专利名称：电池组包装组件及相关方法
电池组包装组件及相关方法
背景技术：
本发明一般性地涉及一种电绝缘涂层。更具体地，本发明涉及在电池组包装组件中用于钠电池的电隔离的高温电绝缘涂层。本发明还涉及一种制造所述电池组包装的方法。电池组为用于在移动系统例如电动交通工具、混合电动交通工具和非交通工具 (例如机车、越野采矿交通工具、船用应用、公交车和汽车)和固定应用例如不间断电力供应(UPS)系统和“Telecom” (电信系统)中储存一部分能量的必要元件。在交通工具的情况下，能量通常在制动期间再生，用于在发动期间后来使用。总的来说，当后来使用的要求低时可产生能量，因此降低燃料消耗。总的来说，出于某些原因，电池组运行环境是苛刻的， 包括但不限于环境运行温度的大变动、延长的机械颤动以及存在腐蚀性污染物。此外，在严格的条件下实现充电和放电，包括在重型交通工具加速时大量的放电电流以及在制动时大量的充电电流。然而，假定高初始资金成本，混合交通工具电池组通常预期具有延长的寿命。通常，这些电池组由许多电池组成。每个电池与相邻的电池电隔离， 同时，各电池以串联或并联排列彼此电连接。通常，单个的电池通过放置在电池之间的云母片材或云母卷或箔分隔，用于电绝缘。已知存在许多不同类型的电池组。然而，如普通技术人员所理解的，当前的高温电池组(例如，钠金属卤化物电池组)易于由于对电池组的机械颤动破坏而失效。机械颤动引起在云母片材和电池之间的相对运动，导致由于电蠕变而在电池之间损失电连接。颤动还可导致在密封空间中的击打失效，并且可导致破坏云母片材的机械和绝缘性质。因此，期望开发一种具有高可靠性和延长的寿命的电池组包装，具有改进的电绝缘以用于混合运输交通工具例如机车的高颤动环境。发明概述根据本发明的一些实施方案，提供了包含多个电化学电池的电池组包装组件。所述电化学电池通过施用于电化学电池的外表面的高温电绝缘涂层彼此隔离。本发明的一些实施方案还提供了一种用于在电池组包装组件中在单个电化学电池之间提供电隔离的方法。所述方法包括通过高温热沉积方法将高温绝缘材料的涂层施用于电池的外表面的步骤。高温绝缘材料的熔点大于电化学电池的运行温度。附图参考附图，阅读以下详细说明可更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优
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图1为本发明的一个实施方案的示意图；图2为本发明的另一个实施方案的示意图。发明详述如以下详细讨论的，本发明的一些实施方案提供了在电池组包装中用于单个电化学电池的电隔离的高温电绝缘涂层。这些实施方案有利地避免在运行期间破坏电池之间的电绝缘的风险。本发明的实施方案还描述了一种在每个电池的外表面上施用这种高温涂层
3的方法。虽然本讨论在用于电池组的涂层的上下文中提供了实例，本领域普通技术人员将容易地理解这些涂层在其他上下文中的应用也在本发明的范围内，例如用于热阻挡涂层或腐蚀阻挡涂层。本发明将描述关于用于移动系统的电池组包装。然而，本发明同样适用于可在高温(通常大于约250°C)下运行的其他类型的电池组。此外，本发明可用于固定应用，例如不间断电力供应(UPS)系统和电信系统。本文在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可应用于修饰任何数量表示， 这些数量可允许变化但不会导致相关的基本功能的变化。因此，被一个或多个术语例如 “约”修饰的数值不局限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可相应于测量该值的仪器的精度。本文使用的“阴极材料”为在充电期间供应电子的材料，并且作为氧化还原反应的一部分存在。“阳极材料”在充电期间接受电子，并且作为氧化还原反应的一部分存在。本文使用的术语“电隔离”是指相对于并排排列的电池，在电池组包装组件中每个电化学电池与相邻的电池电分离。本文使用的“击穿强度”是指在施用的AC或DC电压下材料的介质击穿抗性的度量。将在击穿前施用的电压除以材料的厚度，以提供击穿强度值。