本發(fā)明涉及一種電池單池，該電池單池包括至少一個(gè)電極單元，該電極單元具有陽極、陰極和布置在所述陽極與所述陰極之間的分離器。本發(fā)明也涉及一種用于對(duì)所述電池單池內(nèi)部的離子流進(jìn)行控制的方法。

背景技術(shù)：

電能能夠借助于電池來儲(chǔ)存。電池將化學(xué)的反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能。在此要區(qū)分原電池和二次電池。原電池僅僅一次性地有功能能力，而也被稱為蓄電池的二次電池則能夠充電。電池在此包括一個(gè)或者多個(gè)電池單池。

在蓄電池中，尤其使用所謂的鋰離子電池單池。這些鋰離子電池單池的突出之處尤其在于較高的能量密度、熱穩(wěn)定性和極低的自動(dòng)放電。鋰離子電池單池尤其用在機(jī)動(dòng)車中，特別是用在電動(dòng)車（英語：Electric Vehicle，EV）、混合動(dòng)力車（英語：Hybride Electric Vehicle，HEV）以及插電式混合動(dòng)力車（英語：Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中。

鋰離子電池單池具有也被稱為陰極的正極和也被稱為陽極的負(fù)極。所述陰極和所述陽極分別包括一個(gè)集電器（Stromableiter），活性材料被施加到所述集電器上。用于所述陰極的活性材料例如是金屬氧化物。用于所述陽極的活性材料例如是石墨或者硅。

鋰原子被存入到陽極的活性材料中。在所述電池單池運(yùn)行時(shí)，也就是在放電過程中，電子在外部的電路中從陽極流往陰極。在電池單池的內(nèi)部，鋰離子在放電過程中從陽極轉(zhuǎn)移到陰極。在此，鋰離子可逆地從陽極的活性材料中轉(zhuǎn)移出來，這也被稱為脫嵌。在電池單池的充電過程中，所述鋰離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極。在此，鋰離子又可逆地存入到陽極的活性材料中，這也被稱為嵌入。

所述電池單池的電極構(gòu)造為薄膜狀并且在將陽極與陰極分開的分離器的中間層之下被盤繞成電極繞組。這樣的電極繞組也被稱為卷芯（Jelly-Roll）。所述電極繞組的兩個(gè)電極借助于集電器與電池單池的、也被稱為端子的極點(diǎn)電連接。電池單池通常包括一個(gè)或者多個(gè)電極單元。所述電極和分離器被通常為液態(tài)的電解質(zhì)所包圍。所述電解質(zhì)對(duì)于鋰離子來說有傳導(dǎo)能力并且能夠?qū)崿F(xiàn)在電極之間運(yùn)送鋰離子。

在故障情況中，例如在出現(xiàn)短路或者過充電時(shí)，可能在電池單池中出現(xiàn)升溫。在溫度足夠高時(shí)，可能開始電解質(zhì)的分解以及分離器的收縮。后來可能出現(xiàn)電池單池的可能形式為爆炸的毀壞。

一種所述類型的電池單池在DE 10 2012 217 451 A1中得到了公開。所述電池單池具有例如由金屬制成的單池殼體。該單池殼體構(gòu)造為棱柱形、尤其是長(zhǎng)方體形并且構(gòu)造為密閉的結(jié)構(gòu)。該電池單池包括膜片，該膜片在單池殼體的內(nèi)部出現(xiàn)過壓時(shí)發(fā)生變形并且在這種情況下觸發(fā)短路。

從US 2013/0017432 A1中公開了一種用于電池單池的分離器。該分離器在此構(gòu)造為多層的結(jié)構(gòu)，其中各個(gè)層都具有樣板（Muster），所述樣板則具有相互偏置地、尤其是互補(bǔ)地布置的開口。

在US 2005/0208383 A1中公開了一種分離器，該分離器具有多細(xì)孔的基礎(chǔ)材料，在所述基礎(chǔ)材料上單面地或者雙面地設(shè)置了樹脂結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

