CN107210387A - 用于高功率应用的长周期寿命棱柱型电池电芯 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电池模块。该电池模块包括：壳体；设置在壳体内的导热翅片，其具有第一翅片表面和第二翅片表面，第一翅片表面和第二翅片表面限定壳体内的各自的第一壳体腔和第二壳体腔。电池模块还包括：第一电池电芯，其设置在第一壳体腔内并接合第一翅片表面；以及第二电池电芯，其设置在第二壳体腔内并接合第二翅片表面。导热翅片适于将来自第一电池电芯和第二电池电芯的热从壳体向外传导。

Description

用于高功率应用的长周期寿命棱柱型电池电芯
背景技术
随着大规模能量存储***被并入到诸如脉冲功率和定向能量的应用中，对用于这样的应用的可靠、低维护电池的需要变得关键。因此，存在对能够支持各种这样的应用的大高速率锂离子电池的需要。
在当前最新的电池电芯技术中，能够高功率输出的电芯通常限于小的通常为圆柱形的形式，因此热管理问题变得重要并且在大的电芯中寿命有限。然而，在大能量存储***中对这样的小电芯的使用通常需要大量可能复杂的电芯互连件并且归因于对小电芯中的活性材料比率的高封装和能以圆柱形电芯实现的相对低包装密度两者而降低电池能量密度。相反地，已经在EV和大能量存储应用中发现越来越多的使用的大“袋”电芯通常受限于相对低和中等的放电速率，因为电芯活性材料和内部极耳两者中的自我加热都在这些电芯经受高充电或放电速率时产生热管理问题。另外，通常在这些大电芯中使用的镀铝聚酯薄膜包装材料不提供由圆柱形电芯的金属罐中的“卷芯”实现的高堆叠压力。由于这个原因，无支撑的袋电芯将通常呈现相对快的阻抗增长和功率和容量损失，因为在操作期间活性材料中的圆柱形体积变化引起电极部分地脱层。因此，为了在电池的寿命内维持电芯的活性材料的紧密接触，聚酯薄膜包必须利用外部机械支撑来强化。许多应用还需要额外的强化来保护电芯不受机械损坏。
对于传统电芯(圆柱形和棱柱型两者)，用于将热从操作电芯移除的主要路径沿着用于将电流运出电芯的金属极耳。这样是因为平行于电极对的导热率比垂直于电极对的导热率大许多倍。因此，许多电池热管理***通过被动地或通过某种主动冷却方案将热从电芯互连件或电池互连件本身移除来进行操作。该策略在中等放电速率时是足够的，但是在具有高放电速率的高功率应用中，电芯极耳中的内部和外部两者的焦耳热可能变得很大并且极耳中的因此的温度上升降低，并且在极端情况下，甚至使极耳与电芯活性材料之间的ΔT反转。这可以导致电芯活性材料中的过多的热，其可以加速材料退化并缩短电池寿命。
发明内容
公开了一种棱柱型电芯设计，其解决了电池堆叠压力和热管理问题两者以在大形式棱柱型设计中获得小的圆柱形电芯的性能。
在与包含的附图一起阅读下面的详细描述后，其他特征和实施例将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的电池电芯的第一实施例的透视图；
图2是图1的电芯的分解图，其图示了内部传热翅片；
图3是根据本发明的电池电芯的第二实施例的透视图；
图4是图3的电芯的分解图，其图示了多个内部传热翅片；以及
图5是根据本发明的电池电芯的第三实施例的分解图。
具体实施方式
尽管本发明容许采用许多不同形式的实施例，但是将在本文中详细地描述其具体实施例，同时要理解，本公开内容应被认为是本发明的原理的例示而不旨在将本发明限于说明的具体实施例。
许多高功率电池电芯设计中的关键目标是要使电芯内部阻抗最小化，其减少在放电期间的电压跌落(并增大功率输出)并且还减少在放电期间归因于焦耳加热的温度上升。
然而,制造大高功率电芯不仅需要在高电流放电期间将电芯活性材料中的加热最小化,而且需要有效地移除生成的任何热。根据本发明的一方面，电池电芯(例如棱柱型电池电芯)被提供具有例如由挤压铝制成的壳,其具有激光焊接的端帽。铝壳可以被形成具有外部脊，其可以用作帮助维持电芯组件上的内部堆叠压力的加强件而且用作当个体电芯被组装到电池中时允许冷却在个体电芯之间的通道的支柱。
该电芯设计的方面可以包括：1)例如由铝、不锈钢、等等制成的(一个或多个)内部导热翅片，其可以将热从电芯的中心传导到外部散热片，例如电芯的基底以用于传导到被动或主动冷却***，以及对电极组件提供额外结构支撑；以及2)阳极和阴极薄膜上的分级涂层重量，其可以将下涂层重量(和下阻抗)薄膜定位在电芯中的由于较长传热路径而经受增加的加热的位置处。
