專利名稱：具有介入的隔離體的模塊化電池用電池單元模塊的制作方法
具有介入的隔離體的模塊化電池用電池單元模塊
背景技術(shù)：
模塊化電池是包括兩個(gè)以上的電池單元或單電池模塊或單電池的電池。使用模塊化電池的裝置的常見(jiàn)例子是可以使用例如兩個(gè)C型單電池的手持式手電筒。近來(lái)，模塊化電池在包括混合電動(dòng)車輛(“HEV”)、插入式混合電動(dòng)車輛(“PHEV”)和其它應(yīng)用在內(nèi)的許多應(yīng)用中變得重要。模塊化電池在用于HEV、PHEV和其它應(yīng)用時(shí)，除了需要耐用、安全和節(jié)省成本以外，還需要輸送大量電力。像手持式手電筒這樣的模塊化電池的應(yīng)用需要使用多個(gè)以串聯(lián)方式連接的電池單元。然而，例如，HEV和PHEV用的模塊化電池可能不同于常見(jiàn)的手電筒中使用的模塊化C型單電池。美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1公開(kāi)了一種具有電池單元模塊的模塊化電池， 通過(guò)引用而將該美國(guó)專利包含于此。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種模塊化電池用單電池模塊，其包括多個(gè)正電極板，其具有從所述正電極板延伸的正連接部，并且具有第一端部和相反的第二端部；多個(gè)負(fù)電極板，其具有從所述負(fù)電極板延伸的負(fù)連接部，并且具有第三端部和相反的第四端部，所述正電極板和所述負(fù)電極板交替堆疊，使得所述第一端部和所述第三端部在所述單電池模塊的同一側(cè)并且所述第二端部和所述第四端部在相反側(cè)；以及隔離體，其位于所述正電極板和所述負(fù)電極板之間并且覆蓋所述第二端部和所述第三端部。還提供一種具有多個(gè)單電池模塊的模塊化電池。本發(fā)明還提供一種用于形成模塊化電池用單電池模塊的方法，其包括將單片隔離體置于多個(gè)正電極板和多個(gè)負(fù)電極板之間以消除正電極板和負(fù)電極板之間的直接的電接觸。


將參照優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，其中圖I以截面圖示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的模塊化單電池；圖2以截面圖示意性地示出本發(fā)明的可替代的實(shí)施方式。這些附圖本質(zhì)上是示意性的，并且不是按比例繪制的。為了清楚和便于理解，放大了一些元件的大小。
具體實(shí)施例方式為了足夠?yàn)镠EV、PHEV和其它應(yīng)用供電，期望使用包含表面體積比高的單電池的模塊化電池，例如為電池的各單電池使用平面化設(shè)計(jì)。例如，這些單電池可以約為大書(shū)本(large book)的大小，其中，書(shū)本的“正面”包含例如正端子(也稱為電極)，書(shū)本的“背面”包含例如負(fù)端子。與在單電池的一端處使用凸起的凹座(raised dimple)從而與相接的筒狀單電池進(jìn)行電接觸的筒狀電池(例如，C型單元電池(ce11 battery ))不同，大致為平面的單電池不需要具有這種凸起的凹座。對(duì)于包括HEV和PHEV在內(nèi)的需要高電力的許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，期望電池以高電壓輸送電力以降低供應(yīng)電力所需的電流，這也益于降低使用該電力的裝置使用高電流承載材料的需要。電力是電壓和電流的倍數(shù)，并且將電力高電壓輸送至例如電機(jī)等裝置使該裝置僅需要較薄的或者較少的導(dǎo)電性的電流承載體(例如銅線)，這樣可以降低成本。例如電動(dòng)車可能需要電池以300伏特至600伏特的電壓提供電力。這種高電壓典型地通過(guò)將多個(gè)低壓電池模塊電串聯(lián)地外部連接到一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。這在某種程度上是出于對(duì)電池模塊內(nèi)的典型“袋狀”(pouch)單電池的串聯(lián)連接的“堆”(stack)進(jìn)行組裝和操作的安全性考慮，因?yàn)檩^高電壓時(shí)、尤其是大約60伏特以上時(shí)，產(chǎn)生電弧放電的風(fēng)險(xiǎn)很大，并且由于諸如典型的“袋狀”單電池的“平坦”單電池的邊緣外圍(edge periphery)的單電池端子是暴露的，因此存在嚴(yán)重的振動(dòng)危險(xiǎn)。為了安全起見(jiàn)，這些單電池端子在低電壓、例如低于60伏特電壓的電池模塊內(nèi)以串聯(lián)的方式電連接。 