SE528555C2 - Ett hölje för ett slutet batteri - Google Patents

Description

528 555 I den beviljade US-ansökan US 5,393,617 av Klein, beskrivs ett bipolärt batteri som använder antingen poröst gummi, en fjäder eller ett gasfyllt komprimerbart mellanlägg som det eftergivande elementet i stacken.

Inkluderandet av en sådan ytterligare eftergivande del i den slutliga batteri- sammansättningen kan vara till förfång för kostnaden, volymen och vikten hos den färdiga batterisammansättningen.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett hölje för ett slutet bipolärt batteri som har en batteristack som kan bibehålla tillräckligt och tillräckligt likformigt tryck över batteriet jämfört med höljen enligt känd teknik.

Detta syfte ästadkoms genom särdragen såsom definieras i patentkravet 1.

En fördel med föreliggande uppfinning är att det är mindre dyrt att tillverka, kan resultera i mindre antal delar i en slutlig batterisammansättning, och kan resultera i mindre vikt och volym i det färdiga batteriet för en given cellstack. Detta är speciellt fördelaktigt för batterier som innefattar en mindre cellstack, där höljet vanligtvis upptar en större del av den totala vikten och volymen hos den slutliga sammansättningen jämfört med batterier tillverkade med en större cellstack.

En annan fördel är att föreliggande uppfinning tillhandahåller ett hölje där utvändigt applicerade organ inte år nödvändiga för att bibehålla formen hos batterihöljet, vilket i sin tur kommer att reducera kostnaden för tillverkning av batteriet.

Ytterligare syften och fördelar hos den föreliggande uppfinningen kommer att vara uppenbara för fackmän inom området utifrån den detaljerade beskrivningen av det beskrivna höljet för ett slutet batteri. p539se00.doc: 7/24/2006 528 555 Kortfattad beskrivning av ritningarna De olika utföringsforrnerna som visas i de bifogade ritningarna visas inte i skala eller i proportioner, utan är överdrivna för att påvisa olika viktiga särdrag för tydlighets skull.

Fig. 1 visar en första utföringsform av ett hölje enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar ett sammansatt bipolärt batteri med ett hölje såsom visas i anslutning till figur 1.

Fig. 3 visar en andra utföringsform enligt uppfinningen tillsammans med ett bipolårt batteri.

Fig. 4 visar en perspektivvy av det korrugerade locket såsom beskrivs i ñgiir 3.

Fig. 5 visar en tvårsnittsvy av ett alternativt lock enligt uppfinningen.

Fig. 6 visar en tredje utföringsform av ett hölje enligt uppfinningen tillsammans med ett bipolärt batteri.

Fig. 7 visar en fjärde utföringsform av ett hölje enligt uppfinningen tillsammans med ett bipolärt batteri.

Fig. 8 visar en perspektivvy av ett sammansatt bipolärt batteri enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av föredragna utfliringsformer Ett slutet bipolårt batteri som har ett flertal battericeller anordnade i en cellstack måste ha ett hölje som tål krafterna som cellstacken utsätter höljet för. Det måste ske på ett sådant sätt att: 1) Höljet inte går sönder (dvs. att höljets material och fastsättningar inte får brytas upp vid drift av batteriet). p539se00 . dOCf' 7 /24/2006 528 555 2) Höljet måste bibehålla tillräckligt och tillräckligt likforrnigt tryck över cellstacken. 3) Höljet måste bibehålla cellstackens dimensioner inom vissa toleranser vid drift av batteriet.

Varje battericell i ett bipolärt batteri innefattar en negativ elektrod och en positiv elektrod med en separator anordnad däremellan. Varje elektrod i innefattar ett icke-metalliskt substrat, som gör dem mindre dyra. Varje cell är separerad från varandra genom en elektriskt ledande biplåt, och en positiv respektive negativ ändplåt är anordnade på varje sida av cellstacken.

Batteriet är företrädesvis försedd med ett gemensamt gasutrymme, såsom beskrivs i den publicerade internationella patentansökan WO O3 / 026042, överlåten till samma sökande, för att distribuera trycket inom batteriet på grund av gasbildning, men föreliggande uppfinning kan implementeras i ett bipolårt batteri som har åtminstone en separat anordnad battericell.

