具有膨胀爆裂区域的电池单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电池单元（1），尤其是锂离子电池单元，其中，一绕组元件（3）、两个集电器（7、9）和电解质容纳在一壳体（11）中。该壳体由一容器（13）和一盖组件（15）构成。该盖组件主要包括一盖板（23），其与所述容器在置入所述电池单元的处于内部的部件之后固定连接。根据本发明，所述壳体包括一膨胀爆裂区域（30），当壳体内容物的容积在所述电池单元的一预设的温度运行范围内提高时，所述膨胀爆裂区域形成一拱起部（32）。此外，所述膨胀爆裂区域构造用于，在超过所述壳体内部的一预设的最大压力时爆裂。
【专利说明】具有膨胀爆裂区域的电池单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池单元，尤其是锂离子电池单元。本发明还涉及一种具有这种电池单元的运输工具。
【背景技术】
[0002]电池单元，有时也叫做蓄电池单元，用于化学地存储可供使用的电能。如今已经使用电池单元用于大量移动设备的能量供给。电池单元未来应该主要用于陆上和水上的移动电动运输工具或混合动力运输工具的能量供给，或用于固定地中间存储来自可选的能源的电能。
[0003]为此大多情况下将大量的电池单元组合成电池组。为了在此情况下尽可能高效地利用可供使用的组容积，尤其针对这种目的使用具有棱柱形的、例如立方体形状的电池单
J Li ο
[0004]由于其可能较高的能量密度、热稳定性以及缺少的记忆效应，对于要求严格的应用，例如用于陆上运输工具的存储器解决方案，大多采用一种锂离子蓄电池技术，其由于未来电动交通的高的经济重要性目前正在紧锣密鼓地改进。
[0005]已经存在不同类型的电池单元，尤其是锂离子电池单元，以及尤其是具有棱柱形形状的电池单元。
[0006]在开发以及在使用锂离子电池单元中的一个重要方面是例如通过热影响和化学影响对于单元内部的容积和压力的改变，尤其是提高。
[0007]在现有技术中目前例如做出安排，应该防止由于电池单元中的过高的压力而导致壳体的不受控的爆裂。因此，迄今为止常常使用防爆片，其在所述电池单元的一定义的提高的内压的情况下裂开或爆裂并且如此地例如防止所述电池单元的壳体受损。
[0008]这种提高的内压一方面会通过由于不希望的次级反应而导致的气体形成所产生。这包括污染物、腐蚀或一种非根据设定的应用。
[0009]另外，某些时候还可能由于温度改变或充电状态的改变而出现这种类型的蓄电池的较大的容积改变。迄今为止这种由充电状态弓丨起的或由温度引起的容积改变大多经由壳体的一受限的变形进行平衡。换句话说，壳体通过各壳体外表面的变形来“呼吸”。
[0010]此类的容积改变尤其是结合一受限的位置提供以及大量的电池单元在一电池模块中的布置方式会出现问题。因此，在开发电池单元和电池模块时不仅要考虑通过温度引起的影响所导致的容积改变，而且也要考虑由此可能在电池单元中产生的过压。
【发明内容】
[0011]借助于本发明的实施方式主要可以减小用于组装电池单元的费用以及与此相连的成本，而且也能够提高在运行这种电池单元时的安全性。
[0012]建议一种电池单元、尤其是锂离子电池单元，其具有至少一个绕组元件、一电解质、两个集电器和一壳体。该壳体在此具有一容器和一盖组件，其中，所述容器具有一开口，通过该开口，能够在制造所述电池单元期间将所述绕组元件和所述两个集电器置入到所述壳体中。所述盖组件具有一盖板并且气密地(gasdicht)以及耐压密封地(druckdicht)关闭所述容器的开口。所建议的发明的特征在于，所述壳体具有一膨胀爆裂区域。该膨胀爆裂区域具有第一弹性，其大于所述壳体的在该膨胀爆裂区域之外的第二弹性。此外，所述膨胀爆裂区域构造用于，构造一从所述绕组元件远离指向的拱起部，用以接收壳体内容物的在所述电池单元的预设的充电状态范围或温度运行范围内的与充电状态相关的或由温度引起的容积改变。此外，所述膨胀爆裂区域构造用于，在超过所述壳体内部的一预设的最大压力时爆裂。