本發(fā)明的目的是提供單電池模塊中的正電極板和負(fù)電極板之間的改善的耐短路性(short circuit resistance)。本發(fā)明的另一替代的或附加的目的是改善模塊化電池單元模塊的制造或拆卸的簡(jiǎn)易性和/或降低其成本和/或復(fù)雜性。本發(fā)明的另一替代的或附加的目的是改善制造的易擴(kuò)縮性(ease of scalability of manufacturing)。可以使用本發(fā)明的單電池模塊來(lái)代替通過(guò)引用而包含的美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1中公開(kāi)的單電池模塊，并且本發(fā)明的單電池模塊可以具有與美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1中公開(kāi)的單電池模塊相同的殼體和觸點(diǎn)。如圖I所示，正端電極板14具有位于兩側(cè)的兩個(gè)片6a、6b (示出為正)，而負(fù)端電極板15具有兩個(gè)片8a、8b (示出為負(fù))。在端電極板14、15之間，正電極板9與負(fù)電極板10交替。端板14、15分別具有位于一側(cè)的活性材料涂層5、7(以放大的形式示出)，而板9、10分別具有位于兩側(cè)的活性材料涂層1、3。板9具有第一端部9b和第二端部9a，而板10具有第三端部IOa和第四端部10b。正端電極板14的一個(gè)片6a優(yōu)選地通過(guò)焊接連接到正電極板9的片2，以形成構(gòu)成單電池模塊23的正端子的端片12。以類似的方式，負(fù)端電極板15的一個(gè)片8a優(yōu)選地通過(guò)焊接連接到負(fù)電極板10的片4，以形成構(gòu)成單電池模塊23的負(fù)端子的端片13。在圖I中，示出端電極板14和端電極板15僅一側(cè)被涂布，而它們的另一側(cè)未被涂布，并且分別通過(guò)端片12和13，端電極板14和端電極板15的另一側(cè)例如使用通過(guò)引用而包含的美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1中所公開(kāi)的互連器、而分別呈現(xiàn)為隨后的高電壓電池組件的外部正、負(fù)單電池終端表面。在實(shí)踐中，改變并選擇電極數(shù)量和隔離體長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)所需的電化學(xué)能量存儲(chǔ)容量和所需的電力。因而也可以縮放表面積。除了增大電化學(xué)能量存儲(chǔ)以外，對(duì)于相同數(shù)量的能量，電極的數(shù)量越多，允許的充放電速率越高。本發(fā)明的具有多個(gè)電極的較大的表面面積降低了單電池模塊內(nèi)每單位電極面積的比電化學(xué)電流密度，也就是說(shuō)，對(duì)于較大數(shù)量的電極，電極的每平方厘米的安培數(shù)減小，使得電極可以在輸送電壓的損耗較少的情況下以較低的電流密度輸送更多的總電流。在電池中，由于眾所周知的電極極化或電壓損耗的電化學(xué)原理，高的電極電流密度使電池電壓降低。實(shí)踐中，可以利用諸如超聲波金屬焊接機(jī)等焊接機(jī)(welder)將多于30個(gè)的多個(gè)電極對(duì)分別典型地結(jié)合成正電極的焊接端片12和負(fù)電極的焊接端片13。優(yōu)選地，電極片沿著其整個(gè)長(zhǎng)度連接于電極單電池模塊的兩側(cè)，如單電池模塊的正極側(cè)的端片12和負(fù)極側(cè)的端片13所示。單電池模塊的外側(cè)上表面呈現(xiàn)為正端電極14的裸露的箔表面，而外側(cè)下表面呈現(xiàn)為負(fù)端電極15的裸露的金屬表面。安裝到各個(gè)片或電極片的電壓傳感器和溫度傳感器提供與安全性有關(guān)的早期信息，這是由于它們接近電極活性材料。根據(jù)本發(fā)明，如圖I所示，隔離體41的連續(xù)層介于正電極板9和負(fù)電極板10之間。由于由電絕緣材料制成的隔離體，能夠減少內(nèi)部的正電極9的第二端部9a和內(nèi)部的負(fù)電極10的第三端部IOa處的可能的短路。正電極的第一端部和負(fù)電極的第四端部分別是電極片2和電極片4的端部，在圖I中分別被示出為9b和10b。具有足夠長(zhǎng)度的單片隔離體41如圖I以截面圖所示出地以蜿蜒的形式包裹電極端部，隨后按照通過(guò)引用而包含的美 國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1由密封劑密封并裝入殼體。隔離體41可以由例如微孔聚烯烴制成并且為片形式。