TWM615886U - 具散熱導電柄之並聯式電池芯 - Google Patents

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吳孟鴻
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Abstract

本新型提供一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，其係利用散熱導電柄取代習知的導電端子來進行並聯的連接，散熱導電柄包含有片狀本體以及由片狀本體延伸的複數個片狀延伸部，利用片狀延伸部與電池單元之集電層直接接觸的方式，來使得電流路徑最大大化，同時也可作為散熱的傳導途徑，對於電池芯的效能與穩定性有相當大的改善。

Description

具散熱導電柄之並聯式電池芯
本新型係關於一種電池芯，尤指一種利用完整且獨立封裝之電池單元所構成，並利用散熱導電柄來進行並聯連接之電池芯。
近年來隨著各種便攜式電子產品/電動汽車/儲能電站等領域的快速發展，延伸出對能量儲存密度較高與兼具環境保護之儲能裝置的高度要求，而離子二次電池成為首選，進而發展出如鋰離子二次電池、鎂離子二次電池、鈉離子二次電池等各種二次電池。實務上，最常見者為將電池單元採用並聯的方式來構成電池芯，以達到足夠的容量來應用於各種裝置。
傳統的串聯方式，主要是採藉由集電體的突出部(Terminal端)進行同極性焊接所構成；在這樣的方式下，因突出部相對是屬於較細長，因此電芯電流路徑無法達到最大化，且因為電阻值較高，也較易於產生熱，嚴重影響電池芯的穩定性。再者，因為焊接點的接觸面積相較較小，因此施工不易，也極易因為焊接狀況不良而產生接觸狀況不佳的情況。
有鑑於此，本新型係針對上述缺失，提出一種嶄新的具散熱導電柄之並聯式電池芯。
本新型之主要目的在於提供一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，利用散熱導電柄以大面積直接接觸的方式來構成電池芯的並聯，以使得電池芯電流路徑最大化。
本新型之另一目的在於提供一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，散熱導電柄作為散熱路徑，能有效將電池芯作用所產生的熱導出，維持電池芯的最佳效能。
本新型提出一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，其係包含有複數個電池單元、第一散熱導電柄以及第二散熱導電柄，電池單元係為完整且獨立的模組，其包含有兩片狀集電層、以及設置於其中的電化學系統，第一、第二散熱導電柄係具有片狀本體以及由片狀本體延伸之複數個片狀延伸部，由同一片狀本體所延伸出的片狀延伸部與電池單元具相同極性之片狀集電層直接接觸設置，並且至少其中之一片狀延伸部插設於任兩堆疊的電池單元間片狀，來完成並聯連接。
因片狀延伸部與片狀集電層為大面積的直接接觸，因此可使得電池芯的電流路徑最大化，同時也可作為散熱的導引路徑；再者片狀本體與片狀延伸部的連接面積相遠大於習知導電端子與集電體的接觸面積，因此施工更為便利。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本新型之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
20:電池單元
201:電化學系統
21:隔離層
22、23:活性材料層
24、25:片狀集電層
26:框膠
261:改質矽膠層
262:改質矽膠層
263:矽膠層
31:第一散熱導電柄
311:片狀本體
312:片狀延伸部
32:第二散熱導電柄
321:片狀本體
322:片狀延伸部
40:絕緣片
41:絕緣體
第1A圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯之電池單元的示意 圖。
第1B圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯之電池單元的另一實施例示意圖。
第1C圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯之電池單元的分解示意圖。
第2A圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯示意圖。
第2B圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯的分解示意圖。
第3A-3D圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯之端面絕緣型態示意圖。
第4圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯的另一實施例示意圖。
第5圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯的另一實施例示意圖。
第6圖係為本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯的另一實施例示意圖。