Vid den initiala elektriska cyklíngen av det bipolära batteriet kommer elektroderna att irreversibelt svälla. Svällningen av elektroderna kan producera enorma krafter när de innesluts i stela höljen eftersom elasticitetsmodulen hos elektrodema själva är mycket hög. Detta kan leda till krossade separatorer och bildandet av sprickor hos lågkostnadsmaterial till höljen, såsom termoplaster.

För att begränsa dessa överskjutande krafter kan någonting i batteri- sammansättningen vara mekaniskt eftergivligt, dvs. av relativt låg elasticitetsmodul och inte lika styv som elektroderna och biplåtarna, så att krafterna på cellstacken inte ändras alltför mycket när en dimensionsförändring sker i elektroderna. I den kända tekniken, såsom nämns i bakgrunden till uppfinningen, kan eftergivliga mellanlägg eller andra sådana eftergivliga delar tillhandahållas på utsidan av ändplåtama. I föreliggande uppfinning är det mekaniskt eftergivliga arrangemanget istället inbyggt i höljet. Om ökad mekanisk eftergivlighet önskad i utformandet av batterisammansättningen kan sådana ytterligare eftergivliga delar även p539se00.doc: 7/24/2006 -i 528 555 i valfritt användas som tillägg, såsom beskrivs i anslutning till figur 7. Ett hölje till låg kostnad med inbyggd mekanisk eftergivlighet som kan tillhandahålla den nödvändiga mekaniska förspända krafterna till batteristacken efter det att batteriet monterats kan tillhandahållas genom att forma åtminstone en vägg hos höljet på ett konkavt sätt in mot cellstacken innan montering. En eller båda ytoma hos höljets delar som kommer att vara i kontakt med elektrodstacken kan ha denna form. Formen kommer att plattas ut på grund av pålagda krafter över ytan. I huvudsak agerar höljets yta på samma sätt som en plan bladfiäder. Den övre delen av höljet, cellstacken och den nedre delen av höljet kan därefter monteras ihop genom att lägga på en extern kraft i riktningen som är vinkelrät mot elektrodens yta, och därefter fästs delarna till varandra med denna kraft pålagd. Den externa kraften kan därefter tas bort så att den förspända kraften på ytan av elektrodstacken nu uppbärs av spänningar i materialet som innefattar den perifera kanten hos höljet. Fastsättningen åstadkoms vanligtvis någonstans i periferin, så fastsättningen måste även kunna uppbära denna kraft. Periferin kan i allmänhet vara en del av den övre och nedre delen av höljet, eller de kan vara helt andra delar. Vilket mekanisk arrangemang som uppbär spänningen med hjälp av en förspänd sida av höljet med en inbyggd mekanisk eftergivelse kring cellstacken till den motstående sidan av höljet är i andan av denna uppfinning.

Geometrin hos den konkava formen väljs för att generera mängden önskad förspänd kraft som skall appliceras till cellstacken när den trycks samman.

Vid ett visst omfång av förspänd sammantryckande kraft blir formen hos höljet som är i kontakt med ytan hos elektrodstacken väsentligen plan. Vid detta plana tillstånd blir även kraftdistributionen över elektrodstackens yta väsentligen likformig på grund av likformiga elastiska egenskaper hos själva elektrodstacken i riktningen vinkelrätt mot elektrodytan.

Mängden förspänd kraft i höljet vid monteringstillfället kan därefter väljas så att höljet kommer att vara väsentligen plant efter det att elektrodstacken p539se00 .doc: 7/24/2006 i 528 555 genomgått den irreversibla svällningen som sker vid den initiala elektriska cyklingen.

Det bör noteras att formen hos höljet under kompression endast behöver vara väsentligen plant för att tillhandahålla en tillräckligt likformig kraft över ytan hos elektrodstacken. Vanligtvis finns det ett område av kompressions- tryck som kan appliceras på elektrodstacken under drift av batteriet som kommer att ge bra driftsprestanda. Med lämpligt val av geometri hos den konkava formen och tillräcklig homogena elastiska egenskaper hos elektrodstacken kommer små variationer av formen hos ytan hos det komprimerade höljet från planhet att endast orsaka små avvikelser hos den pålagda kompressionskraften inom det önskade området fór kompressionskrafter. Sådana variationer kommer inte att vara skadlig för funktionen av batteriet.

