CN114464871A - 电池单元 - Google Patents

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CN114464871A CN202111312784.8A CN202111312784A CN114464871A CN 114464871 A CN114464871 A CN 114464871A CN 202111312784 A CN202111312784 A CN 202111312784A CN 114464871 A CN114464871 A CN 114464871A
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Abstract

一种电池单元(1)，其至少包括：至少一个阳极(2)，所述阳极包括阳极放电器(3)，阳极放电器具有包括阳极活性材料的第一涂层(4)，至少一个阴极(5)，阴极包括阴极放电器(6)，阴极放电器具有包括阴极活性材料的第二涂层(7)，在不同涂层(4、7)之间的分隔体(8)，至少一个与至少一个阳极放电器(3)导电连接的第一接头(9)和与至少一个阴极放电器(6)导电连接的第二接头(10)，用于将阳极(2)和阴极(5)与电池单元(1)的环境(11)电接触；其中，至少一个放电器(3、6)通过PTC电阻(12)与接头(9、10)连接。

Description

电池单元
技术领域
本发明涉及一种电池单元。所述电池单元至少包括：
至少一个阳极，其包括阳极放电器，阳极放电器具有包括阳极活性材料的第一涂层，
至少一个阴极，其包括阴极放电器，阴极放电器具有包括阴极活性材料的第二涂层，
在不同涂层之间的分隔体，
至少一个与至少一个阳极放电器导电连接的第一接头和与至少一个阴极放电器导电连接的第二接头，用于将阳极和阴极与电池单元的环境电接触。
背景技术
对于机动车的驱动越来越多地使用电池、尤其锂离子电池。电池通常由单元和/或由包括多个单元的模块组成，其中，每个单元都具有壳体和布置在其中的至少一个阳极、阴极和布置在其间的分隔体。
当锂离子电池单元充电和放电时，一部分电能和/或化学能转化为热能，使得电池单元升温。根据各个单元层中不同的电流密度的水平，在此在单元中出现不均匀的温度分布，这会导致电池单元中的局部负载过大的区域。这些区域老化特别快。
目前，流入或流出电池单元各单元层的电流不是针对单个层调节的，而是仅全局地通过由电池管理***要求的功率需求调节。电流可以在各个单元层之间是不同的。尤其在BEV车辆快速充电时，局部出现热点，即由于局部较高的电流密度而出现限于局部的温度升高。这些区域导致电池单元的老化加剧并限制了快速充电性能。
较大的、局部的温度差(大的温度梯度)导致电池单元和单元模块内的机械应力。这会通过边界层的脱落、破坏或裂缝导致电池单元内部的损坏，和导致离子导引能力和导电性的降低。
目前，必须使用大量能源冷却整个电池。由于缺少温度测量可行方案，所以不能实现对热点有针对性的冷却。电池单元或电池单元的区域的温度可以通过使用在单元边缘区域的单个温度传感器确定。然而由于传感器的点状的设置，尤其在软包电池中，不能实现电池单元之间和/或单元层之间的测量。
已知对(模块-全局的)功率需求的“降额设计”以降低单元温度，即根据环境温度限制电池单元的电流，以抑制局部热点的产生。
还已知，简单地忍受电流密度的不均匀性和由此产生的温度不均匀性和因此增加的单元老化。
还已知，提高冷却功率(模块-全局，最好是单元-全局)。
由文献DE 10 2015 206 146A1已知一种锂单元，其中，阳极放电器和/或阴极放电器朝向相应的活性材料用聚合物涂层涂覆，其中，聚合物用作PTC材料。在单元温度升高时，聚合物的电阻升高，电极的内阻也以此升高，以便可以抑制单元继续充电或放电。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，至少部分解决在现有技术方面介绍的问题。尤其应建议一种电池单元，其中实现低成本和节省结构空间的措施以避免局部热点。
通过具有根据权利要求1的特征的电池单元解决上述问题。有利的改进设计方案是从属权利要求的内容。在权利要求中逐个说明的特征可以以在技术上适宜的方式相互结合，并且可以通过来自说明书的所阐述的情况和/或附图的细节补充，其中指明本发明另外的变型设计方案。
建议一种电池单元(或者称为电池单池)，其至少包括：
