用于原電池的由碳纖維增強塑料制成的具有防潮層的殼體，原電池、蓄電池和機動車的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于原電池，優(yōu)選鋰離子單池的殼體，其中所述殼體由碳纖維增強塑料(CFK)制成并且配置有防潮層。此外還公開一種原電池，蓄電池以及機動車。
【專利說明】用于原電池的由碳纖維增強塑料制成的具有防潮層的殼 體，原電池、蓄電池和機動車

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于原電池的殼體，原電池，蓄電池和機動車。

【背景技術】
[0002] 無論是在固定應用中，例如在風力發(fā)電設備中，在機動車內，例如在混合動力車輛 和電動車輛，還是在消費者領域，例如在筆記本電腦和移動電話中，經常在安全性，可靠性， 性能和使用壽命方面對所使用的蓄電池系統(tǒng)提出較高的要求。
[0003] 蓄電池-單池的使用壽命的一個重要的參數(shù)是能量密度或電容量，此外由電動機 驅動的車輛的行程長度也取決于電容量。電容量在重量上也可以通過每公斤瓦小時（Wh/ kg)表不。
[0004] 蓄電池-單池的電容量或額定-電容量是由蓄電池-單池的所謂的活性材料決 定。例如在鋰離子單池的情況下這是正極中的鋰化的金屬氧化物和負極中的石墨或碳。此 夕卜，在單池中所謂的惰性-材料像分離器和電極粘合劑對于單體電池的功能也是必需的。 為了優(yōu)化能量密度人們致力于減少惰性的單池-材料部分，其中也包括單池的殼體，以便 相應地提高能量密度。
[0005] 尤其地，鋰離子工藝特別適合于廣泛的應用領域。此外，鋰離子工藝的突出之處體 現(xiàn)在能量密度高和自放電極低。鋰離子單池擁有至少一個正電極和負電極（正極和陰極）， 能夠可逆地嵌入（Intercalation)或重新脫嵌（Deintercalation)鋰離子（Li+)。第二種 具有吸引力的蓄電池-系統(tǒng)是可重復充電的金屬鋰-系統(tǒng)。在這里負極由鋰-金屬制成和 正極活性材料例如以具有層結構的過渡金屬氧化物像鋰的二氧化鈷（LiC 〇02)為基礎。
[0006] 為了執(zhí)行鋰離子的嵌入或鋰離子的脫嵌，必需存在電解液成分，所謂的鋰-導電 鹽。實際上對于全部當前的鋰離子單體電池，無論是在消費者領域（移動電話，MP3-播放 器或強大工具）還是在汽車領域（混合動力汽車-HEV)插入式混合動力汽車（PHEV)和電 動汽車（EV)中都使用六氟磷酸鋰（LiPF6)作為鋰-導電鹽。所述LiPF6對于潮濕特別活 潑，經多級水解分裂成氟氫（HF)。
[0007] 為了防止由于導電鹽的水解分裂產生的潮濕鋰離子單池受到損壞，按照【背景技術】 使用具有通常為金屬薄膜或金屬片形式的金屬部分的殼體，其中金屬薄膜或金屬片基本上 表示對空氣潮濕的阻隔。其中可劃分為所謂的具有薄膜包裝的軟包和硬的，金屬殼體（硬 盒）內的單池，所述單池通常被設計為棱形和圓柱體形。所述硬的金屬殼體可以是例如由 鋁和通過冷拉深工藝制成。在這個領域中還未顯示使用過塑料，這是因為相對于潮濕塑料 通常具有某種穿透性。
[0008] 但是，與塑料相比，硬盒，例如由鋁或優(yōu)質鋼制造的硬盒在體積相同的情況下更 重。但是由于追求在單池層面上提高特殊的能量密度，盡可能地減少惰性材料的份額。
[0009] 此外，按照自然規(guī)律由金屬制成的殼體對外是導電的。能夠例如容易地引起在連 接的基礎-單池之間的高壓-蓄電池-系統(tǒng)內的電絕緣問題。
[0010] 在機械作用的情況下，尤其在由碎裂或類似事件造成金屬殼體毀壞這種事故過程 中，金屬殼體可能在單池中造成內部短路。這可能導致劇烈地變熱，單池打開，單池組件的 冒煙，形成火焰或甚至發(fā)生爆炸。例如當單池處于充滿電的狀態(tài)的時，尤其要注意觀察。
[0011] 至于如何降低蓄電池內的惰性材料的份額，從DE 10 2008 023 571 A1中已知一 種用于固定單池的殼體的殼體薄膜，所述薄膜由聚烯烴或類似材料制成并且在其上面設置 由有機硅化合物制成的防潮層。但是相應地設計的殼體同樣易于受到對損壞和由此導致的 危險。
[0012] 也可以通過并聯(lián)連接或串聯(lián)連接將各個單池連接成蓄電池模塊并再連接成蓄電 池組。其中根據(jù)定義一個蓄電池是由至少兩個已連接的單池組成。在以下單池和蓄電池這 些概念不會作為同義詞使用。但是相反，蓄電池，蓄電池系統(tǒng)，蓄電池模塊和蓄電池組將繼 續(xù)同義地使用。


