TW201824611A - 電池組 - Google Patents

Abstract

一種包括袋狀電池的堆的電池組，每個袋狀電池包括容納在柔性外殼內的電池堆，其中該柔性外殼包括一對相對的平坦表面，該一對相對的平坦表面被結合在一起以形成至少一個密封區域，其中該密封區域被成形為提供加強翼部，該加強翼部與在該堆中的至少一個相鄰的袋狀電池的對應的加強翼部相接合。

Description

電池組

本揭露內容涉及一種電池組(battery)。

典型的電化學電池堆(electrochemical cell stack)包括電池單元，該電池單元包括陽極、陰極和佈置在陽極和陰極之間的電解質。電池堆可以包括多於一個這樣的電池單元，使得電池堆包括多於一個陽極、多於一個陰極和佈置在每個陽極和陰極之間的電解質。

電池堆可以容納在柔性外殼內以形成袋狀電池。柔性外殼可以由柔性材料的相對的平坦表面(planar surface)形成。柔性材料可以密封電池堆與其周圍環境隔離。這例如在包括鋰陽極的電池的情況下可能是重要的，因為鋰對空氣和濕氣的敏感性。

接觸耳片(contact tab)可以聯接到電池堆的陽極和陰極。這些接觸耳片可以從柔性外殼突出，以提供與電池堆中的陽極和陰極的電連接。

電池組可以包括多於一個袋狀電池。袋狀電池可以佈置在框架中，框架將袋狀電池支撐或保持在期望的位置。例如，可以保持袋狀電池，使得袋狀電池的一個平坦表面面對相鄰的袋狀電池的平坦表面。框架為所得電池組提供剛性。在一些實例中，框架可以由塑膠材料形成。

在描述本發明的特定實例之前，應理解，本揭露內容不限於本文所揭露的特定的電池組或方法。還應理解，本文使用的術語僅用於描述特定的實例，並且不意圖是限制為範圍的。

在描述和要求保護本發明的電池組和方法時，將使用以下術語：單數形式「一(a)」、「一(an)」和「該(the)」包括複數形式，除非上下文另有明確規定。因此，例如，提及「一個陽極」包括提及一個或更多個這樣的元件。

根據本揭露內容，提供了一種包括袋狀電池的堆的電池組，每個袋狀電池包括容納在柔性外殼內的電池堆，其中柔性外殼包括一對相對的平坦表面，該一對相對的平坦表面被結合在一起以形成至少一個密封區域，其中該密封區域被成形為提供加強翼部(reinforcement flap)，該加強翼部與在袋狀電池的堆中的至少一個相鄰的袋狀電池的對應的加強翼部相接合。

在本揭露內容中，密封區域被成形為提供加強翼部。該加強翼部可以是密封區域的延伸部。例如，密封區域的至少一部分可以從容納在柔性外殼內的電池堆向外延伸為加強翼部。在一個實例中，密封區域的一個或更多個部分可以比密封區域的其它部分延伸更遠以形成加強翼部。可選擇地，沿著柔性外殼的至少一側的密封區域可以大於沿著柔性外殼的另一部分的密封區域。該較大的密封區域可以提供加強翼部。

加強翼部可以相對於柔性外殼的平坦面彎曲。例如，加強翼部可以大體上以與柔性外殼的平坦面成直角彎曲。當相應的柔性外殼定位成與該柔性外殼相鄰時，兩個柔性外殼的加強翼部可以重疊並且彼此接合。被接合的袋狀電池的加強翼部可以在大體上相同的方向上彎曲。位於袋狀電池的堆的中間位置的袋狀電池的加強翼部可以在任一側上接合相鄰的袋狀電池的對應的加強翼部。

接合的加強翼部可以幫助將堆中的相鄰的袋相對於彼此保持在期望的位置。因為接合的加強翼部彼此重疊，這還能夠有助於提供加厚的區域，該加厚的區域可以為結構的至少一部分提供改進的剛性。該改進的剛性可以改進袋狀電池的堆的結構完整性。在一些實例中，通過接合的加強翼部的重疊而形成的一個或更多個加厚的區域可以為單個袋狀電池提供改進的剛性。通過接合的加強翼部的重疊而形成的一個或更多個加厚的區域可以為袋狀電池的堆的至少一部分提供改進的剛性。