[0013]根据本发明的电池单元的实施方式主要基于下列知识和想法:
所述电池单元的不同的部件的由温度引起的容积改变根据现有技术迄今为止绝大部分经由所述电池单元的壳体来平衡。这通常经由壳体部件的形状改变来进行，并且会导致通过单个的电池单元的容积增大可能引起在由多个电池单元组成的固定系统内的机械应力或损伤。因此，有利的是，所述容积改变可以在所述电池单元的一定义的部位处得以接收，从而这种容积改变不会对所述电池单元或所述电池模块的稳定性或功能具有不利影响。此外，所述爆裂功能以及所述呼吸功能在空间上和功能性的组合是值得向往的，用以出于位置原因和成本原因尽可能简单地保持所述电池单元的结构。
[0014]因此建议，将一电池单元的呼吸功能和爆裂功能组合到一共同的膨胀爆裂区域中。在此，所述膨胀爆裂区域和所述壳体的周围区域以如下方式构造，使得在所述电池单元内部的容积提高时发生所述壳体完全地或几乎完全地在所述膨胀爆裂区域中的变形，因为在该区域中的弹性高于在所述壳体的周围区域中的弹性。由此通过所述容积提高在该区域中构造出一向外的拱起部，其在其内部区域中接收所述额外的容积。
[0015]此外在同一空间上的区域中设置一爆裂功能:如果超过了所述电池单元内部的一定义的压力，这里一预设的最大压力或爆裂压力，则所述膨胀爆裂区域的材料撕裂并且释放一用于电解质或其它的处于所述电池单元中的部件或者说成分排出的开口。所述预设的最大压力应该大于所述电池单元的一内压，该内压在所述电池单元在所述温度运行范围中的正常运行期间在所述电池单元内部产生。所述温度运行范围描述了在使用针对使用目的所设置的条件之下在所述电池单元的正常的标准的运行期间在所述电池单元的一最小温度和一最大温度之间的温度范围。
[0016]壳体内容物可以理解为该壳体的所有部件或部分，它们处于所述电池单元的壳体的内部。其可以主要涉及所述绕组元件、所述集电器、所述电解质、机械的紧固元件或分隔元件。
[0017]组合的膨胀爆裂区域的优点是避免了通过经由机械的壳体部件、尤其是壳体外表面进行压力平衡所引起的机械做功，且因此避免了所述机械部件的更快磨损。此外，与迄今为止所采用的金属材料不同，可以通过使用弹性材料用于一爆裂膜来防止在爆裂时该膜的分部的脱落。换句话说，可以例如避免由所述电池单元包围的部件受损或处于所述电池单元周围的人员受到损伤。通过所述两个功能性部件在一空间区域中的组合，可以简化一电池单元的构造。
[0018]在本发明的一种实施方式中，所述壳体以刚性的壁区域以及一形成所述膨胀爆裂区域的弹性膜构造成。[0019]在许多情况下迄今为止电池单元的壳体由金属或塑料形成，其无法变形或仅特别少量地变形。弹性的且由此可容易变形的膜的优点是，可以为电池单元的膨胀爆裂区域提供一稳定的且在此机械牢固的结构。
[0020]膜在此可以理解为由一弹性材料构成的薄层。所述膨胀爆裂区域的材料的厚度在此可以与所述壳体材料的厚度不同。例如所述膨胀爆裂区域的材料的厚度可以比所述壳体的周围区域中的厚度薄很多。这样，所述膨胀爆裂区域的膜的厚度例如处于0.3-0.7mm的大小等级中，其中，所述壳体的材料、尤其是所述盖板可以具有0.8-1.2mm的厚度。
[0021]在此，所述膨胀爆裂区域的膨胀或尺寸以及形状和位置可以改变。所述膨胀爆裂区域可以优选布置在所述盖板的区域中，但也可以布置在所述壳体的其他部位处。此外，不仅所述膨胀爆裂区域的矩形的狭长的形状，而且椭圆形的或圆形的形状都是可行的。
[0022]在所述电池单元的制造方面，可以考虑所述膨胀爆裂区域例如在一盖板中的预批量生产，这可以减少用于制造和安装的费用且因此减少成本。
