CN104916870B - 具有电极装置的蓄电池单池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓄电池单池（10），其具有布置在壳体（14）中的电极装置（12），其中所述蓄电池单池（10）包括可选择地导电的材料（22），所述可选择地导电的材料在超过临界极限电压的情况下过渡到导电状态并且如此布置，从而在导电状态下使得电极装置（12）的正极（17）和负极（18）短接。本发明此外涉及一种蓄电池模块以及一种具有这种蓄电池单池（10）车辆。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有布置在壳体中的电极装置的蓄电池单池，以及一种蓄电池模块和一种具有这种蓄电池单池的车辆。
背景技术
文献EP 0 878 861 A1示出了单体添加剂例如噻吩用于锂离子蓄电池中。在蓄电池过压的情况下添加剂层开始在阴极上沉积，通过聚合挤过分离器（Separator）并且接触阳极，由此产生内部短接。
文献EP 2 219 424 A1示出了一种材料，该材料根据施加的电压是能导电或不能导电的，例如在一个聚合物矩阵中连接的碳纳米管。这可以用于蓄电池，其中该材料用作在基底表面上的微量元素并且保护免于浪涌损坏。
文献EP 0 240 063 A1示出了使用3-癸基噻吩作为蓄电池电极上的聚合物层。
用于车辆应用的锂离子蓄电池组由多个蓄电池单池组成，所述蓄电池单池相应地相互连接，以便提供期望的功率。在充电周期期间给这些蓄电池单池充电直至达到充电结束电压。
如果例如由于蓄电池单池中的过充或故障超过电压极限，那么开始分解过程并且开始在单池中形成气体，并且存在蓄电池单池的热渗透的危险。附加地这种事件也可以蔓延到相邻的蓄电池单池。由此人员和环境会受到威胁。
因此，对于蓄电池单池的有效的过充保护存在持续的兴趣。
发明内容
按照本发明提出一种蓄电池单池，其具有布置在单池壳体中的电极装置，其中，蓄电池单池包括可选择地导电的材料，该可选择地导电的材料在超过临界极限电压的情况下过渡到导电状态并且如此布置，使得在导电状态下电极装置的正极和负极短接。
该可选择地导电的材料在此表示一种材料，该材料根据施加的电压改变其可导电性能。优选地在此是这种可选择地导电的材料，该可选择地导电的材料在>4.3V、优选在4.3V与4.5V之间的临界极限电压下过渡到导电状态。临界极限电压在此表示如下电压，可选择地导电的材料的导电能力自从该电压而改变并且特别是由非导电状态过渡到导电状态。
优选地，该可选择地导电的材料在临界极限电压之下具有小的导电能力σ<10-15S/m（西门子每米），优选<10-11 S/m并且特别优选<10-8 S/m。在临界极限电压之上可选择地导电的材料可以具有σ>10-8 S/m（西门子每米），优选>10-3 S/m并且特别优选>10-1 S/m的导电能力。
按照本发明的蓄电池单池的电极装置包括布置在壳体内的电极层。为了提供与电极层的电气连接，正的或负的电极层经由集电极引导到连接引线，该连接引线由壳体突出。
在一种实施方式中，该可选择地导电的材料在低于临界极限电压的情况下是不导电的并且正极与负极绝缘。因此，该可选择地导电的材料用作隔离器，并且在正极与负极之间的电势流出基本上是不可能的。
在另一种实施方式中，该可选择地导电的材料包含可选择地导电的聚合物。特别优选地，该可选择地导电的材料由可选择地导电的聚合物组成。
在另一种实施方式中，该可选择地导电的材料包含聚噻吩（Polythiophene），特别是聚-3-癸基噻吩（Poly(3-Decylthiophen)）。
在另一种实施方式中，电极装置包括具有正电极层和负电极层的电极线圈或缠绕的电极装置或者电极堆或堆叠的电极装置。在堆叠式布置中电极层与位于其间的分离层堆叠在一起。在线圈式单池、也称为Jelly-Roll的情况下，电极层与布置在其间的分离层卷为一个线圈。在此，电极层和分离层例如由柔性材料制造，以便实现线圈。
