CN102412415A - 用于调节锂离子电池单元中的气体内压的元件 - Google Patents
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Abstract
用于调节锂离子电池单元中的气体内压的元件。本发明涉及一种锂离子电池单元，包括壳体、正电极、负电极和设置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件，其特征在于用于调节气体内压的元件，该元件不允许气体从所述锂离子电池单元中排出。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池单元、尤其是具有用于调节气体内压的元件的锂离子电池单元。
背景技术
锂离子蓄电池是基于锂离子工作的蓄电池。锂离子蓄电池也称作锂离子蓄电池（Lithium-Ionen-Akku）、Li离子蓄电池（Li-Ionen-Akku）、Li离子二次电池（Li-Ionen-Sekundärbatterie）或锂蓄电池（Lithium-Akkumulator）。概念“蓄电池”表示基于电化学系统的电能存储器。蓄电池可以由一个或多个可再充电的二次电池单元构成。多个二次电池单元可以串联以提高总电压或者并联以提高容量。因此，锂离子蓄电池包括一个锂离子电池单元或者多个锂离子电池单元。锂离子电池单元的特点在于高能量密度和热稳定性。锂离子电池单元的另一优点在于在经常部分充电的情况下也不出现容量损失。因此，锂离子电池单元不显示出所谓的记忆效应。
锂离子电池单元通常包括正电极、负电极、电解质、分隔件以及壳体。锂离子电池单元的正电极由一种锂金属氧化物或者不同的锂金属氧化物的混合物组成。用于正电极的一种或多种锂金属氧化物可以从包括LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-xCoxO2、LiNi0.85Co0.1Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2和LiFePO4的组中选择。锂离子电池单元的负电极通常由石墨、纳米结晶的硅、非结晶的硅、Li4Ti5O12或者SnO2组成。
锂离子电池单元的电解质可以由无水的、质子惰性的溶剂组成，在所述溶剂中溶解有锂盐。质子惰性的溶剂的示例是碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或者1,2二甲氧基乙烷。锂盐可以是LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6或者LiCF3SO3。在也称作锂聚合物蓄电池的锂离子蓄电池中，使用聚合物作为电解质载体，例如聚氧乙烯、聚苯塑料、聚偏二氟乙烯（PVDF）或者聚偏二氟乙稀-六氟丙烯（PVDF-HFP）。作为离子导体例如使用LiCF3SO3、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、LiTaO3、SrTiO3、LiTi2(PO4)3·Li3PO4、LiCl、LiBr或LiJ。
锂离子电池单元中的电极通过分隔件分开。分隔件是用于相反极性的电极之间的物理分离和电隔离的部件。分隔件对于锂离子而言是可穿过的，但分隔件阻止了电极之间的短路。对于酸性电极，分隔件优选由多孔的聚丙烯/聚乙烯膜组成。对于碱性系统，分隔件优选由聚丙烯/聚乙烯网组成。现今，也使用陶瓷的分隔件。
在充电过程中，带正电的锂离子通过电解质迁移到负电极，而充电电流通过外部电路提供电子。锂离子与负电极的材料形成插层化合物。在放电时，锂离子迁移回金属氧化物，并且电子可以通过外部电路流到正电极（现在是阴极）。因此，锂离子蓄电池或者锂离子电池单元通过锂离子的移动产生源电压。但在锂离子电池单元内进行的反应中不出现金属锂。
现今，存在三种不同类型的锂离子电池单元，它们彼此不同：圆柱形锂离子电池单元、棱柱形锂离子电池单元和所谓的袋形电池单元（Pouch-Zell）。
