用于电池组制造中轻金属组件的腐蚀防护的等离子涂层的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于锂离子电池组电池(lithium-1on battery cell)材料的棱柱形铝或镁容器的涂层，从而保护轻质金属免受盐水腐蚀，并且当它们在使用中弄湿时在触摸容器之间提供电绝缘。更具体地，当铝或镁容器中已装有其热敏电极和电解质成分后，提供可用于在大气环境中和相对较低的温度下涂布该容器的涂料和常压等离子涂布方法。本发明的实践对于机动车辆上使用的锂离子电池组装体(battery assembly)或其中轻金属电池组容器可能暴露于含水腐蚀性盐或类似物的其它应用特别有用。
发明背景
[0002]锂离子电池组电池的组装体越来越多地应用于提供机动车辆中的动力。电池组的各个电池能够提供约三至四伏的电势以及基于电池中电极材料的组成和质量的直流电流。电池能够经过多个循环的放电和再充电。通过以并联电连接和串联电连接组合的方式组合合适数目的独立电池来组装电池组以供应用，从而满足特定电动机的电压和电流要求。在电动车辆的锂离子电池组应用中，组装后的电池组可包括，例如，高达三百个独立包装的电池，其电互连以为牵引电动机提供四十至四百伏电压和足够的电功率以驱动车辆。由电池组所产生的直流电流可被转化成交流电流以用于更有效的电机运行。
[0003]电池组可以用作电动机驱动的电动车辆的唯一动力源或作为各种类型的由(一个或多个)电动机和烃燃料发动机的组合供能的混合动力车辆中的参与动力源。在减少所有类型功耗的需求中，存在对降低车辆所有组件的质量，包括锂离子电池组的质量的持续需求。
[0004]用于给机动车辆供能的锂离子电池组通常使用独立电池的壳体(can)进行组装。也就是说，各电池都具有其自身的壳体，其包围锂离子电池的材料元件，该锂离子电池具有自各电池容器伸出的用于与另外一个或多个电池的电极极耳(tab)互连的导电性电极极耳(端子)。一定数量的电池壳体，例如12或24个电池壳体，通常分组并相互连接为“模块”。一定数量的模块，或类似物，组装成具有所需电压和电流生产容量的“包(pack)”。电池壳体的形状往往是棱柱形，具有六个矩形侧面和底面，用于模块的组装和支撑。所述壳体给组装的电池组和电池组供能的车辆增加了重量。
[0005]所述壳体的材料必须为电池组件的组装和容纳提供强度，并且所述壳体必须能够冷却电池组的电池，因为电化学电池在其使用中产生大量的热。另外，在机动车辆应用中，锂离子电池组装体通常位于车体结构的低位，在此位置其可能暴露于来自路面的外部腐蚀性材料。此前，出于强度、热传递以及耐盐水性的目的，已经由钢制成壳体。但钢相对较重。有必要适应更轻的金属以用于意在汽车应用的锂离子电池组电池的组装体中。
【发明内容】
[0006]根据本发明的实践，使合适的铝合金或镁合金材料成形为合适的薄壁容器形状，其用于插入锂离子电池的元件。如上所述，容器的形状通常是棱柱形并且将它们称为壳体。通常使壳体成形为具有已移去的(或可移动的)侧面(或顶面)，以便可以将预成型的电极材料和隔膜材料放置在开放侧面的壳体中。典型地，多步骤程序涉及壳体中的电极材料、隔膜和电解质的放置，电极极耳焊接到壳体上的端子以与其它壳体等互连，如将在本说明书下文中更详细描述的那样。但是，按照本发明，将含聚硅氧烷(silicone)聚合物的涂料施加到壳体的外表面(和任选施加到内表面)以保护轻质铝或镁免受盐水或其它腐蚀性环境材料侵蚀。
[0007]涂布方法使用六甲基二硅氧烷(HMDSO)作为起始材料，并且通过低温常压等离子体处理将该材料施加到轻金属壳体的表面。液态HMDSO被输送到等离子体喷嘴(可商购)，在其中液态HMDSO在空气-等离子体物流中被蒸发，并且该喷嘴对着具有其锂离子电池材料内容物的铝壳体或镁壳体的表面。优选地，该材料通过等离子体喷嘴输送到壳体的所有外表面，以形成聚合六甲基二硅氧烷(典型地，聚硅氧烷聚合物)的共同延伸的涂层。厚度为约
0.1至约I至约3微米的涂层通常适合于保护轻金属壳体材料免受车辆运行中遇到的腐蚀性元素。该涂层是疏水性的以将电池壳体表面与周围的水隔绝，并且还提供接触电池壳体表面时的电绝缘层以电隔离它们，特别是在水的存在下。
