專利名稱：用于調(diào)節(jié)鋰離子電池單元中的氣體內(nèi)壓的元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池單元、尤其是具有用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件的鋰離子電池單元。
背景技術(shù)：
鋰離子蓄電池是基于鋰離子工作的蓄電池。鋰離子蓄電池也稱作鋰離子蓄電 M(Lithium-Ionen-Akku), Li 離子蓄電池(Li-Ionen-AWoi)、Li 離子二次電池 (Li-Ionen-Sekund^rbatterie)或鋰蓄電池(Lithium-Akkumulator)。概念“蓄電池”表示基于電化學(xué)系統(tǒng)的電能存儲(chǔ)器。蓄電池可以由一個(gè)或多個(gè)可再充電的二次電池單元構(gòu)成。 多個(gè)二次電池單元可以串聯(lián)以提高總電壓或者并聯(lián)以提高容量。因此，鋰離子蓄電池包括一個(gè)鋰離子電池單元或者多個(gè)鋰離子電池單元。鋰離子電池單元的特點(diǎn)在于高能量密度和熱穩(wěn)定性。鋰離子電池單元的另一優(yōu)點(diǎn)在于在經(jīng)常部分充電的情況下也不出現(xiàn)容量損失。 因此，鋰離子電池單元不顯示出所謂的記憶效應(yīng)。鋰離子電池單元通常包括正電極、負(fù)電極、電解質(zhì)、分隔件以及殼體。鋰離子電池單元的正電極由一種鋰金屬氧化物或者不同的鋰金屬氧化物的混合物組成。用于正電極的一種或多種鋰金屬氧化物可以從包括LiCo02、LiNiO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiNi1^xCoxO2, LiNi0.85Co0.Mo.O5O2>LiNi0.33Co0.33Mn0.3302和LiFePO4的組中選擇。鋰離子電池單元的負(fù)電極通常由石墨、納米結(jié)晶的硅、非結(jié)晶的硅、Li4Ti5O12或者SnA組成。鋰離子電池單元的電解質(zhì)可以由無(wú)水的、質(zhì)子惰性的溶劑組成，在所述溶劑中溶解有鋰鹽。質(zhì)子惰性的溶劑的示例是碳酸亞乙酯、碳酸丙烯酯、Y-丁內(nèi)酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或者1，2 二甲氧基乙烷。鋰鹽可以是LiPF6、LiBF4, LiClO4, LiAsF6或者LiCF3S03。 在也稱作鋰聚合物蓄電池的鋰離子蓄電池中，使用聚合物作為電解質(zhì)載體，例如聚氧乙烯、 聚苯塑料、聚偏二氟乙烯(PVDF)或者聚偏二氟乙稀-六氟丙烯(PVDF-HFP)。作為離子導(dǎo)體例如使用 LiCF3S03、Li1.3A10.3TiL 7 (PO4) 3、LiTaO3、SrTiO3、LiTi2 (PO4) 3 · Li3PO4、LiCl、LiBr 或 LiJ0鋰離子電池單元中的電極通過(guò)分隔件分開。分隔件是用于相反極性的電極之間的物理分離和電隔離的部件。分隔件對(duì)于鋰離子而言是可穿過(guò)的，但分隔件阻止了電極之間的短路。對(duì)于酸性電極，分隔件優(yōu)選由多孔的聚丙烯/聚乙烯膜組成。對(duì)于堿性系統(tǒng)，分隔件優(yōu)選由聚丙烯/聚乙烯網(wǎng)組成?，F(xiàn)今，也使用陶瓷的分隔件。在充電過(guò)程中，帶正電的鋰離子通過(guò)電解質(zhì)遷移到負(fù)電極，而充電電流通過(guò)外部電路提供電子。鋰離子與負(fù)電極的材料形成插層化合物。在放電時(shí)，鋰離子遷移回金屬氧化物，并且電子可以通過(guò)外部電路流到正電極(現(xiàn)在是陰極)。因此，鋰離子蓄電池或者鋰離子電池單元通過(guò)鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生源電壓。但在鋰離子電池單元內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)中不出現(xiàn)金屬鋰?，F(xiàn)今，存在三種不同類型的鋰離子電池單元，它們彼此不同圓柱形鋰離子電池單元、棱柱形鋰離子電池單元和所謂的袋形電池單元(Pouch-Zell)。