[0023]在本发明的一种实施方式中，所述弹性膜以一塑料、尤其是一弹性体构造成。
[0024]由于所述材料的所希望的弹性特性，不同的塑料提供了允许用于成形出所述拱起部的伸长。特殊的弹性体可以在它们的化学特性方面基于与所述电解质的反应以及由于它们的机械特性而是有利的。
[0025]根据本发明的一种实施方式，所述膜是耐电介质的。
[0026]电解质在与许多材料接触中引起化学反应且因此常常引起这些材料的机械特性的改变。这会导致相关材料的提前破坏或分解。
[0027]所述膜的耐电介质材料的优点在于，通过与所述电解质的接触不发生所述膜的化学变化。这有助于提高一电池单元的使用寿命并且有助于在运行一电池单元时的安全性。
[0028]在本发明的一种实施方式中，所述膜在其指向所述电解质的侧面上具有一耐电介质层。
[0029]该耐电介质层的优点尤其是如下可能性，即能够使用一种耐电介质的、但机械上在某些情况下有利的材料用于所述膜，而所述电解质不会与该材料发生连接。这种附加地应用的层可以例如由耐电介质的薄的金属层构成。
[0030]在本发明的一种实施方式中，所述膨胀爆裂区域具有一理论断裂区域，其具有局部减小的稳定性，在该断裂区域处所述膨胀爆裂区域在超过所述最大压力时裂开。
[0031]理论断裂区域尤其是理解为所述膨胀爆裂区域的机械的和结构上的特性，所述特性在高的机械应力的情况下能够实现在所述膨胀爆裂区域的确定的部位处的裂开。这具有如下优点，即一撕裂或爆裂能够以确定的方式和方法发生，从而能够高效地并且受控地拆除所述过压。这样可以例如防止了尤其是电解质从所述电池单元中冲击式地以及不受控的排出。
[0032]所述局部减小的稳定性可以尤其通过如下方式实现，即所述材料厚度例如通过刻槽来局部地被减小。这样，在超过所述最大压力或爆裂压力的情况下，所述膨胀爆裂区域的材料在具有减小的材料厚度的部位处撕裂。
[0033]通过适当的尺寸设计以及对所述理论断裂区域的性质的影响，还可以有目的性地受到影响，其中，在该最大压力的情况下所述膨胀爆裂区域裂开。
[0034]根据本发明的一种实施方式，所述膨胀爆裂区域构造用于，在爆裂时所述膨胀爆裂区域的分部都不脱落。
[0035]尤其是在现有技术中可找到的解决方案中，在一爆裂区域的不受控的撕裂的情况下，通过短时间的高的撕裂力会导致所述材料的分部发生脱落并且到达所述电池单元中或者在所述电池单元的周围引起损伤。
[0036]所述的实施方式的优点是，例如通过适当地选择所述膨胀爆裂区域的性质、尤其是所使用的材料和其结构上的构造，所述膨胀爆裂区域的分部或颗粒不会到达所述电池单元的内部并且在那里不会引起不利的化学反应或机械损伤。
[0037]根据本发明的一种实施方式，所述膨胀爆裂区域布置在所述盖板中。
[0038]所述膨胀爆裂区域在所述盖板中的布置方式的优点是在一电池模块内部的电池单元的高的组密度的可能性，其中，所述电池单元大多并排地以直接的机械接触的方式布置。由此所述膨胀爆裂区域在所述盖板中的布置方式允许了例如在所述电池单元的上侧面上的容积升高的接收，而不会对相邻的电池模块造成不利的机械影响。其它优点也可以是一简单的目视检验的可能性，用以确定，是否电池单元已爆裂。
[0039]此外，建议一种陆上运输工具，其具有一根据本发明的电池单元。
[0040]除了以汽车为形式的陆上运输工具之外，所述电池单元的使用也可以在其它领域中进行，在这些领域中应存储或预备好电能。这可以包括水上运输工具、空中运输工具、移动设备和应用、固定存储器、工业存储器和其它的应用领域。
[0041]要指出的是，根据本发明的电池单元的可能的特征和优点在此参照不同的实施方式进行描述。本领域技术人员可以理解，单个的特征可以以适当的方式相互组合或替换，以便以这种方式实现其它的实施方式和可能的协同效应。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]下面参照附图描述本发明的实施方式，其中，说明书和附图不视为限制本发明。
