CN207676998U - 具有改进的安全行为的电极和包括所述电极的电池组电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开具有改进的安全行为的电极和包括所述电极的电池组电池。本实用新型涉及用于电池组电池（10）的电极（26、28），包括集电器（22、24），所述集电器（22、24）电气连接到活性材料层（18、20），其中活性材料层（18、20）包括活性材料（30）和粘合剂，其中，活性材料层（18、20）还包括电气绝缘安全填充物（34），安全填充物（34）具有相比于电极（26、28）的工作温度而言更高但是相比于电池组电池（10）的起始温度而言更低并且相比于活性材料（30）和粘合剂的熔点而言更低的熔点。

Description

具有改进的安全行为的电极和包括所述电极的电池组电池

技术领域

本实用新型涉及显示出改进的安全行为的电极。本实用新型还涉及包括这样的电极的电池组电池，诸如用于锂离子电池组的电池。

背景技术

电池组市场在最近几年正渐渐增加步伐。若干电池化学诸如金属氢化物镍电池、锂离子蓄电池、锂原电池等，以及若干设计诸如纽扣电池、圆柱形电池、棱柱形电池、电池堆等，在市场上是可得到的。这些电池例如包括连接到集电器接头的卷芯物（jelly roll），并且完整的组装件密闭地密封在铝或钢罐中。在单个电池组装在电池组包中之前，各个电池用塑料带缠绕或涂覆有电子不导电涂料。这被完成以便避免电池组包中的不同电池之间的电气接触并且因而避免***内的短路。

这样的电池组主要使用在消费性电子器件中；然而，进一步要求安全方面的改进以用于锂离子电池在运输应用（诸如电动车辆）中或在另外的电池组中的完全接受。

DE 10 2014 001 025 A1描述了一种电化学电池，其包括阳极、阴极以及分离阳极和阴极的分离物。阳极和阴极二者包括相应的活性材料。关于正电极，它规定除了活性材料之外，该电极还包括适用于改进电导率的填充物。

文档US 2015/0188126 A1描述了一种具有负电极的锂蓄电池组，其被与硅-碳复合物和电解质一起应用，其中所述硅-碳复合物具有良好的离子电导率和电导率以能够维持高容量，所述电解质可以改进负电极的电化学特性。

文档DE 10 2011 079026 A1描述了一种电极，诸如特别地用于锂硫电池组的电极。这样的电极包括基于导电碳的材料和金属锂的混合物。

文档DE 11 2011 105 960 T5描述了一种蓄电池组，其具有正电极、负电极和不含水电解质。负电极包括具有以微粒形式的微小导电材料和/或以纤维形式的微小材料的负活性材料层。

实用新型内容

本实用新型涉及一种用于电池组电池的电极，包括电气连接到活性材料层的集电器，其中活性材料层包括活性材料和粘合剂，其中活性材料层还包括电气绝缘安全填充物，安全填充物具有相比于电极的工作温度而言更高但是相比于电池组电池的起始温度而言更低并且相比于活性材料和粘合剂的熔点而言更低的熔点。

这样的电极允许电池组的改进的安全行为，特别是在使用中时。

如以上描述的电极可以特别地是用于电池组（诸如锂电池组，例如锂离子电池组）的电池组电池的电极。然而，电极绝不限于这样的示例。进一步地，电极一般可以是阳极或阴极而不脱离本实用新型的意义。

电极包括集电器，其至少部分地涂覆有活性材料层。这样的布置本身是已知的。取决于电极的极性，集电器可以由诸如铝或铜之类的金属形成。详细来说，在电极是正电极的情况下，集电器可以由铝形成，或者在电极被形成为负电极的情况下，它可以由铜形成。

集电器电气连接到活性材料层。这样的层可以包括活性材料。在电极是阳极的情况下，所述活性材料可以包括例如锂或锂嵌入材料，诸如石墨或钛酸锂，或者在电极是阴极的情况下，它可以包括例如镍-锰-钴-氧化物（NMC）或锂-钴-氧化物（LiCoO₂）。

活性材料可以嵌入在粘合剂材料中。合适的粘合剂材料尤其包括聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚乙二醇（PEG）。这样的布置在本领域中是已知的。