圆柱形锂离子电池单元具有基本上圆形的横截面。因此，圆柱形锂离子电磁单元具有圆柱的形状并且在尺寸方面例如可以相应于圆柱形的圆形电池单元——例如18650电池单元——的标准的、广泛使用的结构大小。圆柱形电池单元具有坚硬的壳体，从而其可以良好地经受机械负载。然而，圆柱形电池单元不易堆叠，并且具有小的表面与体积比，从而该圆柱形电池单元比较难进行冷却。
棱柱形电池单元通常在其横截面以及其纵截面方面具有矩形的、方形的形状。然而，棱柱形电池单元的壳体不如圆形电池单元坚硬。在袋形电池单元中，电极、电解质和分隔件是焊入在膜中的。与棱柱形锂离子电池单元不同，袋形电池单元不具有刚性的壳体。但是通常，袋形电池单元也具有矩形的基本形状。棱柱形电池单元和袋形电池单元由于其矩形的形状可以比圆形电池单元明显更好地进行堆叠，并且它们具有对于冷却而言更有利的表面与体积比。
用于设备电池的锂离子电池单元通常以绕制技术制造。在此，将电解质物质施加到薄的、膜状的电极上，并且将条带式相叠放置的电极通过略微更宽的分隔带彼此分开，共同卷成圆柱形的卷包（圆形电池单元）或扁平的卷包（棱柱形电池单元）。将所述卷包推入到相应的壳体或者袋囊中，并且随后热密封电池单元。
现今不明确说明的是，为了实现长的电池单元使用寿命，是否必须在棱柱形锂离子电池单元或者袋型的锂离子电池单元上施加机械压力。原则上，电解质的稳定性随着压力的升高而升高，从而电解质的分解随着压力的升高而减慢。因此，施加机械压力看起来至少不是不利的。
除此以外，小的压紧力对于层厚度的均匀性和电池单元中微结构的稳定性看起来是有利的。因此，在市场上提供具有棱柱形电池单元或袋形电池单元的不同锂离子蓄电池，其中在电池单元上施加机械压力。
通常，锂离子电池单元的电解质在电池单元的使用寿命期间进行分解，从而热密封的锂离子电池单元中的气体内压在符合规定的使用时也随着时间升高。在袋形电池单元中，由于柔软的电池单元外壳，可以良好地观察气体内压的升高。在更坚硬的圆形电池单元和棱柱形电池单元中，气体内压的升高不一定是可见的。但至少在棱柱形电池单元中，壳体形状的变化可以被证实是由于升高的气体内压。
为了限制锂离子电池单元中的气体内压，在现有技术中提出，在锂离子电池单元的外壳中安装过压阀。例如利用专利文献US 5,916,704或者公开文献JP-09199099-A提出袋型的锂离子电池单元，其中在电池单元的膜状外壳中设置有过压阀。在根据JP-09199099-A的锂离子电池单元中——该锂离子电池单元包括袋囊状外壳中的电池单元卷包，气体内压应当保持在1.2至20 kg/cm2。对于根据US 5,916,704的锂离子电池单元的合适的阀例应当例如在内部和外部之间的压力差约为9.5 mbar时开启。
在文献KR-2004022715-A中描述了一种棱柱形锂离子电池单元，其具有可变形的部件作为用于注入电解质溶液的开口以及可以在电池单元中的气体压力超过特定极限值时变形的绝缘体。
发明内容
本发明的主题是锂离子电池单元，具有壳体、正电极、负电极和设置在正电极和负电极之间的分隔件，其中所述锂离子电池单元的特征在于其具有用于调节气体内压的元件，所述元件能够使气体不从锂离子电池单元中排出。
用于调节气体内压的元件不是可以用于控制气体从电池单元中排出的阀，而是可变形的元件，优选能够可逆变形的、不使气体穿过的元件，该元件设置在电池单元中或者电池单元的壳体壁中。用于调节气体内压的所述元件可以以膜片的形式和/或以空腔体的形式存在。
根据本发明的锂离子电池单元可以是圆柱形锂离子电池单元或者棱柱形锂离子电池单元。根据本发明的锂离子电池单元还包括这样的实施方式，在这些实施方式中袋型的锂离子电池单元设置在壳体中。后一所述的实施方式在本发明的意义上并且与其中设置袋形电池单元的壳体的形状相关地理解为圆柱形锂离子电池单元或棱柱形锂离子电池单元。
根据本发明的锂离子电池单元具有基本上刚性或者坚硬的壳体。在一个实施方式中，本发明的锂离子电池单元具有热封闭所述电池单元的壳体。在本发明的意义上，热封闭所述电池单元如下理解：壳体气密地或者气体不可穿过地封闭电解质。然而优选地，根据本发明的锂离子电池单元具有过压阀，借助于所述过压阀可以减小在锂离子电池单元过热时产生的气体过压。借助于过压阀实现过压的减小，该过压阀在电池单元内部中的预先确定的过压下开启。通过阀在预先确定的气体内压下开启，高压下存在的气体可以从壳体内部中泄漏出去。所述过压阀可以在电池单元内部中低于预先确定的压力时再次闭合。由此，电池单元内部中存在的气体压力不完全减小到电池单元环境的气体压力，而是可以保持预先确定的气体内压。
