專利名稱：具有電絕緣的單元模塊和互連器外圍的高電壓模塊化電池的制作方法
具有電絕緣的單元模塊和互連器外圍的高電壓模塊化電池本發(fā)明要求2009年4月觀日提交的美國臨時專利申請No. 60/214，743的優(yōu)先權(quán)， 該申請通過引用合并于此。
背景技術(shù)：
模塊化電池是包括兩個以上的電池單元或單元模塊或單元的電池。使用模塊化電池的裝置的常見例子是可以使用例如兩個C型單元的手持式手電筒。近來，模塊化電池在包括混合電動車輛(“HEV”)、插入式混合電動車輛(“PHEV”) 和其它應(yīng)用的許多應(yīng)用中變得重要。模塊化電池在用于HEV、PHEV和其它應(yīng)用時，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的手電筒中使用的模塊化C
型單元。美國專利5，552，243和美國專利5，393，617公開了堆疊型晶片單元的雙極性電化學電池。晶片單元以串聯(lián)方式電連接，其中，各單元的正極面接觸相鄰的單元的負極面。可以利用導電糊劑或粘合劑來提高單元到單元的接觸。堆組件被保持為壓縮方式。在此處通過引用而包含美國專利5，552，243和美國專利5，393，617。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種模塊化電池，其包括殼體；第一平面電池單元，其具有第一平面電極表面；第二平面電池單元，其具有第二平面電極表面；以及互連器，其布置于所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面之間，并且使所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面電連接，所述互連器的側(cè)面外圍、所述第一平面電池單元的側(cè)面外圍和所述第二平面電池單元的側(cè)面外圍與所述殼體電絕緣。本發(fā)明還提供一種用于形成模塊化電池的方法，該方法包括將具有第一平面電極表面的第一平面電池單元放置在殼體中；將互連器放置在殼體中的第一平面電池單元的上方；將具有第二平面電極表面的第二平面電池單元放置在殼體中，使得所述互連器使第一平面電極表面和第二平面電極表面電連接，并且所述互連器的側(cè)面外圍、所述第一平面電池單元的側(cè)面外圍和所述第二平面電池單元的側(cè)面外圍與所述殼體電絕緣。


將參照優(yōu)選實施方式來說明本發(fā)明，其中圖1A、1B、1C和ID是可用于本發(fā)明的四種類型的電極的平面圖。圖2是電極和隔離體交錯的單個單元模塊內(nèi)的電極配置的示意性截面圖；圖3A是示出去掉前框架部分的單元模塊的被密封的單個單元的示意性主視圖， 圖3B示出前框架部分在其位的單元模塊，圖3A和;3B均示出根據(jù)本發(fā)明的互連器的布置；圖4是上層具有互連器的單元模塊的平面圖，示出具有饋通、爆破片和端口的塑料框架；圖5是具有用于填充、密封和感測的連通饋通的塑料框架的立體圖；圖6A示意性舉例說明具有饋通的外殼內(nèi)具有6個單元模塊的模塊化電池的截面， 圖6B示出平面圖；圖6C示出具有絕緣側(cè)面外圍的互連器；以及圖7是圖示電池及其單元模塊的遠程監(jiān)測和警告的說明圖。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
具體實施例方式為了足夠為HEV、PHEV和其它應(yīng)用供電，期望使用包含表面體積比高的單元的模塊化電池，例如為電池的各單元使用平面設(shè)計。例如，這些單元可以約為大型書本的大小， 其中，書本的“正面”包含例如正端子(也稱為電極)，書本的“背面”包含例如負端子。與這些單元的、在單元的一端處使用凸起的凹座(raised dimple)從而與相接的筒狀單元進行電接觸的筒狀對應(yīng)物(例如，C型單元電池)不同，大致為平面的單元不需要具有這種凸起的凹座。對于包括HEV和PHEV在內(nèi)的需要高電力的許多應(yīng)用來說，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，這也益于降低為使用該電力的裝置采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等裝置需要為該裝置設(shè)置更薄的或者低導電性的電流承載體(例如銅絲)，這樣可以降低成本。