En sådan övergripande konkav geometri kan överlagras på en yta hos höljet med en formning i mindre skala innesluten däri, såsom en korrugering eller ett våffelliknande mönster. Detta är önskvärt när delen skall tillverkas i en utprocess av låg kostnad, och där finns krav på tjocklek på utformningen av delen på grund av användningen av denna tíllverkningsteknik. Sådan formning i mindre skala kan tjäna till att reducera vikten hos delen och mängden material som behövs, med endast en liten eftergift i styrka hos delen.

Vanligtvis har elektrodstacken själv tillräckligt rigida ändplåtar, så att om formningen i mindre skala hos höljets del inte är i kontinuerlig kontakt med elektrodstackens ändplåtar över hela elektrodytan, kan ändplåten därefter tillräckligt distribuera om det lokalt pålagda trycket in i elektrodstacken.

Detta är möjligt om formningen i mindre skala är tillräckligt liten. Alternativt kan en annan del vara placerad mellan höljet och ändplåt om nödvändigt för att tillräckligt distribuera om det lokalt pålagda trycket in i elektrodstacken.

Om den önskade förspänningskraften i höljet vi batterimonteringen och vid drift är tillräckligt stor kan den orsaka lokala påfrestningar í höljets delar p539se00.d0c; 7/24/2006 lO 528 555 som år större än strâckgränsen för materialet som används. Som sådant kan noggrant val av formen i mindre skala reducera påfrestningskoncentrationer i materialet under belastning, och tillåta en given storlek på höljet och materialval att tåla förspånda krafter utan att gå sönder.

En första utföringsform av föreliggande uppfinning beskrivs i anslutning till figur 1, vilken är en delvis tvårsnittsvy av ett icke-sammanfogat batterihölje innefattande en nedre del ll och en övre del 12. Den övre delen 12 år utformad att föras in i den nedre delen ll och fastsättningar (inte visade) eller svetsning kommer att tillhandahållas för att hålla ihop delarna tillsammans. Battericeller (inte visade] anordnade i en cellstack kommer att vara monterade i utrymmet 13 som skapas inuti de sammanfogade delarna ll, 12. Små hål för tillgång till batteriets poler (inte visade) kan vara tillhandahållna i den nedre delen 11 och den övre delen 12.

I detta exempel är den övre delen 12, dvs. locket, försett med ett arrangemang som kommer att förhindra höljet från att gå sönder och bibehålla tillräckligt, och tillräckligt likformigt, tryck över cellstacken.

Genom att förspånna delen med en fiåderkraft, vilket år resultatet av skapandet av en inverterad för-böjd form hos den övre delen 12, tillhandahålls ett mekaniskt eftergivligt arrangemang tillsammans med ett arrangemang för att distribuera trycket över cellstacken. Den nedre delen 1 l, lådan, kan även förses med en inverterad för-böjd form vilket skulle ge mer mekanisk eftergivlighet, om så önskas.

Den eftergivliga inverterade för-böjda formen, som därefter planas ut vid mekanisk belastning såsom beskrivs i anslutning med figur 2, adresserar alla tre mål som listas ovan. Figur 2 visar ett sammansatt slutet bipolärt batteri 20 som har ett hölje 10 bestående av två delar, en låda 1 1 och ett lock 12, såsom beskrivits i anslutning till figur 1. En cellstack som innefattar 4 celler 21 , där varje år separerad från varandra med en biplåt 22, tillhandahålls inom höljet 10 tillsammans med en positiv åndplåt 23 och en negativ åndplåt 24. Ett gemensamt gasutrymme år företrädesvis p539se00 . dec: 7 /24/2006 528 555 tillhandahållet såsom är känt inom känd teknik. Elektroderna är företrädesvis tillhandahållna med icke-metalliska substrat såsom beskrivs i den publicerade internationella patentansökan WO2004/ 042846. Locket 12 är infört i lådan 11 och hålls på plats med hjälp av en kraft som indikeras med ñlarna benämnda F. Fastsättningar tillhandahålls därefter kring periferin hos locket för att fästa locket 12 till lådan 11 och skapa höljet 10.