进一步地，导电颗粒可以存在于活性材料层中以便增强整个层的电导率并且因而相应地增强电极或配备有电极的电池的工作行为。

例如活性材料层可以通过分离物来分离，所述分离物可以由多孔聚合物箔（polymeric foil）形成，诸如聚丙烯。分离物可以用电解质浸泡，诸如六氟磷酸锂（LiPF₆）存在于溶剂中，所述溶剂诸如碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯等。

参照如以上描述的电极，活性材料层还包括电气绝缘安全填充物。这样的安全填充物包括相比于电极的工作温度而言更高但是相比于电池组电池的起始温度而言更低并且相比于活性材料和粘合剂的熔点而言更低的熔点。该布置允许关于电极的安全行为的显著益处。

详细来说，在锂离子电池的充电期间，例如，与外部电路上的相同方向上的电子流动同时地，锂离子借由电解质跨分离物从阴极迁移到阳极。在放电期间，该过程在另一方向上发生。

如果将电池带到正常循环或存储条件之外，诸如高或低温度、内部或外部短路、过充电、深度放电等，内部温度可以过度上升。如果电池中的温度足够高，在极端情况下，其可以造成电解质和电池组中的电极的分解或分离物收缩，这进而造成极端安全危险，诸如气体阀门爆裂。一旦启动，几乎不可能使该链式反应停止。

详细来说，挥发性、易燃电解质和氧化剂（诸如氧化锂阴极）的存在使得诸如锂离子电池之类的电池组电池易于火灾和***。例如在诸如针刺测试之类的某些滥用测试内导致的内部短路或机械损害创建电池通过其放电的局部电流路径。对应的电流伴随有强烈局部化的焦耳加热。这造成内部短路或针刺位置处的局部温度的强烈增加。当达到临界温度时，在电极与电解质之间发起放热化学反应，从而使电池的内部压力和温度升高甚至更多。增加的温度加速这些化学反应，从而产生更多热。这造成几乎不可能控制的反应，使得严重的损害可能随之而来，如之前所指示的。

已经惊人地发现，使用如之前所描述的电极可以能够至少显著减少离子流动或电流，这进而可以防止电池的严重损害或破坏。

事实上，在电池组电池或相应地电池组的故障的情况下，可以规定扩大的电流（诸如短路电流）流过电池组电池。这样的状态可以通过所谓的针刺测试来模仿。在针刺期间，电流的部分或全部在受损区域中的针周围流动并且将由于电气损失耗散而局部地增加层的温度。电流的量值由受损区段的电阻给出，并且温度增加取决于电池内部的热传递。

通过使用包括活性材料层中的电气绝缘安全填充物的电极，由于针周围或故障区中的增加的电流所致的温度增加造成该特定材料的熔化过程。这进而通过由于导电元件之间的接触的破损或导电添加物与活性颗粒的绝缘而干扰通过层的电气路径来增加受损区段的电阻。换言之，当安全填充物熔化时，液体填充物材料特别地在热区中并且因而在故障区中分布，并且因而由于其电阻率，它破坏或损害电路径并且因而至少减少电流流动并且因此限制在该点处耗散的电气功率。这限制电池内部的温度增加。因此，可以至少显著减少热失控的危险。

除此之外，由于从固体到液体的相变，安全填充物可以吸收或相应地消耗来自其环境的热。因此，由其中发生故障的区段处（诸如在针刺测试中的针附近）的功率损失生成的热，通过安全填充物的熔化而被部分地吸收。这意味着仅总耗散能的部分实际上用于加热层，诸如特别地，阴极、阳极和分离物。因此，电池内部的温度增加受相变限制，尤其是在故障区附近，所述故障区是用于引起热失控的关键区域。因此，由如以上描述的电极提供非常有效的安全措施，其进一步限制电池内部的热失控的风险。

