汇流条。
参照图5，牺牲金属部分(122、123)可以设置为沿着上表面和下表面的周边方向具有C形(或马蹄形)。
参照图6，作为另一个示例，牺牲金属部分(122a、123a)可以设置为沿着壳体(121)的上表面和下表面的周边方向具有环形。
参照图2，当直接水冷电池电芯(120)浸入冷却水(W)中时，由于壳体(121)和牺牲金属部分(122、123)之间的金属离子化反应的差异，冷却水(W)的湿气(H)与牺牲金属部分(122、123)进行离子化反应，结果，抑制了壳体(121)的金属离子化反应，从而直接水冷电池电芯(120)能够防止壳体(121)的腐蚀。
参照图3和图4，电芯片材(124)附接在其上以围绕壳体(121)的外表面。例如，电芯片材(124)附接到连接壳体(121)的上表面(121a)和下表面(121b)的侧面。
电芯片材(124)可以包括压敏粘合剂层(124a)和防水层(124c)，该压敏粘合剂层设置在金属层(124b)的表面上并粘附到壳体，该防水层设置在与金属层(124b)的一个表面相反的方向上的另一表面上。
参见图4，电芯片材(124)由压敏粘合剂层(124a)、金属层(124b)和防水层(124c)一体形成。
另外，电芯片材(124)围绕壳体(121)的外表面，使得电芯片材(124)的一端在沿着壳体(121)的侧表面的周边方向覆盖电芯片材(124)的另一端的同时交叠。
为了防止氧气和湿气渗透，金属层(124b)可以具有20μm或更大的厚度。
金属层(124b)可以由具有比壳体(121)的金属离子化反应更高的材料形成。作为一个示例，金属层(124b)可以由铝材料形成。此外，金属层(124b)也可以由与牺牲金属部分(122、123)相同的材料形成。
当直接水冷电池电芯(120)浸入冷却水(W)中时，穿透金属层(124b)的湿气(H)可以通过金属层(124b)转移到牺牲金属部分(122、123)。这是因为在牺牲金属部分(122、123)中对湿气的金属离子化反应大于在壳体(121)中对湿气的金属离子化作用。因此，能够提高壳体(121)的耐腐蚀性。
压敏粘合剂层(124a)是设置在金属层(124b)的一个表面上以粘附到壳体(121)的部分。压敏粘合剂层(124a)是通过将压敏粘合剂(PSA)涂敷到金属层(124b)的一个表面来设置的。
压敏粘合剂可以包括耐腐蚀材料，其中耐腐蚀材料可以是其中包括诸如磷酸盐、硅酸盐、有机酸盐或橡胶油脂的物质的防锈剂。
通常，当仅将防锈剂涂敷到壳体(121)上时，防锈剂由于表面张力而从壳体(121)流下。相反，在本发明中，电芯片材(124)通过压敏粘合剂层(124a)附接到壳体(121)，从而可以防止耐腐蚀材料(例如，防锈剂)从壳体(121)流下。
由于耐腐蚀材料(例如，防锈剂)包含在压敏粘合剂层(124a)中，并且电芯片材(124)通过压敏粘合剂附接到壳体(121)，因此可以具有将耐腐蚀材料均匀地涂敷到壳体(121)的外表面的效果。
防水层(124c)是设置在金属层(124b)的另一个表面上以使金属层(124b)防水的防水片材。防水层(124c)是具有耐热性、绝缘性和防潮性的片材，其中浇铸聚丙烯(CPP)片材可以用作防水层(124c)。
当电芯片材(124)的一端与电芯片材(124)的另一端交叠时，电芯片材(124)的交叠区域是阶梯状的。电芯片材(124)的阶梯状界面由密封材料密封。密封材料可以是含有树脂、增塑剂、抗氧化剂和蜡的材料。
另选地，电芯片材(124)可以紧密地联接到金属层(124b)，而防水层(124c)的一端覆盖防水层(124c)的另一端并且在交叠界面处被热压缩。
因此，当电池电芯长时间浸入在高温的冷却水中时，本发明可以防止湿气和氧气通过电芯片材(124)的交叠界面渗透到壳体(121)中。
