具有内部膨胀消除和外部冷却特征的电池单元

摘要

具有内部膨胀消除和外部冷却特征的电池单元。电池单元包括包含在壳体内的电极组件。电极组件根据电池单元的充电/放电循环收缩和/或膨胀。配置为在电极组件膨胀时收缩且在电极组件收缩时扩展的膨胀补偿构件与电极组件和壳体的最内表面持续接触。壳体的最内表面的第一部分与膨胀补偿构件接触，第二部分不与膨胀补偿构件接触。电池单元包括与壳体的最外表面热接触的冷却构件。与冷却构件接触的壳体的最外表面的一部分对应于不与膨胀补偿构件接触的壳体的最内表面的一部分。

说明书

技术领域

本公开涉及具有内部膨胀消除和外部冷却特征的电池单元。特别地，本公开涉及具有内部膨胀消除和与电池单元的壳体接触的外部冷却构件的电池单元。

背景技术

二次电池或可再充电电池通常用于所有类型的便携式电气设备，例如移动电话、笔记本电脑、个人护理设备、家庭护理设备和电动车辆。二次电池的运行性能和寿命对于产品的质量和最终用户的感知价值至关重要。

从最终用户的角度来看，二次电池的关键性能特征是电池可以储存的电量及其快速充电的能力。在二次电池技术领域中众所周知，电池的快速充电和放电会缩短电池的寿命。众所周知，在高温下充电和放电会损坏电池，从而缩短电池寿命，甚至导致灾难性故障。

二次电池的另一常见问题是电解质随时间的流失，这通常是由电解质氧化引起的。随着电池中电解质量的减少，电池的容量和寿命也随之减少。

二次电池的另一众所周知的特征是，当电池在充电/放电循环中移动时，电极(通常是阳极)会膨胀和收缩。根据特定的电池化学成分，电极的膨胀或收缩可能在电池充电或放电时发生。某些电池化学成分会比其他成分引起更大的膨胀/收缩。电极在其整个寿命期间也会膨胀。

在二次电池设计中必须考虑电极膨胀/收缩特性。传统上，二次电池单元封装在具有固定尺寸的刚性壳体中。为了避免由于电极膨胀而引起的过度应力和对壳体的损坏，刚性壳体的尺寸必须适应电极膨胀。然而，为了保持电池性能，必须在电极组件上保持一定量的压力，并且该压力可以通过电极收缩来减小。因此，在这两个相反的设计要求之间要达到平衡。

发明内容

本发明提供了一种电池，包括包含电极组件和电解质的单元组件、包含该单元组件的壳体、包括膨胀补偿构件的电池以及与壳体的最外表面热接触的冷却构件；膨胀补偿构件配置为与电极组件和壳体的最内表面接触，使得壳体的最内表面的第一部分与膨胀补偿构件接触，并且壳体的最内表面的第二部分不与膨胀补偿构件接触，其中，与冷却构件接触的壳体的最外表面的至少一部分对应于不与膨胀补偿构件接触的壳体的最内表面的至少一部分。

在使用中，电极组件根据单元组件的充电/放电循环收缩和/或膨胀。有利地，膨胀补偿构件能够在电极组件膨胀时收缩且能够在电极组件收缩时扩展，以减小任何外部尺寸变化的影响，并保持电极组件的压缩，而不管其膨胀条件如何。因为膨胀补偿构件包括具有多孔结构的海绵状材料，所以膨胀补偿构件充当热绝缘体，这有利于帮助防止热量从电池单元传递到其他部件或其他电池单元。膨胀补偿构件的位置被选择为最适合冷却构件的位置，以确保从电池单元的最佳热传递，同时仍在电池单元的其他区域提供热绝缘。

膨胀补偿构件可选地包括具有至少半开放多孔结构的材料，并且其中，在使用中，膨胀补偿构件配置为在电极组件膨胀时在至少一个维度上收缩，并且在电极组件收缩时在至少一个维度上扩展。

可选地，膨胀补偿构件的孔包含用于电池单元的电解质。包含在膨胀补偿构件的孔中的电解质能够补充在电池单元运行期间随时间流失的任何电解质，以延长电池单元的寿命并维持其性能。

电池单元可以包括一个或多个膨胀补偿构件，以最适合电池单元设计。

壳体可以包括柔性袋材料或基本刚性材料。

电极组件可以包括本领域公知的果冻卷或堆。

壳体可以可选地为基本立方体形式，使得壳体包括三对基本相对的侧壁，三对侧壁基本相互垂直，其中冷却构件基本平行于第一对侧壁，并且其中膨胀补偿构件基本平行于第二或第三对侧壁。换句话说，壳体包括基本平行于第一平面的第一对基本相对的第一侧面、基本平行于第二平面的第二对基本相对的第二侧面以及基本平行于第三平面的第三对基本相对的第三侧面，其中第一、第二和第三平面基本相互垂直，其中冷却构件基本平行于第一平面，并且其中膨胀补偿构件基本平行于第二或第三平面。这种布置有助于确保绝缘膨胀补偿构件和冷却构件之间的最小重叠。