其通常以相对于单位长度的单位电位差来测量，例如千伏/毫米(kV/mm)。除非另外说明，否则本文使用的术语“高温”通常是指超过约250摄氏度(V )的温度。根据本发明的一个实施方案，提供了一种电池组包装组件。所述电池组包装组件包含多个电化学电池，所述电化学电池通过施用于每个电化学电池的外表面的高温电绝缘涂层而电隔离。图1举例说明根据本发明的一个实施方案的电池组包装组件10的示例性图。在举例说明的实施方案中，电池组包装10包括多个电化学电池12。电池12以串联和并联排列彼此电连接。电池的数量以及它们的电排列通常取决于电池组包装的输出要求以及最终的使用应用。电池12在包装中彼此相邻堆叠。每个电池12具有外表面18，其中的一部分与相邻的电池接触。每个电池12通过施用于每个电池12的外表面18或在至少一个接触面上的高温电绝缘涂层30与相邻的电池电隔离，如以下所述。图1的一个电池12的示意图示于图2。电化学电池12包含具有内表面16和外表面18的金属外壳14。电池12还包含具有第一表面22和第二表面M的隔板20。第一表面22限定第一室沈的至少一部分，第二表面M限定第二室28。第一室沈布置在第二室 28内。第一室沈通过隔板20与第二室28离子连通。金属外壳14的外表面18涂布有高温电绝缘涂层30。在该实施方案中，第一室沈和第二室28还包括集电器32和34以收集通过电化学电池产生的电流。金属外壳14通常为容器，并限定在外壳14的内表面16和隔板20的第二表面M 之间的第二室观。用于金属外壳的合适的金属材料可选自例如镍、低碳钢、不锈钢、涂镍的钢、钼和涂钼的钢。为了在电池组包装中电隔离单个电化学电池，通过在电池的外表面18上施用高温绝缘涂层，每个电池与相邻的电池分离。应理解的是，在本文主要举例说明的一些实施方案中，将涂层施用于每个电化学电池的外表面。然而，在其他实施方案中，可将涂层施用于一个电池的外表面，有时可足以将电池与未提供有涂层的相邻电池的接触面绝缘。此外，还可将涂层施用于其他表面，这部分取决于涂层施用技术。作为一个实例，可在金属外壳14 的内表面16上施用涂层。在该情况下，至少一个集电器可能结合到阳极结构的一些部分中。从工艺的立场，向这些其他表面施用涂层有时可能是有利的，因为可消除有时必要的不同的掩蔽步骤。绝缘涂层可承受高温，也就是，至少在电化学电池的运行温度下。电化学电池可在约250-约400°C的温度范围内运行。在一个优选的实施方案中，电池的运行温度可在约 270°C -约350°C范围内。在某些实施方案中，运行温度可达到高达约400°C。为了满足高温和安全性要求，选择熔点为至少约500°C的绝缘材料用于绝缘涂层。在一个实施方案中， 绝缘材料的熔点在约500°C -约600°C范围内。合适的高温绝缘材料可包括但不限于陶瓷、玻璃、搪瓷、高温聚合物或它们的组合。在一个实施方案中，陶瓷材料包括氧化物、碳化物或氮化物。在一个示例性实施方案中， 陶瓷材料为氧化铝。在高温下多种聚合物可为合适的，并且称为“高温聚合物”。这些聚合物的玻璃化转变温度通常超过约200°C，并且它们的熔融/分解温度超过约300°C。高温绝缘聚合物的非限制性实例包括硅烷、硅氮烷、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺和改性聚酰亚胺(聚酰亚胺清漆)例如氰基改性聚酰亚胺和硅酮改性聚酰亚胺；氰酸酯、biamaleimides、酚醛塑料(例如，工程化的酚醛塑料)、三聚氰胺、脲醛树脂和含有任何前述物质的不同的共聚物。在一个优选的实施方案中，高温绝缘聚合物为聚酰亚胺清漆、酚醛基的清漆、聚硅氮烷基的树脂例如HTT1800 (得自KION Corporation)、聚硅氮烷嵌段共聚物(CERASET SN 预制陶瓷聚合物、Lanxide Corporation，Newark，DE)、改性聚醚醚酮(PEEK)和氰酸酯。可使用不同的聚酰亚胺清漆，其中聚酰胺酸溶解于有机溶剂中。这种清漆的具体的非限制性实例包括 T0RAYNEECE (得自 iToray Industries Inc.)、U_varnish (得自 Ube industries, Ltd.)