本公開總體上涉及電化學(xué)裝置。更具體地，本公開的各方面涉及用于電動(dòng)機(jī)動(dòng)車輛和其他電力驅(qū)動(dòng)裝置(例如電力驅(qū)動(dòng)的飛機(jī))中的鋰離子電池。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前生產(chǎn)的機(jī)動(dòng)車輛，例如現(xiàn)代汽車，最初配備有動(dòng)力總成，該動(dòng)力總成運(yùn)行以驅(qū)動(dòng)車輛并為車輛的車載電子設(shè)備提供動(dòng)力。例如，在汽車應(yīng)用中，車輛動(dòng)力總成通常以原動(dòng)機(jī)為代表，原動(dòng)機(jī)通過自動(dòng)或手動(dòng)換檔的動(dòng)力變速器將驅(qū)動(dòng)扭矩傳遞至車輛的最終傳動(dòng)系統(tǒng)(例如差速器、車軸、角模塊、車輪等)。汽車歷來都是由往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)(ice)組件提供動(dòng)力，因?yàn)樗子讷@得、成本相對(duì)便宜、重量輕且整體效率高。作為一些非限制性示例，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮點(diǎn)火式(ci)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、火花點(diǎn)火式(si)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、二沖程、四沖程和六沖程架構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。另一方面，混合動(dòng)力電動(dòng)車輛和全電動(dòng)車輛(統(tǒng)稱為“電力驅(qū)動(dòng)車輛”)利用替代能源來驅(qū)動(dòng)車輛，從而最大限度地減少或消除對(duì)基于化石燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)提供牽引力的依賴。

2、全電動(dòng)車輛(fev)–俗稱“電動(dòng)汽車”–是一種電力驅(qū)動(dòng)車輛配置，其完全省略了動(dòng)力總成系統(tǒng)中的內(nèi)燃機(jī)和附帶的外圍部件，而是依靠可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)(ress)和用于車輛推進(jìn)的牽引電機(jī)?；趇ce的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)組件、燃料供應(yīng)系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)被基于電池的fev中的單個(gè)或多個(gè)牽引電機(jī)、可充電電池罐以及電池冷卻和充電硬件所取代。相比之下，混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(hev)動(dòng)力總成采用多種牽引動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)車輛，最常見的是與電池供能或燃料罐供能的牽引電機(jī)結(jié)合運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)組件。由于混合動(dòng)力型電動(dòng)車輛從發(fā)動(dòng)機(jī)以外的來源獲得它們的動(dòng)力，因此當(dāng)車輛由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，hev發(fā)動(dòng)機(jī)可以全部或部分關(guān)閉。

3、高壓(hv)電氣系統(tǒng)控制牽引電機(jī)和可充電電池組之間的電力傳輸，為許多混合動(dòng)力電動(dòng)和全電動(dòng)動(dòng)力總成提供運(yùn)行所需的電力。為了提供以期望速度推動(dòng)車輛行駛期望里程所需的功率容量和能量密度，現(xiàn)代牽引電池組將多個(gè)電池罐(例如，8-16+罐/堆)分組為獨(dú)立的電池模塊(例如，10-40+模塊/組)，這些電池模塊串聯(lián)或并聯(lián)電氣互連并例如通過電池組外殼或支撐托盤安裝到車輛底盤上。位于高壓電氣系統(tǒng)的電池側(cè)的是前端直流-直流功率轉(zhuǎn)換器，其與牽引電池組電連接，以增加對(duì)主直流母線和直流-交流電源逆變器模塊(pim)的電壓供應(yīng)。高頻大容量電容器可以布置在主dc總線的正端子和負(fù)端子之間，以提供電氣穩(wěn)定性并存儲(chǔ)補(bǔ)充電能。專用電子電池控制模塊(ebcm)通過與動(dòng)力總成控制模塊(pcm)和每個(gè)電機(jī)的電力電子組件的協(xié)作操作，控制電池組和牽引電機(jī)的運(yùn)行。

4、諸如電池模塊、電池組等的電池陣列典型地包括彼此相對(duì)靠近的多個(gè)電池罐。電池可大體上分為一次電池和二次電池。一次電池，也稱為一次性電池，旨在被使用直至耗盡，之后只需更換新電池即可。二次電池，通常稱為可充電電池，采用特定的化學(xué)組成，允許此類電池重復(fù)充電和重復(fù)使用，因此與一次性電池相比，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和易于使用的益處。