有利地，在本揭露內容的一些實例中，可以省略通常用於將單個的袋狀電池保持在電池組內的適當位置的框架。換句話說，電池組可以是無框架電池組。包括給定數量的電池的無框架電池組將比由容納在框架內的相同數量的袋狀電池形成的可比較的電池組更輕。因此，在所有其它條件相同的情況下，無框架電池組的比能量將相對於用框架形成的可比較的電池組的比能量被提高。此外，無框架電池組可佔用更少的空間，這使它們在空間有限的應用中具有吸引力。

當相鄰的袋的加強翼部接合時，可以形成加強壁部分(reinforcing wall portion)。這些壁部分可以將袋狀電池保持在袋狀電池的堆內的適當位置。壁部分還能夠有助於為所得到的結構提供結構完整性和/或剛性，因為接合的加強翼部可以彼此重疊以提供更厚的組合翼部。壁部分能夠有助於確保電池組是自立式的。在一些實例中，壁部分將袋狀電池以相對於彼此成間隔關係保持在袋狀電池的堆中。電池之間的此間隙允許在電化學電池的充電和放電期間膨脹。翼部本身還可以被構造成允許膨脹，例如它們可以具有之字形構造。

壁部分可以在袋狀電池的堆周圍的任何位置處形成。在一些實例中，壁部分可以沿著袋狀電池的堆的一側或一側的部分延伸。可選擇地，壁部分可以存在於袋狀電池的堆的角中的一個或更多個處。較佳地，壁部分沿著袋狀電池的堆的第一側或第一側的部分延伸並且沿著袋狀電池的第二側或第二側的部分延伸。第一側和第二側可以彼此面對。可選擇地，第一側和第二側可以彼此形成角度。

在一個實例中，柔性外殼包括一對相對的平坦表面，該一對相對的平坦表面被結合在一起以形成至少兩個密封區域，例如在柔性外殼的一側上的密封區域和在柔性外殼的相對側上的密封區域。這些密封區域可以被成形為提供加強翼部，加強翼部與堆中的至少一個相鄰的袋的對應的加強翼部相接合。如上所述，每個袋狀電池的密封區域的至少一部分可以從容納在柔性外殼內的電池堆向外延伸以提供加強翼部。加強翼部可以沿著柔性外殼的長度或沿著柔性外殼的一部分延伸。在這個實例中，當相鄰的袋的加強翼部接合時，壁部分可以形成在袋狀電池的堆的相對側上。這些壁部分可以作為在袋狀電池的堆的相對側上的護壁（retaining wall）。

在一個實例中，柔性外殼包括在柔性外殼的3個側面上的加強翼部。因此，與在柔性外殼的相對側上提供加強翼部一樣，在連接柔性外殼的相對側的一側上設置加強翼部以向結構增加附加的剛性。這些加強翼部可以在袋狀電池的堆的三個側面上形成加強壁部分。為了減輕重量，壁的一部分可以被移除或切去。

電池組可以包括至少兩個袋狀電池的堆。堆包括被佈置成使得一個電池的平坦表面面向另一個電池的平坦表面的袋狀電池。電池組可以包括至少三個袋狀電池的堆，其中位於堆中的中間位置處的中間袋的加強翼部接合中間袋的任一側上的袋的對應的加強翼部。

加強翼部可以使用任何合適的手段來接合。實例包括熱封或黏合劑。可選擇地，可以使用機械緊固件或膠帶。機械緊固件的實例包括鉚釘、孔眼和按扣。

在一些實例中，加強翼部用聯接到密封區域的加強構件來加強。加強構件可以是桿或條。桿或條可以由金屬、塑膠或紙板形成。加強構件可以例如使用黏合劑被應用到加強翼部上。可選擇地，可以將加強構件密封到用於形成加強翼部的材料中。例如，在加強構件由層壓體（laminate）形成的情況下，加強構件可以被密封或定位在層壓體的層內。當與一個或更多個加強翼部組合使用時，加強構件可以賦予單個的袋狀電池或賦予袋狀電池的堆的至少一部分另外的剛性。