[0043]图1示出了一锂离子电池单元的分解示图；
图2A示出了根据本发明的一种实施方式的具有一膨胀爆裂区域的电池单元；
图2B示出了根据本发明的一种实施方式的具有一膨胀爆裂区域和一拱起部的电池单
元;
图3A示出了根据本发明的一种实施方式的具有一膨胀爆裂区域和一理论断裂区域的电池单元；
图3B示出了根据本发明的一种实施方式的具有一膨胀爆裂区域的电池单元，该膨胀爆裂区域具有一拱起部和一理论断裂区域；
图4示出了具有一根据本发明的一种实施方式的电池的陆上运输工具。
[0044]附图仅是示意性的并且不是按照比例绘制的。相同的附图标记在附图中表示相同的或相同作用的特征。
【具体实施方式】
[0045]图1示出了一传统的锂离子电池单元的分解示图。可见，该电池单元由大量单个的部件组成。这里仅描述针对理解本发明的实施方式所需的构件和它们的特征，对于所述电池单元的其余构件不作描述。[0046]所述电池单元I具有至少一个绕组元件3，其包括由一铜箔、一铝箔以及处于它们之间的塑料膜所构成的一卷绕的堆垛结构。
[0047]在所述铜箔的突起的区域处焊接一由铜制成的集电器7，从而该集电器与所述绕组元件的阳极电连接。在所述铝箔的一对置地突起的区域处焊接一由铝制成的第二集电器9，用以建立一与所述绕组元件3的阴极的电接触。所述集电器7和9用于将所述电池单元与外部的部件电连接。
[0048]然后，将设有所述两个集电器7、9的绕组元件3通过一开口 14置入到一向上敞开的立方体形的容器13中。然后，将该容器13利用一盖组件15关闭，该盖组件除了一盖板23之外还具有一定数量的其它构件。所述盖板23在此以其边缘焊接在所述容器的内表面上。所述容器13和所述盖组件15形成所述壳体11。
[0049]在常见的电池单元中，所述爆裂功能，也就是说所述壳体在超过一最大压力时的打开是通过一爆裂片或类似机构来实现的。所述壳体的“呼吸”，即在运行期间由温度引起的容积改变，在迄今为止的电池单元中经由所述壳体11来平衡。这通常主要通过所述容器13的壳体壁以及所述盖板23的变形来发生。
[0050]在图2A和2B中示出了根据本发明的一种示例性的实施方式的电池单元I。该电池单元在此具有一容器13、一盖板23以及两个集电器7、9。在所述盖板23中布置一膨胀爆裂区域30，其具有一膜36。该膜可以集成到所述盖板23中，例如通过粘入。除了这里所示的所述膜的矩形的狭长的形状之外，也可以考虑取决于所述盖板23的几何尺寸和性质的其它适宜的形状。
[0051]这里所示的根据本发明的电池单元由于被平衡的压力关系而不具有所述膨胀爆裂区域的拱起部。因此，所述膜36基本上处于一具有所述盖板23的平面中。
[0052]图2B示出了具有一膨胀爆裂区域30和一膜36的本发明的一个实施例。这里所示的电池单元还具有一拱起部32，其接收一由于由温度引起的膨胀而造成的所述电池单元的壳体内容物的容积提高。
[0053]在超过一确定的最大压力或爆裂压力时，所述膜36在所述拱起部32的区域中撕裂并且释放一用于电解质或壳体内部的其它组成部分排出的开口。所述膜36在此可以优选由一塑料、尤其是一弹性体制成。通过所述膜的材料特性可以影响所述最大压力或爆裂压力。所述最大压力应该处于一个范围中，该范围位于如下压力值之上，所述压力值通常在一电池常规运行期间在所述壳体的内部出现。由此可以防止在正常的温度条件下在正常的电池运行期间所述膜提前撕裂。电池单元在该使用范围中的通常的最大压力可以例如处于6-8bar的大小等级中。
[0054]在图3A中示出了本发明的一个实施例，其中，所述膨胀爆裂区域30在所述膜36上具有一理论断裂区域34。