正电极层和负电极层可以特别是包括导电金属箔或导电板，其以活性材料涂层。给板或金属箔涂层的活性材料在此提供相应的特征，以便将电极层设计为受主或确定的离子的施主。金属箔在此可以具有75μm至100μm的厚度，例如在7μm与15μm之间的铜箔或在10μm与20μm之间的铝箔。这特别适用于缠绕的电极装置。板可以具有75μm至250μm的厚度并且特别适用于堆叠的电极装置。
在一种优选的实施方式中，蓄电池单池设计为锂离子蓄电池单池。在此活性材料是用于锂离子的受主或施主。如此，涂层的正电极层提供一种介质，正充电的锂离子在蓄电池放电时可以存储到该介质中。
正电极层例如可以包括铝箔，该铝箔以活性材料、例如锂金属氧化物、钒氧化物、橄榄石以及可再充电的锂氧化物涂层。这种涂层例如包含过渡金属氧化物（LiMO2，M=Co、Ni、Fe、Mn、AI），氧化锂钴（LiCo2O4）、磷酸锂铁（LiFePO4）或氧化锂锰（LiMn2O4）、氧化锂镍钴铝（Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid）或氧化锂镍钴锰（Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid）。
负电极层相比之下提供正充电的锂离子并且例如可以包括铜箔，其以活性材料如锂、石墨、软碳、硬碳、硅、锡合金、锂合金材料或金属间化合物涂层。
在另一种实施方式中，该可选择地导电的材料包围电极装置，特别是电极线圈。在此该可选择地导电的材料可以如此包围电极装置，使得电极线圈的端部提供如下区域，在该区域中正电极层和负电极层分别通过集电极接触。
在另一种实施方式中，该可选择地导电的材料连接负极的集电极与壳体，其中正极的集电极直接与壳体连接。因此，壳体位于在正极的电势上并且与负极绝缘。
在另一种实施方式中，壳体具有壳体盖，该壳体盖包括正极和负极的连接引线，该壳体盖包括可选择地导电的材料。优选地壳体盖由可选择地导电的材料制造。在该实施方式中，在壳体盖及其联接引线之间设有另外的引线绝缘部是不必要的。
在另一种实施方式中，该可选择地导电的材料作为引线绝缘部设置在壳体与正极和/或负极的连接引线之间。
在另一种实施方式中，电极装置的核芯包括可选择地导电的材料，其中该核芯至少部分与电极装置的电极层连接。
按照本发明还提出一种蓄电池模块，其包括至少两个按照本发明的蓄电池单池。蓄电池单池在此可以串联或并联连接。此外多个蓄电池单池可以连接为一个矩阵，其中蓄电池单池支路式地串联或并联连接。
本发明的另一对象是至少一个按照本发明的蓄电池单池在车辆中的应用，特别是作为车辆中的驱动机组，以及还有一种车辆，该车辆包括至少一个按照本发明的蓄电池单池，特别是作为驱动机组。
通过应用可选择地导电的材料可以提供用于蓄电池单池的有效过充保护。如此可选择地导电的材料可以在导电状态下短接正极和负极。通过布置可选择地导电的材料可以确保：在超过临界极限电压时多余的电势可以流出。因此阻止了蓄电池单池的过充以及紧接着的分解过程，阻止蓄电池单池中的温度升高以及在气体形成。对此特别是聚合物作为导电材料是适合的，该导电材料根据施加的电压是可导电或不可导电的并且因此在临界极限电压之下是绝缘体或者在临界极限电压之上是导体。在此特别有利的是，蓄电池单池未被损坏并且可以可逆地回到正常状态。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在以下描述中详细阐释。附图示出：
图1是具有缠绕的电极装置的蓄电池单池的正截面图，所述蓄电池单池由可选择地导电的材料包围；
图2是具有缠绕的电极装置的蓄电池单池的侧截面图，所述蓄电池单池由可选择地导电的材料包围；
图3是蓄电池单池的正截面图，在所述蓄电池单池中电极装置的电极和壳体通过可选择地导电的材料相互连接；
图4是蓄电池单池的正截面图，在所述蓄电池单池中壳体盖由可选择地导电的材料制造；