【發(fā)明內容】

[0013] 按照本發(fā)明將提供一種用于原電池的殼體，所述殼體由碳纖維增強塑料（CFK)制 成并且配置有防潮層。
[0014] 優(yōu)選地，原電池涉及一種鋰離子電池或可重復充電的鋰電池，所述電池基于通常 使用的活性材料尤其能夠防潮。但是按照本發(fā)明的殼體也可以用于其它電池類型。
[0015] 專業(yè)人士從【背景技術】中已知適用的碳纖維增強塑料。其中優(yōu)選使用熱塑性塑料并 且尤其是聚烯烴和尤其優(yōu)選聚丙烯（PP)，聚乙烯（PE)或它們的共聚物。另一種特別優(yōu)選的 塑料是聚苯硫醚（PPS)。
[0016] 專業(yè)人士已知具有相應的成型和長度的適用的碳纖維。
[0017] 所述的碳纖維增強塑料擁有良好的耐熱性，優(yōu)秀的抗化學性和機械穩(wěn)定性。
[0018] 與例如鋁薄膜相反，所使用的塑料是潮濕可穿透的。因此按照本發(fā)明在殼體的外 側和/或內側設置潮濕不能透過的層，其中優(yōu)選在外側上面制造所述層，這是因為這樣更 簡單和經濟。所述防潮層在防潮性能方面可以與金屬膜或金屬片，例如軋制鋁-薄膜相比 擬。
[0019] 防潮層能夠是通過例如常用的方法像化學氣相沉積（CVD)，物理氣相沉積（PVD) 滾壓包層或類似的方法涂覆。當然根據(jù)所要涂覆的層決定采取哪一種方法。
[0020] 優(yōu)選地，通過CVD涂覆的層是由聚對二甲苯，有機硅化合物為材質或以二氧化硅 為基礎。已經證明以二氧化硅為基礎的層尤其適合用作防潮層。
[0021] 所述層也可以由通過PVD涂覆的金屬，例如鋁或優(yōu)質鋼制造。在是金屬的情況下 也可以使用滾壓包層法，其中優(yōu)選通過PVD涂覆的薄金屬層。
[0022] 薄的防水層如上所述已經被為專業(yè)人士所熟知并且例如在DE102008023571A1 中或在 K.Marquardt 等所著的"Entwicklung einer hermetischen Glas-Silizium Verpackung Verkapselung (密封玻璃娃包裝薄膜的開發(fā)）"中被描述為集成的鋰-聚合物 蓄電池的殼體；MikroSystem Technik K0NGRESS(K0NGRESS微系統(tǒng)技術公司），柏林，2009， 12-14. 10. 2010。
[0023] 能夠出人意料地將CFK的有利的特性組合成用于原電池的殼體以及防潮層。令人 驚訝的是，防潮層能夠長時間穩(wěn)定地與CFK-殼體連接在一起。通過將碳纖維增強聚丙烯與 密封的玻璃阻擋層相組合能夠達到特別好的結果。
[0024] 完全沒有令人想到的是，碳纖維在單池的內部在化學上和電化學上對于單池的成 分，例如有機碳酸鹽、例如碳酸乙烯酯（EC)、鋰-導電鹽、六氟磷酸鋰（LiPF6)或微量地存在 的氟氫（HF)在很長的時間上是惰性的，盡管碳或石墨通常會在相應的環(huán)境中發(fā)生反應。
[0025] 按照本發(fā)明所使用的材料允許自由地成型殼體，尤其是在與殼體的維度例如長 度，寬度和高度相關的壁厚方面。
[0026] 此外，能夠使殼體更好地與被放入的電池-繞組的形狀相匹配。例如能夠在殼體 的內部構成圓形，所述圓形對電池-繞組的棱形形狀的不可能包裝進行補償。
[0027] 由此也能夠在殼體內部實現(xiàn)更好地機械支撐電池-繞組，而不使用保持器 (Retainer)，所述保持器將電池-繞組保持就位并且將其與內電池壁部分開。
[0028] 在殼體-圓形部內的電池-繞組的改善的機械接觸使得按照本發(fā)明的原電池在整 體上具有更1?的使用壽命。
[0029] 由此在殼體內只有很少的空的空間，由此在電池的內部只需要很少的自由電解 液。
[0030] 將碳纖維增強塑料成型為立體硬殼體的其他的適合的變型已經為專業(yè)人士所熟 悉，在這里就不在詳細闡述。
[0031] 通過按照本發(fā)明的原電池的殼體能夠有利地毫無問題地替換按照【背景技術】的至 今的以金屬為基礎的單池-殼體，其中同時可以避免其缺點。
[0032] 按照本發(fā)明的原電池的殼體由此具有較低的重量，并且由此在單池層面上具有較 高的特殊的重量能。碳纖維增強復合材料只相當于大約鋁的50%，以及剛好是鋼的20%。 此外所述的按照本發(fā)明使用的材料在材料成本和制造成本方面耗費也很低。
[0033] 除此之外碳纖維增強塑料還擁有其它優(yōu)勢例如極好的撞擊性能，較低的疲勞傾向 和特別高的耐腐蝕性。
[0034] 按照本發(fā)明的殼體有利地實現(xiàn)減振，由此可以預防疲勞現(xiàn)象，并且具有極低的熱 膨脹。
[0035] 碳纖維增強塑料的改善的熱轉移造成均勻的溫度分布，該溫度分布實現(xiàn)了延長的 使用壽命。
[0036] 在發(fā)生故障時不再會發(fā)生金屬件進入單池里面的危險，由此不會出現(xiàn)開始時所述 的損害。即使在發(fā)生火災時殼體也具有良好的安全特性，這是因為碳纖維增強塑料特別不 易燃。
[0037] 優(yōu)選布置在殼體內的原電池是鋰離子單池。
[0038] 本發(fā)明的另一個主題是一種具有至少兩個之前所述的鋰離子單池的鋰離子蓄電 池以及一種機動車，其具有用于驅動機動車的電驅動電機和與電驅動電機相連接的或可連 接的鋰離子蓄電池。
[0039] 在從屬權利要求中給出了并且在說明書中闡述了本發(fā)明的優(yōu)選的改進方案。