活性电芯组件的组装可以利用与连续的分离器交错的堆叠的电极跟随有传统热层压技术。针对这种类型的组装的仪器已经由本领域中公知的许多制造商生产。然而，代替其中电芯被***到镀铝聚酯薄膜袋中的传统制造技术，当前电芯将被封装在本文中描述的更刚性的壳中。可以针对壳体使用铝挤压，并且一旦已经将电芯极耳焊接或者否则附接到馈通，则可以例如通过焊接来接合端帽，并且例如通过焊接将散热翅片接合到端帽中的对应槽中。具有电气馈通的端帽还可以包含安全防爆片以及针对电解液剂量和地层天然气解压的开口。
本文中描述的一个或多个散热翅片的实现方式可以允许对任意厚且高容量的电芯的制造而不会减弱来自电芯的散热。
对于非常高功率应用，可以使用中空板(例如铝)，其包含相变材料(最适合于脉冲应用)或被配置为热管道(适合于高功率，连续的放电)。
如以上所讨论的，当前棱柱型电芯设计还可以使用分级电极涂层重量方案来管理内部热生成。使用利用原型电芯中的温度探头确认的热建模，可以识别电芯内的在电芯操作期间发生过多的温度上升的位置。在后续电芯设计/构建中，可以通过使用在电芯的存在该问题的区域中具有减轻的涂层重量的电极对制造电芯来减轻任何不期望的温度上升。这些减轻的涂层重量电极将放电较少的电流，生成较少的焦耳热，并且在给定电芯充电和放电条件下具有较高的传热率。
脊状外体可以提供邻近电芯之间的平衡，其可以允许强制空气冷却，***翅片以将热传导到泵送的流体冷板，或者更多的奇特方案，例如使用热管道或相变材料。
根据本发明的一个实施例，如本文中预见的传统棱柱型电池电芯可以采用堆叠的传统棱柱型电池电芯的形式。堆叠的电芯可以包括由Z形折叠的分离器层分开的阳极电极和阴极电极的多个交替薄片。分离器层的端部分可以包封电池电芯，如本领域中已知的。电池电芯还可以采用传统包裹的棱柱型电芯的形式。
参考图1和图2，电池电芯模块9包括容纳在壳12内的两个棱柱型活性电芯组件或电池电芯10a、10b并且具有激光焊接的端帽14，壳12可以由铝、不锈钢、等等构成。壳12可以被挤压，并且电池电芯模块9的最终组装可以例如通过焊接(例如激光焊接或其他接合方法)来完成。
壳12可以被形成具有外部脊16，其可以用作帮助维持电芯组件上的内部堆叠压力的加强件而且用作当个体电芯10被组装到电池电芯模块9中时允许冷却在个体电芯10之间的通道的支柱。脊16内部的壳表面应当平滑，以便维持针对邻近电池电芯表面的均匀压力。
根据本发明的一个方面，壳12可以包括两个邻近电芯10a、10b，其中内部翅片18被接合在其之间，其可以将热从电芯10传导到外部散热片和/或其他被动或主动冷却方法，以及对组件提供额外结构支撑。翅片18可以由铝、不锈钢、等等制成。翅片18可以包括形式为孔的通道以允许电解流体跨翅片18的通过，这尤其在填充电池模块9时有用。
根据本发明的另一方面，阳极电极和阴极电极可以被提供具有分级的涂层重量，其可以将下涂层重量(并且因此下阻抗)薄膜定位在电芯中的经由增加的加热的位置处。
活性电芯组件的组装可以利用与连续的分离器交错的堆叠的电极跟随有传统热层压技术。针对此的仪器可从本领域中公知的许多制造商获得。然而，代替其中电芯被***到由镀铝聚酯薄膜形成的袋中的传统制造技术，电芯可以被封装在铝壳12中。
本文中描述的散热翅片18的实现方式允许制造相对任意厚且高容量的电芯模块而不会减弱来自电芯模块的散热。因此，能够根据需要通过包含各种大小、厚度和材料的额外的散热翅片来制造具有大容量(例如大于20Ah)的电芯模块。
参考图2，电池电芯模块9包括U形罐体20和具有垂直部分18a(如图1中所取向的)和基底部分18b的T形铝翅片18。翅片18可以被挤压为单片或被焊接。当被放置在体20内时，基底部分18b使U形体20完整以形成壳12的外周，其例如通过激光焊接被固定在一起。垂直部分18a将壳划分成相对的第一腔12a和第二腔12b。第一电池电芯10a和第二电池电芯10b设置在第一腔12a和第二腔12b的各自的腔中。第一电池电芯10a和第二电池电芯10b中的每个可以是完全起作用的电池电芯，每个具有传统输出，例如额定3.2伏特。
电池电芯10a、10b中的每个可以具有正输出极耳22a和负输出极耳22b。电池电芯10a、10b被电气地配置为彼此的镜像图像，使得它们各自的正极耳22a和负极耳22b当被***到壳12中时恰当地彼此对齐和接合。
电池模块9包括正端子24a和负端子24b，其例如通过激光焊接、电阻焊接或超声焊接而被电气耦合到各自的正极耳22a和负极耳22b。