-至少一个阳极(负极)，其包括阳极放电器，阳极放电器具有包括阳极活性材料的第一涂层，
-至少一个阴极(正极)，其包括阴极放电器，阴极放电器具有包括阴极活性材料的第二涂层，
-在不同涂层之间的分隔体，以及
-至少一个与至少一个阳极放电器导电连接的第一接头和与至少一个阴极放电器导电连接的第二接头，用于将阳极和阴极与电池单元的环境电接触，
其中，至少一个放电器通过PTC电阻与接头连接。
电池单元以已知方式尤其包括至少一个阳极和至少一个阴极作为电极。在阳极和阴极之间分别布置有分隔体。活性材料尤其作为涂层布置在用作放电器的能导电的载体材料上。阳极和阴极也分别被称为单元层。
电极尤其以已知方式布置在电池单元的壳体中并由电解质或电解液的加载。
电池单元尤其具有多个相互堆叠布置的电极和分隔体。
放电器尤其设计成膜状，具有大的侧表面和小的厚度。带有活性材料的涂层尤其布置在一个侧表面或每个侧表面上。分隔体分别布置在相邻布置的不同电极的侧表面之间。
阳极和阴极尤其分别在电池单元内相互并联，使得至少多个阳极与第一接头导电连接，多个阴极与第二接头导电连接。
尤其放电器通过各单个电极与相应的接头导电连接，以便电流能从放电器开始并通过接头向电池单元外的环境发出。然后电池单元充电以相反的方向进行。
至少一个阳极和第一接头之间的导电连接尤其通过第一导线构成，至少一个阴极和第二接头之间的导电连接通过第二导线构成。
已知的是PTC电阻(正温度系数热敏电阻)的特点是，PTC电阻的电阻根据施加在该电阻上的温度而变化。在所谓的正温度系数热敏电阻(PTC)中，电阻在温度升高时增加。
利用在放电器和接头之间布置PTC电阻实现了，在单元层中温度分布不均匀时，可以针对每个层单独地调整电阻。通过在温度升高时电阻的增加，根据欧姆定律，在电压相同时，电流减小，即I＝U/R(t)；其中I-电流强度；U-电压；R(t)-随时间变化的电阻。结果，热的单元层由于电阻增加而接着承受较低的电流负荷并且能相应地再冷却。随着温度降低，电阻再次降低，并且相应单元层的电流负荷或效率再次增加。
利用在放电器和接头之间布置PTC电阻，PTC电阻可以布置在相互堆叠的层或者电极和分隔体的外部。堆叠高度以此保持不变，单元的结构尺寸也以此保持不变。此外，至少一个PTC电阻尤其替代相应导线的部段，使得不需要材料的更多投入以制造电池单元。
因此，PTC电阻的使用尤其在软包电池或棱柱形电池中特别有利，但对圆形电池不是这样。在圆形电池中不存在单个层，这就不能在其中相互独立但根据相应的温度或通过PTC电阻设置的电阻值调节电流密度。
在分别尤其具有多个阳极和阴极的软包电池和棱柱形电池中，相应地能实现电流密度的针对层的调节。
因此本发明通过使用至少一个正温度系数热敏电阻元件(PTC)实现了锂离子电池单元的针对单元层的和取决于温度的电流负载。以此可以防止电池单元内或电极堆垛内局部的温度热点的产生。因此局部的温度热点的原因可以在源头被消除，而无需不必要地通过全局的功率降低或通过增加全局冷却避免。
尤其仅每个阳极放电器分别通过PTC电阻与第一接头连接。替选的是，仅每个阴极放电器分别通过PTC电阻与第二接头连接。PTC电阻的这种布置是可行的，因为电流可以要么通过阳极电流要么通过阴极电流被控制。
如果在这种布置的情况下，不具有PTC电阻的电极(即没有通过PTC电阻与相应的接头连接)具有温度的升高，并且相邻布置的并且具有PTC电阻的电极不经历这种温度的升高，例如由于阳极和阴极的良好的热学的脱耦，则会产生温度热点。
因此优选的是，每个阳极放电器与第一接头并且每个阴极放电器与第二接头分别通过PTC电阻连接。在此，针对每个放电器正好配设一个PTC电阻。
尤其至少一个或者说仅一个PTC电阻布置在相应的接头和一组阳极放电器或阴极放电器之间。
一组尤其包括至少两个，优选至少三个或者甚至四个或更多的相应的放电器。
这种布置可以考虑，相邻的单元层在温度水平方面彼此影响，使得不是每个单元层都必须配设自己的PTC元件。因此，在此可以形成单元层的组，这些组然后通过共同的PTC元件与相应的接头连接。但是在此，单个较热的层也会影响可能仍较冷的相邻层的电流负载并且以此不必要地降低电池单元的总功率。
尤其相应组的放电器彼此相邻布置。即这些放电器中没有一个配属于另一组。
电池单元尤其包括至少多个，优选至少两个组，特别优选至少三个或甚至四个或更多的阳极放电器组或者阴极放电器组。
PTC电阻尤其具有为放电器的涂有活性材料的侧表面的最大10％，优选最大5％，特别优选最大2％的横向于电流方向的横截面积。PTC电阻以此可以节省材料和安装空间地被使用。
