专利名称：具有折叠电极的电化学电池单元的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及电池和电池系统领域。更具体而言，本申请涉及可以用于车辆应用中以对所述车辆提供至少一部分动力的电池和电池系统。
背景技术：
与更传统的使用内燃机的汽油动力车辆相比，将电力用于其动力的全部或一部分的车辆(例如，电动车(EV)、混合动力车(HEV)、插入式混合动力车(PHEV)等(统称为“电动车”))可以提供若干优点。例如，与使用内燃机的车辆相比，电动车可以产生更少的不利发射产物，并可以表现出更大的燃料效率(在一些情况下，这种车辆可以完全取消对汽油的利用，对于某些类型的PHEV就是这种情况)。随着电动车技术继续发展，需要为这种车辆提供改进的电源(例如电池系统或者模块)。例如，期望在不需要对电池进行重新充电的情况下增加这种车辆可以行驶的距离。 还期望改善这种电池的性能并且降低与电池系统相关联的成本。持续进展的一个改进领域是电池化学性质的领域。早期的电动车系统采用镍-金属-氢化物(NiMH)电池作为动力源。随着时间的发展，不同的添加剂和修改已经改善了 NiMH电池的性能、可靠性和实用性。近来，制造商开始开发可用于电动车中的锂离子电池。为车辆应用使用锂离子电池，有若干相关的优点。例如，锂离子电池比NiMH电池具有更高的电荷密度和比功率。换言之，锂离子电池可以比NiMH电池更小，同时存储相同量的电荷，这可以在电动车中节省重量和空间(或者，这个特征可以允许制造商为车辆提供更大量的功率而不会增加车辆的重量或增加电池模块占用的空间)。公知的是锂离子电池的工作与NiMH电池不同，这可能会提出与NiMH电池技术不同的设计与工程挑战。例如，锂离子电池可能比可比拟的NiMH电池对电池温度变化更敏感，从而可能使用系统来调节车辆运行期间锂离子电池的温度。锂离子电池的制造还给这种电池的化学性质提出了独特的挑战，正在开发新的方法和系统来解决这种挑战。期望提供一种在电动车中使用的得到改善的电池模块和/或系统，所述电池模块和/或系统解决了与在这种车辆中使用的NiMH和/或锂离子电池系统相关联的一个或者多个挑战。还期望提供一种包括通过浏览本公开将变得显而易见的任意一个或者多个有利特征的电池模块和/或系统。
发明内容
根据示范性实施例，一种电化学电池单元包括电池单元元件，所述电池单元元件包括至少一个电极。所述至少一个电极的一部分从所述电池单元元件的端部向外延伸。所述至少一个电极的所述一部分在其自身上折叠，以提供用于导电连接至所述电化学电池单元的端子的耦合表面。
图IA是根据示范性实施例的包括电池模块的车辆的透视图。图IB是根据示范性实施例的包括电池模块的车辆的剖视示意图。图2是根据示范性实施例的电池模块的透视图。图3A是根据第一示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图;3B是根据第二示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图3C是根据第三示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图3D是根据第四示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图3E是根据第五示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图3F是根据第六示范性实施例的电化学电池单元的透视图。图4是根据示范性实施例的折叠合成电极的部分截面图。图4A是根据示范性实施例在折叠之前的电极的透视图。图4B-4E是图4A的电极的端部视图，示出了根据示范性实施例折叠所述电极的方法。图5-15是根据各示范性实施例的电极的多个折叠边缘的部分截面图。图16是图3D中示出的电化学电池单元沿图3D中的线16_16截取的部分截面图。