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圓柱形鋰離子電池單元具有基本上圓形的橫截面。因此，圓柱形鋰離子電磁單元具有圓柱的形狀并且在尺寸方面例如可以相應(yīng)于圓柱形的圓形電池單元——例如18650電池單元——的標(biāo)準(zhǔn)的、廣泛使用的結(jié)構(gòu)大小。圓柱形電池單元具有堅(jiān)硬的殼體，從而其可以良好地經(jīng)受機(jī)械負(fù)載。然而，圓柱形電池單元不易堆疊，并且具有小的表面與體積比，從而該圓柱形電池單元比較難進(jìn)行冷卻。棱柱形電池單元通常在其橫截面以及其縱截面方面具有矩形的、方形的形狀。然而，棱柱形電池單元的殼體不如圓形電池單元堅(jiān)硬。在袋形電池單元中，電極、電解質(zhì)和分隔件是焊入在膜中的。與棱柱形鋰離子電池單元不同，袋形電池單元不具有剛性的殼體。但是通常，袋形電池單元也具有矩形的基本形狀。棱柱形電池單元和袋形電池單元由于其矩形的形狀可以比圓形電池單元明顯更好地進(jìn)行堆疊，并且它們具有對(duì)于冷卻而言更有利的表面與體積比。用于設(shè)備電池的鋰離子電池單元通常以繞制技術(shù)制造。在此，將電解質(zhì)物質(zhì)施加到薄的、膜狀的電極上，并且將條帶式相疊放置的電極通過(guò)略微更寬的分隔帶彼此分開，共同卷成圓柱形的卷包(圓形電池單元)或扁平的卷包(棱柱形電池單元)。將所述卷包推入到相應(yīng)的殼體或者袋囊中，并且隨后熱密封電池單元。 現(xiàn)今不明確說(shuō)明的是，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的電池單元使用壽命，是否必須在棱柱形鋰離子電池單元或者袋型的鋰離子電池單元上施加機(jī)械壓力。原則上，電解質(zhì)的穩(wěn)定性隨著壓力的升高而升高，從而電解質(zhì)的分解隨著壓力的升高而減慢。因此，施加機(jī)械壓力看起來(lái)至少不是不利的。除此以外，小的壓緊力對(duì)于層厚度的均勻性和電池單元中微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性看起來(lái)是有利的。因此，在市場(chǎng)上提供具有棱柱形電池單元或袋形電池單元的不同鋰離子蓄電池， 其中在電池單元上施加機(jī)械壓力。通常，鋰離子電池單元的電解質(zhì)在電池單元的使用壽命期間進(jìn)行分解，從而熱密封的鋰離子電池單元中的氣體內(nèi)壓在符合規(guī)定的使用時(shí)也隨著時(shí)間升高。在袋形電池單元中，由于柔軟的電池單元外殼，可以良好地觀察氣體內(nèi)壓的升高。在更堅(jiān)硬的圓形電池單元和棱柱形電池單元中，氣體內(nèi)壓的升高不一定是可見的。但至少在棱柱形電池單元中，殼體形狀的變化可以被證實(shí)是由于升高的氣體內(nèi)壓。為了限制鋰離子電池單元中的氣體內(nèi)壓，在現(xiàn)有技術(shù)中提出，在鋰離子電池單元的外殼中安裝過(guò)壓閥。例如利用專利文獻(xiàn)US 5，916，704或者公開文獻(xiàn)開-09199099-八提出袋型的鋰離子電池單元，其中在電池單元的膜狀外殼中設(shè)置有過(guò)壓閥。在根據(jù) JP-09199099-A的鋰離子電池單元中一一該鋰離子電池單元包括袋囊狀外殼中的電池單元卷包，氣體內(nèi)壓應(yīng)當(dāng)保持在1.2至20 kg/cm2。對(duì)于根據(jù)US 5，916，704的鋰離子電池單元的合適的閥例應(yīng)當(dāng)例如在內(nèi)部和外部之間的壓力差約為9. 5 mbar時(shí)開啟。在文獻(xiàn)KR-2004022715-A中描述了一種棱柱形鋰離子電池單元，其具有可變形的部件作為用于注入電解質(zhì)溶液的開口以及可以在電池單元中的氣體壓力超過(guò)特定極限值時(shí)變形的絕緣體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是鋰離子電池單元，具有殼體、正電極、負(fù)電極和設(shè)置在正電極和負(fù)電極之間的分隔件，其中所述鋰離子電池單元的特征在于其具有用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件，所述元件能夠使氣體不從鋰離子電池單元中排出。用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件不是可以用于控制氣體從電池單元中排出的閥，而是可變形的元件，優(yōu)選能夠可逆變形的、不使氣體穿過(guò)的元件，該元件設(shè)置在電池單元中或者電池單元的殼體壁中。用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的所述元件可以以膜片的形式和/或以空腔體的形式存在。