用于锂离子电芯的电池壳体 |
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| 申请号 | CN201280021947.X | 申请日 | 2012-04-16 | 公开(公告)号 | CN103561822A | 公开(公告)日 | 2014-02-05 |
| 申请人 | 罗伯特·博世有限公司; 三星SDI株式会社; | 发明人 | T·韦勒; S·洛伊特纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种带有用于容纳直流电芯(2)、特别是锂离子电芯的内腔的 电池 壳体(1)，直流电芯配备有至少一个在电芯(2)的失效情况中可断开的断裂部位(3)。为了在一个或多个电芯的失效情况中、例如在电驱动的车辆的事故情况中防止、阻止和必要时至少部分熄灭燃烧，电池壳体(1)的内腔具有至少一个供给器(4)，用于供给抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质，其中供给器(4)具有至少一个以电芯(2)的断裂部位(3)的方式可布置的或布置的、可打开的供给孔(5)，其中供给孔(5)可在机械冲击和／或 温度 提高和／或压 力 提高超过预定的极限值时打开。此外，本发明涉及一种供给器、一种直流电芯以及一种电池。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有用于容纳直流电芯(2)、特别是锂离子电芯的内腔的电池壳体(1)，所述直流电芯配备有至少一个在所述电芯(2)的失效情况中可断开的断裂部位(3)，其中，所述电池壳体(1)的内腔具有至少一个供给器(4)，用于供给抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质，其中，所述供给器(4)具有至少一个以邻近所述电芯(2)的断裂部位(3)的方式可布置的或布置的、可打开的供给孔(5；5a、5b、5c、5d、5e、5f)，其中，所述供给孔(5；5a、 |
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| 说明书全文 | 用于锂离子电芯的电池壳体技术领域[0001] 本发明涉及一种电池壳体、特别是用于锂离子电芯的电池壳体，本发明还设计一种直流电芯以及一种电池。 背景技术[0002] 锂离子电芯具有正电极、所谓的阳极和负电极、所谓的阴极，在该负电极上能够可逆地储存和再次释放锂离子，这也被称为嵌入(Interkalation)和脱嵌。锂离子电芯的特殊的封装形式被称为锂离子聚合物电芯或锂聚合物电芯。其理解为被封装在铝复合膜中的锂离子电芯；这在技术术语中也被称为袋装(Pouch)或软包装。 [0003] 为了进行嵌入或脱嵌，锂离子电芯包含电解质。实际上，在所有这种类型的锂离子电芯中，不仅在微型设备领域(例如移动电话、MP3播放器或利用蓄电池运行的工具中)而且在汽车领域、例如混合动力车(HEV；英文：Hybrid Electric Vehicle)、插电式混合动力车(PHEV；英文：Plug-in Electric Vehicle)和电动汽车(EV；英文：Electric Vehicle)中，目前该电解质由溶解在有机的溶剂中的导电盐六氟磷酸锂(LiPF6)构成。通常应用有机的碳酸盐、例如乙基碳酸酯(EC)和／或碳酸二甲酯(DMC)作为溶剂。然而，在电解质中的这些有机的溶剂组分是可燃的。此外，特别易于挥发的溶剂也可能与空气、确切地说氧气燃烧或者甚至形成可爆炸的混合物。 [0004] 例如，在过载、电芯包装损坏、或者无意的内部或外部短路时，锂离子电芯可能或多或少剧烈升温并且在电芯包装打开时释放气态的、液态的或气雾状的电芯组分。该电芯组分在此既可以是未分解的可燃的电芯组分、例如电介质溶剂，也可以是可燃的分解产物、例如一氧化碳(CO)、氢气(H2)或甲烷(CH4)。 [0005] 文献DE102008059948A1描述了一种用于防止和／或消除锂离子电池的燃烧的方法和装置，在其中，可暂时地将灭火剂从布置在电池壳体之外的灭火剂储存器中通过紧急管路引导到电池的内腔中。 发明内容[0006] 本发明设计一种带有用于容纳直流电芯、特别是锂离子电芯的内腔的电池壳体，该直流电芯配备有至少一个在电芯失效的情况中可断开的断裂部位(Ausbruchsstelle)。 [0007] 根据本发明，电池壳体的内腔具有至少一个供给器，用于供给抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的(特别是抑制火焰的和／或阻止火焰的)介质，该供给器具有至少一个以邻近电芯的断裂部位的方式可布置的或布置的、可打开的供给孔，其中，该供给孔可在机械冲击和／或温度提高和／或压力提高超过预定的极限值时打开。 [0008] 由此，供给器可有利地在通常伴随机械冲击和／或温度提高和／或压力提高的危险情况中打开并且释放抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质。