背景技術(shù)：

隨著大規(guī)模能量存儲(chǔ)系統(tǒng)被并入到諸如脈沖功率和定向能量的應(yīng)用中，對(duì)用于這樣的應(yīng)用的可靠、低維護(hù)電池的需要變得關(guān)鍵。因此，存在對(duì)能夠支持各種這樣的應(yīng)用的大高速率鋰離子電池的需要。

在當(dāng)前最新的電池電芯技術(shù)中，能夠高功率輸出的電芯通常限于小的通常為圓柱形的形式，因此熱管理問題變得重要并且在大的電芯中壽命有限。然而，在大能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中對(duì)這樣的小電芯的使用通常需要大量可能復(fù)雜的電芯互連件并且歸因于對(duì)小電芯中的活性材料比率的高封裝和能以圓柱形電芯實(shí)現(xiàn)的相對(duì)低包裝密度兩者而降低電池能量密度。相反地，已經(jīng)在ev和大能量存儲(chǔ)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)越來越多的使用的大“袋”電芯通常受限于相對(duì)低和中等的放電速率，因?yàn)殡娦净钚圆牧虾蛢?nèi)部極耳兩者中的自我加熱都在這些電芯經(jīng)受高充電或放電速率時(shí)產(chǎn)生熱管理問題。另外，通常在這些大電芯中使用的鍍鋁聚酯薄膜包裝材料不提供由圓柱形電芯的金屬罐中的“卷芯”實(shí)現(xiàn)的高堆疊壓力。由于這個(gè)原因，無支撐的袋電芯將通常呈現(xiàn)相對(duì)快的阻抗增長和功率和容量損失，因?yàn)樵诓僮髌陂g活性材料中的圓柱形體積變化引起電極部分地脫層。因此，為了在電池的壽命內(nèi)維持電芯的活性材料的緊密接觸，聚酯薄膜包必須利用外部機(jī)械支撐來強(qiáng)化。許多應(yīng)用還需要額外的強(qiáng)化來保護(hù)電芯不受機(jī)械損壞。

對(duì)于傳統(tǒng)電芯(圓柱形和棱柱型兩者)，用于將熱從操作電芯移除的主要路徑沿著用于將電流運(yùn)出電芯的金屬極耳。這樣是因?yàn)槠叫杏陔姌O對(duì)的導(dǎo)熱率比垂直于電極對(duì)的導(dǎo)熱率大許多倍。因此，許多電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過被動(dòng)地或通過某種主動(dòng)冷卻方案將熱從電芯互連件或電池互連件本身移除來進(jìn)行操作。該策略在中等放電速率時(shí)是足夠的，但是在具有高放電速率的高功率應(yīng)用中，電芯極耳中的內(nèi)部和外部兩者的焦耳熱可能變得很大并且極耳中的因此的溫度上升降低，并且在極端情況下，甚至使極耳與電芯活性材料之間的δt反轉(zhuǎn)。這可以導(dǎo)致電芯活性材料中的過多的熱，其可以加速材料退化并縮短電池壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了一種棱柱型電芯設(shè)計(jì)，其解決了電池堆疊壓力和熱管理問題兩者以在大形式棱柱型設(shè)計(jì)中獲得小的圓柱形電芯的性能。

在與包含的附圖一起閱讀下面的詳細(xì)描述后，其他特征和實(shí)施例將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的電池電芯的第一實(shí)施例的透視圖；

圖2是圖1的電芯的分解圖，其圖示了內(nèi)部傳熱翅片；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的電池電芯的第二實(shí)施例的透視圖；

圖4是圖3的電芯的分解圖，其圖示了多個(gè)內(nèi)部傳熱翅片；以及

圖5是根據(jù)本發(fā)明的電池電芯的第三實(shí)施例的分解圖。

具體實(shí)施方式

盡管本發(fā)明容許采用許多不同形式的實(shí)施例，但是將在本文中詳細(xì)地描述其具體實(shí)施例，同時(shí)要理解，本公開內(nèi)容應(yīng)被認(rèn)為是本發(fā)明的原理的例示而不旨在將本發(fā)明限于說明的具體實(shí)施例。

許多高功率電池電芯設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵目標(biāo)是要使電芯內(nèi)部阻抗最小化，其減少在放電期間的電壓跌落(并增大功率輸出)并且還減少在放電期間歸因于焦耳加熱的溫度上升。

然而,制造大高功率電芯不僅需要在高電流放電期間將電芯活性材料中的加熱最小化,而且需要有效地移除生成的任何熱。根據(jù)本發(fā)明的一方面，電池電芯(例如棱柱型電池電芯)被提供具有例如由擠壓鋁制成的殼,其具有激光焊接的端帽。鋁殼可以被形成具有外部脊，其可以用作幫助維持電芯組件上的內(nèi)部堆疊壓力的加強(qiáng)件而且用作當(dāng)個(gè)體電芯被組裝到電池中時(shí)允許冷卻在個(gè)體電芯之間的通道的支柱。