建議了一種電池單池，該電池單池包括至少一個(gè)電極單元，所述電極單元具有陽極、陰極和布置在所述陽極與所述陰極之間的分離器。按照本發(fā)明，所述分離器具有導(dǎo)電的核心層和至少一個(gè)允許離子通過的、例如能夠由離子穿透的邊緣層。

所述允許離子通過的邊緣層例如是聚合物或者陶瓷。也可以考慮其他材料。所述核心層優(yōu)選構(gòu)造為金屬的結(jié)構(gòu)。但是，也可以考慮其他導(dǎo)電的材料、例如石墨。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電的核心層被埋入在允許離子通過的第一邊緣層與允許離子通過的第二邊緣層之間。所述兩個(gè)邊緣層于是在兩面包圍著所述核心層。

按照本發(fā)明的一種有利的設(shè)計(jì)方案，所述導(dǎo)電的核心層構(gòu)造為有孔的金屬箔。存在于所述金屬箔中的比較小的孔對(duì)于鋰離子來說可以通過。由此所述分離器允許離子通過，也就是說能夠被離子穿透。

按照本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計(jì)方案，所述導(dǎo)電的核心層構(gòu)造為發(fā)泡的金屬箔。所述金屬箔由此具有多孔性，并且由此對(duì)于鋰離子來說可以通過。由此，所述分離器允許離子通過。

按照本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計(jì)方案，所述導(dǎo)電的核心層構(gòu)造為格柵狀。尤其在此涉及石墨層，該石墨層具有帶有間隙的格柵。石墨層的格柵之間的上述間隙對(duì)鋰離子來說可以通過。由此所述分離器允許離子通過。

此外，建議了一種用于對(duì)根據(jù)本發(fā)明的電池單池內(nèi)部的離子流進(jìn)行控制的方法。在此，在所述分離器的導(dǎo)電的核心層與所述陽極的集電器之間建立電連接或者在所述分離器的導(dǎo)電的核心層與所述陰極的集電器之間建立電連接。所述電池單池的電極單元的這樣的電布線結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所述陽極與所述陰極之間的電場(chǎng)進(jìn)行控制并且對(duì)所述陽極與所述陰極之間的離子流進(jìn)行控制。

按照本發(fā)明的一種有利的設(shè)計(jì)方案，使所述分離器的導(dǎo)電的核心層和所述陰極的集電器短路。由此所述分離器的核心層和所述陰極的集電器處于相同的電位上。由此在所述分離器的核心層與所述陰極的集電器之間不存在電場(chǎng)。由此在分離器與陰極之間不可能有離子流。由此在陽極與分離器之間也不可能有離子流。

按照本發(fā)明的另一種有利的設(shè)計(jì)方案，使所述分離器的導(dǎo)電的核心層和所述陽極的集電器短路。由此所述分離器的核心層和所述陽極的集電器處于相同的電位上。由此在所述分離器的核心層與所述陽極的集電器之間不存在電場(chǎng)。由此在分離器與陽極之間不可能有離子流。由此在陰極與分離器之間也不可能有離子流。

按照本發(fā)明的一種有利的改進(jìn)方案，將電源、尤其是直流電源連接到所述分離器的導(dǎo)電的核心層與所述陰極的集電器之間。尤其在這種情況下，所述直流電源的正極與所述分離器的核心層相連接，并且所述直流電源的負(fù)極與所述陰極的集電器相連接。由此所述分離器的核心層處于比所述陰極的集電器更高的電位上。同樣，所述分離器的核心層處于比所述陽極的集電器更高的電位上。由此在所述分離器的核心層與所述陰極的集電器之間存在著電場(chǎng)，并且在所述分離器的核心層與所述陽極的集電器之間存在著電場(chǎng)。由此首先出現(xiàn)從所述分離器到所述陰極以及從所述分離器到所述陽極的離子流。在所述電極單元的內(nèi)部建立了平衡之后，所述離子流終止。