具体实施例方式图IA是具有电池模块120的汽车(例如小汽车)形式的车辆110的透视图，电池模块120用于对车辆110提供全部或者部分动力。这种车辆110可以是电动车(EV)、混合动力车(HEV)、插入式混合动力车(PHEV)，或使用电力推进的其它类型车辆(统称为“电动车，，)。尽管将车辆110示出为图IA中的小汽车，但是根据其它示范性实施例，车辆的类型可以不同，所有这些都旨在落入本公开的范围内。例如，车辆110可以是卡车、公共汽车、 工业车辆、摩托车、娱乐车、船或可受益于将电力用于其全部或部分推进功率的任何其它类型车辆。尽管图IA中将电池模块120示为位于车辆后备箱或后部中，但是根据其它示范性实施例，电池模块120的位置可以不同。例如，可以基于车辆之内的可用空间、车辆的期望重量平衡、与电池模块120 —起使用的其它部件(例如电池管理系统、通风孔或冷却装置等)的位置和各种其它考虑来选择电池模块120的位置。图IB示出了根据示范性实施例以HEV形式提供的车辆110的剖视示意图。朝向车辆110的后部，靠近燃料箱112设置电池模块120(可以紧靠燃料箱112设置电池模块120 或可以在车辆110后部(例如后备箱)中的独立间隔中设置电池模块，或可以设置于车辆 110中的别处)。在车辆110使用汽油动力来推进车辆110时，设置内燃机114。还设置电动机116、功率分配装置117和发电机118作为车辆驱动系统的一部分。可以仅由电池模块120，仅由引擎114，或由电池模块120和引擎114两者来对这种车辆110进行供电或驱动这种车辆110。应当指出，根据其它示范性实施例可以使用其它类型的车辆和车辆驱动系统配置，图IB的示意图不应被视为限制在本申请中描述的主题范围。根据各示范性实施例，电池模块120的尺寸、形状和位置，车辆110的类型，车辆技术的类型(例如EV、HEV、PHEV等)和电池的化学性质等可以与所示或所述的不同。参考图2，示出了根据示范性实施例的电池模块120。根据示范性实施例，电池模块120包括电化学电池或者电池单元130，并且包括用于将电化学电池单元130彼此连接和 /或连接到车辆电气系统的其它部件并且还用于调节电池模块120的电化学电池单元130 和其它特征件的特征件或者部件。例如，电池模块120可以包括负责用于监控电池模块120 的电性能、管理电池模块120的热行为、流出物(例如从电池单元130排出的气体)的容纳和/或引导以及电池模块120其它方面的特征。根据示范性实施例，电池模块120包括多个电化学电池单元130(例如锂离子电池单元、镍-金属-氢化物电池单元、锂聚合物电池单元等，或现在已知或今后开发的其它类型的电化学电池单元)。根据示范性实施例，电化学电池单元130是配置成存储电荷的大致圆柱形锂离子电池单元。根据其它示范性实施例，电化学电池单元130可以具有其它物理配置(例如，椭圆形、棱形、多边形等)。电化学电池单元130的容量、尺寸、设计和其它特征也可以与根据其它示范性实施例所示的不同。使用以汇流条或类似元件(未示出)的形式提供的连接器将每个电化学电池单元 130电耦合至一个或多个其它电化学电池单元130或电池模块120的其它部件。根据示范性实施例，汇流条容纳或包含在汇流条支架中。根据示范性实施例，由导电材料构造汇流条，导电材料例如是铜(或铜合金)、铝(或铝合金)或其它适当材料。根据示范性实施例， 可以通过焊接(例如电阻焊)或使用紧固件(例如，可以在汇流条的端部孔中接收螺栓或螺丝并且旋入端子中的螺纹孔中)将汇流条耦合到电化学电池单元130的端子。尽管图2中例示为具有特定数量的电化学电池单元130( S卩，四排电化学电池单元，在每排中布置20个电化学电池单元，总共80个电化学电池单元)，但应当指出，根据其它示范性实施例，根据多种考虑的任意考虑(例如，电池模块120所需的功率、电池模块120 必须配合在其中的可用空间等)可以在电池模块120中使用不同数量和/或布置的电化学电池单元130。根据示范性实施例，在第一构件、结构、外壳或托盘(未示出)中设置多个电化学电池单元130。