由于安全填充物的熔点相比于电极的工作温度而言更高的事实，正常工作行为不受负面影响。电极的工作温度可以由此依赖于特定应用以及因而例如电极使用在其中的电池组电池的构造。由此可以规定安全填充物的熔点和工作温度的距离可以如所要求的那样选择，并且因而可以包括相应安全范围。这相应地允许电极或配备有这样的电极的电池组电池的尤其可靠的工作行为。工作温度可以简单地通过在充电和/或放电循环期间测量温度来确定，例如在22℃的外部温度下。电极的示例性但绝非限制性的工作温度处于60℃。

安全填充物的熔点相比于电池组电池的起始温度而言进一步更低并且相比于活性材料和粘合剂的熔点而言更低。再次，可以选择相应的安全温度范围。该实施例具有以下有利效果：安全填充物在达到起始温度之前熔化。在这方面，电池组电池和因而例如安全填充物提供在其中的活性材料层或活性材料的起始温度可以定义为电池在此处开始靠自身生成热并且因而在此处引起热失控的温度。这样的温度可以通过电池组电池的相应检查或测试和通过研究电池组电池的布置来确定。进一步地，由于安全填充物的熔点相比于活性材料和粘合剂的熔点而言进一步更低的事实，可以保证安全填充物首先熔化并且因而通过提供电气绝缘的液体材料来提供有利的安全效果。进一步地，不必须要满足关于活性材料和粘合剂的约束。

当提供如以上所描述的电极时，进一步地，实现完全自工作的***，该***由于故障所导致的温度上升而单独工作。它非常有效，使得不必须要采取附加措施，这进而造成用于减少电池组的危险的高度可靠且安全的措施。诸如早期检测***之类的另外的措施的提供可以是有利的，但是，然而不是要求的。

除此之外，本解决方案在基本上没有任何延迟时间的情况下工作，这进一步提供关于已知安全解决方案的附加优点，因为非常早地对抗不利效应是可能的，这可以允许更加可靠地停止这样的效应或者这可以安全地停止电池中的不安全的中间状态。

因此关于填充物材料，规定后者是电气绝缘的。在这方面，可以优选的是，填充物材料具有在小于1E-13 S/m的范围内的电导率，诸如小于1E-15 S/m，诸如在等于或大于1E-17 S/m至等于或小于1E-15 S/m的范围内。这在熔化的填充物材料损害电流路径的情况下允许有效的安全效果。然而，必须指出的是，以上定义的值仅仅是用于说明的目的，并且不限制本实用新型。可以选择比电导率，使得将达到期望的安全效果，并且因而可以在对于特定应用而言足够的程度上防止热失控。

根据实施例，安全填充物具有处于大于60℃至等于或小于150℃的范围内的熔点，优选地大于60℃至等于或小于130℃，诸如等于或大于75℃至等于或小于120℃，例如等于或大于95℃至等于或小于120℃。该实施例一方面允许电池组在正常和因而期望的条件下工作而没有安全填充物熔化。这是由于以下事实：安全材料的熔点高于电池的最大操作温度，后者可以处于大约60℃。另一方面，材料的熔点低于分离物停工的温度（其可以处于大约130℃）和电池组电池的起始温度。

根据另外的实施例，安全填充物包括选自包括以下各项的组的材料或者由该材料组成：蜡，诸如石蜡，以及聚烯烃，诸如聚乙烯，诸如低密度聚乙烯。已经发现，尤其是之前提到的材料显示出良好的熔化性质并且还可以有效地分布，使得可以尤其可靠且有效地达到安全效果。一般地，聚合材料可以是合适的。

根据另外的实施例，可以规定安全填充物至少部分地以颗粒的形式存在。这允许容易的生产过程并且还允许颗粒大小的容易适配。这可以是尤其有利的，因为颗粒的大小对整个材料的表面具有大影响，其涉及比重。在这方面，材料的表面和因而颗粒的大小对熔化行为具有大影响。关于作为颗粒存在的填充物材料，还可以规定后者具有在等于或大于1μm至等于或小于10μm的范围内的直径。

关于颗粒，一般可以使用每一种颗粒形式。然而，如果颗粒具有例如球形形式或立方体形式则可以是优选的，以便具有关于电极的活性材料颗粒的更好包装能力。

可替换地或此外，可以规定安全填充物至少部分地以纤维或薄片的形式存在。在这方面，纤维具有以下优点：这样的填充物材料可以以非常明确的方式产生并且因而具有非常明确的熔化性质。如果活性颗粒是薄片，它还可以改进阳极内部的颗粒布置。纤维和薄片二者具有带有短直径的至少一个方向。在该方向上，从填充物颗粒的周界到中心的热流动更快，这可以造成颗粒的更快速的熔化行为。