例如電動車可能需要電池以300伏特至600伏特提供電力。這種高電壓典型地通過將多個低壓電池模塊電串聯(lián)地外部連接到一起來實現(xiàn)，這在某種程度上是出于對電池模塊內(nèi)的串聯(lián)連接的典型 “袋狀”(pouch)單元“堆”(stack)進行組裝和操作的安全性考慮，因為較高電壓時、尤其是大約60伏特以上時，產(chǎn)生電弧放電的風險很大，并且由于諸如典型的“袋狀”單元的“平坦” 單元的邊緣外圍(edge periphery)的單元端子是暴露的，因此存在嚴重的電擊危險。為了安全起見，這些單元端子在低電壓、例如低于60伏特電壓的電池模塊內(nèi)以串聯(lián)的方式被電連接。本發(fā)明的目的是提供均具有電絕緣外圍以防止意外電弧放電的互連器和單元模塊，并且在組裝和操作多個單元的高電壓電池的過程中，只有電池末端終端(end termination)處是暴露的。本發(fā)明的單個電池模塊可以包含高達100個或者更多的單獨的單元模塊，這些單元模塊以電池模塊的末端終端之間的中間單元模塊電終端沒有暴露的狀態(tài)安全地內(nèi)部互連。本發(fā)明的單個電池模塊能夠被安全地構(gòu)造為利用多個單元模塊輸出 300伏特以上的電壓。本發(fā)明的另一替代的或附加的目的是促進從單獨單元模塊經(jīng)由單元模塊及其互連器的導熱和電絕緣的外圍向外部環(huán)境的熱傳遞。單元模塊本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的單元模塊可以具有正極面和負極面位于相反側(cè)的剛性或半剛性的平坦形狀，其中，正極面和負極面與相鄰的單元模塊電連通，以形成更高電壓的單元模塊的電池堆。在各單元模塊內(nèi)，配置有多個正電極和負電極，其中，各正電極和負電極以并聯(lián)方式電連接至相同極性的各個其它電極。利用用于正電極和負電極的任何適當?shù)匿囯x子電池材料來制造電極。例如，正極活性材料或陰極可以包括涂布到鋁上的鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物或磷酸鐵鋰電化學活性材料。例如，負極活性材料或陽極可以包括涂布到銅 (或陽極是鈦酸鋰尖晶石的情況下的鋁)上的人造石墨或鈦酸鋰尖晶石。單元模塊包含在所示的實施方式中具有如圖IA ID所示的四種圖案的活性材料涂層的多個電極。圖IA圖示了兩側(cè)上均涂布有陰極活性材料1、并且一側(cè)上具有裸露的 (無涂層的)箔片2的內(nèi)部正電極9 (例如，鋁)，圖IB圖示了兩側(cè)上均涂布有陽極活性材料3、并且在與正性片相反的側(cè)上具有裸露的(無涂層的)箔片4的內(nèi)部負電極10(例如， 銅或鋁)。圖IC圖示了僅在一側(cè)上涂布有陰極活性材料5、并且具有一個或兩個裸露的箔片6的正端電極14，圖ID圖示了僅在一側(cè)上涂布有陽極活性材料7、并且具有一個或兩個裸露的箔片8的負端電極15。兩個端板片的優(yōu)勢在于允許改進隨后的電極在單元模塊中的密封。在本實施方式中，電極9、10、14、15采用矩形板的形式，應(yīng)當理解為可以根據(jù)單元模塊的期望結(jié)構(gòu)和其它設(shè)計考慮來使用其它適當形式和形狀的電極。位于組裝的單元模塊的相反端處的端電極14和15的兩側(cè)可以是無涂層的，并且對表面進行清潔和蝕刻以實現(xiàn)隨后對單元模塊的改進了的密封。優(yōu)選本發(fā)明中的單元模塊被良好地密封以防止水汽和空氣進入。在圖2中，示出了將圖IA ID所示的正電極和負電極(電極板)9、10、14、15組裝在單個單元模塊內(nèi)。在附圖中，為了清楚，大幅放大了活性材料涂層1、3、5、7的厚度。正電極和負電極以并聯(lián)方式電連接至相同極性的多個其它電極，以形成以單個單元模塊的正端電極14和負端電極15終止的交錯型電極組件。如圖IC ID和圖2所示，正端電極板 14具有兩個片6，負端電極板15具有兩個片8。正端電極板14的片6其中之一優(yōu)選以焊接方式連接至正電極板9的片2，以形成構(gòu)成單元模塊的正端子的端片12。