PTC电阻布置在接头和放电器之间可以不同地设计。在附图中示出示例性设计方案，本发明不限于此。
电池单元的壳体例如是例如用于棱柱形电池硬壳，或者是用于软包电池的复合薄膜。作为电极的阳极、阴极和分隔体是已知的电池单元组件并且例如设计为用活性材料涂层的导电的膜。它们可以按照预定的顺序在电池单元中堆垛地布置。壳体填充有电解质，尤其液体电解质。
该电池单元尤其是含锂的电池单元，尤其是二次电池。
该电池单元尤其是已知的电池单元，其具有彼此以已知布局布置的已知的组件。PTC元件在此尤其有利地布置在电池单元中。
不定冠词“一”的使用尤其在权利要求和解释权利要求的说明书中不理解为量词。相应地，相关的术语和组件理解为其存在至少一次，但也尤其可以存在多次。
要注意的是，在此使用的序数词(“第一”、“第二”...)主要(仅)用于区分多个同类的对象、量或过程，即尤其不强制规定这些对象、量或过程相互之间的关联和/或顺序。若需要关联和/或顺序，则在此明确指出，或者在研究具体描述的设计时对本领域技术人员来说是明显的。只要一构件可以出现多次(至少一个)则对一个该构件的说明同样适用于全部或者大部分该构件，但这并非是一定的。
附图说明
下面根据附图进一步阐述本发明以及技术领域。要指出的是，本发明不通过所述实施例限制。尤其若不是另外明确地说明，还可以从图中阐述的事实中提取部分方面并且与源自本说明的其他组成部分和知识结合。尤其指出的是，附图和尤其所示尺寸关系只是示意性的。其中：
图1：示出电池单元的第一变型实施方案；
图2：示出电池单元的第二变型实施方案；
图3：示出电池单元的第三变型实施方案；
图4：示出电池单元的第四变型实施方案；
图5：以侧视图示出阳极放电器和第一导线之间通过PTC电阻的连接；
图6：以侧视图示出两组阳极放电器和第一导线之间通过多个PTC电阻的连接；
图7：以立体视图示出阳极放电器和第一导线之间通过多个PTC电阻的连接；
图8：以立体视图示出阳极放电器和第一导线之间通过共同的PTC电阻的连接。
具体实施方式
图1示出电池单元1的第一变型实施方案。电池单元1包括多个阳极2和多个阴极5。每个阳极2包括阳极放电器3，阳极放电器3带有包括阳极活性材料的第一涂层4。每个阴极5包括阴极放电器6，阴极放电器6带有包括阴极活性材料的第二涂层7。分别在两个不同的涂层4、7之间布置有分隔体8。电池单元1还包括与阳极放电器3导电连接的第一接头9和与阴极放电器6导电连接的第二接头10，用于使阳极2和阴极5与电池单元1的环境11电接触。
电极2、5布置在电池单元1的壳体18中并由电解质或电解液加载。电池单元1具有多个电极2、5和分隔体8，它们彼此堆垛地布置。
放电器3、6设计成膜状，具有大的侧表面15和小的厚度。带有活性材料的涂层4、7布置在每个侧表面15上。分隔体8分别布置在相邻布置的不同电极2、5的侧表面15之间。
阳极2在电池单元1内相互并联，阴极5在电池单元1内相互并联，使得多个阳极2与第一接头9导电连接，多个阴极5与第二接头10导电连接。
阳极2和第一接头9之间的导电连接通过第一导线16构成，阴极5和第二接头10之间的导电连接通过第二导线17构成。
在第一变型实施方案中，每个阳极放电器3与第一接头9并且每个阴极放电器6与第二接头10分别通过PTC电阻12连接。
每个PTC电阻12具有横向于电流方向14的横截面积13，其最大是放电器3、6的用活性材料涂层的侧表面15的10％。PTC电阻12以此可以节省材料和安装空间地被使用。
图2示出电池单元1的第二变型实施方案。引用对图1的说明。
与第一变型实施方案不同的是，仅每个阴极放电器6分别通过PTC电阻12与第二接头10连接。
图3示出电池单元1的第二变型实施方案。引用对图2的说明。
在此与第二变型实施方案不同的是，仅每个阳极放电器3分别通过PTC电阻12与第一接头9连接。
如果在按照图2和3的布置的情况下，不具有PTC电阻12的电极2、5(即没有通过PTC电阻12与相应的接头9、10连接)具有温度的升高，并且相邻布置的并且具有PTC电阻12的电极2、5不经历这种温度的升高，例如由于阳极2和阴极5的良好的热学的脱耦，则会产生温度热点。
图4示出电池单元1的第四变型实施方案。引用对图1的说明。
与第一变型实施方案不同的是，仅一个PTC电阻12布置在相应的接头9、10和分别一组阳极放电器3或者说阴极放电器6之间。
在此，一组包括四个阳极2/阳极放电器3或四个阴极5/阴极放电器6。