第一端板26a和第二端板26b被提供以使壳12完整，并且可以例如通过焊接或胶粘来固定。
参考图3和图4，具有甚至更大的容量的电池模块9可以通过添加串联的另外的电池电芯10来实现，其中一些或所有相反的电池电芯10由热提取翅片组件18分开。组件可以利用由挤压铝形成的翅片组件来简化。
本发明的备选实施例被图示在图5中，其中U形体20’可以包括用于接纳从翅片18’延伸的突出物32的槽30。U形体20’可以包括用于接纳从翅片18’延伸的横向突出物32a的横向槽30’。翅片18’可以例如通过焊接被固定到U形体20’。类似于以上讨论的实施例，相对的电池电芯设置在各自的腔中。
可以针对壳12的体使用铝挤压，并且一旦电芯极耳已经被焊接到馈通，就可以将端帽14激光焊接上并且将散热翅片18激光焊接到端帽14的对应的槽30’中。具有电气馈通的端帽14还可以包含安全防爆片(未示出)以及针对电解液剂量和地层天然气解压的开口(未示出)。
已经描述了用于将热从电芯的内部传导出的铝散热翅片18。对于高功率应用，可以使用以例如铝的中空板(未示出)的形式并且包含相变化材料(最适合于脉冲应用)或被配置为热管道(适合于高功率，连续的放电)的翅片。
如以上所描述的，棱柱型电芯设计还可以使用分级的电极涂层重量方案来管理内部热生成。使用利用原型电芯中的温度探头确认的热建模，可以识别电芯内的在电芯操作期间发生过多的温度上升的位置。在备选电芯设计/构建中，可以通过使用在电芯的存在该问题的区域中具有减轻的涂层重量的电极对制造电芯来减轻该温度上升。这些减轻的涂层重量电极可以放电较少的电流，生成较少的焦耳热，并且在给定电芯充电和放电条件下具有较高的传热率。
电芯10的外壳12的热管理可以通过任何传统的方式来完成。脊状外体可以提供邻近电芯之间的支柱，其可以允许强制空气冷却，***翅片以将热传导到泵送的流体冷板，或者更多的奇特方案，例如使用热管道或相变材料。
从前文将观察到，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下实现许多变化和修改。要理解，本文中图示的不旨在限制，或者不应当推断本文中图示的为限制。当然，旨在由随附权利要求覆盖落入权利要求的范围内的所有这样的修改。

Claims (11)

1.一种电池模块，包括：
壳体；
设置在所述壳体内的导热翅片，其具有第一翅片表面和第二翅片表面，所述第一翅片表面和所述第二翅片表面限定所述壳体内的各自的第一壳体腔和第二壳体腔；
第一电池电芯，其设置在所述第一壳体腔内并接合所述第一翅片表面；以及
第二电池电芯，其设置在所述第二壳体腔内并接合所述第二翅片表面；
其中，所述导热翅片适于将来自所述第一电池电芯和所述第二电池电芯的热从所述壳体向外传导。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述壳体包括壳体外表面，并且所述导热翅片形成所述壳体外表面的一部分。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述壳体包括壳体外表面，并且所述导热翅片与所述壳体外表面的一部分热接合。
4.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述第一电池电芯和所述第二电池电芯包括棱柱型电池电芯。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述第一电池电芯和所述第二电池电芯包括堆叠的棱柱型电池电芯。
6.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述第一电池电芯和所述第二电池电芯包括包裹的棱柱型电池电芯。
7.根据权利要求2所述的电池模块，其中，所述棱柱型电池电芯包括具有分级的涂层重量以使过多的局部化加热最小化的电极。
8.根据权利要求1所述的电池模块，包括：
多个导热翅片，其限定多个壳体腔中的各自的壳体腔；以及
多个电池电芯，所述多个电池电芯中的一个设置在所述多个壳体腔中的各自壳体腔内并接合邻近翅片表面。
9.根据权利要求8所述的电池模块，其中，所述导热翅片是铝的。
10.根据权利要求9所述的电池模块，其中，所述导热翅片由单次挤压形成。
11.根据权利要求8所述的电池模块，其中，所述导热翅片是不锈钢的。
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