在根据本发明的锂离子电池单元的一个实施方式中，用于调节气体内压的元件是可变形的空腔体，优选是能够可逆变形的空腔体。本发明的意义上的可变形的空腔体意味着：空腔体或空腔体的至少一部分可以通过在锂离子电池单元的正常老化过程范畴中产生的气体内压进行压缩。能够可逆变形意味着：当电池单元中的气体内压再次减小并且低于预先确定的值时、例如当气体内压再次达到如其在锂离子电池刚刚制成后所具有的原始值时，空腔体变形回其原始形状。
可变形的空腔体可以具有由塑料或金属制成的外壳。可变形的空腔体可以由空气、气体或气体混合物填充。在一个优选的实施方式中，可变形的空腔体由惰性气体填充。惰性气体可以从包括氮气、氦气、氩气、氖气、氙气、氪气或者以上所述气体的任意混合的组中选出。但空腔体也可以由泡沫填充。
可变形的空腔体内部中的压力优选如同或者略高于锂离子电池单元在其刚刚制成后包围空腔体的气体压力。
在一个特别优选的实施方式中，可变形的空腔体被设计为由塑料制成的、由惰性气体填充的气囊。在另一实施方式中，可变形的空腔体被设计为封闭的金属容器，即被设计为一种未被填充的、即由真空填充的罐。
可变形的空腔体设置在锂离子电池单元的内部中。在一个优选的实施方式中，可变形的空腔体设置在锂离子电池单元中在电池单元卷包和壳体的内壁之间，在该内壁上具有用于电极的导电体与电路的电连接的触点。在另一优选的实施方式中，可变形的空腔体设置在电池单元卷包与壳体的内壁之间，该内壁与具有用于电极的导电体与电路的电连接的触点的内壁相对。
在根据本发明的锂离子电池单元的特定实施方式中，用于调节气体内压的元件被设计为柔性的或可活动的膜片。在这些实施方式中，膜片可以作为电池单元的壳体的一部分或者作为可变形的空腔体的外壳的一部分存在并且是可变形的部分。本发明包括锂离子电池单元的以下实施方式：在这些实施方式中，壳体具有膜片作为用于调节气体内压的元件。但本发明还包括锂离子电池单元的以下实施方式：在这些实施方式中，可变形的空腔体的外壳具有膜片。
膜片对于电解质、对于电解质的每种任意组分以及对于气体是不可穿过的。在一个优选的实施方式中，膜片是壳体或可变形的空腔体的外壳的整体组成部分，其方式是，壳体或者外壳在一个区域中被如此薄壁地设计，使得所述区域可以充当柔性的膜片。因此，膜片通过壳体或者可变形的空腔体的一侧上的薄壁区域形成。
在锂离子电池单元的壳体具有膜片的实施方式中，膜片优选设置在与导电体相对的侧面上，或者壳体壁在所述侧面的区域中被如此薄壁的设计，使得壳体壁充当可活动的膜片。所述区域中的膜片或者壳体壁优选具有0.1至1 mm的厚度，尤其优选地具有0.3至0.5 mm的厚度。在其他实施方式中，壳体在与导电体相对的侧面上具有开口，所述开口由膜片封闭。在这些实施方式中，膜片作为单独的部件与壳体气密地连接。这意味着：气体不会在膜片与壳体的连接处从锂离子电池单元的内部溢出。
在可变形的空腔体具有膜片并且可变形的空腔体的外壳在其一个侧面上具有由膜片封闭的开口的实施方式中，膜片与空腔体的外壳气密地连接，从而气体不会进入到空腔体中或者溢出。
锂离子电池单元的壳体、可变形的空腔体的外壳和/或膜片可以由金属、塑料材料或复合材料组成。组成锂离子电池单元的壳体、可变形的空腔体的外壳和/或膜片的材料相对于电解质的组分和可以在电解质中进行的化学反应时产生的产物是耐腐蚀的。作为用于锂离子电池单元的壳体、可变形的空腔体的外壳和/或膜片的金属优选使用铝。替代与此地也可以使用由聚酰胺构成的复合膜作为外部层，铝作为扩散阻挡层，并且聚乙烯或聚丙烯作为复合膜的内部层。
附图说明
通过附图示出并且在以下描述中阐述根据本发明的主题的有利设计。在此应当考虑到，附图仅仅具有描述性质并且不应当视为以任何方式限制本发明。
图1示出根据本发明的锂离子电池单元的第一实施方式的示意性横截面图；
图2A示出根据本发明的锂离子电池单元的第二实施方式的示意性横截面图；