图5是蓄电池单池的正截面图，在所述蓄电池单池中在壳体盖与连接引线之间的引线绝缘部由可选择地导电的材料制造；以及
图6是蓄电池单池的侧截面图，在所述蓄电池单池中电极装置的核芯由可选择地导电的材料制造并且与电极连接。
在接下来对本发明的实施例的描述中，相同或相似的构件以相同或相似的附图标记表示，其中在个别情况下省去了对这些构件的重复描述。附图仅仅示意性地表示本发明的对象。
具体实施方式
图1示出了具有缠绕的电极装置12的蓄电池单池10的正截面图，该蓄电池单池由可选择地导电的材料22包围。图2示出了蓄电池单池10沿着截面A-A的截面图。
蓄电池单池10包括壳体14，具有正极17和负极18的电极装置12容纳在所述壳体中。容纳在壳体14中的电极装置12包括负电极层和正电极层，分离层嵌入在其中。电极装置12在此可以是缠绕的或堆叠的。
壳体14作为硬箱（Hardcase）以具有多角的基本面的圆柱形构成。此外壳体14以壳体盖16封闭，该壳体盖为了电气连接到电极装置12的电极层而具有连接引线或终端21、23。为此，集电极20、25分别与电极装置12的正电极层和负电极层以及连接引线21、23连接。负极18附加地还具有引线绝缘部24，该引线绝缘部使得连接引线21与壳体盖16绝缘。壳体盖16因此位于在正极17的电势上。
此外图1所示的电极装置12由可选择地导电的材料22特别是Poly（3-DecylThiophen）例如以金属箔的形式包围。在此由可选择地导电的材料22构成的金属箔如此构成，使得该金属箔与集电极20、25直接接触。优选地，金属箔由Poly（3-Decyl Thiophen）制造。该金属箔因此在负的连接引线与正的连接引线21、23之间延伸。如果在负的连接引线与正的连接引线21、23之间的电压差上升超过临界极限电压，那么由可选择地导电的材料22制造的金属箔变得导电并且电势可以流过两个电极。如此可以阻止蓄电池单池10的过充并且提供有效的过充保护。假如电压差又下降，例如由于充电过充的结束，那么由可选择地导电的材料22构成的金属箔又变得非导电的并且蓄电池单池10可以正常运行。
图3示出了蓄电池单池10的正截面图，其中壳体14和负极18通过可选择地导电的材料22相互连接。
在图3中示出的蓄电池单池10基本上对应于在图1中示出的蓄电池单池10。不同于图1的是，可选择地导电的材料22、特别是聚-3-癸基噻吩在图3中布置在集电极20与壳体14之间。附加地集电极20、引线绝缘部24设置在壳体盖16的区域中，可选择地导电的材料22布置在集电极上。因此壳体14位于在正极17的电势上。负极18经由集电极20与连接引线21连接并且通过引线绝缘部24与壳体盖16绝缘。如果现在在正极与负极17、18之间的电压差超过可选择地导电的材料22的临界极限电压，那么电势经由该材料流出。假如电压差又下降低于可选择地导电的材料22的临界极限电压，那么可选择地导电的材料22变得电气绝缘并且蓄电池单池10可以正常运行。
图4示出了蓄电池单池10的正截面图，在所述蓄电池单池中壳体盖16由可选择地导电的材料22制造。
在图4中示出的蓄电池单池10基本上对应于图1和图2所示的蓄电池单池10。不同于图1和图2，图4的蓄电池单池10包括壳体盖16，所述壳体盖由可选择地导电的材料22制造。因此如果在正极与负极17、18之间的电压差超过临界极限电压，那么可选择地导电的材料22、特别是聚-3-癸基噻吩变得导电并且电势可以在正极与负极17、18之间流出。假如电压差又下降，例如由于充电过充的结束，那么可选择地导电的材料22又变得绝缘并且蓄电池单池10可以正常运行。
图5示出了蓄电池单池10的正截面图，在该蓄电池单池中引线绝缘部24在壳体盖16与连接引线21之间由可选择地导电的材料22制造。
图5的蓄电池单池10基本上对应于在图1、图3、图4中示出的蓄电池单池10。不同于之前的附图，引线绝缘部24在壳体盖16与连接引线21、23之间由可选择地导电的材料22、特别是聚-3-癸基噻吩制造。因此如果在连接引线21、23之间的电压差上升超过临界极限电压，那么可选择地导电的材料22变得导电并且电势可以流出。如果在连接引线21、23之间的电压差又下降低于临界极限电压，那么蓄电池单池10又可以正常运行。