可以使用任何合適的材料來形成柔性外殼。較佳地，柔性外殼由層壓材料形成。該層壓體包括金屬片和在金屬片的任一側上的至少一個聚合物層。在一個實例中，金屬片由鋁形成。金屬的其它實例包括銅和不銹鋼。合適的聚合物層包括尼龍、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯(例如聚丙烯共聚物)。在一個實例中，層壓體包括在一側上的聚對苯二甲酸乙二醇酯和在另一側上的聚丙烯。聚合物可以使用黏合劑聯接到金屬片。層壓體的實例是包括分別層壓有尼龍和聚丙烯的鋁的層壓體。實例包括Showa Denko的C4-150和C4-300。層壓體可以是50微米至500微米厚，例如100微米至150微米厚。

柔性外殼可以通過在電池堆的任一面上放置相對的平坦表面來形成。相對的平坦表面可以在電池堆的一側周圍被折疊或捲繞，並且在電池堆的其它側面周圍被結合在一起以形成密封區域。該結合可以使用黏合劑或熱封來進行。在可選擇的實例中，可以將層壓體的一片放置在電池堆的一個面上，並可以將層壓體的單獨的片放置在電池堆的相對面上。密封的區域可以通過例如使用黏合劑或熱封來密封電池堆的四周而在電池堆周圍形成。較佳地，允許接觸耳片突出超過柔性外殼以允許電連接到電池堆內的電極。

柔性外殼可以保護電池堆免於暴露於周圍環境。例如，如果任何電池組件由空氣敏感或濕氣敏感的材料(例如鋰)形成，則這可能是重要的。

密封的區域可以被成形為提供加強翼部。例如，不是沿整個密封件切割密封的區域，而是柔性材料的至少一部分被留下從電池堆向外延伸以提供如上所討論的加強區域。

加強翼部可以具有任何適合的長度。在一個實例中，加強翼部可以與至少2個袋狀電池，例如4個袋狀電池的深度一樣長。在一個實例中，翼部可以是20mm至50mm。

袋狀電池可以採取任何形式。較佳地，袋狀電池大體上是平坦的。袋可以是大體上矩形的。袋狀電池的形狀可以由電池堆的形狀確定。在一個實例中，袋狀電池具有100mm至200mm的長度，50mm至110mm的寬度以及2mm至15mm的深度。

電池組可以是任何適合的電池組。

電池組可以包含任何合適的袋狀電池。在本揭露內容的一些實例中，電池是鋰電池。合適的鋰電池包括鋰-離子電池、鋰-空氣電池、鋰-聚合物電池和鋰-硫電池。

在較佳的實施方案中，電池組是鋰硫電池組。

在電池組包括鋰電池組(例如鋰硫電池)的情況下，電池組可以包括多於一個鋰袋狀電池。每個袋狀電池可以包括電池堆，該電池堆包括一個或更多個電化學電池單元，每個電化學電池單元包括陽極、陰極和電解質。

陽極可以包括呈鋰金屬片或鋰金屬合金片形式的導電基底。該片可以被聯接到例如由鎳形成的接觸耳片上。接觸耳片可以通過焊接，例如超音波焊接被聯接到鋰金屬片或鋰金屬合金片。

陰極可以包括集流體（current collector），電活性材料沉積在集流體上。集流體可以由金屬箔例如鋁箔形成。電活性材料可以包括電活性硫材料，電活性硫材料可以與導電材料混合。所得到的混合物可以作為電活性基質被塗覆到集流體上。例如由鋁形成的接觸耳片可以聯接到集流體。該聯接可以通過焊接，例如超音波焊接來進行。