关于纤维，如果这样的填充物材料具有在等于或大于1μm至等于或小于5μm的范围内的直径和/或在等于或大于3μm至等于或小于10μm的范围内的长度，则其可以是优选的。

根据另外的实施例，可以规定安全填充物在活性材料层中以等于或大于2 wt%（重量百分数）至等于或小于20 wt%的范围存在。根据该实施例，可以保证存在足够的填充物材料以便保证如果发生故障则存在的电流路径以足够的量减少。除此之外，可以保证配备有这样的电极的电池组电池的工作行为没有由于安全填充物的存在而以负面方式受影响。

关于电极的另外的技术特征和优点，参照电池组电池的描述、附图和附图的描述。

本实用新型还涉及一种电池组电池，其包括至少一个比如之前详细描述的电极。

在这方面，电池组电池可以包括具有第一侧和第二侧的分离物，其中分离物的第一侧与活性材料的第一层相邻地定位，并且其中分离物的第二侧连接到活性材料的第二层，其中第一集电器在与分离物相对布置的侧上与活性材料的第一层相邻地定位，并且其中第二集电器在与分离物相对布置的侧上与活性材料的第二层相邻地定位。第一集电器连同活性材料的第一层可以形成或作为第一电极的部分，并且第二集电器连同活性材料的第二层可以形成或作为第二电极的部分。规定第一电极和/或第二电极可以如其以上被详细描述的那样形成。

这样的电池组电池可以因而提供改进的安全行为，并且可以因而例如在对象被***到电池结构中的情况下防止或至少显著降低热失控的危险。

电池组电池可以相应地形成为所谓的卷芯型或缠绕型电池，或者它可以具有例如堆叠式布置。

根据实施例，可以有利的是，可以作为诸如电池组之类的电化学能量存储设备的部分的电池组电池连接到快速放电设备。该实施例允许更多改进的安全行为。

这样的快速放电设备可以例如包括提供在电池组电池的阳极和阴极之间的电气连接，其中电气连接具有定义的电阻。电气连接优选地在电池组电池外部并且因而不穿过活性材料层而被提供。流过电气连接的放电电流因而由该电气连接的电阻定义。快速放电设备的电气连接优选地可以不在电池组的正常和因而期望的工作模式期间操作，但是可以被开关，使得它在故障出现的情况下电气连接阳极与阴极。这样的故障可以例如通过测量电池组或电池组电池内部的温度或通过测量流过电池组或电池组电池的电流来确定，作为对此的应答，激活开关以用于激活快速放电设备。

根据该实施例，提供附加的措施以便通过针或内部短路周围的局部化电流由于外部低欧姆电流路径（即所谓的快速放电设备）所致的减少来防止诸如锂离子电池组之类的商用电池组中的热故障。

针刺区域或故障区域的电阻的增加相应地限制在该位置处流动的电流并且因而限制电气功率耗散，因为更多的电流由于外部低欧姆短路而在靠近针的受损区段外部流动。更小的功率耗散生成针刺区域的更低加热并且降低对于电池的热失控的风险，因为温度保持在临界起始值以下。

在短路位置处流动的小电流及其由于焦耳效应的功率损失造成短路（诸如针刺测试中的针）周围的温度上升，这附加地导致安全填充物熔化。该效果还通过使层内部的电气路径改变和/或绝缘来进一步增加短路位置处的电阻。这些措施的组合因而将提供尤其有效的安全措施。

关于电化学电池组电池的另外的技术特征和优点，参照电极的描述、附图和附图的描述。

附图说明

如本文中所描述的主题的另外的优点和实施例在附图和附图的以下描述中进行描述，其中，在其不因为本描述或上下文而被排除的情况下，所描述的特征可以单独或以任何组合地作为本实用新型的部分。必须要指出的是，附图仅仅具有说明目的，并且不意在约束本主题。