該電芯設(shè)計(jì)的方面可以包括：1)例如由鋁、不銹鋼、等等制成的(一個(gè)或多個(gè))內(nèi)部導(dǎo)熱翅片，其可以將熱從電芯的中心傳導(dǎo)到外部散熱片，例如電芯的基底以用于傳導(dǎo)到被動(dòng)或主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，以及對(duì)電極組件提供額外結(jié)構(gòu)支撐；以及2)陽極和陰極薄膜上的分級(jí)涂層重量，其可以將下涂層重量(和下阻抗)薄膜定位在電芯中的由于較長傳熱路徑而經(jīng)受增加的加熱的位置處。

活性電芯組件的組裝可以利用與連續(xù)的分離器交錯(cuò)的堆疊的電極跟隨有傳統(tǒng)熱層壓技術(shù)。針對(duì)這種類型的組裝的儀器已經(jīng)由本領(lǐng)域中公知的許多制造商生產(chǎn)。然而，代替其中電芯被插入到鍍鋁聚酯薄膜袋中的傳統(tǒng)制造技術(shù)，當(dāng)前電芯將被封裝在本文中描述的更剛性的殼中。可以針對(duì)殼體使用鋁擠壓，并且一旦已經(jīng)將電芯極耳焊接或者否則附接到饋通，則可以例如通過焊接來接合端帽，并且例如通過焊接將散熱翅片接合到端帽中的對(duì)應(yīng)槽中。具有電氣饋通的端帽還可以包含安全防爆片以及針對(duì)電解液劑量和地層天然氣解壓的開口。

本文中描述的一個(gè)或多個(gè)散熱翅片的實(shí)現(xiàn)方式可以允許對(duì)任意厚且高容量的電芯的制造而不會(huì)減弱來自電芯的散熱。

對(duì)于非常高功率應(yīng)用，可以使用中空板(例如鋁)，其包含相變材料(最適合于脈沖應(yīng)用)或被配置為熱管道(適合于高功率，連續(xù)的放電)。

如以上所討論的，當(dāng)前棱柱型電芯設(shè)計(jì)還可以使用分級(jí)電極涂層重量方案來管理內(nèi)部熱生成。使用利用原型電芯中的溫度探頭確認(rèn)的熱建模，可以識(shí)別電芯內(nèi)的在電芯操作期間發(fā)生過多的溫度上升的位置。在后續(xù)電芯設(shè)計(jì)/構(gòu)建中，可以通過使用在電芯的存在該問題的區(qū)域中具有減輕的涂層重量的電極對(duì)制造電芯來減輕任何不期望的溫度上升。這些減輕的涂層重量電極將放電較少的電流，生成較少的焦耳熱，并且在給定電芯充電和放電條件下具有較高的傳熱率。

脊?fàn)钔怏w可以提供鄰近電芯之間的平衡，其可以允許強(qiáng)制空氣冷卻，插入翅片以將熱傳導(dǎo)到泵送的流體冷板，或者更多的奇特方案，例如使用熱管道或相變材料。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如本文中預(yù)見的傳統(tǒng)棱柱型電池電芯可以采用堆疊的傳統(tǒng)棱柱型電池電芯的形式。堆疊的電芯可以包括由z形折疊的分離器層分開的陽極電極和陰極電極的多個(gè)交替薄片。分離器層的端部分可以包封電池電芯，如本領(lǐng)域中已知的。電池電芯還可以采用傳統(tǒng)包裹的棱柱型電芯的形式。

參考圖1和圖2，電池電芯模塊9包括容納在殼12內(nèi)的兩個(gè)棱柱型活性電芯組件或電池電芯10a、10b并且具有激光焊接的端帽14，殼12可以由鋁、不銹鋼、等等構(gòu)成。殼12可以被擠壓，并且電池電芯模塊9的最終組裝可以例如通過焊接(例如激光焊接或其他接合方法)來完成。

殼12可以被形成具有外部脊16，其可以用作幫助維持電芯組件上的內(nèi)部堆疊壓力的加強(qiáng)件而且用作當(dāng)個(gè)體電芯10被組裝到電池電芯模塊9中時(shí)允許冷卻在個(gè)體電芯10之間的通道的支柱。脊16內(nèi)部的殼表面應(yīng)當(dāng)平滑，以便維持針對(duì)鄰近電池電芯表面的均勻壓力。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，殼12可以包括兩個(gè)鄰近電芯10a、10b，其中內(nèi)部翅片18被接合在其之間，其可以將熱從電芯10傳導(dǎo)到外部散熱片和/或其他被動(dòng)或主動(dòng)冷卻方法，以及對(duì)組件提供額外結(jié)構(gòu)支撐。翅片18可以由鋁、不銹鋼、等等制成。翅片18可以包括形式為孔的通道以允許電解流體跨翅片18的通過，這尤其在填充電池模塊9時(shí)有用。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，陽極電極和陰極電極可以被提供具有分級(jí)的涂層重量，其可以將下涂層重量(并且因此下阻抗)薄膜定位在電芯中的經(jīng)由增加的加熱的位置處。