為了讓本新型的優點，精神與特徵可以更容易明確的了解，後續將以實施例並參照所述圖式進行詳述與討論。需聲明的是該些實施例僅為本新型代表性的實施例，並不以此侷限本新型之實施態樣與請求範疇僅能侷限於該些實施例態樣。提供該些實施例的目的僅是讓本新型的公開內容更加透徹與易於了解。
在本新型公開的各種實施例中使用的術語僅用於描述特定實施例的目的，並非在限制本新型所公開的各種實施例。除非有清楚的另外指示，所使用的單數形式係也包含複數形式。除非另有限定，否則在本說明書中使用的所有術語(包含技術術語和科學術語)具有與本新型公開的 各種實施例所屬領域普通技術人員通常理解的涵義相同的涵義。上述術語(諸如在一般使用辭典中限定的術語)將被解釋為具有與在相同技術領域中的語境涵義相同的涵義，並且將不被解釋為具有理想化的涵義或過於正式的涵義，除非在本新型公開的各種實施例中被清楚地限定。
在本說明書的描述中，參考術語”一實施例”、”一具體實施例”等地描述意指結合該實施例描述地具體特徵、結構、材料或者特點包含於本新型的至少一個實施例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何一個或多個實施例中以合適的方式結合。
在本新型的描述中，除非另有規定或限定，需要說明的是術語”耦接”、”連接”、”設置”應做廣義的理解，例如，可以是機械連接或電性連接，亦可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，亦可以通過中間媒介間相連，對於本領域通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體涵義。
本新型係採用完整且獨立的電池單元20來完成並聯，因此首先針對電池單元20的部份來予以說明，請參閱第1A、1C圖，本新型之電池單元20包含有兩片狀集電層24、25、電化學系統201與框膠26，電化學系統201包含有隔離層21、兩活性材料層22、23、以及含浸/混煉於活性材料層22、23的電解質系統。隔離層21的材料係可選自於不具離子傳導的絕緣材料或者是具離子傳導性的材料。當選自於不具離子傳導性的絕緣材料時，例如高分子材料或玻璃纖維材料所形成的多孔性層狀物，或者是由陶瓷顆粒材料所堆疊或燒結形成具有微孔洞的結構，又或者是上述的混合配置。當隔 離層21的材料自身不具有離子傳導性時，隔離層21為具有微孔型態，以供離子透過電解質媒介通過隔離層。當隔離層21的材料為離子傳導性材料時，舉例來說如氧化物固態電解質的陶瓷粉體，此時，隔離層21可以不具有(微)孔洞來供離子傳遞，而是藉由氧化物固態電解質自身的固固界面來進行接觸傳遞。上述的微孔洞可為貫通孔或是蟻孔(非直線貫通的態樣)的型態。
上述的陶瓷粉體可以是不具離子傳導的絕緣材料或者是具離子傳導性的氧化物固態電解質，原始粒徑範圍可以是微米級或奈米級或是兩種差異較大的尺度混合，例如微米級與奈米級混合。當陶瓷粉體選自於不具離子傳導性的絕緣材料時，可以是二氧化鈦(TiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)等材質或是烷基化的陶瓷顆粒所形成。當陶瓷粉體選自於具離子傳導性的氧化物固態電解質時，具體材料可例如鋰鑭鋯氧(lithium lanthanum zirconium oxide；Li7La3Zr2O12；LLZO)或者磷酸鈦鋁鋰(LATP)等。此外，陶瓷材料也可以是上述絕緣陶瓷材料與氧化物固態電解質所混合而成。當使用陶瓷粉體堆疊組構成上述的隔離層時更可以包含高分子黏著劑，例如聚二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride；PVDF)、聚偏二氟乙烯-共-三氯乙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene；PTFE)、壓克力酸膠(Acrylic Acid Glue)、環氧樹脂(Epoxy)、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)或聚亞醯胺(PI)等。
電解質系統含浸或混煉於活性材料層22、23中，其可為液態、膠態、固態電解質、或是其任意組合之混合電解質。活性材料層22、23藉由中間的隔離層21予以隔離，並且活性材料層22、23與隔離層21構成電化學系統201，藉由其活性材料成份可將化學能轉成電能使用(供電)或將電 能轉換成化學能儲存於系統之中(充電)，而能同時達成離子的導通與遷移，而所產生的電子則可直接由片狀集電層24、25向外導出。而片狀集電層24、25之材料常見者為銅以及鋁，當然亦可是其他鎳、錫、銀、金等金屬或金屬合金。
同時，片狀集電層24、25係配合周緣之框膠26而作為電池單元20的封裝組件，使電化學系統201與外在環境隔絕；框膠26是聚合物材料，只要能夠黏固到片狀集電層24、25的表面上並且對電解質系統是耐用的即可，並沒有特別的限制，熱固性樹脂是優選。舉例來說，框膠26之材質可為環氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、熱塑性聚亞胺、矽氧樹脂、壓克力樹脂、矽膠或紫外線硬化膠。框膠26係夾設於兩片狀集電層24、25之間的周緣處，並圈繞封圍電化學系統201(活性材料層22、23與中間的隔離層21)，同時兩端面至少部分與兩片狀集電層24、25接著。框膠26與兩集電層24、25將電解質系統封裝於兩集電層24、25之間而不會外漏、且不與其他電池單元20之電解質系統相互流通；因此，電池單元20是直接採用集電層24、25與框膠26作為封裝結構所形成之獨立且完整供電的模組。