可选地，两个或更多个电池单元可以并排布置，并且共享用于紧凑电池设计的公共冷却构件。

冷却构件可选地包括位于第一和第二相邻单元之间的一个或多个散热片，其中每个散热片与第一单元的第二侧面和第二单元的第二侧面热接触，其中与散热片接触的第一和第二单元的第二侧面分别是第一和第二单元的冷却侧面。这种布置在电池单元之间提供散热片，以优化热传递。

可选地，第一单元的冷却侧面的最内表面和第二单元的冷却侧面的最内表面不与第一和第二单元的相应膨胀补偿构件接触。这种布置防止绝缘膨胀补偿构件和散热片之间的重叠。

第三电池单元可以可选地位于与第二电池单元并排并相邻，使得第三单元的第二侧面与第二单元的第二侧面相邻，其中第二和第三单元的相邻侧面分别是第二和第三单元的绝缘侧面，其中第三单元的绝缘侧面的最内表面和第二单元的绝缘侧面的最内表面与第二和第三单元的相应膨胀补偿构件接触。这种布置有利地将相邻单元的绝缘膨胀补偿构件定位成彼此相邻，以有助于防止电池之间的热传递。

提供了一种替代电池，其包括含有电极组件和电解质的单元组件，以及含有该单元组件的壳体，该电池还包括膨胀补偿构件，该膨胀补偿构件包括具有至少半开放多孔结构的材料，至少一些孔含有电解质，其中，在使用中，膨胀补偿构件配置成在电极组件膨胀时在至少一个维度上收缩，并且在电极组件收缩时在至少一个维度上扩展，并且其中膨胀补偿构件配置为在电池单元的每个充电/放电循环中与电极组件持续接触。

在该替代方案中，有利地，膨胀补偿构件能够在电极组件膨胀时收缩且能够在电极组件收缩时扩展，以减小任何外部尺寸变化的影响，并且保持电极组件的压缩，而不管其膨胀条件如何。此外，包含在膨胀补偿构件的孔中的电解质能够补充在电池单元运行期间随时间流失的任何电解质，以延长电池单元的寿命并维持其性能。

在该替代方案中，膨胀补偿构件可选地位于壳体的最内表面和电极组件之间，其中膨胀补偿构件配置为在电池单元的每个充电/放电循环中与壳体的最内表面持续接触。膨胀补偿构件的这一位置有助于最小化外部尺寸变化。此外，因为膨胀补偿构件包括具有多孔结构的海绵状材料，所以膨胀补偿构件充当绝热体。膨胀补偿构件靠近壳体的位置因此有助于电池单元的隔热。当多个电池单元并排放置以防止一个电池单元中的热失控扩散到相邻的电池单元时，这是特别有益的。

在该替代方案中，电池单元可选地包括一个或多个膨胀补偿构件，以能够根据特定的电池单元配置优化膨胀补偿和电解质补充的位置和功效。

在该替代方案中，壳体可以包括柔性袋材料或基本刚性材料。

在该替代方案中，电极组件可以包括本领域公知的果冻卷或堆。

可选地，在该替代方案中，壳体最内表面的第一部分与膨胀补偿构件接触，壳体最内表面的第二部分不与膨胀补偿构件接触。以这种方式，膨胀补偿构件的位置可被选择为最适合位于壳体外表面附近的任何冷却构件的位置。

在另一替代方面，提供了一种在电极组件中补充电解质的方法，该方法包括：将如上所述的电池单元安装在电气装置中；使用电池单元向电气装置提供电能；以及从膨胀补偿构件的孔向电极组件提供电解质。

可选地，在该替代方案中，在膨胀补偿构件收缩和/或膨胀补偿构件扩展时，电解质被提供给电极组件。

在该替代方案中，电解质可以通过毛细管作用提供给电极组件。

附图说明

现在将参考以下附图通过非限制性示例来描述本发明，其中：

图1示出了具有内部膨胀消除的电池单元的示意性截面图；

图2示出了“果冻卷”型电极组件的示意性端视图；

图3示出了包括多个电池单元的电池的示意性截面图；

图4示出了电池单元壳体的示意图；以及

图5示出了包括多个电池单元的替代电池配置的示意性横截面。

具体实施方式

图1示出了电池单元10的示意性截面图。电池单元10包括壳体12，电极组件20位于壳体12内。电极组件20包括通过隔板26彼此分开的第一电极22和第二电极24。

如电池技术中众所周知的，第一和第二电极22、24包括不同电极电势的电导体。合适的电解质(未示出)位于壳体12内。通常，电解质包括液体或凝胶，并位于具有开放多孔结构的隔板26内。例如，隔板26可以包括多孔固体或编织材料。如本领域众所周知的，典型的二次电池化学成分包括锂金属和锂离子电池。