按照本發(fā)明的另一種有利的改進(jìn)方案，將電源、尤其是直流電源連接到所述分離器的導(dǎo)電的核心層與所述陽極的集電器之間。尤其在這種情況下，所述直流電源的負(fù)極與所述分離器的核心層相連接，并且所述直流電源的正極與所述陽極的集電器相連接。由此，所述分離器的核心層處于比所述陽極的集電器更低的電位上。同樣，所述分離器的核心層處于比所述陰極的集電器更低的電位上。由此在所述陽極的集電器與所述分離器的核心層之間存在著電場(chǎng)，并且在所述陰極的集電器與所述分離器的核心層之間存在著電場(chǎng)。由此首先出現(xiàn)從所述陽極到所述分離器以及從所述陰極到所述分離器的離子流。在所述電極單元的內(nèi)部建立了平衡之后，所述離子流終止。

根據(jù)本發(fā)明的電池單池有利地用在電動(dòng)車（EV）、混合動(dòng)力車（HEV）或者插電式混合動(dòng)力車（PHEV）中。也可以考慮用在固定的電池中、用在飛行器中或者用在海事應(yīng)用中的電池中。

根據(jù)本發(fā)明的方法有利地用在電動(dòng)車（EV）、混合動(dòng)力車（HEV）或者插電式混合動(dòng)力車（PHEV）的電池單池中。也可以考慮用在固定的電池中或者用在海事應(yīng)用中的電池中。

根據(jù)本發(fā)明的方法允許相對(duì)快地阻止所述電池單池的電極單元內(nèi)部的離子流。由此也不可能有電子在外部的電路中從所述陽極流往所述陰極。通過電流的終止來防止或者說排除連鎖反應(yīng)以及對(duì)電池單池的進(jìn)一步的毀壞。

附圖說明

借助于附圖和以下說明來對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)解釋。附圖示出：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的電池單池的分解圖；

圖2是圖1的電池單池的電極單元的示意圖；

圖3是圖2的電極單元連同用于對(duì)離子流進(jìn)行控制的第一布線結(jié)構(gòu)的示意圖；并且

圖4是圖2的電極單元連同用于對(duì)離子流進(jìn)行控制的第二布線結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

在圖1中以分解圖示出了電池單池2。所述電池單池2包括單池殼體3，該單池殼體構(gòu)造為棱柱形、在此構(gòu)造為長(zhǎng)方體形。所述單池殼體3在此構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且例如由鋁制成。所述單池殼體3包括長(zhǎng)方體形的容器13，該容器在一側(cè)上具有容器開口14。所述容器開口14通過頂蓋裝置15來封閉，所述頂蓋裝置尤其包括蓋板23，該蓋板在此同樣構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且例如由鋁制成。

所述單池殼體3的長(zhǎng)方體形的容器13和蓋板23在此彼此電連接和機(jī)械連接、尤其是焊接在一起。也可以考慮所述單池殼體3的其它形狀，例如柱狀、尤其是圓柱狀。

所述電池單池2包括負(fù)極端子21和正極端子22。通過所述端子21、22可以截取由所述電池單池2提供的電壓。此外，所述電池單池2也可以通過所述端子21、22來充電。所述端子21、22彼此隔開地布置在所述棱柱形的單池殼體3的蓋板23上。

在所述電池單池2的單池殼體3的內(nèi)部布置了電極單元10，該電極單元具有兩個(gè)電極、也就是一個(gè)陽極82和一個(gè)陰極84。也可以考慮，在所述單池殼體3中設(shè)置多個(gè)電極單元10。所述電池單池2的單池殼體3被裝填有液態(tài)的電解質(zhì)，所述液態(tài)的電解質(zhì)包圍所述電極單元10。在裝配所述單池殼體3之后通過所述蓋板23中的注入口26將所述電解質(zhì)注入到所述單池殼體3中。而后借助于未示出的密封塞來將所述注入口26封閉。

所述陽極82包括集電器81，該集電器在第一窄側(cè)上伸出超過所述電極單元10的邊緣并且與第一集電器7相連接。所述陽極82的集電器81與所述電池單池2的負(fù)極端子21通過所述第一集電器7電連接。