同时，电池模块(100)可以包括防水层(125、126)，该防水层设置在单元电芯框架(110)内部，并且设置为分别覆盖壳体(121)的上表面(121a)侧端部和下表面(121b)侧端部。防水层(125、126)防止湿气渗透到壳体(121)中。上防水层(125)可以设置在壳体(121)的上端，下防水层(126)可以设置Z壳体(121)的下端。参照图3和图4，可以提供防水层(125、126)以围绕牺牲金属部分(122、123)。也就是说，电芯框架(110)内部的牺牲金属部分(122、123)不通过防水层(125、126)与冷却水(W)接触。此外，电池电芯(120)的上表面(121a)侧和下表面(121b)侧可以分别通过防水层(125、126)固定到电芯框架(110)的内表面。
防水层(125、126)可以包括防水粘合剂或灌封树脂，并且灌封树脂可以是硅树脂基树脂、氨基甲酸乙酯基树脂和环氧树脂基树脂中的任何一种。
图7是根据本发明的第二示例的直接水冷电池模块的配置图，图8是用于解释根据本发明的第二示例的安装在壳体中的牺牲金属部分的状态和形状的图，图9示意性地示出了根据本发明的第二示例的电池电芯的透视图，图10和图11示意性地示出了图9的B-B截面。
参照图7，根据本示例的直接水冷电池模块(200)包括：多个直接水冷电池电芯(220)；电芯框架(210)，其被设置为使得多个电池电芯(20)彼此分开，并且允许冷却水(W)在多个电池电芯(220)之间流动；以及冷却水供应部(250)，其用于将冷却水(W)供应到电芯框架(210)的内部空间部(211)。
在根据本示例的直接水冷电池模块(200)中，电池电芯框架(210)和冷却水供应部分(250)与第一示例的相同，因此将省略其描述。
此外，根据本示例的直接水冷电池电芯(220)包括电极组件(229)、容纳电极组件(229a)的壳体(221)、设置在壳体(221)的外表面上的牺牲金属部分(222)、耐腐蚀片材(223)和防水片材(224)。此外，电池模块(200)包括上防水层(225)和下防水层(226)。
由于壳体(221)、上防水层(225)和下防水层(226)与第一示例的情况相同，因此在本示例中将省略对它们的描述。
在根据本示例的直接水冷电池电芯(220)中，牺牲金属部分(222)的安装位置与第一示例的不同，并且在下文中，将主要描述牺牲金属部分。
牺牲金属部分(222)可以由具有比壳体(221)的金属离子化反应更高的材料形成。
参照图8，牺牲金属部分(222)可以设置为以带状围绕壳体(221)的部分区域。此外，牺牲金属部分(222)可以沿着壳体(221)的周边在壳体(221)的上表面(221a)和下表面(221b)之间的中心部分处联接。牺牲金属部分(222)通过激光焊接方法联接到壳体(221)。
参照图9和图10，防水片材(224)围绕牺牲金属部分(222)。防水片材(224)在受到热收缩的同时紧密地联接到壳体(221)的外表面，由此可以防止湿气渗透到壳体中。
防水片材(224)可以由可热收缩的聚合物材料形成。热收缩聚合物材料可以包括选自由聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)组成的组中的一种或更多种。
参照图11，为了提高直接水冷电池模块(200)的耐腐蚀性，在将防水片材(224)连接到壳体(221)之前使用耐腐蚀片材(223)对壳体(221)进行耐腐蚀处理之后，也可以将防水片材(224)联接到其上。
这里，耐腐蚀片材(223)围绕其中包括牺牲金属部分(222)的壳体(221)的外表面。此后，防水片材(224)围绕耐腐蚀片材(223)，并且在经受热收缩的同时紧密地联接到壳体(221)的外表面。
耐腐蚀片材(223)具有能够均匀地吸收耐腐蚀材料的材料。例如，作为耐腐蚀片材(223)，可以使用耐腐蚀材料被均匀吸收的材料，例如，诸如无纺布或棉布的布结构。
当通过热熔法以熔化状态涂敷片材粘合剂然后冷却时，耐腐蚀片材(223)可以结合到壳体(221)。这里，丙烯酸粘合剂可以用作片材粘合剂。
由于耐腐蚀材料(例如，防锈剂)在其在耐腐蚀片材(223)的整个区域上被均匀吸收的状态下接触壳体(221)，因此可以具有将耐腐蚀材料均匀地涂敷到壳体(221)的外表面的效果。