图1示出电池组电池的示意性视图；

图2示出根据图1的电池组电池的电极的示意性视图；

图3示出用于根据图2的电极的安全填充物的实施例；

图4示出用于根据图2的电极的安全填充物的另外的实施例；以及

图5示出用于根据图2的电极的安全填充物的另外的实施例。

具体实施方式

根据图1，示出根据本实用新型的电池组电池10的示意性视图。

在这方面，电池组电池10可以包括具有第一侧14和第二侧16的分离物12，其中分离物12的第一侧14与第一活性材料层18相邻地定位，并且其中分离物12的第二侧16连接到第二活性材料层20，其中第一集电器22在与分离物12相对布置的侧上与活性材料的第一层18相邻地定位，并且其中第二集电器24在与分离物12相对布置的侧上与活性材料的第二层20相邻地定位。第一集电器22连同活性材料的第一层18可以形成或作为第一电极26的部分，并且第二集电器24连同活性材料的第二层20可以形成或作为第二电极28的部分。这样的电池组电池10可以形成为卷芯物。

图1还示出电池组电池10连接到第一放电设备36。

在图2中更加详细地示出第一电极26，其中第一电极26可以是阳极或阴极。

根据图2，示出集电器22涂敷有活性材料层18。活性材料层18包括活性材料30，以及导电颗粒32。照此未示出粘合剂。进一步规定活性材料层18还包括电气绝缘安全填充物34。安全填充物34被提供，使得它具有相比于电极26的工作温度而言更高但是相比于电池组电池10的起始温度而言更低并且相比于活性材料30和粘合剂的熔点而言更低的熔点。

在以下图中，示出安全填充物34的不同实施例。在这方面，图3示出形成为球形颗粒的安全填充物34。图4示出以立方体颗粒的形式存在的安全填充物34。图5示出形成为纤维的安全填充物34。

Claims (15)

1.用于电池组电池（10）的电极，包括集电器（22、24），所述集电器（22、24）电气连接到活性材料层（18、20），其中活性材料层（18、20）包括活性材料（30）和粘合剂，其特征在于，活性材料层（18、20）还包括电气绝缘安全填充物（34），安全填充物（34）具有相比于电极（26、28）的工作温度而言更高但是相比于电池组电池（10）的起始温度而言更低并且相比于活性材料（30）和粘合剂的熔点而言更低的熔点。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）具有处于大于60℃至等于或小于150℃的范围内的熔点。

3.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）包括从包括蜡和聚烯烃的组选择的材料。

4.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）至少部分地以颗粒的形式存在。

5.根据权利要求4所述的电极，其特征在于，颗粒至少部分地具有在等于或大于1μm至等于或小于10μm的范围内的直径。

6.根据权利要求1、2或5所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）至少部分地以纤维或薄片的形式存在。

7.根据权利要求6所述的电极，其特征在于，纤维具有以下中的至少一个：在等于或大于1μm至等于或小于5μm的范围内的直径，和在等于或大于3μm至等于或小于10μm的范围内的长度。

8.根据权利要求1、2、5或7所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）以等于或大于2wt%至等于或小于20 wt%的范围存在于活性材料层（18、20）中。

9.根据权利要求1、2、5或7所述的电极，其特征在于，导电颗粒存在于活性材料层（18、20）中。

10.根据权利要求1、2、5或7所述的电极，其特征在于，安全填充物（34）具有在小于1E-13 S/m的范围内的电导率。

11.电池组电池，包括至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的电极（26、28）。

12.根据权利要求11所述的电池组电池，其特征在于，电池组电池（10）连接到快速放电设备（36）。

13.根据权利要求12所述的电池组电池，其特征在于，快速放电设备（36）包括提供在电池组电池的阳极和阴极之间的电气连接，其中电气连接具有定义的电阻，而电气连接在电池组的正常和因而期望的工作模式期间可以不操作，但是它可以被开关，使得它在故障出现的情况下电气连接阳极与阴极。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的电池组电池，其特征在于，电池组电池是锂电池组的电池组电池。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的电池组电池，其特征在于，电池组电池是锂离子电池组的电池组电池。