所述陰極84包括集電器85，該集電器在與所述第一窄側(cè)對(duì)置的第二窄側(cè)上伸出超過所述電極單元10的邊緣并且與第二集電器9相連接。所述陰極84的集電器85與所述電池單池2的正極端子22通過所述第二集電器9電連接。

處于單池殼體3的內(nèi)部的第一集電器7借助于第一接觸裝置18與處于單池殼體3的外部的負(fù)極端子21相連接。處于單池殼體3的內(nèi)部的第二集電器9借助于第二接觸裝置19與處于單池殼體3的外部的正極端子22相連接。

所述第一集電器7與第一連接螺栓61相連接，該第一連接螺栓在背向所述電極單元10的一側(cè)上從所述第一集電器7伸出。所述第一連接螺栓61在此穿過所述頂蓋裝置15的蓋板23中的第一頂蓋開口24，并且在其背向所述第一集電器7的端部上與所述負(fù)極端子21相連接。

所述第二集電器9與第二連接螺栓62相連接，該第二連接螺栓在背向所述電極單元10的一側(cè)上從所述第二集電器9伸出。所述第二連接螺栓62在此穿過所述頂蓋裝置15的蓋板23中的第二頂蓋開口25，并且在其背向所述第二集電器9的端部上與所述負(fù)極端子22相連接。

所述頂蓋裝置15在此包括電位板17，該電位板構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且該電位板布置在所述蓋板23與所述負(fù)極端子21之間。所述電位板17將所述蓋板23與所述負(fù)極端子21電連接起來。由此，所述單池殼體3處于與所述負(fù)極端子21相同的電位上。

也可以取代所述電位板17而設(shè)置絕緣件，該絕緣件使所述蓋板23與所述負(fù)極端子21電絕緣。在這種情況中，所述單池殼體3和所述負(fù)極端子21可能處于不同的電位上。

此外，所述頂蓋裝置15包括連接板32，該連接板同樣構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)，并且該連接板布置在所述蓋板23與所述正極端子22之間。所述連接板32與所述正極端子22電連接。在所述連接板32的背向所述蓋板23的一側(cè)上，在所述正極端子22的旁側(cè)此外安置、在此是粘貼了連接板隔離件35。

在所述蓋板23與所述連接板32之間設(shè)置了托腳絕緣子（Abstandsisolator）40，該托腳絕緣子使所述蓋板23與所述連接板32及所述正極端子22電絕緣。所述托腳絕緣子40具有穿透孔44，該穿透孔被所述第二連接螺栓62穿過。

所述頂蓋裝置15也包括蓋板隔離膜36，該蓋板隔離膜被粘貼在所述蓋板23的背向容器13的一側(cè)上。所述蓋板隔離膜36具有第一膜開口37，該第一膜開口被所述負(fù)極端子21和所述電位板17穿過。所述蓋板隔離膜36也具有第二膜開口38，后面要對(duì)該第二膜開口的功能進(jìn)行探討。所述蓋板隔離膜36也具有第三膜開口39，該第三膜開口被所述正極端子22、所述連接板32、所述連接板隔離件35和所述托腳絕緣子40穿過。

在所述蓋板23與所述第一集電器7之間設(shè)置了第一連接絕緣子（Anschlussisolator）46，該第一連接絕緣子使所述蓋板23與所述第一集電器7電絕緣。所述第一連接絕緣子46具有第一絕緣子開口56，所述第一連接螺栓61穿過所述第一絕緣子開口。

在所述蓋板23與所述第二集電器9之間設(shè)置了第二連接絕緣子47，該第二連接絕緣子使所述蓋板23與所述第二集電器9電絕緣。所述第二連接絕緣子47具有第二絕緣子開口57，所述第二連接螺栓62穿過所述第二絕緣子開口。