相应的组的放电器3、6分别彼此相邻地布置。即这些放电器3、6没有对应于另一组。
在此，电池单元1分别包括两组阳极放电器3和阴极放电器6。
这种布置可以考虑，相邻的单元层在温度水平方面彼此影响，使得不是每个单元层都必须配设自己的PTC电阻12。因此，在此可以形成单元层的组，这些组然后通过共同的PTC电阻12与相应的接头9、10连接。但是在此，单个较热的层也会影响可能仍较冷的相邻层的电流负载并且以此不必要地降低电池单元1的总功率。
图5以侧视图示出阳极放电器3和第一导线16之间通过PTC电阻12的连接。引用对图1至图3的说明。
阳极放电器3具有第一涂层4并在涂层区域外作为第一导线16延伸至PTC电阻12。即PTC电阻12布置在第一导线16的不同部段之间，这些部段在此沿横向于阳极放电器15的侧表面15的平面的方向彼此错移地布置并沿平行于侧表面15的方向彼此重叠。PTC电阻12布置在这个重叠区域中。为了避免第一导线16的部段之间经过PTC电阻12处的短路，PTC电阻12延伸超过第一导线16的部段的相应端部。
图6以侧视图示出两组阳极放电器3和第一导线16之间通过多个PTC电阻12的连接。引用对图4和5的说明。
在此，仅一个PTC电阻12布置在第一接头9和一组阳极放电器3之间。在此，第一接头9仅通过第一导线16和通过布置在第一导线16的相对置的一侧的PTC电阻12与不同组的阳极放电器3连接。
每一组包括三个阳极放电器3。当然，每组也可以包括多于三个的放电器(阴极或阳极放电器)。
图7以立体视图示出阳极放电器3和第一导线16之间通过多个PTC电阻12的连接。引用对图5和6的说明。
不同的阳极放电器3(或阳极放电器3的组)分别通过PTC电阻12与第一导线16连接。PTC电阻12在面式的第一导线16的相同的侧表面15上并排布置。
图8以立体视图示出阳极放电器3和第一导线16之间通过共同的PTC电阻12的连接。引用对图7的说明。
不同的阳极放电器3(或阳极放电器3的组)通过共同的PTC电阻12与第一导线16连接。在此，第一导线16的布置在PTC电阻12和阳极放电器3之间的部段在第一导线16的在第一接头9和PTC电阻器12之间延伸的部段的侧表面15上相邻地布置。
对图5至图8的解释尤其同样适用于阴极放电器6和第二导线17或第二接头10之间的连接。
附图标记列表：
1 电池单元
2 阳极
3 阳极放电器
4 第一涂层
5 阴极
6 阴极放电器
7 第二涂层
8 分隔体
9 第一接头
10 第二接头
11 环境
12 PTC电阻
13 横截面积
14 电流方向
15 侧表面
16 第一导线
17 第二导线
18 壳体

Claims (7)

1.一种电池单元(1)，其至少包括：
-至少一个阳极(2)，所述阳极包括阳极放电器(3)，阳极放电器具有包括阳极活性材料的第一涂层(4)，
-至少一个阴极(5)，阴极包括阴极放电器(6)，阴极放电器具有包括阴极活性材料的第二涂层(7)，
-在所述不同涂层(4、7)之间的分隔体(8)，以及
-至少一个与至少一个阳极放电器(3)导电连接的第一接头(9)和与至少一个阴极放电器(6)导电连接的第二接头(10)，用于将阳极(2)和阴极(5)与电池单元(1)的环境(11)电接触；其中，至少一个放电器(3、6)通过PTC电阻(12)与接头(9、10)连接。
2.按照权利要求1所述的电池单元(1)，其中，仅每个阳极放电器(3)与第一接头(9)或者仅每个阴极放电器(6)与第二接头(10)分别通过PTC电阻(12)连接。
3.按照权利要求1所述的电池单元(1)，其中，每个阳极放电器(3)与第一接头(9)并且每个阴极放电器(6)与第二接头(10)分别通过PTC电阻(12)连接。
4.按照上述权利要求之一所述的电池单元(1)，其中，至少一个PTC电阻(12)布置在相应的接头(9、10)和一组阳极放电器(3)或者一组阴极放电器(6)之间。
5.按照权利要求4所述的电池单元(1)，其中，所述组的放电器(3、6)彼此相邻地布置。
6.按照上述权利要求4和5之一所述的电池单元(1)，其中，所述电池单元(1)至少包括多组阳极放电器(3)或者多组阴极放电器(6)。
7.按照上述权利要求之一所述的电池单元(1)，其中，PTC电阻(12)具有横向于电流方向(14)的横截面积(13)，所述横截面积最大是放电器(3、6)的用活性材料涂层的侧表面(15)的10％。
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