以相同方式，負端電極板15的片8其中之一優(yōu)選以焊接方式連接至負電極板10的片4，以形成構(gòu)成單元模塊的負端子的端片13。端電極板14、15之間是交錯的正電極9與負電極10，并且各電極之間是包含電解質(zhì)的、諸如微孔聚烯烴等的具有充分的絕緣性的隔離體11。在圖2中，示出僅在端電極板14和15的一側(cè)進行涂布，而未對它們的另一側(cè)進行涂布，并且分別通過端片12 和13，它們的另一側(cè)呈現(xiàn)分別用于通過本發(fā)明的互連器實現(xiàn)的隨后的高電壓電池組件的外部正負單元終端表面。在實踐中，改變并且選擇電極和隔離體的數(shù)量，以實現(xiàn)所需的電化學能存儲容量和所需的電力。除了增大電化學能存儲以外，對于相同量的能，電極數(shù)量較多將允許較高的充放電速率。本發(fā)明中的具有多個電極的較大的表面面積降低了單元模塊內(nèi)每單位電極面積的比電化學電流密度，也就是說，對于較大數(shù)量的電極，電極的每平方厘米的安培數(shù)減少，以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原理，高電極電流密度使電池電壓降低。實際上，一般可以利用諸如超聲波金屬焊接機等的焊接機將多于30個的多個電極對分別典型地結(jié)合至正電極和負電極的焊接端片12和13。如由單元模塊的正極側(cè)的端片12和負極側(cè)的端片13所圖示，優(yōu)選電極片在電極單元模塊的相反側(cè)上沿著其全長連接。單元模塊的外側(cè)上表面呈現(xiàn)正端電極14的裸露的箔表面，并且外側(cè)下表面呈現(xiàn)負端電極15的裸露的金屬表面。附著在各個片或電極片上的電壓和溫度傳感器(后面描述)由于它們極接近電極活性材料，因而提供與安全性有關(guān)的早期信息。圖3A中示出圖2的交錯型電極組件的密封，其中，對各電極以截面示出正極活性材料和負極活性材料。如上所述，端電極板14、15具有兩個片，并且僅在一側(cè)上涂布有活性材料。如圖3A所示，在單元模塊23的相反的邊緣處，利用電絕緣的密封劑16分別密封正端片12和負端片13，并且在相反極性的片在相同側(cè)上重疊的位置處通過絕緣體17使正極片和負極片彼此電隔離。密封劑16也可以是導熱的以從單元模塊中除去熱。更特別地，單元模塊23的左側(cè)的絕緣體17使負端電極15的片8與正端片12電隔離，單元模塊23的右側(cè)的絕緣體17使正端電極14的片6與負端片13電隔離。此外，圖3A中示出密封劑16與電極9、10和隔離體11的端部之間的間隙18。密封體16的材料還可以在與密封端片12和 13正交的各側(cè)上將塑料框架19(圖幻密封到交錯型電極組件。密封的方法包括嵌件成形、 注入成形、熔焊和粘結(jié)(兩者均為反應(yīng)性的，例如，環(huán)氧的和熱熔的)。如圖4和5所示，塑料框架19是具有大體上為C形的前框架部分19a和后框架部分19b的兩部分電絕緣框架，其中，前框架部分19a和后框架部分19b在單元模塊23的正面和背面處橫跨交錯型電極組件和密封劑16而被插入，并被密封到交錯型電極組件和密封劑16。塑料框架19也可以導熱的以便從單元模塊除去熱。圖3A示出不具有框架19的單元模塊23，圖;3B示出前框架部分19a密封到單元模塊的單元模塊23。示了包含在框架19a中的特征，該特征包括端口 20，用于對具有電解質(zhì)的單元模塊進行抽真空、填充和排放，還可以由機械部件永久或暫時密封該端口 ；電饋通21，用于測量并監(jiān)測各個單元電壓和溫度；以及爆破片(burst disc) 22，用于釋放單元模塊23內(nèi)累積的任何壓力。為了串聯(lián)地電連接堆疊的單元模塊23，將導電性的可壓縮互連器M插入相鄰的單元模塊之間。圖3A和;3B示出所示的單元模塊23上方和下方的用于串聯(lián)連接到附加的單元模塊的上、下部互連器對。圖4是省略了上部互連器24、并且單元模塊的負端電極15 的外表面(裸露的箔表面)與下部互連器M相接觸的密封的單元模塊23的俯視圖。本發(fā)明的如圖3和圖4所示的互連器未延伸超過單元模塊的外圍，以便防止產(chǎn)生電弧放電，或者以便在組裝本發(fā)明的電池模塊過程中應(yīng)該在互連多個單元模塊時與外圍接觸才產(chǎn)生電擊。 