在所述第一連接螺栓61與所述蓋板23之間布置了第一密封圈51。該第一密封圈51在此圍繞著所述第一連接螺栓61放置并且處于所述蓋板23的第一頂蓋開口24中。所述第一密封圈51使所述第一連接螺栓61與所述蓋板23電絕緣。所述第一密封圈51額外地氣密地并且液密地對(duì)所述第一頂蓋開口24進(jìn)行密封。由此尤其防止?jié)駳馔ㄟ^所述第一頂蓋開口24擠入到所述單池殼體3中并且防止電解質(zhì)通過所述第一頂蓋開口24從所述單池殼體3中流出。

在所述第二連接螺栓62與所述蓋板23之間布置了第二密封圈52。該第二密封圈52在此圍繞著所述第二連接螺栓62放置并且處于所述蓋板23的第二頂蓋開口25中。所述第二密封圈52使所述第二連接螺栓62與所述蓋板23電絕緣。所述第二密封圈52額外地氣密地并且液密地對(duì)所述第二頂蓋開口25進(jìn)行密封。由此尤其防止?jié)駳馔ㄟ^所述第二頂蓋開口25擠入到所述單池殼體3中并且防止電解質(zhì)通過所述第二頂蓋開口25從所述單池殼體3中流出。

此外，所述單池殼體3的蓋板23包括破裂開口（Berst?ffnung）33，該破裂開口被破裂片34所封閉。在所述單池殼體3的內(nèi)部出現(xiàn)過壓的情況下，所述破裂片34打開，由此所述過壓可以通過所述破裂開口33向外泄露（entweichen）。由此防止所述單池殼體3破裂。所述蓋板23中的破裂開口33在此與所述蓋板隔離膜36中的第二膜開口38對(duì)齊。

所述電池單池2在此也具有過充電保護(hù)裝置（英語：overcharge safety device，OSD）。所述過充電保護(hù)裝置包括在所述單池殼體3的蓋板23中所設(shè)置的OSD開口29，該OSD開口被OSD膜片28所封閉。所述OSD膜片28構(gòu)造為較薄的金屬箔。在所述單池殼體3的內(nèi)部例如通過由于對(duì)所述電池單池2的過充電引起的升溫而出現(xiàn)過壓的情況下，所述OSD膜片28發(fā)生變形并且在這種情況下碰到所述連接板32。所述托腳絕緣子40為此具有短路開口42，所述OSD膜片28在變形時(shí)可以穿過所述短路開口。由此在所述單池殼體3與所述第二集電器9之間產(chǎn)生短路，由此中斷所述電池單池2的充電過程。

在圖2中示意性地示出了圖1的電池單池2的電極單元10。所述電極單元10在此當(dāng)前構(gòu)造為電極繞組。所述陽極82和所述陰極84相應(yīng)地構(gòu)造為薄膜狀并且在分離器83的中間層之下被盤繞成所述電極繞組。但是也可以考慮所述電極單元10的其他設(shè)計(jì)方案、例如設(shè)計(jì)為電極堆。

所述陽極82包括陽極的活性材料，所述陽極的活性材料構(gòu)造為薄膜狀。所述陽極的活性材料作為原材料而具有硅或者包含硅的合金。所述陽極82的集電器81構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且由金屬、例如銅制成。所述陽極的活性材料和所述集電器81以平面的方式放在彼此上并且彼此相連接。

所述陰極84包括陰極的活性材料，所述陰極的活性材料構(gòu)造為薄膜狀。所述陰極的活性材料作為原材料而具有金屬氧化物、例如鋰鈷氧化物（LiCoO₂：氧化鈷鋰）。所述陰極84的集電器85構(gòu)造為導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)并且由金屬、例如鋁制成。所述陰極的活性材料和所述集電器85以平面的方式放在彼此上并且彼此相連接。

所述分離器83布置在所述陽極的活性材料與所述陰極的活性材料之間。所述陽極的活性材料由此處于所述分離器83與所述陽極82的集電器81之間，并且所述陰極的活性材料處于所述分離器83與所述陰極84的集電器85之間。