沉積在集流體上的電活性硫材料可以包括元素硫、基於硫的有機化合物、基於硫的無機化合物和含硫聚合物。較佳地，使用元素硫。

導電材料可以是任何合適的固體導電材料。較佳地，該固體導電材料可以由碳形成。實例包括炭黑、碳纖維、石墨烯和碳奈米管。其它合適的材料包括金屬(例如薄片、銼屑(filings)和粉末)和導電聚合物。較佳地，使用炭黑。

電活性硫材料可以以60重量%至90重量%、較佳地65重量%至85重量%、更佳地70重量%至80重量%的量存在於沉積在集流體上的基質中。

導電材料可以以10重量%至45重量%、較佳地15重量%至35重量%、更佳地20重量%至25重量%的量存在於沉積在集流體上的基質中。

電活性硫材料與導電材料的重量比可以是0.01-10:10-50、較佳地0.1-5:15-45、更佳地1-5:20-35。

袋狀電池還可以包括與陽極和陰極接觸的電解質。可以使用任何合適的電解質。電解質可以包含有機溶劑和鋰鹽。合適的有機溶劑包括醚、酯、醯胺、胺、亞碸、磺醯胺、有機磷酸酯和碸。實例包括四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、甲基丙基丙酸酯(methylpropylpropionate)、乙基丙基丙酸酯(ethylpropylpropionate)、乙酸甲酯、1,2-二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊環、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)、三甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚(tetraglyme)、丁內酯、1,4-二氧六環、1,3-二氧六環、六甲基磷醯胺、吡啶、二甲基亞碸、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N,N,N,N-四乙基磺醯胺和碸以及它們的混合物。

合適的電解質鹽包括鋰鹽。合適的鋰鹽包括六氟磷酸鋰、六氟砷酸鋰、硝酸鋰、高氯酸鋰、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(lithium trifluoromethanesulfonimide)、雙(草酸)硼酸鋰和三氟甲烷磺酸鋰。較佳地，鋰鹽是三氟甲烷磺酸鋰(lithium trifluoromethanesulphonate) (也稱為三氟甲烷磺酸鋰(lithium triflate))。可以採用鹽的組合。例如，三氟甲烷磺酸鋰可以與硝酸鋰組合使用。鋰鹽可以以0.1M至5M、較佳地0.5M至3M的濃度存在於電解質中。

隔板(separator)可以被放置在陽極和陰極之間。在存在隔板的情況下，隔板可以包括任何合適的多孔基板，該多孔基底允許離子在電池的電極之間移動。隔板應當被定位在電極之間，以防止電極之間的直接接觸。基底的孔隙率應當為至少30%，較佳地至少50%，例如，高於60%。合適的隔板包括由聚合物材料形成的網。合適的聚合物包括聚丙烯、尼龍和聚乙烯。非織造聚丙烯(non-woven polypropylene)是特別較佳的。採用多層的隔板是可能的。

現在將參照附圖來描述本發明的各方面。

第1圖是根據本揭露內容的一個實例的袋狀電池的等距視圖。袋狀電池10是大體上平坦的並且包括大體上平坦的相對的表面12 (僅示出一個)。袋狀電池10包含電池堆(未示出)。電池堆被封裝在由柔性材料形成的柔性外殼16中。柔性材料在平坦的相對的表面12上延伸，並且例如通過熱封被結合或密封在電池堆的周圍。接觸耳片18、20從柔性外殼16突出，以允許與電池堆中的電極電連接。

柔性材料經過密封區域22a、22b、22c和22d被密封。密封區域延伸以在袋狀電池的相對側上形成加強翼部。密封區域22a和22b沿著袋狀電池的長度提供延伸的加強翼部24a、24b，而密封區域22c和22d的僅僅一部分被延伸以在24c和24d處提供加強翼部。如圖1中所示，加強翼部可以在大體上垂直於袋狀電池的方向上折疊。

第2圖示出了由第1圖中所示的袋狀電池10的堆形成的電池組。如從圖中可以看出，相鄰的袋狀電池10的加強翼部24a、24b、24c和24d彼此接合，為所得到的袋狀電池的堆提供加強壁部分。這些壁部分為電池組提供剛性和結構完整性，減少或消除了對支撐框架的需求。因此，壁部分確保電池組是自立式的結構。