活性電芯組件的組裝可以利用與連續(xù)的分離器交錯(cuò)的堆疊的電極跟隨有傳統(tǒng)熱層壓技術(shù)。針對(duì)此的儀器可從本領(lǐng)域中公知的許多制造商獲得。然而，代替其中電芯被插入到由鍍鋁聚酯薄膜形成的袋中的傳統(tǒng)制造技術(shù)，電芯可以被封裝在鋁殼12中。

本文中描述的散熱翅片18的實(shí)現(xiàn)方式允許制造相對(duì)任意厚且高容量的電芯模塊而不會(huì)減弱來自電芯模塊的散熱。因此，能夠根據(jù)需要通過包含各種大小、厚度和材料的額外的散熱翅片來制造具有大容量(例如大于20ah)的電芯模塊。

參考圖2，電池電芯模塊9包括u形罐體20和具有垂直部分18a(如圖1中所取向的)和基底部分18b的t形鋁翅片18。翅片18可以被擠壓為單片或被焊接。當(dāng)被放置在體20內(nèi)時(shí)，基底部分18b使u形體20完整以形成殼12的外周，其例如通過激光焊接被固定在一起。垂直部分18a將殼劃分成相對(duì)的第一腔12a和第二腔12b。第一電池電芯10a和第二電池電芯10b設(shè)置在第一腔12a和第二腔12b的各自的腔中。第一電池電芯10a和第二電池電芯10b中的每個(gè)可以是完全起作用的電池電芯，每個(gè)具有傳統(tǒng)輸出，例如額定3.2伏特。

電池電芯10a、10b中的每個(gè)可以具有正輸出極耳22a和負(fù)輸出極耳22b。電池電芯10a、10b被電氣地配置為彼此的鏡像圖像，使得它們各自的正極耳22a和負(fù)極耳22b當(dāng)被插入到殼12中時(shí)恰當(dāng)?shù)乇舜藢?duì)齊和接合。

電池模塊9包括正端子24a和負(fù)端子24b，其例如通過激光焊接、電阻焊接或超聲焊接而被電氣耦合到各自的正極耳22a和負(fù)極耳22b。

第一端板26a和第二端板26b被提供以使殼12完整，并且可以例如通過焊接或膠粘來固定。

參考圖3和圖4，具有甚至更大的容量的電池模塊9可以通過添加串聯(lián)的另外的電池電芯10來實(shí)現(xiàn)，其中一些或所有相反的電池電芯10由熱提取翅片組件18分開。組件可以利用由擠壓鋁形成的翅片組件來簡化。

本發(fā)明的備選實(shí)施例被圖示在圖5中，其中u形體20’可以包括用于接納從翅片18’延伸的突出物32的槽30。u形體20’可以包括用于接納從翅片18’延伸的橫向突出物32a的橫向槽30’。翅片18’可以例如通過焊接被固定到u形體20’。類似于以上討論的實(shí)施例，相對(duì)的電池電芯設(shè)置在各自的腔中。

可以針對(duì)殼12的體使用鋁擠壓，并且一旦電芯極耳已經(jīng)被焊接到饋通，就可以將端帽14激光焊接上并且將散熱翅片18激光焊接到端帽14的對(duì)應(yīng)的槽30’中。具有電氣饋通的端帽14還可以包含安全防爆片(未示出)以及針對(duì)電解液劑量和地層天然氣解壓的開口(未示出)。

已經(jīng)描述了用于將熱從電芯的內(nèi)部傳導(dǎo)出的鋁散熱翅片18。對(duì)于高功率應(yīng)用，可以使用以例如鋁的中空板(未示出)的形式并且包含相變化材料(最適合于脈沖應(yīng)用)或被配置為熱管道(適合于高功率，連續(xù)的放電)的翅片。

如以上所描述的，棱柱型電芯設(shè)計(jì)還可以使用分級(jí)的電極涂層重量方案來管理內(nèi)部熱生成。使用利用原型電芯中的溫度探頭確認(rèn)的熱建模，可以識(shí)別電芯內(nèi)的在電芯操作期間發(fā)生過多的溫度上升的位置。在備選電芯設(shè)計(jì)/構(gòu)建中，可以通過使用在電芯的存在該問題的區(qū)域中具有減輕的涂層重量的電極對(duì)制造電芯來減輕該溫度上升。這些減輕的涂層重量電極可以放電較少的電流，生成較少的焦耳熱，并且在給定電芯充電和放電條件下具有較高的傳熱率。

電芯10的外殼12的熱管理可以通過任何傳統(tǒng)的方式來完成。脊?fàn)钔怏w可以提供鄰近電芯之間的支柱，其可以允許強(qiáng)制空氣冷卻，插入翅片以將熱傳導(dǎo)到泵送的流體冷板，或者更多的奇特方案，例如使用熱管道或相變材料。

從前文將觀察到，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下實(shí)現(xiàn)許多變化和修改。要理解，本文中圖示的不旨在限制，或者不應(yīng)當(dāng)推斷本文中圖示的為限制。當(dāng)然，旨在由隨附權(quán)利要求覆蓋落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的修改。