5、可充電電池可用于為如玩具、消費(fèi)電子產(chǎn)品、機(jī)動(dòng)車輛和飛機(jī)這樣的多種物品供電。可充電電池(例如鋰離子罐)的特定化學(xué)組成以及外部因素可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱能。這種異常化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致電池罐產(chǎn)生的熱量多于有效散發(fā)的熱量。電池罐長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下可能會(huì)導(dǎo)致電池罐發(fā)生熱失控事件。因此，在單個(gè)罐內(nèi)開始的熱失控傳播(trp)事件可能導(dǎo)致熱量擴(kuò)散到電池陣列中的相鄰罐，并導(dǎo)致熱失控事件影響整個(gè)電池組并影響附近的溫度敏感部件，例如控制器、傳感器、電池端子和連接器等。

6、鋰離子電池組的各個(gè)罐在充電和放電循環(huán)期間可能會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這種罐載熱量主要是由放熱化學(xué)反應(yīng)和由于活化能、化學(xué)傳遞和離子遷移阻力造成的損失產(chǎn)生的。在鋰離子電池內(nèi)，隨著罐溫度升高可能會(huì)發(fā)生一系列放熱和氣體生成反應(yīng)，這可能會(huì)將電池組件推向不穩(wěn)定狀態(tài)。如果不加以控制，此類熱事件可能會(huì)導(dǎo)致更加加速的發(fā)熱狀態(tài)，稱為“熱失控”(tr)或“熱失控傳播”(trp)，在這種情況下，電池系統(tǒng)無法將內(nèi)部電池部件返回到正常工作溫度。trp事件可能會(huì)損壞電池組并熔化內(nèi)部部件。包括多個(gè)電池罐的電池模塊可由主動(dòng)冷卻的底部冷板支撐，以控制電池充電和放電操作期間的溫度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開教導(dǎo)了包含在用于電動(dòng)車輛或其他電力驅(qū)動(dòng)裝置的方形電池罐內(nèi)部的可再充電電池(例如，鋰離子電池)的多個(gè)內(nèi)部層的創(chuàng)新堆疊幾何形狀。改進(jìn)的電池組幾何形狀包括倒u形配置。當(dāng)電池經(jīng)歷熱失控(tr)事件時(shí)，電池的上半部分會(huì)表現(xiàn)出非常高的溫度(例如，800℃)。倒u形堆疊幾何形狀在靠近電池罐上部區(qū)域的水平方向上具有高熱導(dǎo)率，以便更好的散熱，同時(shí)在靠近電池罐底部的豎直方向上也提供較高的熱導(dǎo)率，以便通過附接的主動(dòng)冷卻的底部冷板更好地排熱。這種創(chuàng)新的堆疊幾何形狀響應(yīng)于相鄰電池罐中發(fā)生的tr事件提供更長(zhǎng)的延遲時(shí)間(例如，>1300秒)和降低的峰值溫度(例如，<155℃)。這種創(chuàng)新的堆疊幾何形狀還允許熱響應(yīng)阻擋(trb)層顯著更薄(例如，薄50％)，從而允許更大的電池組能量密度和/或更小的電池組尺寸。

2、在一個(gè)實(shí)施例中，方形電池包括方形電池罐，該方形電池罐具有上部區(qū)域、沿著方形電池罐的高度的豎直z方向、以及沿著方形電池罐的寬度的水平y(tǒng)方向。多個(gè)堆疊的電池層設(shè)置在方形電池罐的內(nèi)部。堆疊的電池層具有面內(nèi)方向和垂直于面內(nèi)方向的橫向方向。堆疊的電池層具有正交各向異性的熱導(dǎo)率，其在面內(nèi)方向上具有高的面內(nèi)熱導(dǎo)率并且在橫向方向上具有低的橫向熱導(dǎo)率。堆疊的電池層以倒u形幾何構(gòu)造在方形電池罐內(nèi)部折疊。倒u形幾何形狀被配置為響應(yīng)于相鄰電池罐中發(fā)生的熱失控事件，提供更長(zhǎng)的熱延遲時(shí)間和降低的峰值溫度。