图6示出了蓄电池单池10的侧截面图，在所述蓄电池单池中电极装置12的核芯26由可选择地导电的材料22制造并且与电极装置12的电极层连接。
图6所示的蓄电池单池10基本上对应于在图1和图2中示出的蓄电池单池10。不同于在图1和图2中所示的蓄电池单池10，电极装置12包括核芯26，该核芯由可选择地导电的材料22制造。附加地，核芯26经由接触元件28与电极装置12的正电极层以及负电极层连接，该接触元件同样由可选择地导电的材料22制造。如果在正电极层与负电极层之间的电压差位于在可选择地导电的材料22的临界极限电压之下，那么核芯26和接触元件28是不导电的并且使得正电极层与负电极层绝缘。相比之下，如果在正电极层与负电极层之间的电压差超过可选择地导电的材料22的临界极限电压，那么该可选择地导电的材料变得导电并且在电极层之间的电势可以流出。
本发明不限于在此所描述的实施例或者在其中突出的方面。而是更确切地说在通过权利要求给出的方面中的多个变型方案都是可能的，所述多个变型方案位于本领域技术人员的处理范围中。
Claims (11)
1.蓄电池单池（10），其具有布置在壳体（14）中的电极装置（12），其特征在于，所述蓄电池单池（10）包括可选择地导电的材料（22），所述可选择地导电的材料在超过临界极限电压的情况下过渡到导电状态并且如此布置，从而在导电状态下使所述电极装置（12）的正极（17）和负极（18）短接，其中所述可选择地导电的材料（22）作为引线绝缘部（24）设置在所述壳体（14）与所述正极（17）和/或所述负极（18）的连接引线（21、23）之间。
2.根据权利要求1所述的蓄电池单池（10），其中所述可选择地导电的材料（22）在低于临界极限电压的情况下是不导电的并且所述正极（17）与所述负极（18）绝缘。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述可选择地导电的材料（22）包含可选择地导电的聚合物。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述可选择地导电的材料（22）包含Poly(3-Decylthiophen)。
5.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述电极装置（12）包括具有正电极层和负电极层的缠绕的电极装置或堆叠的电极装置。
6.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述可选择地导电的材料（22）包围所述电极装置（12）。
7.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述可选择地导电的材料（22）将所述负极（18）的集电极（20）与所述壳体（14）连接起来，而所述正极（17）的集电极（25）直接与所述壳体（14）连接。
8.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述壳体（14）具有壳体盖（16），所述壳体盖具有所述正极（17）的和所述负极（18）的连接引线（21、23），所述壳体盖包括所述可选择地导电的材料（22）。
9.根据权利要求1或2所述的蓄电池单池（10），其中所述电极装置（12）的核芯（26）包括所述可选择地导电的材料（22），所述核芯与所述电极装置（12）的电极层连接。
10.蓄电池模块，其包括至少两个按照权利要求1至9中任一项所述的蓄电池单池（10）。
11.车辆，其包括至少一个按照权利要求1至9中任一项所述的蓄电池单池（10）。
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