具有热控开关的电池的制作方法
【专利说明】具有热控开关的电池
[0001]所描述的发明涉及一种电池，该电池具有:壳体；至少一个布置在壳体中的单独电池单元，所述单独电池单元具有至少一个正电极和至少一个负电极；与所述至少一个正电极相连的正量取极；以及与所述至少一个负电极相连的负量取极，本发明还涉及一种用来安全运行这种电池的方法。
[0002]“电池”的概念原来意味着多个串联连接的原电池单元。然而现在各个原电池单元(单独电池单元)也经常被称为电池。在原电池单元放电时，进行供应能量的化学反应，该化学反应由两个相互电耦合但空间上彼此分离的局部反应组成。在氧化过程中，在负电极释放出电子，从而形成经由外部耗电器到正电极的电子流，由所述正电极接收相对应量的电子。因此，在正电极进行还原过程。同时在电池单元内形成对应于电极反应的离子流。该离子流通过离子导电的电解质得以保证。在次级的电池单元和电池中，该放电反应是可逆的，因此存在如下可能性:逆转在放电时所进行的化学能到电能的转化。
[0003]在已知的次级电池单元中，尤其是锂离子电池单元达到比较高的能量密度，因此在充电和放电过程中锂离子由一个电极游离到另一个电极的电池单元达到比较高的能量密度。这样的电池单元尤其适用于便携式设备、例如笔记本电脑和移动电话中。然而，这些电池单元作为用于机动车的能量来源也特别受关注。
[0004]通常，锂离子电池的电池单元具有可燃的组成部分，因此例如锂离子电池单元的电解质通常包括有机溶剂、例如乙烯碳酸，作为主要成分。结合这种电池单元的高能量密度，这意味着不可低估的潜在危险。相应地，必须采取特殊的安全准备，以便于对使用者而言能够排除危险或者能够至少使危险保持在最低可能限度。
[0005]锂离子电池单元尤其在机械损坏时或者通过过度充电能够处于一种关键状态，在该状态中也许存在火灾危险。锂离子电池单元的过度充电能够导致金属锂沉积在负电极表面上以及导致包含在电池单元中的电解质的分解。后者或许导致电池单元严重的气体产生。在此，在极端情况下会导致对电池单元周围壳体的损坏。结果是湿气和氧气可能侵入电池单元，这会形成爆炸性的燃烧。
[0006]为了避免这种情况，给锂离子电池单元配设安全措施是已知的。例如布置合适的线路用来以电子的方式监视可充电锂离子电池单元的运行安全性由DE 101 04 981 Al已知。使用保险丝来提高锂离子电池的安全性由DE 10 2008 020 912 Al已知。并且由DE10 2007 020 905 Al可以知道具有放电导体的电池单元，该放电导体布置在薄的塑料膜上并且具有额定的分离点。如果所述膜变形，例如由电池单元气体产生导致，那么该放电导体就在额定分离点毁坏，由此使电池单元不可逆且持续地失活。
[0007]本发明基于的任务是提供一种电池，尤其是锂离子电池，其中实现可靠且简易的安全解决方案，该安全解决方案考虑到上述问题。
[0008]该任务通过具有权利要求1特征的电池得以解决。具有权利要求10特征的方法也是本发明的主题。根据本发明的电池的优选实施方式在从属权利要求2至9中给出。全部权利要求的文本在此通过参考本说明书的内容给出。
[0009]根据本发明的电池包括至少一个单独电池单元，所述单独电池单元具有至少一个正电极和至少一个负电极。优选地，该单独电池单元是基于锂离子的电池单元。与此对应，根据本发明的电池优选地是锂离子电池。根据本发明的电池的应用范围尤其是在机动车领域。对应地，根据本发明的电池优选是机动车电池。
[0010]优选地，单独电池单元以具有正电极/分离器/负电极顺序的电极和分离器膜的复合结构形式存在。在此，这些电极优选地包括大多以平面构成形式存在的金属集电器。在锂离子电池中，铝制的网或者膜，例如铝制板网或者打孔的铝膜，优选地例如位于正电极侧上。在负电极侧上，使用大多铜制的网或者膜作为集电器。原则上，电池能够不仅包含由多个平面单独电池单元组成的电池单元堆叠(堆垛)而且包含卷曲的单独电池单元(线圈)。
[0011]在根据本发明的电池中，至少一个单独电池单元布置在壳体内。壳体遮盖至少一个单独电池单元以免于其周围环境影响并且优选地壳体是气密和液密的。
[0012]根据本发明的电池具有与至少一个正电极相连的正量取极并且具有与至少一个负电极相连的负量取极。这些量取极用于连接耗电器，因此在电池中存储的电能在所述的量取极被“量取”。
[0013]根据本发明的电池的特征尤其在于，该电池包括至少一个热控开关，所述热控开关在壳体内温度上升超过温度阈值时，作为温度引起的膨胀和/或变形的结果而改变其开关状态并且在此触发安全机制，该安全机制抑制温度进一步上升。
[0014]在一优选实施方式中，热控开关是具有热控双金属元件的热控双金属开关，所述热控双金属元件在加热时变形，尤其弯曲。
[0015]在另一优选实施方式中，热控开关是包括膨胀元件的热控膨胀开关，所述膨胀元件在加热时向至少一个方向膨胀。
[0016]热控双金属开关和热控膨胀开关分别连接两个电触点，所述电触点在温度低于阈值时在空间上相互分离。在热控双金属开关的情况下，在温度上升超过温度阈值时，热控双金属元件发生变形直到同时接触两个触点。在热控膨胀开关的情况下，膨胀元件膨胀直到同时接触两个触点或者由于自身膨胀的结果，压合(zusa_enpressen)两个触点。
[0017]热控双金属元件(简称:双金属)已知地是由金属层构成的金属条，所述金属层具有不同的热膨胀系数。在温度变化时，金属层以不同程度膨胀，这导致金属条弯曲。合适金属化合物的示例是锌/钢或者钢/黄铜。
[0018]通常情况下，人们例如通过焊接而将热控双金属元件固定地连接到第一个将要被连接的触点，并且相对于第二个触点这样布置，使得所述热控双金属元件在温度上升时向该触点方向弯曲。在热控双金属元件和第二触点之间选择合适的间距是调节温度阈值的一种可能性，当热控金属开关超过温度阈值时热控金属开关改变其开关状态。
[0019]热控膨胀开关的膨胀元件优选地由具有高热膨胀系数的原料构成。膨胀元件能够是固体，但是也能够是液体或者气体，它们必要时优选地布置于可扩大的、液密和/或气密的包装中。
[0020]如果膨胀元件由导电材料构成，那么它能够布置在将要连接的电触点之间，使得所述膨胀元件在膨胀的情况下同时接触这些触点，或者人们例如通过焊接，将膨胀元件与第一个将要连接的触点连接，并且膨胀元件相对于第二触点这样布置，使得在温度上升时该膨胀元件向所述触点的方向膨胀直至接触该触点。在膨胀元件和第二触点之间选择合适的间距是调节温度阈值的一种可能性，当热控膨胀开关超过温度阈值时所述热控膨胀开关改变其开关状态。
[0021]然而，此外，通常更简单的是利用在加热情况下的膨胀，彼此挤压两个彼此间以所定义间距布置的电触点，例如通过活动设置的接触弹簧通过膨胀元件按压在静止的触点上。为此膨胀元件本身不必构造为可导电。
[0022]因此，在本发明中，人们经常利用电池或者其包含的电池单元的与过度充电相关的温度变化。上升的温度导致热控双金属元件的弯曲或者膨胀元件向至少一个