根据示范性实施例，托盘接收处于适当取向中的个体电化学电池单元130以组装电池模块120。根据示范性实施例，托盘还可以包括实现电化学电池单元130与托盘底部和/或与相邻电池单元间隔开的特征。例如，根据示范性实施例，托盘可以包括一系列特征(例如开口、孔径、插座等)以将电化学电池单元130定位并且保持在托盘底部上方的适当位置。根据示范性实施例，托盘可以由聚合材料或其它适当材料(例如电绝缘材料)制成。图3A-3F示出了电化学电池单元140的各示范性实施例。根据示范性实施例，电化学电池单元可以是圆柱形电池单元(例如如图3A-3D所示)、棱柱形电池单元(例如如图 3E-3F所示)、或者电化学电池单元的其它类型、大小或者配置。根据示范性实施例，每一个电化学电池单元140包括第一端子150和第二端子160。根据示范性实施例，第一端子150从电池单元140的第一端部延伸并且第二端子160 从电池单元140的第二端部延伸(例如如图3A-3C和3E所示)。根据另一示范性实施例， 第一端子150和第二端子160 二者可以从电池单元140的单个端部延伸(例如如图3D和 3F所示)。根据其它示范性实施例，电化学电池单元140可以具有其它端子配置。现在参考图16，示出了如图3D所示的电化学电池单元140D的截面图。电化学电池单元140D包括容纳器或者壳体325、帽或者盖342以及电池单元元件135。根据示范性实施例，电池单元元件135是包括至少一个阴极或者正电极、至少一个阳极或者负电极以及一个或者多个分隔体的缠绕的电池单元元件。分隔体设置在中间或者在正负电极之间以将电极彼此电隔离。根据示范性实施例，电池单元140D包括通过填充孔341设置在电池140D 的壳体325中的电解质(未示出)。根据示范性实施例，电池单元元件135具有缠绕配置，其中在以管或者心轴形式设置的构件或者元件周围缠绕电极和分隔体(例如在国际专利申请No. PCT/ US2009/053577中示出和描述的，这里并入其全部内容)。根据示范性实施例，心轴350可以包括构件360以至少部件将心轴350与电池单元元件135隔离。尽管所示的心轴350设置为具有大致圆柱形形状，但是根据其它示范性实施例，心轴350可以具有不同的配置(例如可以具有椭圆形或者矩形截面形状等等)。应注意，尽管所示的电池单元元件135具有大致圆柱形形状，但是所述电池单元元件135也可以具有不同的配置(例如其可以具有椭圆形、矩形或者其它期望的截面形状)。根据另一示范性实施例，电池单元元件可以是叠置的或者棱柱形电池单元元件 (例如与图3E-3F所示的棱柱形电池一起使用)。图16中所示的各种特征可以例如结合在图3A-3F中所示的具有其它配置的电池使用。例如，根据另一示范性实施例，电池单元元件135可以具有叠置的或者棱柱形配置 (未示出)。在这样的实施例中，将正负电极设置为板状并且按照交替的方式彼此叠置，其中将分隔体设置在中间或者在正负电极之间以将电极彼此电隔离。根据缠绕或者棱柱形电池单元元件配置，根据示范性实施例，正电极与负电极沿轴向方向偏离。因此，在电池单元元件135的第一端部处，正电极将比负电极沿轴向方向更进一步延伸，并且在电池单元元件135的第二(相对)端部处，负电极将比正电极沿轴向方向更进一步延伸。这种配置的一个有利特征在于可以在不接触相反极性电极的情况下将端子或者电流集电器连接到电池单元的一个端部处的电极。例如，根据示范性实施例，可以在电池单元元件135的一个端部处将负电流集电器340(例如如图16所示)连接到暴露的负电极170并且可以在电池单元元件135的相对端部处将正电流集电器(未示出)连接到暴露的正电极(未示出)。根据示范性实施例，负电流集电器340将负电极170电连接到电池单元140的负端子150。如图16所示，负端子150通过绝缘体344与壳体325的盖342绝缘。根据示范性实施例，正电流集电器(未示出)将正电极(位于电池的底部)电连接到壳体325的底部，所述壳体325的底部电连接到盖342(例如如图16所示)，所述盖342又电连接到正端子160。