3、另一個(gè)實(shí)施例涉及一種方形電池，其包括：高度/寬度高寬比大于1.5的方形電池罐，其還具有上部區(qū)域、沿著方形電池罐的高度的豎直z方向、以及沿著方形電池罐的寬度的水平y(tǒng)方向。方形電池罐內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)堆疊的電池層；其中堆疊的電池層具有面內(nèi)方向以及垂直于面內(nèi)方向的橫向方向。堆疊的電池層具有正交各向異性的熱導(dǎo)率，其在面內(nèi)方向上具有高熱導(dǎo)率并且在橫向方向上具有低熱導(dǎo)率。堆疊的電池層以這樣的方式配置在方形電池罐的內(nèi)部，使得方形電池罐的上部區(qū)域中的熱導(dǎo)率在水平y(tǒng)方向上是高的(參見圖3)。堆疊的電池層在方形電池罐內(nèi)以“倒u”幾何形狀折疊。對(duì)于鋰離子電池，堆疊電池層的高的面內(nèi)熱導(dǎo)率除以低的橫向熱導(dǎo)率的比通常大于10(例如，等于約13)。方形電池罐的高度/寬度高寬比可大于約3。方形電池罐的上部區(qū)域可具有方形電池罐的總高度的從10％至20％范圍的高度。

4、在另一個(gè)實(shí)施例中，堆疊的電池層包括：負(fù)極集流體層、與負(fù)極集流體層相鄰設(shè)置的陽極電極層、與陽極電極層相鄰設(shè)置的隔膜層、與隔膜層相鄰設(shè)置的陰極電極層；以及與陰極電極層相鄰設(shè)置的正極集流體層。方形電池可以是方形鋰離子電池。負(fù)極集流體層可以由銅制成。陽極電極層可以是石墨、鈦酸鋰、硅/碳、或錫/鈷合金、或它們的組合。隔膜層可以是微孔聚烯烴聚合物，例如微孔聚乙烯(pe)、微孔聚丙烯(pp)、或微孔聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)、或它們的組合。陰極電極層可以是鋰金屬氧化物、licoo2(lco)、limn2o4(lmo)、lifepo4(lfp)、鎳錳鈷氧化物(nmc)或鎳鈷鋁氧化物(nca)或其組合。正極集流體層可以由鋁制成。

5、另一個(gè)實(shí)施例涉及一種方形電池組，包括：第一方形電池罐；相鄰的第二方形電池罐；設(shè)置在第一和第二方形電池罐下方的主動(dòng)冷卻的底部冷板；和設(shè)置在第一和第二方形電池罐之間的熱響應(yīng)阻擋(trb)層。倘若其中一個(gè)方形電池罐中發(fā)生熱失控(tr)事件，trb層減少從第一方形電池罐到第二(相鄰)方形電池罐的熱傳導(dǎo)。每個(gè)方形電池罐可包括以倒u形幾何形狀折疊(即，卷繞)的堆疊電池層。當(dāng)在每個(gè)方形電池罐內(nèi)部使用倒u形幾何形狀時(shí)，在熱失控事件開始之后升高相鄰方形罐的溫度所需的時(shí)間更長(zhǎng)。

6、另一個(gè)實(shí)施例涉及一種電動(dòng)車輛，其包括：具有乘客室的車身；附接至車身的多個(gè)車輪；附接至車身的牽引電機(jī)，其可操作以驅(qū)動(dòng)多個(gè)車輪中的一個(gè)或多個(gè)車輪，從而推進(jìn)電動(dòng)車輛；和牽引電池組，其附接至車身并電連接至牽引電機(jī)。牽引電池組包括多個(gè)以相互平行排布置的方形電池罐。每個(gè)方形電池罐包括：高度/寬度高寬比大于1.5、優(yōu)選地大于3的方形電池罐。每個(gè)方形電池罐包括上部區(qū)域、沿著方形電池罐的高度的豎直z方向，以及沿著方形電池罐的寬度的水平y(tǒng)方向。在方形電池罐內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)堆疊的電池層；其中堆疊的電池層具有面內(nèi)方向以及垂直于面內(nèi)方向的橫向方向。堆疊的電池層具有正交各向異性的熱導(dǎo)率，其在面內(nèi)方向上具有高熱導(dǎo)率并且在橫向方向上具有低熱導(dǎo)率。堆疊的電池層以這樣的方式配置在方形電池罐的內(nèi)部，使得方形電池罐的上部區(qū)域中的熱導(dǎo)率在水平y(tǒng)方向上是高的。堆疊的電池層在方形電池罐內(nèi)部以“倒u”幾何形狀配置(即折疊)。方形電池罐的高度/寬度比可以大于3，并且多個(gè)堆疊電池層的高的面內(nèi)熱導(dǎo)率除以低的橫向熱導(dǎo)率的比可以大于10。方形電池組可以包括方形鋰離子電池。