第一和第二电极22、24以及隔板26通常具有薄膜型结构。在图1所示的示例中，电极组件20示出为包括单个第一电极22(例如阴极)、单个第二电极24(例如阳极)和单层隔板材料26的层堆。每个电极22、24附接到电连接片16(例如通过超声波或点焊)，该电连接片16通向位于壳体12外部的外部电触点14。当外部电触点14连接在电路中时，离子通过电解质从一个电极流向另一个电极，从而为电路和附接到其上的电气装置提供电能。为了给电池充电，电流反向流动。

如上所述，图1所示的电极组件20的配置包括由单个隔板26隔开的两个电极22、24。然而，应该理解，这只是简化的示例，其他电极组件配置也是可能的。例如，电极组件20可以包括多个第一电极22和相应的多个第二电极24，每个由多电极、多隔板堆中的隔板层26隔开。在这种情况下，多个电极22、24中的每个都具有从该电极通向相应的外部电触点14的电连接片16。可替代地或另外，电极组件20可被卷起以形成大致圆柱形电极组件。这种组件通常位于圆柱形壳体中，以形成圆柱形电池单元。另一种常见的电极组件配置是“果冻卷”,其中薄膜堆(或多个堆)被卷成扁平的螺旋，如图2示意性所示。“果冻卷”电极组件通常(但不排他地)用于袋单元电池。

再次参考图1，电池单元12还包括位于电极组件20和壳体12的内表面11之间的膨胀补偿构件30。膨胀补偿构件30包括弹性材料，并且配置为与电极组件20持续接触。示例材料包括泡沫、海绵状材料和编织材料。

膨胀补偿构件30的弹性行为不需要是线性的。

如上所述，在使用中，在电池单元10的充电/放电期间，电极组件20可能膨胀或收缩。在图1所示的示例中，膨胀/收缩通常在垂直于电极组件20的Y方向上。膨胀补偿构件30配置为在电极组件20膨胀时在Y方向上收缩，并且在电极组件20收缩时在Y方向上扩展。在其他实施例中，除了或代替图1所示的Y方向，电极组件20可以在一个或多个其他方向上膨胀。膨胀补偿构件30可以配置成根据特定电极组件20膨胀/收缩特性的需要在任何方向上扩展/收缩。

膨胀补偿构件30可以通过机械紧固件和/或粘合剂附接到电极组件20和/或壳体12的内表面11。可替代地，膨胀补偿构件30可以简单地位于电极组件20和/或壳体12的内表面11之间，而不与任何一个物理附接。膨胀补偿构件30可以在电极组件20的所有膨胀条件下处于压缩，使得当膨胀补偿构件30试图恢复其未压缩形式时，膨胀补偿构件30通过弹性恢复力基本保持在电极组件20和壳体12的内表面11之间的适当位置。可以提供偏置构件(未示出)来将膨胀补偿构件30朝向壳体12和/或电极组件20偏置。

因为膨胀补偿构件30配置为在电极组件20膨胀时收缩，并且在电极组件20收缩时扩展，所以由于电极组件的尺寸变化被膨胀补偿构件30吸收，所以可以保护电池单元壳体12的外部尺寸免受由电极组件20的膨胀/收缩引起的尺寸变化。

在上述示例中，膨胀补偿构件30仅设置在电极组件20的一侧。然而，应当理解，可以提供一个以上的膨胀补偿构件30，并且可以根据需要位于电极组件20的任何部分和电池单元壳体12的内表面11之间。可替代地或另外，一个或多个膨胀补偿构件30可以设置在电极组件20内。例如，在电极堆中(在电极对之间)，或者在卷绕电极组件中。膨胀补偿构件30可以包括一个连续构件，其部分或基本完全包围电极组件20。此外，应该理解的是，电极组件20可以具有任何合适的构造，比如堆叠的、卷绕的或果冻卷绕的，并且壳体12可以是刚性或柔性袋，并且可以具有任何合适的形式，比如立方体、圆形立方体或圆柱形。

在一示例中，膨胀补偿构件30包括弹性材料，其具有能够容纳电池单元的电解质的开放多孔结构。在这样的示例中，随着膨胀补偿构件在使用中收缩和扩展，电解质能够从膨胀补偿构件30的孔移动到隔板26，反之亦然。如果电池单元10在其寿命过程中由于氧化而损失电解质，则包含在膨胀补偿构件30中的电解质可以替代损失的电解质，从而延长电池单元10的寿命。