、RIKAC0AT (得自 New Japan Chemical Co.，Ltd.)、0PT0MER (得自 Japan Synthetic Rubber Co.，Ltd.)、SE812 (得自 Nissan Chemical Industries, Ltd.)和 CRC8000 (得自 Sumitomo Bakelite Co. , Ltd)。在另一个实施方案中，聚合物为聚合物复合材料。本文使用的术语“复合材料”是指由多于一种组分制成的材料。因此，在该实施方案中，聚合物或共聚物含有至少一种无机组分，例如，填料材料。所述聚合物可选自上述较高温度聚合物。填料材料可为以上讨论的陶瓷材料中的一种。陶瓷材料可具有多种形状或形式，例如，颗粒、纤维、片状体、晶须、棒或两种或更多种前述形式的组合。在一个实施方案中，可使用具有特定的粒度、粒度分布、平均颗粒表面积、颗粒形状和颗粒截面几何形状形式的陶瓷材料(例如，颗粒)。(取决于组分的类型，例如，在晶须或棒的情况下，其他规格还可依附于长宽比)。在一个实施方案中，陶瓷材料可以约重量-约80%重量的量存在于聚合物复合材料中，基于所述聚合物复合材料的总重量。在另一个实施方案中，陶瓷材料可以约5% 重量-约60%重量的量存在，基于所述聚合物复合材料的总重量。在又一个实施方案中，陶瓷材料可以约10%重量-约50%重量的量存在，基于所述聚合物复合材料的总重量。高温绝缘涂层预期在苛刻的环境中具有坚固性和长寿命。涂层耐苛刻的机械条件，并且不会由于移动系统(例如机车和公交车)的颤动或振动而龟裂或磨损。在一些实施方案中，除了电隔离以外，绝缘涂层还对电化学电池提供防腐性。在运行期间，已熔融的钠可泄漏流出外壳的外表面。施用高温绝缘涂层防止磨损(磨损可导致泄漏)，继而防止在电池中可能的腐蚀问题。因此，高温绝缘涂层提供了颤动吸收，耐磨性和在电池之间的电隔
1 O涂层的以上讨论的性质取决于不同的参数，例如涂层的厚度、沉积方法、用于涂层的材料，等。在一个实施方案中，高温绝缘涂层的厚度在约50 μ m-约Imm范围内，在一些具体的实施方案中，为约100 μ m-约500 μ m。在一个实施方案中，高温绝缘涂层的击穿电压 (或介电强度)为至少约10kV/mm。在一个实施方案中，涂层的硬度值在约100HV-约2000HV 范围内。隔板20布置在金属外壳14内。隔板可具有垂直于轴的截面轮廓，其为圆形、三角形、正方形、十字形或星形。隔板通常为在使用期间传导碱金属离子的碱金属离子导体固体电解质。用于隔板的合适的材料可包括碱金属’-氧化铝、碱金属“-氧化铝、碱金属’-没食子酸盐或碱金属“-没食子酸盐。在一个实施方案中，隔板包括β ”氧化铝。在一个实施方案中，一部分隔板包含α氧化铝，而另一部分隔板包含β ”氧化铝。比起β氧化铝，α氧化铝可相对更顺从于结合(例如，压缩结合)，并且可有助于电池的密封和/或制造。在一个实施方案中，隔板20可为具有第一表面22和第二表面M的管状容器。隔板通过所选的离子导电率表征。隔板的电阻(即，跨其厚度)可部分取决于自身的厚度。合适的厚度可小于约5毫米。在一个实施方案中，隔板的厚度在约0. 5毫米-约5毫米范围内。在一个优选的实施方案中，隔板的厚度在约1毫米-约2毫米范围内。在一个实施方案中，碱金属离子跨隔板20在第一室沈和第二室观之间输送。合适的离子材料可包括钠、锂和钾中的一种或多种。碱金属为阳极材料。在一个实施方案中， 阳极材料为钠。至少第一室或第二室可接受和储存阳极材料储器。在使用期间阳极材料通常熔融。适用于阳极材料的添加剂可包括金属氧清除剂。合适的金属氧清除剂可包括锰、 钒、锆、铝或钛中的一种或多种。其他可用的添加剂可包括通过熔融阳极材料来提高隔板表面的润湿的材料。此外，一些添加剂可关于集电器增强隔板的接触或润湿，以确保在整个隔板中基本上均勻的电流流动。在一个实施方案中，电化学电池12为钠金属卤化物电池。第一室可含有阴极材料，第二室可含有阳极材料。阴极材料可以元素形式或作为盐存在，这取决于电荷的状态 (即，关于存在的材料的形式的比率)。阴极材料可含有碱金属，并且阴极材料的盐形式可为卤化物。