防止產(chǎn)生電弧放電或者防止在外圍接觸上產(chǎn)生沖擊也可以通過使導電性的互連器的材料的側(cè)邊外圍電絕緣來實現(xiàn)。如圖2和3A所示，示出電極板的片2、4、6、8成角度急劇彎曲以彼此重疊，從而形成端片12、13。當然可以并且有時優(yōu)選地使片以曲率彎曲而不是如所示地急劇彎曲。此外， 如圖IC和ID所示，端電極板14、15的片6和8的寬度在端電極板的相反側(cè)(左側(cè)/右側(cè)) 上可以不同，其中，寬度較寬的片連接至端片或端子12、13，并且寬度較窄的片位于絕緣體 17上。優(yōu)選端口 20置于用于隨后在形成之后對單元模塊進行填充和真空排氣的對角線角落上。在本實施方式中，如圖2、3A和:3B所示，使電壓傳感器30a附著在正端片12和負端片13上，該傳感器30a允許監(jiān)測單元模塊的電池堆內(nèi)的任何單元的電壓，并允許通過外部電池管理系統(tǒng)(BMQ來調(diào)整單元模塊的充電狀態(tài)以平衡多單元模塊電池內(nèi)的單元。諸如熱敏電阻等溫度傳感器31a以與正端片12和負端片13相接觸的方式被安裝，以監(jiān)測單元模塊23的電極的溫度。如圖5所示，電壓傳感器30a和溫度傳感器31a經(jīng)由感測線(導體)30b和31b分別電連接至前框架部分19a和后框架部分19b中設(shè)置的電饋通21。單元模塊23配備有爆破片22，以便在災難性的單元故障的情況下釋放過多的內(nèi)部壓力。期望完整的單元模塊23作為在整個單元形成和真空排氣過程中在干燥室環(huán)境中被處理的制造模塊。除了測量各個單元模塊電壓以外，電壓傳感器還可用于測量例如在互連器M和一個單元模塊的正端電極14之間以及互連器M和相鄰的單元模塊的負端電極 15之間的機械接觸處產(chǎn)生的、單元模塊之間的阻抗分量。如這里所論述的，盡管期望在互連器電接觸附近使用惰性氣體以防止或減少在互連器和單元模塊電表面接觸之間產(chǎn)生電阻層，但連續(xù)監(jiān)測這種機械接觸的電阻率的能力是本發(fā)明的附加的益處和特征。在自動化組裝工藝或在批量制造中，可以在單個步驟中將交錯型電極組件的所有四側(cè)均密封到塑料框架19中，并在同一步驟或后續(xù)的細化步驟中同時引入填充孔、可爆破區(qū)域和嵌入式傳感器布線。在自動化制造工藝時，例如，可以通過利用將圖2的交錯型電極組件放置在彼此接觸的頂部模具和底部模具之間的注入成形、并且將被注入了電絕緣的聚合密封材料的開放的連續(xù)周邊體積圍住以制成包括可能預先放置的填充管、傳感器和用于爆破保護的薄區(qū)的連續(xù)的單元模塊周邊密封，來完全除去塑料框架?；ミB器本發(fā)明提供用于圖6A的例子所示的互連器對，該互連器M有利地可以是可壓縮的從而提供對于平面型單元模塊23之間的沖擊或振動的緩沖。例如，互連器M可以是提供多個并行的傳導路徑的可壓縮的撓性導電片材?；ミB器M的撓性可以在通過施加確保模塊之間的良好接觸和低電阻的力來維持單元平面模塊之間的電接觸的同時，容納在對電池充電和放電期間單元堆內(nèi)的周期應(yīng)變?？蓧嚎s的互連器M可以與相鄰的單元板模塊表面之間的可壓縮撓性導電互連的需求一致的、由例如以可壓縮彈性矩陣形式保持的金屬絲網(wǎng)、金屬或碳纖維、或者交織導電墊等的、具有充分性質(zhì)的任何材料制成?？梢赃x擇單元模塊的接觸表面，以維持與單元模塊的正負連接器的表面的長期、低阻抗連接界面。例如，絲網(wǎng)可以是約4密爾(mil)或0.004英寸的細絲?；ミB器的可壓縮性可以是例如30%，以使得例如在施加充足的力以縮小織物的間距時，互連的體積減小至施力之前的體積的70%。因而，假設(shè)在壓縮過程中層不會從垂直于壓力方向的側(cè)面膨脹出的層結(jié)構(gòu)，那么在平坦表面上加壓時厚度為10密爾的互連層可以壓縮成厚度為7密爾。優(yōu)選地， 互連器的可壓縮性使得體積可以壓縮成小于90%。另外，與相鄰的單元之間使用直接的金屬與金屬接觸的現(xiàn)有技術(shù)或在相鄰的單元之間使用導電的膠粘劑或糊劑相對比，有利地，本發(fā)明的特定互連器可以提高單元模塊連接的導電性。表1示出根據(jù)本發(fā)明的用于制造互連器材料的可壓縮織物或氈制品的各種材料。一些纖維進行了表面處理，以提高互連器的接觸材料的穩(wěn)定性。表1.本發(fā)明的互連器墊所使用的材料