7、本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

8、1.一種方形電池，包括：

9、方形電池罐，其包括上部區(qū)域、沿方形電池罐的高度的豎直z方向和沿方形電池罐的寬度的水平y(tǒng)方向；和

10、設(shè)置在方形電池罐的內(nèi)部的多個(gè)堆疊的電池層；

11、其中，多個(gè)堆疊的電池層具有面內(nèi)方向以及垂直于面內(nèi)方向的橫向方向；

12、其中，多個(gè)堆疊的電池層具有正交各向異性的熱導(dǎo)率，所述熱導(dǎo)率在面內(nèi)方向上具有面內(nèi)熱導(dǎo)率，并且在橫向方向上具有橫向熱導(dǎo)率；

13、其中，面內(nèi)熱導(dǎo)率大于橫向熱導(dǎo)率；

14、其中，所述多個(gè)堆疊的電池層以倒u形幾何形狀配置在方形電池罐內(nèi)部；且

15、其中，在方形電池罐的上部區(qū)域中在水平y(tǒng)方向上的面內(nèi)熱導(dǎo)率高于在豎直z方向上的橫向熱導(dǎo)率。

16、2.根據(jù)方案1所述的方形電池，其中所述多個(gè)堆疊的電池層的面內(nèi)熱導(dǎo)率除以橫向熱導(dǎo)率的比大于約10.0。

17、3.根據(jù)方案1所述的方形電池，其中所述方形電池罐的高度除以所述方形電池罐的寬度的高寬比大于約1.5。

18、4.根據(jù)方案3所述的方形電池，其中所述方形電池罐的高度除以所述方形電池罐的寬度的高寬比大于約3.0。

19、5.根據(jù)方案1所述的方形電池，其中，所述方形電池罐的上部區(qū)域的高度在所述方形電池罐的總高度的從10％至20％的范圍。

20、6.根據(jù)方案1所述的方形電池，其中所述多個(gè)堆疊的電池層包括負(fù)極集流體層；

21、與負(fù)極集流體層相鄰設(shè)置的陽極電極層；

22、與陽極電極層相鄰設(shè)置的隔膜層；

23、陰極電極層，所述陰極電極層與隔膜層相鄰、與陽極電極層相對(duì)地設(shè)置；和

24、與陰極電極層相鄰設(shè)置的正極集流體層。

25、7.根據(jù)方案6所述的方形電池，

26、其中，方形電池罐包括鋰離子電池；

27、其中，負(fù)極集流體層包含銅；

28、其中，陽極電極層包括選自石墨、鈦酸鋰、硅/碳、或錫/鈷合金及其組合的材料；

29、其中，所述隔膜層包含選自微孔聚乙烯(pe)、微孔聚丙烯(pp)或微孔聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)及其組合的微孔聚烯烴聚合物；

30、其中陰極電極層包含選自鋰金屬氧化物、licoo2(lco)、limn2o4(lmo)、lifepo4(lfp)、鎳錳鈷氧化物(nmc)或鎳鈷鋁氧化物(nca)及其組合；且

31、其中正極集流體層包含鋁。

32、8.一種方形電池組，包括：

33、第一方形電池罐；

34、與第一方形電池罐相鄰設(shè)置的第二方形電池罐；

35、設(shè)置在第一和第二方形電池罐下方的主動(dòng)冷卻的底部冷板；和

36、熱響應(yīng)阻擋(trb)層，其設(shè)置在第一方形電池罐和第二方形電池罐之間，其中trb層被配置成減少從第一方形電池罐到第二方形電池罐的熱傳導(dǎo)。

37、9.根據(jù)方案8所述的方形電池組，

38、其中，第一方形電池罐包括在第一方形電池罐內(nèi)部以倒u形幾何形狀配置的第一多個(gè)堆疊電池層；且

39、其中，第二方形電池罐包括在第二方形電池罐內(nèi)部以倒u形幾何形狀配置的第二多個(gè)堆疊電池層。

40、10.根據(jù)方案9所述的方形電池組，其中所述第二方形罐被配置成在相鄰的第一方形電池罐中發(fā)生熱失控(tr)事件之后具有大于約1300秒的熱響應(yīng)時(shí)間以達(dá)到不超過約155℃的峰值溫度。