用作阴极材料的合适的材料可包括铝、镍、锌、铜、铬、锡、砷、钨、钼、铁和它们的不同的组合。碱金属的卤离子可为氯、氟、溴、碘或它们的不同的组合。在一个实施方案中，可使用至少两种阴极材料，S卩，第一阴极材料和第二阴极材料。第一阴极材料可包括铝、镍、锌、铜、铬和铁。第二阴极材料与第一阴极材料不同，并且也可选自铝、镍、锌、铜、铬和铁。其他合适的第二阴极材料为锡、砷、钨、钛、铌、钼、钽、钒和它们的不同的组合。相对于第二阴极材料，第一阴极材料可存在的比率小于约100 1。 在一个实施方案中，相对于第二阴极材料，第一阴极材料可存在的比率在约100 1-约 50 1范围内。在另一个实施方案中，相对于添加剂金属，第一阴极材料可存在的比率在约 50 1-约1 1范围内。在又一个实施方案中，相对于添加剂金属，第一阴极材料可存在的比率在约1 1-约1 95范围内。阴极材料可自支撑或为液体/熔融的。在一个实施方案中，阴极材料在电传导载体结构上布置。所述载体结构可具有多种形式，例如泡沫、网、编织、毡或多个包装的颗粒、 纤维或晶须。在一个实施方案中，合适的载体结构可由碳形成。一种示例性碳形式为网状泡沫。载体结构也可由金属形成。阴极材料可固定于载体结构的外表面。在一些情况下，载体结构可具有高表面积。 在载体结构上的阴极材料可与隔板的第一表面相邻，并延伸离开该隔板表面。载体结构可离开第一表面延伸至大于约0. 01毫米的厚度。在一个实施方案中，厚度在约0. 01毫米-约 1毫米范围内。在一个实施方案中，厚度在约1毫米-约20毫米范围内。对于更大容量电化学电池，厚度可大于20毫米。含硫或含磷添加剂可布置在阴极材料中。例如，元素硫、硫化钠或三苯基硫化物可布置在阴极中。在阴极中存在这些添加剂可降低或防止盐的重结晶和晶粒生长。在另一个实施方案中，电化学电池12为钠-硫电池。在该实施方案中，第一室含有为钠的阳极材料，第二室含有阴极材料。阴极材料通常为硫。如以上讨论的，电化学电池12具有集电器32和34，包括阳极集电器和阴极集电器。阳极集电器与阳极材料电连通，阴极集电器与阴极材料电连通，或者与相应的室电连通。用于阳极集电器的合适的材料可包括W、Ti、Ni、Cu、Mo或其中两种或更多种的组合。还可使用碳。阴极集电器可为金属丝、叶片或网，通常由Pt、Pd、Au、Ni、Cu、C或Ti形成。集电器可被电镀或镀过。阳极集电器和阴极集电器通常具有大于约1毫米(mm)的厚度。第一室沈和第二室28可通过密封结构(在图中未示出)密封至隔板20，所述密封结构例如垫圈、密封条或密封组合物。密封结构使得电池的内含物与环境之间分离，并且也防止泄漏和污染。另外，密封结构将第一室和第二室与外部环境隔离和彼此隔离。例如，所述密封结构可为玻璃状组合物、金属陶瓷或它们的组合。合适的玻璃状密封组合物可包括但不限于磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、锗酸盐、钒酸盐、锆酸盐和砷酸盐。这些材料可采用不同的形式，例如，硼硅酸盐、铝硅酸盐、硅酸钙、二元碱金属硅酸盐、碱金属硼酸盐或其中的两种或更多种的组合。金属陶瓷可含有氧化铝和难熔金属。合适的难熔金属可包括钼、铼、钽或钨中的一种或多种。或者，隔板的末端部分可包括α氧化铝。α氧化铝可与密闭第二室的盖直接结合。合适的结合方法可包括热压缩结合、扩散结合或薄膜镀金属。这些方法中的每一种可与焊接或铜焊技术结合使用。密封结构能在升高的温度下保持完整。第一室沈和第二室观各自通常在大于约 3000C的温度下密封。在一个实施方案中，电池组包装组件的运行温度范围为约250-400°C。 在一些优选的实施方案中，电池组包装的运行温度可在约270°C -约350°C范围内变化。在某些实施方案中，电池组包装的运行温度可高达约400°C。在卤素和阳极材料存在下，隔板不蚀刻或成坑。根据本发明的一个实施方案，提供了在电池组包装中在单个电化学电池之间提供电隔离的方法。所述方法包括将高温绝缘材料的涂层施用于电池的外表面的步骤，通常 (但不总是)对每个电池施用。高温绝缘材料的熔点大于电池组包装的运行温度。通过高温热沉积方法施用高温绝缘涂层。多种沉积技术可用于高温绝缘涂层的沉积。