具有內(nèi)部相變材料的電池的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)35U. S .C. §119要求2013年2月21日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No .61/767， 564的優(yōu)先權(quán)，通過引用在其整體上并入該臨時(shí)申請(qǐng)的公開內(nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開內(nèi)容涉及電池，且更具體地涉及暴露于內(nèi)部或外部產(chǎn)生的熱中的電池。
【背景技術(shù)】
[0003] 電池是一種有用的存儲(chǔ)的能量的源，其可以合并入多種系統(tǒng)中。盡管通常是安全 的，但是電池中存儲(chǔ)的能量的量以及用于制造電池的材料在不同的場(chǎng)景下可能存在安全問 題。當(dāng)電池經(jīng)受由于內(nèi)部處理器或是由于電池所處的環(huán)境導(dǎo)致的增加的溫度時(shí)，安全尤其 成為問題。
[0004] 作為舉例，當(dāng)電池在充電或放電時(shí)，由于包括電阻，質(zhì)量傳遞以及動(dòng)能項(xiàng)的內(nèi)阻， 它們典型地產(chǎn)生熱。放熱副反應(yīng)也在電池內(nèi)產(chǎn)生熱。如果該熱產(chǎn)生大且快，則該熱產(chǎn)生可能 造成安全風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果內(nèi)電池單元溫度攀升至陰極的分解溫度(~180到220°C，取決于 化學(xué)成分和充電狀態(tài)）以上，則商用鋰離子電池單元通常進(jìn)入熱失控。通常，導(dǎo)致溫度上升 到該臨界溫度以上的事件是在低得多的溫度觸發(fā)的。例如，放熱陽(yáng)極膜分解可能在~120°C 發(fā)生，這為電池溫度上升到180°C以上提供了足夠的能量。
[0005] 除了安全考慮，增加的溫度影響電池的操作特性。在較溫暖的溫度(對(duì)于鋰離子電 池40到IO(TC)，電池的老化通常會(huì)加速。這是由于大部分有害副反應(yīng)是熱激發(fā)的(但是不是 電池的所有老化機(jī)制都會(huì)在高溫時(shí)加速）。因此建議在操作期間和/或在高環(huán)境溫度時(shí)冷卻 電池，以便增強(qiáng)它們的循環(huán)和/或日歷壽命。對(duì)于商用電池有許多冷卻概念，包括主動(dòng)式空 氣冷卻、液體冷卻以及使用具有高導(dǎo)熱性的材料。
[0006] 然而，電池的外部冷卻未防止熱增加的局部區(qū)域。例如，在高電流放電期間放置在 冰浴中并然后被內(nèi)部加熱的電池可以維持在冰的融化溫度直到冰完全融化，但這只是在電 池的外表面維持。在內(nèi)部，電池在局部位置的溫度將明顯更高，從而產(chǎn)生不均勻熱分布圖 (heat profile)。電池的內(nèi)部溫度因此可能攀升到遠(yuǎn)在冰的融化溫度以上。
[0007] 因此需要的是較不易受到增加的溫度的有害影響的電池。存在對(duì)減少局部熱分布 圖波動(dòng)的電池的進(jìn)一步需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，一種電化學(xué)電池單元包括負(fù)電極、正電極、位于負(fù)電極和正電極 之間的分離器;以及電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變材料。
[0009] 在另一個(gè)實(shí)施例中，一種操作電化學(xué)電池單元的方法包括:通過對(duì)電化學(xué)電池單 元充電或放電來利用電化學(xué)電池單元產(chǎn)生熱，電化學(xué)電池單元包括負(fù)電極、正電極以及位 于負(fù)電極和正電極之間的分離器；以及使用產(chǎn)生的熱來改變電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變材料 的相。
【附圖說明】
[0010]通過參考以下的詳細(xì)描述和附圖，上述特征和優(yōu)勢(shì)以及其他特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員應(yīng)該變得容易清楚，在附圖中：
[0011]圖1描繪了根據(jù)本公開的原理的包括在負(fù)電極和正電極具有相變材料的電池單元 的電池系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 為了促進(jìn)本公開原理的理解的目的，現(xiàn)在將參考附圖中圖示的以及下面書寫的說 明書中所描述的實(shí)施例。應(yīng)該理解的是，由此不意圖對(duì)本公開范圍有任何限制。還應(yīng)理解的 是，本公開包括對(duì)于所說明實(shí)施例的任何變更和修改并進(jìn)一步包括本公開原理的應(yīng)用，如 本公開所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將通常想到的那樣。