【具體實施方式】
[0040] 下面借助一個示例對本發(fā)明進行說明。
[0041] 為了試驗性地證明按照本發(fā)明的蓄電池殼體的撞擊安全性執(zhí)行撞擊試驗。
【權利要求】
1. 一種用于原電池的殼體，其特征在于，所述殼體由碳纖維增強塑料（CFK)制成并且 配置有防潮層。
2. 根據(jù)權利要求1所述的殼體，其中，塑料是熱塑性塑料。
3. 根據(jù)權利要求2所述的殼體，其中，塑料是聚烯烴或由不同的聚烯烴組成的共聚物 或聚苯硫醚。
4. 根據(jù)權利要求3所述的殼體，其中，塑料是聚丙烯和聚乙烯的共聚物。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的殼體，其中，所述防潮層是由基于二氧化硅的材 料、聚對二甲苯、有機娃化合物或金屬制成。
6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的殼體，其中，所述防潮層位于所述殼體的外側和 /或內偵U。
7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的殼體，其中，所述殼體的內部空間與原電池的電 池繞組的形狀相匹配。
8. -種原電池，其特征在于，所述原電池具有根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的殼 體。
9. 根據(jù)權利要求8所述的原電池，其中，所述原電池是鋰離子單池或可重復充電的鋰 電池。
10. -種具有至少兩個根據(jù)權利要求9所述的鋰離子單池或可重復充電的鋰電池的蓄 電池。
11. 一種機動車，其具有用于驅動所述機動車的電驅動電機和與所述電驅動電機相連 接的或可連接的根據(jù)權利要求10所述的蓄電池。
【文檔編號】H01M2/02GK104094440SQ201280057601
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權日:2011年11月24日
【發(fā)明者】T·韋爾勒, J·費策爾, H·芬克 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社