[0008]所选择的涂料和常压等离子体涂布方法的优点是，该保护性涂料可在生产线上任何多个不同步骤或位置处机械施加到(例如)铝壳体或镁壳体表面，其中锂离子电池元件被放置在壳体中，或用壳体上的端子形成电极连接，或者将电解质插入到壳体中，或者壳体闭合(can closure)、电池活化、壳体密封、电池壳体测试或预成形的锂离子电池壳体的其它处理。当制造和组装电池时，可以将耐久性疏水聚硅氧烷类聚合物涂料施加到轻金属壳体的表面，并且该涂料可以施加并成形而不会损坏其所施加至其上的容器内的重要组成。
[0009]任选地，可以在插入电池的活性元件之前涂布壳体的内表面。并且可以在将壳体传送到在线(in-line)操作之前涂布壳体的外表面，在所述在线操作中将电池元件组装在轻金属壳体中。但优选的是在电池元件的在线类型组装和制造以及将它们放置在其中它们要用于车辆电池组的轻金属容器中的预定步骤中涂布外表面。
[0010]本发明实践的其它目的和优点将从涂布方法的一个实例的详细描述中变得明显。
【附图说明】
[0011]附图是一个直立的铝壳体或镁壳体的斜视图，其具有移除的主侧面部分，显示出容器中一卷层状锂离子单电池(lithium-1on single-cell)元件的放置。在围绕电池元件至少部分闭合所述壳体之后，使用例如计算机控制的机载(robot-carried)喷嘴，用来产生空气中二硅氧烷的常压等离子体并且施加聚硅氧烷基涂料到电池材料的轻金属容器表面上，从而将聚合六甲基二硅氧烷的涂料施加到壳体的每一个外表面上。
【具体实施方式】
[0012]本发明涉及生产用于机动车辆电池组，特别是用于其中要将电池组安置在车辆上(其中电池(或独立的电池壳体)可能暴露于道路飞溅的盐水或其它腐蚀性水组分)的应用的锂离子电化学电池。每个电池的电极和隔膜元件通常单独成形，其以合适的电池排布来组装，并放入预成形的、部分开口的容器主体或者壳体中。该容器壳体的形状通常为棱柱形，其具有三组相对的矩形侧面，因此多个壳体可以放置在一起，并电互联以形成车辆电池组。在许多应用中，将2至300个基本上相同的单电池加入I或T形的排布中并且放置在互补支护盘或板上，其承载在车体的结构构件上。并且提供了用于多个电池壳体的水冷却(或水-乙二醇冷却)的装置，因为当其放电和充电时，它们产生热量。有时冷却导管在壳体中，或作为壳体的一部分成形。
[0013]当车辆在许多道路位置、条件和气候下行驶时，在电池组构件和支撑件的组件在车体上的位置，其也会暴露于环境水。容器主体由钢制成，或者由合适的聚合物组分(或聚合物/金属箔层叠体)制成，以抵抗环境盐水腐蚀。但聚合物材料不容易将热量从运行的锂离子电池中传导离开，而钢相对较重。本发明的目的是使轻金属容器材料(如铝或铝合金或者镁或其合金)适应用作独立的锂离子电池用壳体材料或容器材料。按照本发明的实践，通过使用低温、常压等离子体喷涂工艺施加六甲基二硅氧烷以在轻金属电池壳体的表面上形成聚硅氧烷聚合物涂层。所得的聚硅氧烷聚合物涂层提供针对构成电池组装体的铝壳体或镁壳体的基于水的腐蚀的良好保护。在本发明的优选实施方案中，在其中将电极-电流导体元件、隔膜元件和电解质组装并且适配到其长方棱柱形容器中的在线组装/生产方法过程中使聚硅氧烷涂层在铝壳体或镁壳体表面上形成。
[0014]该附图图解了示例性长方棱柱形电池壳体10，其具有六个由合适的铝或镁合金形成的薄壁侧。如上所述，该电池壳体的形状可使其能够相对类似形状的电池壳体放置以组装电池模块等。在该图解中，电池壳体10的正面主垂直侧(front-facing major verticalside)12很大程度上是剖开的以显示电池的实体元件的组装卷(assembled roll) 14。电池壳体10的背面主垂直侧与正面侧12的尺寸和形状相同，但此视图中隐藏了背面侧。一个垂直边侧16是可见的，并且相对的、类似形状的垂直边侧被隐藏。电池壳体10的底表面被隐藏，而顶侧18显示在与电池壳体10的侧面12、16分离和升高的位置。在本发明的许多实践中，电池壳体1的顶侧18没有连接到电池壳体结构的剩余部分中，直到电池的固体元件的组装卷14已经放置在顶部开放的壳体中。
[0015]在本发明的这一实施方案中，薄层电池元件的组装卷14由阳极元件20的单一的相对较长的层、长的隔膜层22、阴极元件24的单一的相对较长的层和另一个长的隔膜层22组成。阳极元件20的层将具有