[0013] 圖1描繪了電化學(xué)電池單元100的示意圖。電化學(xué)電池單元100包括負(fù)電極102,其 與正電極104被多孔分離器106分離。在該實(shí)施例中，負(fù)電極102包括集電器108、活性材料 11 〇、惰性材料112以及相變材料114。負(fù)電極102可以由鋰金屬或嵌鋰化合物形成。
[00M]在個(gè)實(shí)施例中，正電極104包括集電器118、活性材料120、惰性材料122以及相變材 料124。惰性材料122可形成多孔基質(zhì)，其是由導(dǎo)電材料(例如導(dǎo)電碳或泡沫鎳)形成的導(dǎo)電 基質(zhì)，但是可以使用各種替代基質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料。分離器106阻止負(fù)電極102與正電極104電氣 連接。
[0015] 電化學(xué)電池單元100包括存在于正電極104中并且在某些實(shí)施例中存在于分離器 106和負(fù)電極102中的電解質(zhì)溶液116。
[0016] 在金屬是鋰的情況中，電化學(xué)電池單元100在負(fù)電極102中的鋰金屬離子化為L(zhǎng)i + 離子與自由電子eT的情況下放電。Li+離子在箭頭120所指示的方向朝正電極104行進(jìn)通過分 離器106。
[0017] 在電池單元放電（或充電）時(shí)可能產(chǎn)生熱。熱也可能在電池單元100外部產(chǎn)生并傳 遞進(jìn)入電池單元100。相變材料114/124通過接受(或拒絕)熱能來維持系統(tǒng)的溫度在恒定溫 度(轉(zhuǎn)變溫度），直到該材料由相A完全變換為相B。相變材料114/124遍及電池單元分布以便 最小化遍及電池單元的溫度變化。在其他實(shí)施例中，為了將表面溫度維持在相變溫度，相變 材料114/124位于電池外表面。例如，在高電流放電期間放置在冰浴中并然后被內(nèi)部加熱的 電池可以維持在冰的融化溫度直到冰完全融化，但這只是在電池的外表面維持。電池的內(nèi) 部溫度可能攀升到遠(yuǎn)在冰的融化溫度以上。
[0018] 因此，相變材料114/124防止可能導(dǎo)致提早老化或安全隱患的電池中的過度溫度， 以及改進(jìn)了遍及電池的溫度的一致性。在不同的實(shí)施例中，相變材料合并于陽(yáng)極、陰極、分 離器或是電池單元的其他部分中。
[0019 ]選擇相變材料(PCM)的量以使得其可以在電池單元加熱期間吸收足夠的熱量但并 不會(huì)太大以致于損害電池的能量密度或功率密度。選擇相變溫度為在使電池單元提早老化 或造成安全風(fēng)險(xiǎn)所必需的溫度以下的溫度。它同樣遠(yuǎn)高于電池單元的正常操作溫度，以致 于既不限制電池單元的倍率性能（其在較高溫度增強(qiáng)），也不允許PCM在由于電池單元加熱 導(dǎo)致的典型熱能沖擊期間完全改變其相，因?yàn)橐坏㏄CM完成相變，電池單元的溫度就可能攀 升到超過相轉(zhuǎn)變溫度。因此，通過將足夠的PCM合并到電池單元中并避免過低的轉(zhuǎn)變溫度來 避免完全相轉(zhuǎn)變是必要的。
[0020] 優(yōu)選但非必然的是，PCM是在正常電池單元操作期間經(jīng)歷的電壓、電流和溫度不與 其他電池單元組分反應(yīng)的惰性組分。PCM和其他組分之間發(fā)生的任何反應(yīng)應(yīng)當(dāng)是良性的和 可逆的(或幾乎完全可逆的）。相變本身也應(yīng)該是可逆的(或幾乎完全可逆的）。
[0021] 電池的外部冷卻(被動(dòng)地或主動(dòng)地)被采用來吸收來自電池的熱能并防止PCM完全 相變。外部冷卻也可在電池處于開路時(shí)采用以便逆轉(zhuǎn)內(nèi)部相變過程。這樣做使得PCM在下次 電池內(nèi)部產(chǎn)生這樣的能量時(shí)吸收更多的熱能。
[0022] 在不同實(shí)施例中使用的一些相變材料在下表中闡述：
[0024]其他相變材料包括：




[0033] 其他PCM包括：