根据示范性实施例，电池单元元件135可以通过绝缘体346与电池壳体325至少部分绝缘。参考图4，根据示范性实施例，电池单元元件135包括第一电极170和第二电极220，在上述二者之间设置分隔体210以防止电极之间接触。根据示范性实施例，第一电极 170包括基板180以及设置在基板的相对表面上的导电层190，以创建合成构件或者电极。 根据示范性实施例，基板180可以由包括Mylar< 的各种聚合物构成。根据示范性实施例， 导电层190可以是包括铜(或者铜合金)和/或铝(或者铝合金)的任何适合金属。在各实施例中，可以通过涂覆、层叠或者其它适合的工艺来提供导电层。分隔体210可以由任何已知的非导电材料构成，包括聚乙烯、聚丙烯等等。根据示范性实施例，基板180的厚度在大致10-40微米范围内。根据另一示范性实施例，基板180厚度在大致15-25微米范围内。根据另一示范性实施例，基板180厚度为大致20微米。在各示范性实施例中，导电层190是厚度在大致2-20微米范围内的薄膜或者箔。根据另一示范性实施例，导电层190厚度在大致5-15微米范围内。然而应意识到， 根据其它示范性实施例，基板和导电层的厚度可以不同。根据示范性实施例，基板和导电层的厚度应该允许电极170为柔性以易于涂覆和处理，并且避免其在电化学电池单元130的制造期间扭结和变形。如图4-15所示，电极170的一部分或者边缘230 (例如端部、侧面等等)延伸超出分隔体210和第二电极220。根据示范性实施例，边缘230可以折叠任意次数(例如在电极 170的制造期间，例如在缠绕或者叠置工艺之前)。图4-15仅示出了边缘230的折叠配置的几个示例。应注意到，本领域的普通技术人员将意识到存在许多其它可能的折叠配置。参考图4A-4E，示出了根据示范性实施例的电极170的边缘230的折叠方法。如图 4A-4B所示，根据示范性实施例，将电极170示出为基本上平的构件或者片状体(例如在缠绕为缠绕配置或者叠置为棱柱形配置之前)。通过浏览本申请应该理解，如图4A所示的处于平整形式下的电极将具有通常比其宽度更长的长度，并且图4A中的示例旨在仅作为电极170的示意性示例并且不是按照比例绘制。如图4C-4E所示，根据示范性实施例，电极170的边缘230涉及被配置成将电极 170的边缘230折叠(例如倒装、卷曲、卷起等等)到其自身上的设备(未示出)。这种操作可以在缠绕电极以形成电池单元元件之前立即发生(例如作为连续操作的一部分)，或者可以提前进一步执行。根据示范性实施例，可以在电极170的切开操作之后，或者在电极的砑光(calender)操作之后，或者在电极的组合切开/砑光操作之后，执行该操作。根据示范性实施例，在电极170的连续处理期间，设备逐渐操控边缘230(例如在大致5-25英尺的距离上)。根据示范性实施例，边缘230可以对着其自身折叠或者在其自身上折叠以提供耦合表面MO (例如如图4所示的折叠电极的上表面)。耦合表面240提供可以随后耦合(例如焊接)到电流集电器(例如如图16所示)或者直接耦合到电池单元的端子的基本上平的表面。根据各示范性实施例，可以例如通过超声焊接、激光焊接、爆炸焊接、电子束焊接或者将电极附接到端子的任何其它已知或者后来开发的方法将耦合表面240焊接到电流集电器或者端子。根据示范性实施例，一旦缠绕或者叠置了电极170，可以邻近电极170的折叠边缘 230的第二部分设置电极170的折叠边缘230的第一部分(例如如图5_15所示)。总之， 折叠边缘230的第一部分和第二部分可以限定电流集电器或者端子能够随后附接到其上的耦合表面240 (例如可以使电流集电器与折叠边缘的两个部分的上表面接触)。根据其它示范性实施例，可以彼此邻近或者彼此接触地设置折叠边缘的多于两个部分(例如，在缠绕电极的情况下，可以折叠整个边缘以使得在缠绕电极以形成电池单元元件时，电池单元元件的整个上表面由折叠的边缘部分的上表面限定，这在图16中示意性示出)。