图2B示出根据本发明的锂离子电池单元的第二实施方式的另一示意性横截面图。
具体实施方式
图1示出棱柱形锂离子电池单元1包括壳体2，电池单元卷包3位于该壳体2中。电池单元卷包3包括电解质、正电极和负电极，它们通过分隔件彼此分开。正电极通过传导电流的导电体4与电池单元1的正极6连接。负电极通过传导电流的导电体5与电池单元1的负极7连接。
锂离子电池单元1包括可变形的空腔体9，该空腔体9设置在壳体2的内部在电池卷包3与壳体2的具有正极6和负极7的壁之间。
图2A和2B以不同的横截面视图示出根据本发明的棱柱形锂离子电池单元的另一实施方式。电池单元1包括壳体2和电池单元卷包3。电池单元卷包3包括电解质、正电极和负电极，它们通过分隔件彼此分开。电池单元卷包3的正电极与电池单元1的正极6导电地连接。电池单元卷包3的负电极与电池单元1的负极7导电地连接。
电池单元1的壳体2具有可活动的膜片10。膜片10封闭电池单元1的壳体2中的开口，该膜片10设置在壳体2的与具有极6、7的壁相对的壁中。可以由于电池单元1内部中的气体内压的升高而向外挤压膜片10，从而原本平坦的膜片（通过虚线示出）具有拱形。
Claims (12)
1.一种锂离子电池单元，包括壳体、正电极、负电极和设置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件，其特征在于，所述锂离子电池单元具有用于调节气体内压的元件，该元件能够使气体不从所述锂离子电池单元中排出。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述用于调节气体内压的元件是能变形的、气体不能穿过的元件，优选能可逆变形的元件，该元件设置在所述电池单元中或者所述电池单元的壳体壁中。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述用于调节气体内压的元件以膜片的形式和/或空腔体的形式存在。
4.根据权利要求1至3之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述锂离子电池单元是圆柱形电池单元或者棱柱形电池单元。
5.根据权利要求1至4之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述用于调节气体内压的元件是能变形的空腔体、优选是能可逆变形的空腔体。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述能变形的空腔体由空气、气体或者泡沫填充。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述气体从包括氮气、氦气、氩气、氖气、氙气、氪气以及以上所述气体的任意混合的组中选出。
8.根据权利要求5至7之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述可变形的空腔体设置在所述壳体的内部中，优选设置在电池单元卷包与所述壳体的具有用于所述电极的导电体与电路的电连接的触点的壁之间、或者设置在电池单元卷包与所述壳体的与具有用于所述电极的导电体与电路的电连接的触点的壁相对的壁之间。
9.根据权利要求1至8之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述用于调节气体内压的元件以柔性膜片的形式设计。
10.根据权利要求1至9之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述电池单元的壳体具有柔性膜片作为用于调节气体内压的元件。
11.根据权利要求1至9之一所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述能变形的空腔体具有柔性膜片作为用于调节气体内压的元件。
12.根据权利要求10或11所述的锂离子电池单元，其特征在于，所述膜片通过所述壳体或所述能变形的空腔体的一个侧面上的壁的薄壁区域形成。
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