根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元可以是圓柱形鋰離子電池單元或者棱柱形鋰離子電池單元。根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元還包括這樣的實(shí)施方式，在這些實(shí)施方式中袋型的鋰離子電池單元設(shè)置在殼體中。后一所述的實(shí)施方式在本發(fā)明的意義上并且與其中設(shè)置袋形電池單元的殼體的形狀相關(guān)地理解為圓柱形鋰離子電池單元或棱柱形鋰離子電池單兀。根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元具有基本上剛性或者堅(jiān)硬的殼體。在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的鋰離子電池單元具有熱封閉所述電池單元的殼體。在本發(fā)明的意義上，熱封閉所述電池單元如下理解殼體氣密地或者氣體不可穿過(guò)地封閉電解質(zhì)。然而優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元具有過(guò)壓閥，借助于所述過(guò)壓閥可以減小在鋰離子電池單元過(guò)熱時(shí)產(chǎn)生的氣體過(guò)壓。借助于過(guò)壓閥實(shí)現(xiàn)過(guò)壓的減小，該過(guò)壓閥在電池單元內(nèi)部中的預(yù)先確定的過(guò)壓下開啟。通過(guò)閥在預(yù)先確定的氣體內(nèi)壓下開啟，高壓下存在的氣體可以從殼體內(nèi)部中泄漏出去。所述過(guò)壓閥可以在電池單元內(nèi)部中低于預(yù)先確定的壓力時(shí)再次閉合。由此， 電池單元內(nèi)部中存在的氣體壓力不完全減小到電池單元環(huán)境的氣體壓力，而是可以保持預(yù)先確定的氣體內(nèi)壓。在根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元的一個(gè)實(shí)施方式中，用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件是可變形的空腔體，優(yōu)選是能夠可逆變形的空腔體。本發(fā)明的意義上的可變形的空腔體意味著空腔體或空腔體的至少一部分可以通過(guò)在鋰離子電池單元的正常老化過(guò)程范疇中產(chǎn)生的氣體內(nèi)壓進(jìn)行壓縮。能夠可逆變形意味著當(dāng)電池單元中的氣體內(nèi)壓再次減小并且低于預(yù)先確定的值時(shí)、例如當(dāng)氣體內(nèi)壓再次達(dá)到如其在鋰離子電池剛剛制成后所具有的原始值時(shí)，空腔體變形回其原始形狀。可變形的空腔體可以具有由塑料或金屬制成的外殼?？勺冃蔚目涨惑w可以由空氣、氣體或氣體混合物填充。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，可變形的空腔體由惰性氣體填充。 惰性氣體可以從包括氮?dú)?、氦氣、氬氣、氖氣、氙氣、氪氣或者以上所述氣體的任意混合的組中選出。但空腔體也可以由泡沫填充?？勺冃蔚目涨惑w內(nèi)部中的壓力優(yōu)選如同或者略高于鋰離子電池單元在其剛剛制成后包圍空腔體的氣體壓力。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，可變形的空腔體被設(shè)計(jì)為由塑料制成的、由惰性氣體填充的氣囊。在另一實(shí)施方式中，可變形的空腔體被設(shè)計(jì)為封閉的金屬容器，即被設(shè)計(jì)為一種未被填充的、即由真空填充的罐?？勺冃蔚目涨惑w設(shè)置在鋰離子電池單元的內(nèi)部中。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，可變形的空腔體設(shè)置在鋰離子電池單元中在電池單元卷包和殼體的內(nèi)壁之間，在該內(nèi)壁上具有用于電極的導(dǎo)電體與電路的電連接的觸點(diǎn)。在另一優(yōu)選的實(shí)施方式中，可變形的空腔體設(shè)置在電池單元卷包與殼體的內(nèi)壁之間，該內(nèi)壁與具有用于電極的導(dǎo)電體與電路的電連接的觸點(diǎn)的內(nèi)壁相對(duì)。