合适的高温热沉积方法的实例包括但不限于等离子体喷雾方法、HVOF(高速氧-燃料)喷雾方法、液体火焰喷雾方法和冷喷雾方法。在一个示例性实施方案中，等离子体喷雾沉积为空气等离子体喷雾(APS)沉积方法。在一些实施方案中，高温绝缘涂层为如以上讨论的陶瓷涂层。在那些实施方案中，可使用基于前体的沉积技术。所述前体可为溶胶、凝胶、溶胶溶液、溶胶-凝胶或填充颗粒的前体。可在沉积后，在热处理下进行涂布。例如，铝可在合适的溶剂(例如正丁醇、正丙醇或异丙醇) 中混合，以形成合适的前体(例如，相应的醇盐)。或者，含有铝的有机金属化合物可用作前体。可通过合适的基于液体前体的喷雾技术沉积涂层，并热处理，以形成致密的氧化物氧化铝。
虽然本文仅举例说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明真实精神内的所有的这种修改和变化。
权利要求
1.一种电池组包装组件，所述组件包含多个电化学电池，所述电化学电池通过施用于电化学电池外表面的高温电绝缘涂层彼此电隔离。
2.权利要求1的电池组包装组件，其中所述多个电化学电池以串联、并联或串联和并联排列的组合电连接。
3.权利要求1的电池组包装组件，其中所述电化学电池的外表面包含金属外壳。
4.权利要求3的电池组包装组件，其中所述金属外壳包含选自镍、低碳钢、不锈钢、涂镍的钢、钼和涂钼的钢的金属材料。
5.权利要求1的电池组包装组件，其中所述高温电绝缘涂层包含陶瓷、搪瓷、高温绝缘聚合物或它们的组合。
6.权利要求5的电池组包装组件，其中所述陶瓷包含氧化物、碳化物或氮化物。
7.权利要求5的电池组包装组件，其中所述高温绝缘聚合物为选自硅烷、硅氮烷、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺、酚醛塑料、三聚氰胺和脲醛树脂的聚合物。
8.权利要求1的电池组包装组件，其中所述绝缘材料的熔点为至少约500°C。
9.权利要求1的电池组包装组件，其中所述涂层的厚度在约50μπι-约Imm范围内。
10.权利要求9的电池组包装组件，其中所述涂层的厚度在约100μ m-约500 μ m范围内。
11.权利要求1的电池组包装组件，其中所述涂层的击穿电压为至少约10kV/mm。
12.权利要求1的电池组包装组件，其中所述涂层的硬度值在约100-约2000HV范围内。
13.权利要求1的电池组包装组件，其中每个电化学电池包含第一室、第二室和隔板， 所述隔板具有限定第一室的至少一部分的第一表面和限定第二室的第二表面，并且第一室通过所述隔板与第二室离子连通。
14.权利要求13的电池组包装组件，其中所述第一室与第二室电绝缘。
15.权利要求13的电池组包装组件，其中所述第一室布置在第二室内。
16.权利要求13的电池组包装组件，其中所述隔板为碱金属-离子导体，并且包含碱金属-β-氧化铝、碱金属-β 〃 -氧化铝、碱金属没食子酸盐或碱金属〃 -没食子酸盐中的至少一种。
17.权利要求1的电池组包装组件，其中所述电化学电池为钠金属卤化物电池。
18.权利要求1的电池组包装组件，其中所述电化学电池为钠-硫电池。
19.权利要求13的电池组包装组件，其中至少第一室或第二室包含本身包含钠的阳极材料。
20.一种用于在电池组包装组件中在单个电化学电池之间提供电隔离的方法，所述方法包括通过高温热沉积方法将高温绝缘材料的涂层施用于每个电池的外表面的步骤，其中所述高温绝缘材料的熔点大于电化学电池的运行温度。
21.权利要求20的方法，其中所述高温热沉积方法为等离子体喷雾方法、HVOF(高速氧-燃料)方法或冷喷雾方法。
全文摘要
本发明描述了一种电池组包装组件。所述电池组包装组件包含多个电化学电池，其中所述电化学电池通过施用于每个电化学电池的外表面的高温电绝缘涂层彼此隔离。本发明还描述了用于在单个电化学电池之间提供电隔离的方法。
文档编号H01M10/39GK102598348SQ201080049793
公开日2012年7月18日 申请日期2010年7月13日 优先权日2009年8月28日
发明者M·拉马内, V·S·文卡塔拉马尼 申请人:通用电气公司