41、11.根據(jù)方案9所述的方形電池組，其中所述第一多個(gè)堆疊電池層包括

42、負(fù)極集流體層；

43、與負(fù)極集流體層相鄰設(shè)置的陽極電極層；

44、與陽極電極層相鄰設(shè)置的隔膜層；

45、與陽極電極層相對(duì)、與隔膜層相鄰設(shè)置的陰極電極層；和

46、與陰極電極層相鄰設(shè)置的正極集流體層。

47、12.一種電動(dòng)車輛，包括：

48、具有乘客室的車身；

49、附接至車身的多個(gè)車輪；

50、牽引電機(jī)，所述牽引電機(jī)附接至車身并能操作以驅(qū)動(dòng)多個(gè)車輪中的一個(gè)或多個(gè)，從而推進(jìn)電動(dòng)車輛；和

51、附接至車身并電連接至牽引電機(jī)的牽引電池組；

52、其中，牽引電池組包括方形電池罐；

53、其中，方形電池罐包括：

54、上部區(qū)域；

55、沿方形電池罐的高度定向的豎直z方向；

56、沿著方形電池罐的寬度定向的水平y(tǒng)方向；和

57、設(shè)置在方形電池罐的內(nèi)部的多個(gè)堆疊的電池層；

58、其中，多個(gè)堆疊的電池層具有面內(nèi)方向以及垂直于面內(nèi)方向的橫向方向；

59、其中，多個(gè)堆疊的電池層具有正交各向異性的熱導(dǎo)率，所述熱導(dǎo)率在面內(nèi)方向上具有面內(nèi)熱導(dǎo)率，并且在橫向方向上具有橫向熱導(dǎo)率；

60、其中，面內(nèi)熱導(dǎo)率大于橫向熱導(dǎo)率；

61、其中，所述多個(gè)堆疊的電池層以倒u形幾何形狀配置在方形電池罐內(nèi)部；

62、其中，在方形電池罐的上部區(qū)域中在水平y(tǒng)方向上的面內(nèi)熱導(dǎo)率高于在豎直z方向上的橫向熱導(dǎo)率。

63、13.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中所述多個(gè)堆疊的電池層的面內(nèi)熱導(dǎo)率除以橫向熱導(dǎo)率的比大于約10.0。

64、14.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中所述方形電池罐的高度除以所述方形電池罐的寬度的高寬比大于約1.5。

65、15.根據(jù)方案14所述的電動(dòng)車輛，其中所述方形電池罐的高度除以寬度的高寬比大于約3.0。

66、16.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中所述方形電池罐包括鋰離子電池。

67、17.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中所述牽引電池組設(shè)置在主動(dòng)冷卻的底部冷板的上面。

68、18.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中，所述方形電池罐的上部區(qū)域的高度在所述方形電池罐的總高度的從10％至20％的范圍。

69、19.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，還包括：

70、與第一方形電池罐相鄰設(shè)置的第二方形電池罐；

71、主動(dòng)冷卻的底部冷板，其設(shè)置在第一方形電池罐和第二方形電池罐兩者的下方；和

72、設(shè)置在第一方形電池罐和第二方形電池罐之間的熱響應(yīng)阻擋(trb)層，所述熱響應(yīng)阻擋層被配置為減少從第一方形電池罐到第二方形電池罐的熱傳導(dǎo)。

73、20.根據(jù)方案12所述的電動(dòng)車輛，其中所述第二方形電池罐被配置為在所述第一方形電池罐中發(fā)生熱失控(tr)事件之后具有大于約1300秒的熱響應(yīng)時(shí)間以達(dá)到小于約155℃的峰值溫度。

74、上述概述并不代表本公開的每個(gè)實(shí)施例或每個(gè)方面。相反，前述概述僅提供本文闡述的一些新穎概念和特征的概要。當(dāng)結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求時(shí)，從以下對(duì)示出的示例和用于執(zhí)行本公開的代表性模式的詳細(xì)描述，本公開的上述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他特征和伴隨的優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。此外，本公開明確地包括上文和下文呈現(xiàn)的元件和特征的任何和所有組合和子組合。