在根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元的特定實(shí)施方式中，用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件被設(shè)計(jì)為柔性的或可活動(dòng)的膜片。在這些實(shí)施方式中，膜片可以作為電池單元的殼體的一部分或者作為可變形的空腔體的外殼的一部分存在并且是可變形的部分。本發(fā)明包括鋰離子電池單元的以下實(shí)施方式在這些實(shí)施方式中，殼體具有膜片作為用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件。但本發(fā)明還包括鋰離子電池單元的以下實(shí)施方式在這些實(shí)施方式中，可變形的空腔體的外殼具有膜片。膜片對(duì)于電解質(zhì)、對(duì)于電解質(zhì)的每種任意組分以及對(duì)于氣體是不可穿過(guò)的。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，膜片是殼體或可變形的空腔體的外殼的整體組成部分，其方式是，殼體或者外殼在一個(gè)區(qū)域中被如此薄壁地設(shè)計(jì)，使得所述區(qū)域可以充當(dāng)柔性的膜片。因此，膜片通過(guò)殼體或者可變形的空腔體的一側(cè)上的薄壁區(qū)域形成。在鋰離子電池單元的殼體具有膜片的實(shí)施方式中，膜片優(yōu)選設(shè)置在與導(dǎo)電體相對(duì)的側(cè)面上，或者殼體壁在所述側(cè)面的區(qū)域中被如此薄壁的設(shè)計(jì)，使得殼體壁充當(dāng)可活動(dòng)的膜片。所述區(qū)域中的膜片或者殼體壁優(yōu)選具有0. 1至1 mm的厚度，尤其優(yōu)選地具有0. 3至 0. 5 mm的厚度。在其他實(shí)施方式中，殼體在與導(dǎo)電體相對(duì)的側(cè)面上具有開口，所述開口由膜片封閉。在這些實(shí)施方式中，膜片作為單獨(dú)的部件與殼體氣密地連接。這意味著氣體不會(huì)在膜片與殼體的連接處從鋰離子電池單元的內(nèi)部溢出。在可變形的空腔體具有膜片并且可變形的空腔體的外殼在其一個(gè)側(cè)面上具有由膜片封閉的開口的實(shí)施方式中，膜片與空腔體的外殼氣密地連接，從而氣體不會(huì)進(jìn)入到空腔體中或者溢出。鋰離子電池單元的殼體、可變形的空腔體的外殼和/或膜片可以由金屬、塑料材料或復(fù)合材料組成。組成鋰離子電池單元的殼體、可變形的空腔體的外殼和/或膜片的材料相對(duì)于電解質(zhì)的組分和可以在電解質(zhì)中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的產(chǎn)物是耐腐蝕的。作為用于鋰離子電池單元的殼體、可變形的空腔體的外殼和/或膜片的金屬優(yōu)選使用鋁。替代與此地也可以使用由聚酰胺構(gòu)成的復(fù)合膜作為外部層，鋁作為擴(kuò)散阻擋層，并且聚乙烯或聚丙烯作為復(fù)合膜的內(nèi)部層。


通過(guò)附圖示出并且在以下描述中闡述根據(jù)本發(fā)明的主題的有利設(shè)計(jì)。在此應(yīng)當(dāng)考慮到，附圖僅僅具有描述性質(zhì)并且不應(yīng)當(dāng)視為以任何方式限制本發(fā)明。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元的第一實(shí)施方式的示意性橫截面圖； 圖2A示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元的第二實(shí)施方式的示意性橫截面圖2B示出根據(jù)本發(fā)明的鋰離子電池單元的第二實(shí)施方式的另一示意性橫截面圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出棱柱形鋰離子電池單元1包括殼體2，電池單元卷包3位于該殼體2中。 電池單元卷包3包括電解質(zhì)、正電極和負(fù)電極，它們通過(guò)分隔件彼此分開。正電極通過(guò)傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電體4與電池單元1的正極6連接。負(fù)電極通過(guò)傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電體5與電池單元 1的負(fù)極7連接。