根据示范性实施例，折叠边缘230的第一部分和第二部分可以导电耦合到一起(例如通过焊接、压接、冲孔等等)。 根据示范性实施例，边缘230的耦合表面MO的基本上平的折叠部分提供附加表面区域，边缘230利用所述附加表面区域耦合到端子(例如经由电流集电器)。具有折叠边缘230比非折叠边缘(例如仅在其边缘的端部或者顶端)更适于耦合(例如焊接)。根据示范性实施例，可以折叠边缘230以对于耦合到端子或者电流集电器提供电极的密集而稳健的部分。 根据示范性实施例，边缘230具有大致垂直折叠配置(即，折叠边缘230的垂直部分比折叠边缘230的水平部分更长，如图5-8所示)。垂直折叠配置生成密集的耦合表面 240,以在不具有烧穿电极170的潜在风险的情况下允许边缘230有效耦合(例如焊接)到端子。根据另一示范性实施例(例如如图9-15所示)，边缘230具有大致水平折叠配置 (即，折叠边缘230的水平部分与折叠边缘230的垂直部分具有相同的长度或者比折叠边缘 230的垂直部分更长，如图9-15所示)。水平折叠配置生成密集的耦合表面M0，以在不具有烧穿电极170的潜在风险的情况下允许边缘230有效耦合(例如焊接)到端子。参考图4，根据示范性实施例，边缘230的折叠可以在合成电极170的相对导电层 190之间提供导电连接。例如，通过将合成电极170的边缘230折叠至少两次，可以彼此邻近地设置相对导电层190。然而应注意到，根据另一示范性实施例，合成电极170的边缘230 可以围绕自身卷起而不是折叠。根据示范性实施例，相对导电层190可以在物理上彼此触碰或者接触，在相对导电层190之间提供导电连接。将合成电极170的相对导电层190导电连接到一起消除了用于将相对导电层190导电耦合到一起的附加步骤(例如压接、冲孔、冲压等等)的需要。然而，根据另一示范性实施例，可以通过压接、冲孔、冲压、焊接等等将相对导电层190导电耦
合到一起。应注意到，图5-15中所示的电极170可以是或者不是相对电极(例如如图4所示)，并且如图4所示的合成电极170的属性可以应用于或者不应用于如图5-15所示的电极170。例如，电极170可以仅包括不具有基板的单个导电材料。还应意识到，可以将导电材料(例如铜或者铜合金)缠绕、折叠或者以其它方式单独地或者与上述工艺结合地设置在折叠边缘230中(例如在一个或者多个边缘或者导电层之间)，以提供更稳健的耦合表面240 (和/或要在其上将电极170耦合或者焊接到端子或者电流集电器的附加表面区域)。如这里使用的，术语“大致”、“大约”、“基本”以及类似术语意在具有与本公开主题所涉领域中普通技术人员通常接受的用法一致的宽泛含义。研究过本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语意在描述所述和所主张的特定特征而不将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围。因此，应当将这些术语理解为表示，将所述和所主张主题的非实质性或无关紧要的修改或变更视为在所附权利要求中列举的示范性实施例范围之内。
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应当指出，这里用于描述各种实施例的术语“示范性”是要表示这样的实施例是可能实施例的可能范例、代表和/或例示(这样的术语并非要表示这样的实施例必然是特别的或最好的范例)。这里使用的术语“耦合”、“连接”等表示直接或间接将两个构件彼此接合。这样的接合可以是静止的(例如永久性的)或可活动的(例如，可移除的或可释放的)。可以利用两个构件，或两个构件以及作为单个整体彼此一体形成的任何额外中间构件，或利用两个构件，或两个构件以及彼此附着在一起的任何额外中间构件来实现这样的接合。这里提到元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅仅用于描述图中各元件的取向。应当指出，根据其它示范性实施例，各元件的取向可以有所不同，且这种变化意在由本公开涵盖。