[0037]雖然在附圖和前述描述中已經(jīng)詳細(xì)說明和描述了本公開，但是應(yīng)將這認(rèn)為是說明 性的并且在特性上不是限制性的。應(yīng)該理解的是，只給出了優(yōu)選實(shí)施例，并且期望保護(hù)落在 本公開精神內(nèi)的所有改變、修改和另外的應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電化學(xué)電池單元，包括： 負(fù)電極； 正電極； 位于負(fù)電極和正電極之間的分離器；以及 電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料是固-固相變材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第一部分是位于正電極內(nèi) 的。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第二部分是位于負(fù)電極內(nèi) 的。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第三部分是位于分離器內(nèi) 的。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池單元，其中負(fù)電極包括鋰的形式。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)電池單元，其中選擇相變材料以具有介于40°C與100°C 之間的轉(zhuǎn)變溫度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料是固-固相變材料。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第一部分是位于正電極內(nèi) 的。 1 〇.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第二部分是位于負(fù)電極內(nèi) 的。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第三部分是位于分離器 內(nèi)的。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)電池單元，其中相變材料的第四部分是位于電化學(xué) 電池單元的外表面的。13. -種操作電化學(xué)電池單元的方法，包括： 通過對(duì)電化學(xué)電池單元充電或放電來利用電化學(xué)電池單元產(chǎn)生熱，電化學(xué)電池單元包 括負(fù)電極、正電極以及位于負(fù)電極和正電極之間的分離器；以及 使用產(chǎn)生的熱來改變電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變材料的相。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，權(quán)利要求13所述的方法，其中，利用電化學(xué)電池單元 產(chǎn)生熱包括： 通過包括鋰的形式的處理來產(chǎn)生熱。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括： 將電化學(xué)電池單元置于開路配置；以及 通過當(dāng)電化學(xué)電池單元處于開路配置時(shí)對(duì)其應(yīng)用外部冷卻來改變相變材料的相。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括： 從具有介于40 °C與100 °C之間的轉(zhuǎn)變溫度的一組相變材料中選擇相變材料。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中選擇相變材料包括： 從由固-固相變材料組成的組中選擇相變材料。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中使用產(chǎn)生的熱來改變電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變 材料的相包括： 使用產(chǎn)生的熱來改變?cè)陔娀瘜W(xué)電池單元的負(fù)電極內(nèi)的第一相變材料部分的相。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中使用產(chǎn)生的熱來改變電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變 材料的相包括： 使用產(chǎn)生的熱來改變?cè)陔娀瘜W(xué)電池單元的正電極內(nèi)的第二相變材料部分的相。
【專利摘要】一種電化學(xué)電池單元包括負(fù)電極、正電極、位于負(fù)電極和正電極之間的分離器；以及電化學(xué)電池單元內(nèi)的相變材料。
【IPC分類】H01M2/02, C09K5/02, H01M2/16, H01M4/62, H01M10/052, H01M10/42
【公開號(hào)】CN105594009
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201480009215
【發(fā)明人】J·克里斯滕森, B·科金斯基
【申請(qǐng)人】羅伯特·博世有限公司
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2014年2月20日
【公告號(hào)】EP2976796A1, WO2014130676A1