第3圖示出了第2圖中所示的電池組的備用實施方案。在這個實施方案中，加強壁部分已經被削減，使得加強壁部分僅保留在袋狀電池的角附近。這能夠有助於減輕電池組的重量。

第4圖示出了第2圖中所示的電池組的另一種備用實施方案。這裡，加強翼部24a、24b被設置在袋狀電池的堆的相對側上。袋狀電池的另一相對側處的密封區域被削減，從而存在於第2圖的實施方案中的加強翼部24c和24d不存在。

第5圖示出了第2圖中所示的電池組的又一種實施方案。這裡，沿著袋狀電池的長度的加強翼部24a、24b已經被去除。然而，沿著一個寬度的加強翼部24c已經被保留以向結構提供結構完整性。相對寬度上的加強翼部24d也已經被保留。在圖中可以看到由加強翼部24c和加強翼部24d的重疊而導致的加厚。

10‧‧‧袋狀電池

12‧‧‧表面

16‧‧‧柔性外殼

18、20‧‧‧接觸耳片

22a、22b、22c、22d‧‧‧密封區域

24a、24b、24c、24d‧‧‧加強翼部

本揭露內容的方面僅通過實例的方式在附圖中被示意性示出，在附圖中： 第1圖提供了袋狀電池的等距視圖； 第2圖是包括第1圖的袋狀電池的堆的電池組的等距視圖； 第3圖是在第2圖中示出的電池組的備用電池組的等距視圖； 第4圖是在第2圖中示出的電池組的另一種備用電池組的等距視圖；以及 第5圖是在第2圖中示出的電池組的又一種備用電池組的等距視圖。

Claims (15)

1. 一種電池組，該電池組包括一袋狀電池的一堆，每個袋狀電池包括容納在一柔性外殼內的電池堆，其中該柔性外殼包括一對相對的平坦表面，該一對相對的平坦表面被結合在一起以形成至少一密封區域，其中該密封區域被成形為提供一加強翼部，該加強翼部與在該堆中的至少一相鄰的袋狀電池的對應的加強翼部相接合。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電池組，其中該柔性外殼包括一對相對的平坦表面，該一對相對的平坦表面被結合在一起以在該柔性外殼的一側上形成一密封區域並且在該柔性外殼的相對側上形成密封區域，該密封區域被成形為提供一加強翼部，該加強翼部與在該堆中的至少一相鄰的袋的對應的加強翼部相接合。
3. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，該電池包括至少三個袋狀電池的堆，其中位於該至少三個袋狀電池的堆中的中間位置處的一中間袋的該加強翼部與在該中間袋的任一側上的一袋的對應的加強翼部相接合。
4. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，其中該袋的一接合的加強翼部在大體上相同的方向上彎曲。
5. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，其中該接合的加強翼部使用黏合劑或熱封來接合。
6. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，其中該接合的加強翼部形成一加強壁部分。
7. 如申請專利範圍第6項所述的電池組，其中該加強壁部分將該袋狀電池保持在該堆內的適當位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述的電池組，其中該加強壁部分將該袋狀電池以相對於彼此成間隔關係保持在該堆內。
9. 如申請專利範圍第6項至第8項中任一項所述的電池組，其中該加強壁部分將該袋狀電池保持在一起以形成自立式的整體結構。
10. 如申請專利範圍第6項至第9項中任一項所述的電池組，其中壁部分延伸經過該電池組的至少兩側的至少一部分。
11. 如申請專利範圍第9項所述的電池組，其中壁部分延伸經過該電池組的至少兩個相對側的長度。
12. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，其中該加強翼部用聯接到該密封區域的一加強構件來加強。
13. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，其中該相對的平坦表面包括一層壓材料，該層壓材料包括在每一側上塗覆有聚合物材料的一金屬箔。
14. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，該電池組是一鋰硫電池組。
15. 如前述申請專利範圍中任一項所述的電池組，該電池組包括從該柔性外殼突出的一連接耳片，該連接耳片與容納在該柔性外殼內的該電池堆中的電極電連通。