而為了使框膠26之封裝效果更佳，當採用為矽膠材質時，可設計框膠26具有三層之結構，請參閱第1B圖，上下兩層為改質矽膠層261、262而中間為矽膠層263，兩側的改質矽膠層261、262為矽膠藉由調整加成型矽膠與縮合型矽膠之組成比例、或是添加添加物來予以改質，使其適合黏接異質性的材料(此處的異質性材料係指片狀集電層24、25)，藉此設計則可使其介面間的接著力提高，同時，使得整體外觀的完整性更高，生產良率亦提高。
接續針對本新型具散熱導電柄之並聯式電池芯的第一個態樣，請參閱第2A、2B圖，係包含複數個單一軸向堆疊之電池單元20以及至少一個散熱導電柄，就圖上而言，係繪示有第一散熱導電柄31以及第二散熱導電柄32，第一散熱導電柄31係具有一個片狀本體311以及由片狀本體311所延伸之複數個片狀延伸部312，此片狀延伸部312可配合所要連結的電池單元20而設計，就此實施態樣而言，主要係配合三個電池單元20，因此，第一散熱導電柄31之片狀延伸部312也係為三個，相同的，第二散熱導電柄32也係具有一個片狀本體321以及由片狀本體321所延伸之三個片狀延伸部322。
就此實施態樣而言，電池單元20為同方向進行堆疊，換句話說，相同極性的片狀集電層24皆朝上設置，並皆與第一散熱導電柄31之片狀延伸部312直接接觸來進行電性連接；相同的，另外一個極性的片狀集電層25皆朝下並與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322直接接觸來進行電性連接，也就是會呈現第一散熱導電柄31之片狀延伸部312與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322交錯配置的型態，來構成並聯的連接態樣，因此，第一散熱導電柄31與第二散熱導電柄32皆為導電材料所構成。此時，為了避免位於中間呈現交錯配置的第一散熱導電柄31之片狀延伸部312與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322相互接觸而形成短路，因此，可於兩者之間增設有絕緣片40來加以隔絕。
另一方面，因電池單元20的端面亦有可能與第一散熱導電柄31或第二散熱導電柄32之片狀本體311、312的內側接觸而形成短路，因此，請參閱第3A圖，可於片狀本體311、312的內側、片狀延伸部311、312之間 來設置有絕緣體41來避免電池單元20的端面接觸。再者，除了採用絕緣體41的方式外，考量電池單元20之框膠26也係為絕緣材質，因此也可以將電池單元20的框膠26予以向外延伸突出於片狀集電層24與/或片狀集電層25側邊外，更者可延伸至與第一散熱導電柄31或第二散熱導電柄32之片狀本體311、312的內側接觸，如第3B圖所示，當然，也可以向外延伸但不與第一散熱導電柄31或第二散熱導電柄32之片狀本體311、312的內側接觸，主要係為了防止電池單元20最外側的片狀集電層24、25與第一散熱導電柄31或第二散熱導電柄32之片狀本體311、312的內側接觸。再者，請參閱第3C圖，其係顯示框膠26予以向外延伸突出於片狀集電層25側邊外，此時，因電池單元20之片狀集電層24原本即與第一散熱導電柄31之片狀延伸部312有接觸，屬同極性，因此片狀集電層24與第一散熱導電柄之片狀本體311的內側接觸並不會構成短路，故可將此部份片狀集電層24伴隨著框膠26一同延伸，來增加接觸面積，進而增加散熱效果；或者是說片狀集電層25相對於片狀集電層24是向電池單元中心內縮，以避免異極性的片狀集電層25碰觸到片狀本體311、312的內側。就此兩實施例(第3B、3C圖)來說，框膠26向外延伸係可視為相對之概念，基於所欲達成效果而言，也可以視為片狀集電層24、25向內側退縮。相同的，也可以同時增設有絕緣體41以及將框膠26向外延伸，如第3D圖所示，將可更加確保電池單元20的端面不會因接觸而短路。
因此，因為是採用第一散熱導電柄31之片狀延伸部312與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322來與兩片狀集電層24、25進行大面積接觸，可使得此並聯式電池芯的電流路徑最大化，因此，第一散熱導電柄31 之片狀延伸部312與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322可概略與兩片狀集電層24、25具有相同的尺寸。而第一散熱導電柄31之片狀本體311與片狀延伸部312、以及第二散熱導電柄32之片狀本體321與片狀延伸部322可以採用一體成形或是焊接等方式連接成型，不論採用何種方式，其之間的連接面積會遠大於習知的突出部(Terminal端)之連接方式，因此，連接方式會更為穩固，且整體電芯的製作流程也更為便利。同時，因為連接面積大幅提高，會使得阻值跟著下降，運作時所產生的熱能也會降低。