膨胀补偿构件30的合适材料是具有半开放多孔结构的三元乙丙橡胶(EPDM)泡沫，其中一些孔具有封闭结构，一些孔具有开放互连结构。具有诸如这样的半开放多孔结构的海绵或泡沫是有用的，因为封闭孔的弹性行为有助于在电极组件20膨胀和收缩期间保持尺寸稳定性和电极组件压缩，并且开放互连孔适于在电池单元10的寿命期间容纳和分配电解质。

图3示出了包括多个电池单元10的电池40的示意性截面图。出于一致性的原因，在整个描述中使用与上面相同的附图标记来表示相似的特征。

电池40包括并排布置的六个电池单元10。为了清楚起见，电极组件20仅示出轮廓。应当理解，电极组件20可以如上所述的任何合适的方式配置。

每个电池单元10包括大致圆形立方体形式的壳体12(图4)，其具有基本平行于第一平面的第一对基本相对的第一侧面41、42、基本平行于第二平面的第二对基本相对的第二侧面43、44以及基本平行于第三平面的第三对基本相对的第三侧面45、46，其中第一、第二和第三平面基本相互垂直。

参照图3的定向，第一对侧面41、42分别形成电池单元10的顶部和底部，第二对侧面43、44分别形成电池单元10的左侧和右侧，第三对侧面45、46分别形成电池单元10的前部和后部。每个电池单元10包括位于电极组件20和壳体12的左侧面(相对于图3)的内表面11之间的膨胀补偿构件材料层30。

金属(或其他导热材料)板形式的冷却构件60与电池单元10的底面热接触。冷却构件60可以通过机械紧固件和/或通过粘合剂附接到电池单元10的底面。外壳体50围绕电池单元10和冷却构件60。

在充电和放电期间在电池单元10中产生的热量通过热传导到冷却构件60而从电池单元中移除。冷却构件60可以由风扇或其他冷却系统(未示出)冷却。

冷却构件60不需要与电池单元10的底部直接物理接触，只要其与电池单元10热接触。如果需要，任何合适的导热材料可以放置在冷却构件60和电池单元10之间。此外，应当理解，冷却构件60可以替代地或另外与电池单元10的任何其他面接触，例如顶面、正面或背面。此外，应当理解，电池40可以包括一个以上的冷却构件60。

电池40的电池单元10的热补偿构件30提供相邻电池单元10之间的热绝缘，以在电池单元10之一经历热失控的情况下帮助防止整个电池40的热失控。

图5示出了替代电池配置70，其包括六个电池单元10a-f和位于外壳体50中的冷却构件60。在图5的电池配置70中，冷却构件60包括分别位于第一和第二电池单元10a、10b、第三和第四电池单元10c、10d以及第四和第五电池单元10e、10f之间并与其热接触的多个散热片62a、62b、62c。

参照图5的定向，第一电池单元10a、第三电池单元10c和第五电池单元10e的膨胀补偿构件30位于电极组件20和壳体12的左侧面的内表面11之间，而第二电池单元10b、第四电池单元10d和第六电池单元10f的膨胀补偿构件30位于电极组件20和壳体12的右侧面的内表面11之间。在该示例中，与膨胀补偿构件30接触的侧面43、44是绝缘侧面，因为膨胀补偿构件30在相邻的电池单元10之间提供热绝缘。

相反，与散热片62a-c热接触的电池单元10a-f的侧面43、44的最内表面不与膨胀补偿构件30接触。因此，热补偿构件材料30不会阻碍热量从电池单元传递到散热片。因此，在该示例中，与散热片62a-c接触的侧面43、44是冷却侧面。

如上对于图3的电池40，不与散热片62a-c热接触的相邻电池单元的热补偿构件30在相邻电池单元之间提供热绝缘，以在电池单元10a-f中的一个经历热失控的情况下帮助防止整个电池70的热失控。

尽管未示出，但如果需要，散热片62可以位于图3的一个或多个单元10之间。在这样的示例中，膨胀补偿构件30可以阻止热量从电池单元10传递到散热片62。然而，如果需要，这种布置并不排除使用散热片62。此外，膨胀补偿构件30的材料可被选择或设计成导热的。散热片62可以包括导热材料的固体层，或者可以包括网格、指状或任何其他合适配置。一个以上的散热片62可以位于相邻的电池单元62之间。散热片62可以接触电池单元的任何面，特别是左、右、前和背面(在图3和5的定向上)。

虽然图3和图5的电池40、70已被描述为具有大致圆形的立方体形式的单元壳体12，但应当理解，可以使用任何形状的电池。此外，电池单元10的壳体12和电池40、70的外壳体50可以包括刚性壳体或袋单元壳体或其任意组合。电池40、70的外壳体50不是必需的，如果需要可以省略。