重要的是要指出，各示范性实施例中所示的电化学电池单元的构造和布置仅仅是例示性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但研究本公开的本领域技术人员容易认识到，在不实质上脱离本文所述主题的新颖教导和优点的情况下，很多修改都是可能的(例如，改变各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例，参数值，安装布置，材料、颜色、取向的使用等)。例如，被示为一体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以被翻转或以其它方式改变，可以改变或变化分立元件的性质或数目或位置。根据备选实施例可以改变任何过程或方法步骤的顺序或序列或重新排序。还可以对各示范性实施例的设计、运行条件和布置做出其它置换、修改、变化和省略，而不脱离本示范性实施例的范围。
权利要求
1.一种电化学电池单元，包括包括至少一个电极的电池单元元件，所述至少一个电极的一部分从所述电池单元元件的端部向外延伸，所述至少一个电极的所述部分在其自身上折叠以提供用于导电连接至所述电化学电池单元的端子的耦合表面。
2.如权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述至少一个电极的所述一部分在其自身上折叠至少两次。
3.如权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述至少一个电极具有从所述电池单元元件的所述端部向外延伸的第二部分，所述第二部分在其自身上折叠并且设置为邻近所述第一部分。
4.如权利要求3所述的电化学电池单元，其中所述第一部分和所述第二部分导电耦合在一起。
5.如权利要求4所述的电化学电池单元，其中所述第一部分和所述第二部分厚度为大约20微米。
6.如权利要求1所述的电化学电池单元，还包括第二电极以及设置在所述第一电极和所述第二电极之间的至少一个分隔体。
7.如权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述电池单元元件是缠绕的电池单元元件。
8.如权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述至少一个电极包括基板，所述基板具有耦合到所述基板的任一侧的相对导电层以形成合成电极。
9.如权利要求8所述的电化学电池单元，其中所述合成电极折叠至少两次，以将所述相对导电层中的第一导电层设置成与所述相对导电层中的第二导电层相邻。
10.如权利要求9所述的电化学电池单元，其中所述相对导电层中的所述第一导电层导电耦合到所述相对导电层中的所述第二导电层。
11.如权利要求9所述的电化学电池单元，其中所述相对导电层中的所述第一导电层通过冲孔、压接和焊接工艺中的至少一个导电耦合到所述相对导电层中的所述第二导电层。
12.如权利要求8所述的电化学电池单元，其中所述基板的厚度为大约20微米。
13.如权利要求12所述的电化学电池单元，其中所述相对导电层的厚度为大约2与20 微米之间。
14.如权利要求1所述的电化学电池单元，其中所述电化学电池单元是锂离子电化学电池单元。
全文摘要
本发明涉及一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括电池单元元件，所述电池单元元件包括至少一个电极。所述至少一个电极的一部分从所述电池单元元件的端部向外延伸。所述至少一个电极的所述一部分在其自身上折叠以提供用于导电连接至所述电化学电池单元的端子的耦合表面。
文档编号H01M2/20GK102197530SQ200980141977
公开日2011年9月21日 申请日期2009年9月8日 优先权日2008年9月9日
发明者J·D·富尔, J·P·丁克尔曼, T·J·多尔蒂 申请人:江森自控帅福得先进能源动力系统有限责任公司