鋰離子電池單元1包括可變形的空腔體9，該空腔體9設(shè)置在殼體2的內(nèi)部在電池卷包3與殼體2的具有正極6和負(fù)極7的壁之間。圖2A和2B以不同的橫截面視圖示出根據(jù)本發(fā)明的棱柱形鋰離子電池單元的另一實(shí)施方式。電池單元1包括殼體2和電池單元卷包3。電池單元卷包3包括電解質(zhì)、正電極和負(fù)電極，它們通過(guò)分隔件彼此分開。電池單元卷包3的正電極與電池單元1的正極6導(dǎo)電地連接。電池單元卷包3的負(fù)電極與電池單元1的負(fù)極7導(dǎo)電地連接。電池單元1的殼體2具有可活動(dòng)的膜片10。膜片10封閉電池單元1的殼體2中的開口，該膜片10設(shè)置在殼體2的與具有極6、7的壁相對(duì)的壁中?？梢杂捎陔姵貑卧?內(nèi)部中的氣體內(nèi)壓的升高而向外擠壓膜片10，從而原本平坦的膜片(通過(guò)虛線示出)具有拱形。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池單元，包括殼體、正電極、負(fù)電極和設(shè)置在所述正電極和所述負(fù)電極之間的分隔件，其特征在于，所述鋰離子電池單元具有用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件，該元件能夠使氣體不從所述鋰離子電池單元中排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件是能變形的、氣體不能穿過(guò)的元件，優(yōu)選能可逆變形的元件，該元件設(shè)置在所述電池單元中或者所述電池單元的殼體壁中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件以膜片的形式和/或空腔體的形式存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述鋰離子電池單元是圓柱形電池單元或者棱柱形電池單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件是能變形的空腔體、優(yōu)選是能可逆變形的空腔體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述能變形的空腔體由空氣、 氣體或者泡沫填充。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述氣體從包括氮?dú)狻⒑狻?氬氣、氖氣、氙氣、氪氣以及以上所述氣體的任意混合的組中選出。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述可變形的空腔體設(shè)置在所述殼體的內(nèi)部中，優(yōu)選設(shè)置在電池單元卷包與所述殼體的具有用于所述電極的導(dǎo)電體與電路的電連接的觸點(diǎn)的壁之間、或者設(shè)置在電池單元卷包與所述殼體的與具有用于所述電極的導(dǎo)電體與電路的電連接的觸點(diǎn)的壁相對(duì)的壁之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件以柔性膜片的形式設(shè)計(jì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述電池單元的殼體具有柔性膜片作為用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述能變形的空腔體具有柔性膜片作為用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的鋰離子電池單元，其特征在于，所述膜片通過(guò)所述殼體或所述能變形的空腔體的一個(gè)側(cè)面上的壁的薄壁區(qū)域形成。
全文摘要
用于調(diào)節(jié)鋰離子電池單元中的氣體內(nèi)壓的元件。本發(fā)明涉及一種鋰離子電池單元，包括殼體、正電極、負(fù)電極和設(shè)置在所述正電極和所述負(fù)電極之間的分隔件，其特征在于用于調(diào)節(jié)氣體內(nèi)壓的元件，該元件不允許氣體從所述鋰離子電池單元中排出。
文檔編號(hào)H01M10/0525GK102412415SQ20111027937
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者克爾卡姆 I., 多爾施 N. 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司