出人意料地，可通过已经很少量的抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质防止爆燃和燃烧，尤其是在电池壳体的机械损坏或在内部的短路时，由于出现可燃的液体或气体，该爆燃和燃烧是危险的根源。因此可以有利地例如在一个或多个电芯故障的情况中(例如在电驱动车辆的事故中)，防止、阻止且如有可能至少部分地熄灭燃烧。通过在出现危险之后直接应用抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质，可特别有效地防止火焰和燃烧。此外，由于提前激活，需要的抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质的量明显更少，这是因为可在不占据其它情况下通常在电池壳体中存在的自由的、所谓“死区”的体积之内的附加空间的情况下提供该介质。通过抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质在需要的情况中才被释放，可保护电池壳体和电芯构件不受与抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质长期化学相互作用的影响。此外，通过抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的不被添加到电解质中，可应用更大的量，而这种更大的量因此不会如在电解质或在电芯内那样例如对电芯的电的功率和使用寿命产生不利的作用。因此，整体有利地提供有效的、节省空间的且成本适宜的用于防止、阻止和／或消除燃烧的解决方案，并且改进了对于人和环境的安全性。 [0009] 机械冲击例如可理解为引发力的状态参数、例如加速度或脉冲的突然变化。例如，在车辆的碰撞事故的情况中可出现机械冲击。通常在时间间隔内评估该变化，例如在激活气囊的撞车情况中。 [0010] 供给孔例如可在大于20g、例如大于40g的机械冲击和／或大于80℃的温度提高和／或大于2bar的压力提高时打开。 [0011] 直流电芯特别地可具有至少一个断裂部位。在此可行的是，直流电芯具有多个断裂部位。 [0012] 断裂部位例如可实施成理论断裂部位，例如其在出现一定的条件、例如在超过例如为8bar的电芯内部压力时断裂或将电芯打开。 [0013] 在一个实施方式的范围中，供给器设计成用于供给液体、泡沫或固体，特别是液体。与储备气体相比，储备液体、泡沫和固体，特别是液体和固体带来明显更低的维护成本，因为与可散开的气体相比可明显更简单地保证其储备。 [0014] 在另一实施方式的范围中，供给孔实施成供给器的壁的减薄部或者在供给器的壁中的接缝(例如焊缝、熔缝或粘接缝)的形式。这提供了用于可由于机械冲击和／或温度提高和／或压力提高打开的供给器的非常简单且成本适宜的设计可能性。 [0015] 在另一实施方式的范围中，供给器至少在供给孔的区域中部分地或完全地由有机的、例如聚合物的和／或蜡状的材料构成，其具有在≥80℃至≤200℃、特别是≥90℃至≤150℃、例如≥95℃至≤125℃的范围中的熔点。因此，可以简单的方式实现可由于温度提高打开的供给器。 [0016] 在另一实施方式的范围中，供给器至少在供给孔的区域中部分地或完全地由塑料构成。特别是，供给器可至少在供给孔的区域中部分地或完全地由热塑性塑料构成。例如，供给器可至少在供给孔的区域周围部分地或完全地由聚烯烃、例如聚乙烯(PE)和／或聚丙烯(PP)构成。塑料能够以简单且成本适宜的方式成型。此外，塑料具有的重量很小。另外，在聚烯烃的情况中，材料成本特别低。聚烯烃此外有利地能够抵抗多种化学材料、特别是有机的溶剂。 [0017] 在另一实施方式的范围中，供给孔具有打开机构、例如阀，供给孔可通过该打开机构自动地打开。优选地，打开机构(与气囊相似地)设计成可在基于车辆的碰撞传感器数据、例如加速度传感器数据识别出包括电池壳体的车辆的事故时自动地打开。在电池壳体应用在车辆领域中时，与气囊的打开相同地，通过车辆的相同的控制器和相同的传感器引发供给器的打开机构的打开。 [0018] 在另一实施方式的范围中，供给器为吹塑成型体。塑料可特别简单且成本适宜地吹塑成型。此外有利地可行的是，这种吹塑成型体由玻璃形成。有利地，玻璃具有高的冲击敏感性。此外，玻璃具有高的压力敏感性。此外有利地，玻璃是成本适宜的且可抵抗多种化学物质。 [0019] 因此，在另一实施方式的范围中，供给器至少在供给孔的区域中部分地或完全地由玻璃构成。然而，为了以期望的程度调整冲击敏感性和压力敏感性，可以有利的是，供给器壁的剩余区域由另一对冲击和压力敏感性更低的材料构成。 [0020] 在另一实施方式的范围中，供给器具有多个供给孔。因此，根据需要，多个电芯和／或多个断裂部位可设有抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质。