再者，如第一散熱導電柄31與第二散熱導電柄32採用為高熱傳導性的導電材料所構成，更可作為電池芯的散熱途徑，來有效將電池芯作用時所產生的熱導出，配合前述因連接面積提高而衍生產生的熱大幅降低，配合此大面積接觸的散熱途徑，相加成之下更可維持此並聯式電池芯於最佳的工作效能。
接續請參閱第4圖，如為反向堆疊的型態，換句話說，如圖中所繪示共有7個電池單元20，奇數的電池單元20以片狀集電層24朝上、而偶數的電池單元20以片狀集電層25朝上，因此，位於中間的第一散熱導電柄31之片狀延伸部312與第二散熱導電柄32之片狀延伸部322則可同時與上、下的電池單元20之同極性的片狀集電層24、25接觸，可減少片狀延伸部312、322的數量、以及絕緣片40的配置，來提高整體電池芯的單位能量密度。
再者，請參閱第5圖，與第2A圖相同為同方向配置的態樣，但是電池單元20的數量為4個，來完成整個並聯連接狀態，其餘內容則與前述相同，不再重複贅述。
相同地，請參閱第6圖，與第4圖相同為反向配置，但是數量改為6個電池單元20，此時，則第一散熱導電柄31之片狀延伸部312需要比第二散熱導電柄32之片狀延伸部322多一個，來完成整個並聯連接狀態，其餘內容則與前述相同，不再重複贅述。前述僅以此些數量配合圖式來說明，其主要展現者為單數與偶數個電池單元20的差異，其他未繪示的數量可依據相同原理來進行配置。
綜上所述，本新型提出一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，利用散熱導電柄取代習知的導電端子(Terminal端)之連接方式，以其片狀之延伸部與片狀集電層，來進行大面積的直接接觸連接，可使得電池芯電流路徑最大化；同時散熱導電柄也可作為散熱路徑，能有效將電池芯作用所產生的熱導出，維持電池芯的最佳效能。
唯以上所述者，僅為本新型之較佳實施例而已，並非用來限定本新型實施之範圍。故即凡依本新型申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本新型之申請專利範圍內。
20:電池單元
24、25:集電層
31:第一散熱導電柄
311:片狀本體
312:片狀延伸部
32:第二散熱導電柄
321:片狀本體
322:片狀延伸部
40:絕緣片

Claims (10)

  1. 一種具散熱導電柄之並聯式電池芯，係包含有：
    複數個電池單元，其以單一軸向堆疊，每一該電池單元包含有：
    兩片狀集電層，係相互平行設置，該兩片狀集電層做為該電池單元的封裝組件；
    一電化學系統，係設置於該兩片狀集電層之間，該電化學系統包含有一電解質系統，其中該些電池單元的該電解質系統不會相互接觸；以及
    一第一散熱導電柄，係具有一片狀本體以及由該本體延伸之複數個片狀延伸部，該些片狀延伸部與該些電池具相同極性之該些片狀集電層直接接觸設置，並且至少其中之一該片狀延伸部插設於任兩堆疊的該電池單元間。
  2. 如請求項1所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，更包含有一第二散熱導電柄，該第二散熱導電柄係具有一片狀本體以及由該片狀本體延伸之複數個片狀延伸部，該些片狀延伸部供些電池單元以另一極性之該些片狀集電層直接接觸設置。
  3. 如請求項2所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，其中該第一散熱導電柄與該第二散熱導電柄之該些片狀延伸部於堆疊設置的該些電池單元間呈現交錯且相互絕緣設置。
  4. 如請求項3所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，更包含 有一絕緣片，設置於該些片狀延伸部之間。
  5. 如請求項3所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，更包有至少一絕緣體，其設置於該第一散熱導電柄與該第二散熱導電柄之該些片狀本體內側面並位於該些片狀延伸部之間。
  6. 如請求項3所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，其中該第一散熱導電柄與該第二散熱導電柄之該些片狀延伸部係概略與該些電池單元的該些片狀集電層具有相同尺寸。
  7. 如請求項1所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，其中該些電化學系統之該電解質系統係相互不流通，且相鄰之該些電化學系統僅具有電荷轉移而無進行電化學反應。
  8. 如請求項1所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，其中該電池單元更包含有一框膠，其係設置於該兩片狀集電層之間且圈繞於該電化學系統周圍，該框膠與該兩片狀集電層是作為該電池單元的封裝結構。
  9. 如請求項8所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，其中該框膠係向外延伸且突出於至少一該片狀集電層側邊外。
  10. 如請求項9所述之具散熱導電柄之並聯式電池芯，更包有至少一絕緣體，其設置於該第一散熱導電柄與該第二散熱導電柄之該些片狀本體內側面並位於該些片狀延伸部之間。
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