權(quán)利要求
1.一種模塊化電池，其包括 殼體；第一平面電池單元，其具有第一平面電極表面； 第二平面電池單元，其具有第二平面電極表面；以及互連器，其布置于所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面之間，并且所述互連器使所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面電連接，所述互連器的側(cè)面外圍、 所述第一平面電池單元的側(cè)面外圍和所述第二平面電池單元的側(cè)面外圍與所述殼體電絕緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化電池，其特征在于，所述第一平面電池單元和所述第二平面電池單元包括在其側(cè)面外圍的電絕緣材料，并且與所述殼體接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所示的模塊化電池，其特征在于，所述互連器與所述殼體隔開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化電池，其特征在于，所述互連器通過空間與所述殼體隔開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化電池，其特征在于，惰性氣體填充所述空間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化電池，其特征在于，還包括將所述互連器的側(cè)面外圍熱連接到所述殼體的密封劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊化電池，其特征在于，所述密封劑是聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化電池，其特征在于，還包括在所述空間中的墊片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化電池，其特征在于，還包括另外的平面電池單元和另外的互連器。
10.一種用于形成模塊化電池的方法，該方法包括將具有第一平面電極表面的第一平面電池單元放置在殼體中； 將互連器放置在所述殼體中的所述第一平面電池單元的上方； 將具有第二平面電極表面的第二平面電池單元放置在所述殼體中， 使得所述互連器使所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面電連接，并且所述互連器的側(cè)面外圍、所述第一平面電池單元的側(cè)面外圍和所述第二平面電池單元的側(cè)面外圍與所述殼體電絕緣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括向所述殼體注入密封劑以將所述互連器的側(cè)面外圍熱連接到所述殼體。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括向所述殼體注入惰性氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括圍繞所述互連器的側(cè)面外圍放置墊片。
全文摘要
一種模塊化電池，包括殼體；第一平面電池單元，其具有第一平面電極表面；第二平面電池單元，其具有第二平面電極表面；以及互連器，其布置于所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面之間，并且使所述第一平面電極表面和所述第二平面電極表面電連接，所述互連器、所述第一平面電池單元和所述第二平面電池單元的側(cè)面外圍與所述殼體電絕緣。還提供了一種方法。
文檔編號H01M12/00GK102414909SQ201080019107
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者克里斯托弗·K·戴爾, 邁克爾·L·愛普斯頓, 鄧肯·科爾沃 申請人:照明能源有限公司