Genom att tillåta locket 12 att avvika sig något, såsom indikeras med pilen , när cellstackens höjd ändras är den resulterande, påfrestningen i materialet hos höljet mindre än om höljet var styvare. Locket 12 har en övre gräns för hur styvt det kan vara för att säkerställa att krafterna på stacken är under det maximalt tillåtna. Där finns även en nedre gräns för lockets styvhet, som troligtvis bestäms av den tillåtna avvikelsen hos locket under en ytterligare belastning av tryck som härrör från gasbildning i battericellerna.

När cellstacken är plan måste den pålagda belastningen över ytan hos cellstacken också vara likforrnig, eftersom den mekaniska eftergivligheten hos cellkomponentema, dvs. elektroder och separatorer, ger en väldeñnierad avvikelse för en given mekanisk belastning (kraft/ yta). Typiskt domineras avvikelsen av separatorn, eftersom den är det mest eftergivliga materialet i stacken. Om en inverterad konkav del 12 är plan efter sammansättning och formering av batteriet, då blir belastningen hos cellstacken likformig över ytan.

Figur 3 visar en andra utföringsform av ett hölje enligt föreliggande uppfinning, innefattande en låda 1 1 och ett lock 13 som har en korrugerad form där varje korrugering benämns 32. Figur 3 visar det icke- sammanfogade höljet tillsammans med ett bipolärt batteri 30 under monteringsprocessen, där identiska delar hos batteriet benämns med samma hänvisningsbeteckningar som i figur 2.

Korrugeringen av locket 31 kommer att reducera påfrestnings- koncentrationen med en faktor 2-4 gånger för samma belastning jämfört p539se00 .doci 7/24/2006 528 S55 med lock enligt känd teknik. Beroende på material och ytans area har det viss inverkan på ytans styvhet, men den år inte alltid styvare ån en icke- korrugerad yta. Målet med korrugeringen är att reducera storleken av påfrestningskoncentrationerna så att de med säkerhet år nedanför materialets sträckgräns.

Figur 4 visar en perspektivvy av locket 31 i figur 3, där korrugeringarna 32 synd tydligare. Korrugeringarna sträcker sig inte över hela lockets 31 bredd, och ett utvalt avstånd 33 tillhandahålls mellan kanten 34 och varje korrugering 32. Det samma gäller för kormgeringar på andra sidan av locket 31.

Figur 5 visar en tvärsnittsvy av en alternativ lock liknande locket som visas i figur 3 och 4. Locket 41 har, såsom tydligt visas i figuren, en ínverterad för- böjd form och korrugeringarna 32 år närvarande på båda sidorna av locket 41. Korrugeringarna år företrädesvis anordnade parallellt med den korta sidan hos locket, såsom visas i figur 4, men det är naturligtvis möjligt att anordna korrigeringarna i andra riktningar förutsatt att storleken på locket inte år alltför stort och beroende på materialval.

Figur 6 visar en tvårsnittsvy av et slutet bipolårt batteri 50 som har en battericell anordnad inuti en låda 51 med en inverterad för-böjd forrn och ett lock 41 såsom beskrivs i anslutning med figur 5. När locket 41 fästs till lådan 51, företrädesvis med hjälp av ultraljudssvetsning, kommer trycket över battericellen att vara tillräckligt likformigt och höljet kommer även att vara eftergivligt för tryckförändringar som kommer att uppstå inuti batteriet under drift.

Figur 7 visar en tvårsnittsvy av en fjärde utföringsform av ett hölje försett med eftergivliga tilläggselement 52 och 53. Sammansättningen innefattar en nedre del av höljet 11, ett första tilläggselement 52, en positiv ändplåt 23, en cellstack med fyra celler 21, en negativ ändplåt 24, ett andra tillåggselement 53 och en övre del av höljet 41. De eftergivliga tilläggselementen kommer att p539se00.doc: 7/24/2006 = 528 555 fungera som en extra eftergivlig del i batteriet i den händelse eftergivligheten i höljet inte år tillräcklig.