[0055]理论断裂区域理解为在所述膜或所述膨胀爆裂区域内或表面上的一受限的区域，其具有如下的改变的结构特性，即所述膜的爆裂或撕裂优选在该部位处发生。此类的理论断裂区域可以以几何结构上的改变，例如刻槽、切入、减小材料厚度、化学的或物理的改变的材料特性或类似的结构上的改变的形式构成。
[0056]因此所述理论断裂区域的主要任务是，能够实现所述结构的一受控的撕裂或裂开。此外能够实现，实现一设定的开口尺寸，用以避免过大的或过小的开口。[0057]在图3A中所示的膨胀爆裂区域布置在一具有所述盖板23的平面中并且不具有拱起部，因为这里由于被平衡的压力关系而不必接收所述电池单元的额外的容积。
[0058]图3B示出了具有一膨胀爆裂区域30、一膜36和一拱起部32的根据本发明的电池单元的一个实施例。所述拱起部32类似于图2B接收所述容积增大，该容积增大是由于所述电池单元的温度升高而得出的。所述理论断裂区域34布置在所述膜36或所述拱起部32的表面上。
[0059]在超过所述最大压力时，所述膜36在所述理论断裂区域34中撕裂并且释放一用于电解质或其它成分从所述壳体内部排出的开口。
[0060]通过所述理论断裂区域和由此实现的受控的裂开运动和裂开方向，可以尤其实现在没有所述膜分部的碎裂或脱落的情况下的爆裂。这可以尤其对于在使用此类电池单元时的安全性是有利的。
[0061]在图4中不出了一具有一电池102的陆上运输工具100,该电池由多个上述的电池单元I组成。
【权利要求】
1.电池单元(1)，尤其是锂离子电池单元，具有:一用于容纳一绕组元件(3)、一电解质以及两个集电器(7、9)的壳体， 其中，所述壳体(11)具有一容器(13)和一盖组件(15), 其中，所述容器(13)具有一开口( 14)，通过所述开口，能够在制造所述电池单元(I)期间将所述绕组元件(3)和所述两个集电器(7、9)置入到所述壳体(11)中， 其中，所述盖组件(15)具有一盖板(23)并且将所述容器(13)的开口(14)气密地以及耐压密封地关闭，其特征在于， 所述壳体具有一膨胀爆裂区域(30)，其中，所述膨胀爆裂区域具有一第一弹性，所述第一弹性大于所述壳体(11)的在所述膨胀爆裂区域(30)之外的第二弹性， 其中，所述膨胀爆裂区域(30 )构造用于形成一从所述绕组元件(3 )远离指向的拱起部(32)，用以接收壳体内容物在所述电池单元的预设的温度运行范围内的由温度引起的容积改变，其中，所述膨胀爆裂区域还构造用于在超过所述壳体内部的预设的最大压力时爆裂。
2.按照权利要求1所述的电池单元，其中，所述壳体以刚性的壁区域以及一形成所述膨胀爆裂区域(30)的弹性的膜(36)构成。
3.按照权利要求2所述的电池单元，其中，所述弹性的膜(36)以一塑料、尤其是一弹性体构成。
4.按照权利要求2或3所述的电池单元，其中，所述膜(36)是耐电介质的。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的电池单元，其中，所述膜(36)在其指向所述电解质的侧面上具有一耐电介质的层。
6.按照前述权利要求中任一项所述的电池单元，其中，所述膨胀爆裂区域(30)具有一理论断裂区域(34)，其具有局部减小的稳定性，在所述理论断裂区域处所述膨胀爆裂区域(30)在超过所述最大压力时裂开。
7.按照前述权利要求中任一项所述的电池单元，其中，所述膨胀爆裂区域(30)构造用于，在爆裂时所述膨胀爆裂区域的分部不脱落。
8.按照前述权利要求中任一项所述的电池单元，其中，所述膨胀爆裂区域(30)布置在所述盖板(23)中。
9.运输工具(100)，具有一根据权利要求1至8中任一项所述的电池单元(I)。
【文档编号】H01M2/02GK103972429SQ201410031383
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】K.梅茨多夫 申请人:罗伯特·博世有限公司