如上所述的本发明的优选实施方式已被公开用于说明目的，并且对本发明有一般了解的本领域技术人员将能够在本发明的精神和范围内做出各种修改、改变和添加，并且这些修修改、改变和添加应当被视为落入所附权利要求的范围内。
工业适用性
根据与本发明的至少一个示例相关的直接水冷电池电芯以及包括该直接水冷电池电芯的直接水冷电池模块，可以通过使用具有比电池壳的金属离子化倾向更高的牺牲金属来提高电池电芯的耐腐蚀性。

Claims (15)

1.一种电池电芯，该电池电芯包括：
电极组件；
壳体，所述壳体容纳所述电极组件；
牺牲金属部分，所述牺牲金属部分设置在所述壳体的外表面上，并且由具有比所述壳体的金属离子化倾向更高的材料形成；以及
电芯片材，所述电芯片材包括金属层，并且设置成围绕所述牺牲金属部分和所述壳体。
2.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分包括选自由铝、镁、锌、铝合金、镁合金和锌合金组成的组中的一种或更多种。
3.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分分别设置在所述壳体的上表面和下表面上，并且设置为将所述上表面和所述下表面的至少部分区域暴露于外部。
4.根据权利要求3所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分被设置为沿着所述上表面和所述下表面的周边方向具有环形。
5.根据权利要求3所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分被设置为沿着所述壳体的所述上表面和所述下表面的周边方向具有C形。
6.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，所述电芯片材包括：
压敏粘合剂层，所述压敏粘合剂层被设置在所述金属层的一个表面上并且粘附到所述壳体；以及
防水层，所述防水层被设置在沿与所述金属层的一个表面相反的方向的另一表面上。
7.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述金属层由具有比所述壳体的金属离子化倾向更高的材料形成。
8.根据权利要求7所述的电池电芯，其中，
所述金属层由与所述牺牲金属部分相同的材料形成。
9.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述电芯片材围绕所述壳体的外表面，使得所述电芯片材的一端在沿着所述壳体的周边方向覆盖所述电芯片材的另一端的同时交叠。
10.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分被激光联接到壳体的外表面。
11.根据权利要求1所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分以带状围绕所述壳体的部分区域。
12.根据权利要求11所述的电池电芯，其中，
所述牺牲金属部分沿着所述壳体的周边在所述壳体的所述上表面和所述壳体的所述下表面之间的中心部分处联接。
13.一种电池模块，该电池模块包括：
多个根据权利要求1所述的电池电芯；
电芯框架，所述电芯框架被设置为使得多个所述电池电芯彼此分开设置，并且允许冷却水在多个所述电池电芯之间流动；以及
冷却水供应部分，所述冷却水供应部分用于将冷却水供应到所述电芯框架中。
14.根据权利要求13所述的电池模块，其中，
所述电池模块包括防水层，所述防水层被设置在所述电芯框架内部，并且被设置为分别覆盖所述壳体的所述上表面的侧端部和所述壳体的所述下表面的侧端部，其中，
所述防水层包括防水粘合剂或灌封树脂。
15.根据权利要求14所述的电池模块，其中，
所述冷却水供应部分被设置为供应未隔热的冷却水。
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