Figur 8 visar ett sammansatt hölje 60 försett med organ för att ansluta varje ândplåt inuti batterihöljet med en positiv pol 63 och en negativ pol 64 utan att inverka på den fjädrande och påfrestningsdistribuerande funktionen hos locket 61 och lådan 62. Ett hål 65 tillhandahålls i lådan 62 för anslutningen till den positiva polen 63 och en utskärning 66 tillhandahålls i lådan för anslutningen till den negativa polen 64. Vidare tillhandahålls en avdelare 67 i lådan 62 som kommer att förhindra direkt elektrisk kontakt mellan polema. Locket 61 år konstruerat att passa lådan 62, innefattande avdelaren 67 och utskårningen 66. Utrymmet som skapas inuti avdelaren 67 kan, om så önskas, användas för att inrymma organ för att skapa ett gemensamt gasutrymme.

Ordvalet tryckorgan som används i det oberoende patentkravet skall. tolkas såsom något som kommer att skapa ett tryck på komponenterna inuti batteriet når det år monterat, dvs. en för-böjd inverterad form hos en del av höljet, en korrugerad yta hos höljet, en kombination av korrugering och för- böjd inverterad form, etc.

Storleken på avvikelsen bort från planhet hos den för-böjda formen hos en del av höljet då det befinner sig i ett omonterat tillstånd utan belastning är företrädesvis åtminstone två gånger storleksordningen av avvikelsen bort från planhet av samma del av höljet då det år monterat i ett batteri och utsatt för en mekanisk förspånning. p539Se00.doC; 7/24/2006

Claims (10)

10 15 20 25 5128 5555 11 Patentkrav

1. Ett hölje för ett slutet bipolårt batteri innefattande åtminstone en battericell, där varje cell har elektroder med icke-metalliska substrat, nämnda hölje innefattar åtminstone två delar, en övre del (12; 31; 41; 61) och en nedre del (1 1; 51; 62), som är sammanfogade med varandra för att skapa batteriets hölje, k ä n n e t e c k n a t a v att ett mekaniskt eftergivligt arrangemang (12; 31; 41,51; 61) är inbyggt i höljet för att reducera krafterna på cellstacken orsakad av förändringar i celltjocklek vid drift, och ett tryckorgan (12; 32; 41; 51) är inbyggt i höljet för att distribuera trycket över cellstacken.

2. Höljet enligt patentkravet 1, varvid nämnda inbyggda tryckorgan innefattar en inverterad för-böjd form hos åtminstone en av väggarna (12, 41, 51) hos åtminstone en icke-sammanfogad del, och en förspånd kraft, som härleds från den inverterade för-böjda formen, verkar på cellstacken inuti höljet när delarna är sammanfogade.

3. Höljet enligt patentkravet 2, varvid åtminstone en vägg av varje icke- sammanfogad del (41, 51) tillhandahålls med en inverterad för-böjd form, och nämnda delar år sammanfogade för att bilda ett hölje med åtminstone två motstående inverterade för-böjda väggar.

4. Höljet enligt något av patentkraven 1-3, varvid nämnda inbyggda tryckorgan innefattar en förstärkning av åtminstone en vägg (3l; 41; 61).

5. Höljet enligt patentkravet 4, varvid nämnda förstärkning i huvudsak innefattar en korrugering (32) av materialet som bildar väggen.

6. Höljet enligt patentkravet 5, varvid nämnda korrugering (32) tillhandahålls parallellt med kortsidan av varje vägg.

7. Höljet enligt något av patentkraven 1-6, varvid nämnda hölje är försett med organ (67) för att förhindra en direkt elektrisk anslutning mellan p539seÛ0.d0cf 7/24/2006 10 528 555 12 en positiv pol (63) och en negativ pol (64) på utsidan av höljet när höljets delar år sammanfogade.

8. Höljet enligt något av patentkraven 1-7, varvid delarna som bildar - höljet sammanfogas med hjälp av ultraljudssvetsning.

9. Höljet enligt något av patentkraven 1-8, varvid höljet är anpassat att inhysa ett slutet bipolärt batteri (20; 30; 50) som har ett flertal battericeller, i en stack, som har ett gemensamt gasutrymme.

10. Höljet enligt något av patentkraven 1-9, varvid nämnda hölje vidare i innefattar en eller fler mekaniskt eftergivliga delar (52, 53) förutom den övre delen av höljet och den nedre delen av höljet. p539Se00.d0C; '7/24/2006