隔離體可以作為輥上的連續(xù)長(zhǎng)度來(lái)應(yīng)用?？梢詫㈦姌O排列成使得電極的全寬度片的軸線與輥的軸線平行。隔離體的寬度比電極的寬度寬(典型地，每側(cè)寬5mm)，以在電極的邊緣(垂直于電極的端部)之間提供絕緣性。電極交替地堆疊陰極和陽(yáng)極，正電極片(第一端部)位于堆的一側(cè)、而所有負(fù)電極片(第四端部)位于堆的另一側(cè)。如圖I和圖2所示，每放置一個(gè)新的電極之后，隔離體的輥包裹堆中的新的電極的相反的非片端部并且在電極上方朝向新的片端部的方向移動(dòng)。作為示例，在放置新的負(fù)電極之后，隔離體的輥包裹堆中的新的負(fù)電極的非片第三端部并且在新的負(fù)電極上方朝向新的負(fù)電極的新的第四片端部的方向移動(dòng)，隨后在放置新的正電極之后，隔離體的輥包裹堆中的新的正電極的非片第二端部并且在新的正電極上方朝向新的正電極的新的第一片端部的方向移動(dòng)，如此重復(fù)，直到多個(gè)正電極和負(fù)電極之間介入有隔離體、從而形成其中每個(gè)電極的非片端部均被隔離體包裹的電極的堆為止。隔離體的這些層在電極的第二端部和第三端部的區(qū)域提供機(jī)械上穩(wěn)定的和連續(xù)的絕緣層，在依靠隔離體的自由邊緣的重疊和對(duì)齊的傳統(tǒng)的堆疊電極裝配體中，該區(qū)域可能容易短路。本發(fā)明中的隔離體的包裹在沖擊和振動(dòng)過(guò)程中保持機(jī)械穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)的堆疊電極裝配體中的隔離體的自由邊緣會(huì)移動(dòng)，該移動(dòng)能夠?qū)е孪噜彽恼姌O和負(fù)電極之間的短路。隔離體41的位于電極板的外側(cè)且垂直于片12和片13的整個(gè)長(zhǎng)度的突出邊緣可以通過(guò)例如超聲波塑料焊接等結(jié)合在一起同時(shí)也允許電解質(zhì)進(jìn)入，以在將突出邊緣密封到殼體的塑料框架之前機(jī)械地穩(wěn)固隔離體來(lái)防止側(cè)向移動(dòng)，上述的框架的功能和配置在美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1中公開(kāi)并且通過(guò)引用而包含于此。圖I中示出的配置也可以更易于大規(guī)模制造中的自動(dòng)化裝配?？梢栽O(shè)置絕緣體17以將片6b、片8a分別與片4、片2絕緣。如圖2所示，也可以使隔離體41延伸超過(guò)圖I中示出的終端位置，因?yàn)楦綦x體41是電絕緣的，由此消除對(duì)絕緣體17的需要。圖2示出的配置在大規(guī)模制造中可能是有利的。在圖2中，隔離體41分別包裹正片6b和負(fù)片Sb的端部。
在正電極板和負(fù)電極板如這里說(shuō)明地以隔離體位于電極之間的方式堆疊之后,可以將電解質(zhì)添加至堆。為了提供給正電極板和負(fù)電極板均勻充放電必需的電解質(zhì)，電解質(zhì)均勻地?cái)U(kuò)散于包含隔離體的電極之間的整個(gè)空間。隔離體是微孔的且是電絕緣的，并且在填充電解質(zhì)后在它的孔內(nèi)也包含電解質(zhì)。為了使電解質(zhì)電阻降到最小，可以將電極之間的距離降到最小，并且用電解質(zhì)如此均勻地填充電池單元的電極之間的空間可以是電解質(zhì)在電極之間的空間和隔離體的孔緩慢滲透的過(guò)程，而電解質(zhì)滲透的非均勻性可能導(dǎo)致電解質(zhì)覆蓋電極表面的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致不均勻的電極充放電行為。在本發(fā)明中，在將微孔隔離體置于正電極板和負(fù)電極板之間之前使用電解質(zhì)對(duì)該微孔隔離體預(yù)濕，可以比在構(gòu)建堆之后添加電解質(zhì)提供更快、更均勻的電解質(zhì)在電極表面的覆蓋。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明中的隔離體介于電極之間的蜿蜒的隔離體形式包括通過(guò)在將隔離體置于電極之間之前將隔離體浸入電解質(zhì)中、例如通過(guò)使隔離體從浸入包含電解質(zhì)的容器的輥下方通過(guò)而在將隔離體置于電極之間之前將電解質(zhì)添加至隔離體。可替代地，可以在將隔離體置于電極之間之前通過(guò)用電解質(zhì)噴涂隔離體或通過(guò)其他手段來(lái)實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的施加。一旦被密封并裝入殼體而形成單電池模塊，可以堆疊并且使用通過(guò)引用而包含的 美國(guó)專利公布No. 