所述分離器83同樣構(gòu)造為薄膜狀并且允許離子通過，也就是能夠被鋰離子穿透。所述分離器83構(gòu)造為多層、在此是三層的結(jié)構(gòu)。所述分離器83包括導(dǎo)電的核心層93，該核心層被埋入在允許離子通過的第一邊緣層91與允許離子通過的第二邊緣層92之間。

在這里所示出的狀態(tài)中給所述電池單池2充電。所述陰極84的集電器85處于比所述陽極82的集電器81更高的電位上。由此在所述陰極84的集電器85與所述陽極82的集電器81之間產(chǎn)生電場(chǎng)68。

在圖3中示意性地示出了圖2的電極單元10，該電極單元具有形式為用于對(duì)離子流進(jìn)行控制的電連接結(jié)構(gòu)的第一布線結(jié)構(gòu)。所述分離器83的導(dǎo)電的核心層93和所述陰極84的集電器85在此短路，這通過圖3中的閉合的開關(guān)64結(jié)合閃電符號(hào)來示出。

所述陰極84的集電器85和所述分離器83的核心層93處于相同的電位上，并且所述陽極82的集電器81處于較低的電位上。由此在所述分離器83的核心層93與所述陽極82的集電器81之間存在著電場(chǎng)68。但是在所述陰極84的集電器85與所述分離器83的核心層93之間不存在電場(chǎng)。由此不可能在所述分離器83與所述陰極84之間有離子流，并且由此也不可能在所述陽極82與所述分離器83之間有離子流。

也可以考慮，使所述分離器83的導(dǎo)電的核心層93與所述陽極82的集電器81短路。在這種情況中，所述陽極82的集電器81與所述分離器83的核心層93處于相同的電位上，并且所述陰極84的集電器85處于較高的電位上。由此在所述陰極84的集電器85與所述分離器83的核心層93之間存在著電場(chǎng)68。但是在所述分離器83的核心層93與所述陽極82的集電器81之間不存在電場(chǎng)。由此不可能在所述陽極82與所述分離器83之間有離子流，并且由此也不可能在所述分離器83與所述陰極84之間有離子流。

在圖4中示意性地示出了圖2的電極單元10，該電極單元具有形式為用于對(duì)離子流進(jìn)行控制的電連接結(jié)構(gòu)的第二布線結(jié)構(gòu)。在此，在所述分離器83的導(dǎo)電的核心層93與所述陰極84的集電器85之間連接了形式為直流電源的電源66。所述電源66的正極在此與所述分離器83的核心層93相連接，并且所述電源66的負(fù)極與所述陰極84的集電器85相連接。

所述分離器83的核心層93由此處于比所述陰極84的集電器85和所述陽極82的集電器81更高的電位上。由此在所述分離器83的核心層93與所述陰極84的集電器85之間存在著電場(chǎng)68，并且在所述分離器83的核心層93與所述陽極82的集電器81之間存在著電場(chǎng)68。由此不可能在所述陽極82與所述陰極84之間有離子流。

也可以在所述分離器83的導(dǎo)電的核心層93與所述陽極82的集電器81之間連接形式為直流電源的電源66。所述電源66的負(fù)極在此與所述分離器83的核心層93相連接，并且所述電源66的正極與所述陽極82的集電器81相連接。所述分離器83的核心層93由此處于比所述陰極84的集電器85和所述陽極82的集電器81低的電位上。由此在所述陰極84的集電器85與所述分離器83的核心層93之間存在著電場(chǎng)68，并且在所述陽極82的集電器81與所述分離器83的核心層93之間存在著電場(chǎng)68。由此也不可能在所述陽極82與所述陰極84之間有離子流。

本發(fā)明不局限于這里所描述的實(shí)施例和在其中所強(qiáng)調(diào)的方面。更確切地說，在通過權(quán)利要求所說明的范圍之內(nèi)，可以有大量的改型方案，這些改型方案在本領(lǐng)域技術(shù)人員的行事范圍內(nèi)。