此外，对于与供给器相关联的电芯中的仅仅一个或几个失效的情况，其提供这样的可能性，即，这几个电芯设有整体储备在供给器中的抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质并因此特别有效地防止且如有可能至少部分地抑制了这些电芯的燃烧。 [0021] 在另一实施方式的范围中，这些电芯分别在电芯上侧具有一个／多个断裂部位。在该设计方案中，优选地供给孔中的至少一个特别是可布置在或布置在电芯上方、特别是断裂部位上方。这种类型的结构对于通过液体或固体抑制、阻止和消除火焰是特别有效的。 [0023] 直流电芯例如可联接成由至少两个、特别是至少四个或六个或八个电芯组成的模块。在此，每个电芯可具有一个或多个断裂部位。 [0024] 在另一实施方式的范围中，供给器的供给孔的数量相应于由多个联接的直流电芯组成的模块的电芯的数量、优选地相应于该模块的断裂部位的数量。因此有利地，可通过简单的且节省空间的结构改进模块的安全性。 [0025] 在另一实施方式的范围中，供给器能够布置或布置在直流电芯的电极之间或由多个直流电芯组成的模块的电极之间。在电极之间的区域至今为止是所谓的“死区”，即未被利用的体积。因此，在优化的空间利用方面供给器应用在该区域中的设计方案是特别有利的。优选地，除了在一个／多个电芯的电极之间提供的空间之外，供给器在此不占据额外的空间。 [0026] 在另一实施方式的范围中，抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质包括至少一种游离基清除剂( )，例如特别是以磷为基础的卤化的或非卤化的有机化合物，例如选自由烷基磷酸酯和／或芳基磷酸酯(例如三(2，2，2-三氟乙基)磷酸酯、三甲基磷酸酯、三乙基磷酸酯)、环状磷酸酯(例如环磷腈、如六甲氧基环三磷腈)、亚磷酸酯(例如三(2，2，2-三氟乙基)亚磷酸酯)、氟化的碳酸亚烃酯(如氟化的碳酸丙烯酯)、氟化的乙醚(如甲基九氟丁醚)及其组合所组成的组。这种类型的抑制火焰的或阻止火焰的游离基清除剂例如由Zhang等人在文献Journal of Power Sources(2006，162， 1379-1394)作为用于锂离子电池的电介质添加剂以及其中引证的文献描述。由氟化的物质、例如三(2，2，2-三氟乙基)磷酸酯实现了特别好的结果。 [0027] 在另一实施方式的范围中，抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质包括至少一种碱土金属化合物、特别是钙化合物。碱土金属离子、特别是钙离子可以有利地与必要时产生的氟化氢化合成难以溶解的碱土金属氟化物、例如氟化钙的形式。因此，可有利地进一步改进对人和环境的保护。 [0028] 此外，抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质可包含水。例如，抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质可包括或者是水性的、含碱土金属的、特别是含钙的溶剂。 [0029] 此外，电池壳体特别是还可具有电导线、例如用于将电芯和／或模块联接在一起以及用于联接到电芯监控装置。在电芯监控装置的情况中，该电芯监控装置也可优选地被集成到电池壳体中。为了将电池壳体联接到负载处和／或将多个电池壳体联接在一起，电池壳体此外优选地包括一个或多个插头、例如高压插头。此外，电池壳体可具有用于冷却直流电芯的冷却介质管路联接部以及冷却介质管路。此外，电池壳体可包括一个或多个用于将电池壳体装配在系统中、例如车辆或静态的供能系统中的固定装置。 [0031] 本发明的另一对象为一种供给器，用于供给用于抑制、阻止和／或熄灭一个或多个锂离子电芯的火焰的抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的、特别是液态的、固态的或泡沫状的介质，所述锂离子电芯的一个／多个上侧配备有至少一个可在电芯失效情况中断开的断裂部位，其中，供给器具有至少一个可邻近电芯的断裂部位布置的、可打开的供给孔，其中，所述供给孔可在机械冲击和／或温度提高和／或压力提高超过预定的极限值时打开，特别是其中，供给器可布置在直流电芯的电极之间或由多个直流电芯组成的模块的电极之间，而在此除了在所述一个／多个电芯的电极之间提供的空间之外，不占据额外的空间。 [0032] 在此，在其它优点和特征方面，明确地参考结合根据本发明的电池壳体、根据本发明的直流电芯、根据本发明的电池以及附图的描述。 [0033] 本发明的另一对象为直流电芯、特别是锂离子电芯，其中，所述电芯在电芯上侧具有至少一个可在电芯的失效情况中打开的断裂部位，其中，该断裂部位构造在相对于电芯上侧的主面凹下的区段中。如此设计的直流电芯特别好地适合用于根据本发明的方案，因为由布置在断裂部位上方的供给器给出的抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的、特别是液态的、固态的或泡沫状的介质可聚集在该凹入部中并且由此特别良好地防止、阻止或甚至消除燃烧。 [0034] 在此，在其它优点和特征方面，明确地参考结合根据本发明的电池壳体、根据本发明的供给器、根据本发明的电池以及附图的描述。 [0035] 本发明的另一对象为电池、特别是锂离子电池，其包括根据本发明的电池壳体和／或根据本发明的供给器和／或根据本发明的直流电芯。优选地，在此至少一个供给孔布置在电芯上方、特别优选地布置在断裂部位上方，特别是其中供给孔的数量相应于电芯的数量、特别优选地相应于断裂部位的数量。 [0036] 在此，在其它优点和特征方面，明确地参考结合根据本发明的电池壳体、根据本发明的供给器、根据本发明的直流电芯以及附图的描述。 附图说明[0037] 根据本发明的对象的其它优点和有利的设计方案通过附图说明并且在以下描述中进行解释。在此应注意，附图仅仅具有描述性的特征并且不应视为将本发明限制为某种形式。其中： [0038] 图1以平行于直流电芯的侧面的方式示出了根据本发明的电池的实施方式的示意性的横向剖视图； [0039] 图2a以垂直于直流电芯的侧面的方式示出了根据本发明的电池在图1中示出的实施方式的第一设计方案的示意性的横向剖视图，在这些直流电芯中为每个电芯设置一个供给器；以及 [0040] 图2b以垂直于直流电芯的侧面的方式示出了根据本发明的电池在图1中示出的实施方式的第二设计方案的示意性的横向剖视图，在这些直流电芯中为每个模块设置一个供给器。 具体实施方式[0041] 图1、2a和2b示出了电池壳体1，在其内腔中布置有十六个分别由六个直流电芯2、特别是锂离子电芯组成的模块。附图说明，电芯2分别配备有可在电芯2的失效情况中断开的断裂部位3。在所示出的实施方式中，断裂部位3构造在相对于电芯上侧的主面凹下的区段中。此外附图示出，电池壳体1的内腔还具有供给器4，用于供给抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的、液态的、固态的或泡沫的介质，该供给器4具有邻近电芯2的断裂部位3布置的、可打开的供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f。 [0042] 根据本发明，这些供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f设计成可在机械冲击和／或温度提高和／或压力提高超过预定的极限值时打开。 [0043] 在所示出的实施方式的范围中，供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f实施成供给器4的壁的减薄部。在此，供给器4至少在供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f的区域中部分地或完全地由有机的、例如聚合物的和／或蜡状的或由无机的、例如玻璃式的材料构成，以确保供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f在机械冲击和／或温度提高和／或压力提高时打开。此外备选地，供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f可具有打开机构，例如阀，供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f可通过所述阀自动地打开(未示出)。例如可在基于车辆的碰撞传感器数据、例如加速度传感器数据识别出包括电池壳体1的车辆的事故时，自动地进行这种类型的打开机构的打开。 [0044] 在所示出的实施方式的范围中，电芯2分别在电芯上侧具有断裂部位3，其中，在每个断裂部位3上方布置一个供给孔5；5a、5b、5c、5d、5e、5f。因此，根据需要可将抑制火焰的、阻止火焰的和／或熄灭火焰的介质从供给器4中给出到断裂部位3上并且该介质聚集在凹入部中。 [0045] 在所示出的实施方式的范围中，供给器4分别布置在直流电芯2的两个极6、7之间。 [0046] 图2a示出，在此每个电芯2可具有一个供给器4，其中，一个供给器4的每个供给孔5分别布置在一个电芯2的一个断裂部位3上方。 [0047] 图2b说明，同样可行的是，一个供给器4被分配给多个电芯2，例如被分配给一个模块，其中，被分配给一个模块的供给器4可布置在模块的电芯2的极6、7之间。此外图2b说明，一个供给器4可具有多个供给孔5a、5b、5c、5d、5e、5f。图2b示出了，在此分别每个供给孔5a、5b、5c、5d、5e、5f可布置在由多个相联接的直流电芯2组成的模块的每个电芯2的断裂部位3上方，特别是其中，供给器4的供给孔5a、5b、5c、5d、5e、5f的数量相应于模块的电芯2的数量、特别是断裂部位3的数量。 [0048] 在所示出的实施方式的范围中，供给器4有利地除了占据在电芯2的极6、7之间提供的空间之外，不占据额外的空间。 [0049] 此外，图1、2a和2b说明，电池壳体1可具有基础壳体，在该基础壳体中构造用于容纳直流电芯2的内腔，其中，该基础壳体、确切地说基础壳体的内腔可通过壳体盖8封闭。 |
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