2009-0239130A1中說(shuō)明的互連器來(lái)連接單電池模塊。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識(shí)到，可以在不背離本發(fā)明的廣義發(fā)明性概念的情況下，對(duì)上述說(shuō)明書(shū)所說(shuō)明的示例和實(shí)施方式進(jìn)行明顯變型和改變。因此，要理解為，本公開(kāi)不限于所公開(kāi)的特定示例和實(shí)施方式，而是期望覆蓋由所附的權(quán)利要求書(shū)限定的本公開(kāi)的范圍和精神內(nèi)的所有明顯修改。
權(quán)利要求
1.一種模塊化電池用單電池模塊，其包括 多個(gè)正電極板，其具有從所述正電極板延伸的正連接部，并且具有第一端部和相反的第二端部； 多個(gè)負(fù)電極板，其具有從所述負(fù)電極板延伸的負(fù)連接部，并且具有第三端部和相反的第四端部，所述正電極板和所述負(fù)電極板交替堆疊，使得所述第一端部和所述第三端部在所述單電池模塊的同一側(cè)并且所述第二端部和所述第四端部在相反側(cè)；以及 隔離體，其位于所述正電極板和所述負(fù)電極板之間并且覆蓋所述第二端部和所述第三端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單電池模塊，其特征在于， 所述隔離體為聚合材料的片材。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單電池模塊，其特征在于， 所述片材包括聚烯烴。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單電池模塊，其特征在于， 正片從所述第一端部延伸，負(fù)片從所述第四端部延伸，所述正片被連接而形成正端子，所述負(fù)片被連接而形成負(fù)端子。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單電池模塊，其特征在于， 所述單電池模塊還包括正電極端板和負(fù)電極端板，所述隔離體在所述正電極端板和一個(gè)負(fù)電極板之間延伸，并且所述隔離體在所述負(fù)電極端板和一個(gè)正電極板之間延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單電池模塊，其特征在于， 所述單電池模塊還包括位于所述正電極端板的片和一個(gè)負(fù)電極板的片之間的絕緣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單電池模塊，其特征在于， 所述隔離體延伸超過(guò)所述正電極端板的一個(gè)端部和一個(gè)負(fù)電極板，并且繞所述正電極端板的所述一個(gè)端部彎曲。
8.一種模塊化電池，其包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求I所述的單電池模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化電池，其特征在于， 所述模塊化電池還包括位于所述多個(gè)單電池模塊之間的互連器。
10.一種用于形成模塊化電池用單電池模塊的方法，其包括 將單片隔離體放置于多個(gè)正電極板和多個(gè)負(fù)電極板之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于， 所述方法還包括將電解質(zhì)添加到所述隔離體。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于， 在所述放置所述隔離體的過(guò)程中添加所述電解質(zhì)。
全文摘要
一種模塊化電池用單電池模塊，其包括多個(gè)正電極板，其具有從所述正電極板延伸的正連接部，并且具有第一端部和相反的第二端部；多個(gè)負(fù)電極板，其具有從所述負(fù)電極板延伸的負(fù)連接部，并且具有第三端部和相反的第四端部，所述正電極板和所述負(fù)電極板交替堆疊，使得所述第一端部和所述第三端部在所述單電池模塊的同一側(cè)并且所述第二端部和所述第四端部在相反側(cè)；以及隔離體，其位于所述正電極板和所述負(fù)電極板之間并且覆蓋所述第二端部和所述第三端部。還提供一種模塊化電池和一種方法。
文檔編號(hào)H01M2/24GK102714293SQ201180006428
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者克里斯托弗·K·戴爾, 邁克爾·L·愛(ài)普斯頓, 鄧肯·科爾沃 申請(qǐng)人:照明能源有限公司