鋰離子電池組的制作方法
【專利說明】裡離子電池組
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2012年10月11日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/795, 150的權(quán)益。 該在先申請通過引用W其全文結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及裡離子電池組并且更具體地設(shè)及具有改進的安全性和降低的制造成 本的多忍裡離子電池組。
【背景技術(shù)】
[0004] 由于諸如電動車輛和網(wǎng)格存儲系統(tǒng)的應(yīng)用、W及其他多電池的電池組應(yīng)用（如電 動自行車、不間斷的動力電池組系統(tǒng)、W及鉛酸替換電池組）的增長，對于電化學(xué)動力電池 (如裡離子電池組）的需求正在不斷增加。對于運些應(yīng)用所要求的是能量和功率密度高，但 是如果不是更重要的話，同樣重要的是低成本制造和提高的安全性W能夠廣泛商業(yè)應(yīng)用的 要求。進一步需要根據(jù)該應(yīng)用的能量與功率比來定制運些電池組的能量與功率比。
[0005] 對于網(wǎng)格存儲和電動車輛（其是大型應(yīng)用），要求W串聯(lián)和并聯(lián)陣列連接的多個 電池。電池的供應(yīng)商或者聚焦于大型電池，在此定義為對于每個單電池超過l〇Ah(安培小 時），或者聚焦于小型電池，在此定義為小于lOAh。大型電池，如棱柱形或聚合物電池，其含 有堆疊的或?qū)盈B的多個電極，是由LG化學(xué)品（LG化emical)、AESC、A化W及其他供應(yīng)商制 造的。小型電池，如18650或26650圓柱形電池，或棱柱形電池，如183765或103450電池W 及其他類似的尺寸是由=洋公司（Sanyo)、松下公司（Panasonic)、能元科技股份有限公司 (EoneMoli)、波:t頓電池公司度oston-Power)、江森自控有限公司（JohnsonControls)、帥 福得公司（Saft)、比亞迪公司度YD)、金山工業(yè)公司（Gold化ak)、W及其他公司制造。運些 小型電池經(jīng)常利用楠圓形或圓柱形形狀的極忍（jellyroll)結(jié)構(gòu)。一些小型電池是具有 堆疊的電極的聚合物電池，與大型電池類似，但具有較小的容量。
[0006] 現(xiàn)有的小型和大型電池的電池組具有一些顯著的缺點。關(guān)于小型電池，如18650 電池，它們具有典型地受外殼或"罐"的約束的缺點，運會導(dǎo)致對于循環(huán)壽命和日歷壽命的 局限性，部分是由于機械應(yīng)力或電解質(zhì)匿乏。隨著裡離子電池組被充電，電極膨脹。因為該 罐，電極的極忍結(jié)構(gòu)被約束并且在該極忍結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生機械應(yīng)力，運限制了它的壽命周期。因 為所希望的是越來越多的存儲容量，將更具活性的陽極和陰極材料插入一個具有給定體積 的罐中，運導(dǎo)致進一步的在電極上的機械應(yīng)力。
[0007] 同樣增加小型電池中的電解質(zhì)的量的能力是有限的并且因為裡嵌入和脫嵌，電極 運動將電解質(zhì)從極忍結(jié)構(gòu)中擠出。運引起電極變得電解質(zhì)匿乏，導(dǎo)致在耗用功率過程中裡 離子的濃度梯度，W及電極的干澗（化y-out)，引起副反應(yīng)和阻斷離子路徑的干燥區(qū)域，減 少電池壽命。為了克服運些問題，尤其是對于長壽命的電池組，用戶必須通過降低充電狀 態(tài)，限制電池的可用容量，或降低充電速率來使性能折衷。
[0008] 在機械方面，小型電池組裝成大陣列是困難且昂貴的。必須創(chuàng)建復(fù)雜的焊接圖案 W最小化焊接失效的可能性。焊接失效導(dǎo)致在失效的焊接連接處的降低的容量和潛在的加 熱。陣列中的電池越多，失效風(fēng)險越高并且制造產(chǎn)量越低。運轉(zhuǎn)化為更高的產(chǎn)品和保修成 本。還存在不僅與焊接和內(nèi)部短路的失效問題相關(guān)的，而且還與小型電池的包裝相關(guān)的潛 在的安全問題。要求小型電池的適當(dāng)?shù)陌bW避免由于一個電池的失效的級聯(lián)熱失控。此 種包裝導(dǎo)致增加的成本。
[0009] 對于大型電池，缺點主要是圍繞安全性、低的體積和重量容量、W及昂貴的制造方 法。與更小型的電池相比，具有大面積電極的大型電池受制于低制造產(chǎn)量。如果在一個大 型電池電極上存在缺陷，與制造一個小型電池相比，更多的材料被浪費并且總產(chǎn)量較低。例 如一個50Ah的電池與一個SAh的電池相比。與SAh的電池相比，在50Ah電池中的缺陷導(dǎo) 致10倍的材料損失，即使對于兩種生產(chǎn)方法都是僅每50Ah的生產(chǎn)的電池發(fā)生一個缺陷。
[0010] 對于大型電池的另一個問題是安全性。在一個進入熱失控的電池中釋放的能量與 在熱失控情況過程中駐留在該電池內(nèi)并且受影響的電解質(zhì)的量成比例。電池越大，可供用 于電解質(zhì)W便使電極結(jié)構(gòu)完全充滿的自由空間越多。對于一個大型電池因為每Wh電解質(zhì) 的量典型地大于一個小型電池，該大型電池的電池組總體而言在熱失控過程中是一種更有 效的系統(tǒng)并且因此較不安全。自然地任何熱失控將取決于具體的情形，但是，一般而言，在 災(zāi)難性事件的情況下，燃料（電解質(zhì)）越多，火災(zāi)越強烈。另外，一旦一個大型電池處于熱 失控模式，由該電池產(chǎn)生的熱量可誘導(dǎo)在鄰近電池內(nèi)的熱失控反應(yīng)引起一種級聯(lián)效果點燃 整個組具有對該組和周圍設(shè)備的大規(guī)模破壞W及對于用戶的不安全情況。 W11] 當(dāng)比較小型和大型電池相對于彼此的性能參數(shù)時，可W發(fā)現(xiàn)與大型電池相比，小 型電池總體上具有更高的重量（怖Ag)和體積（Wh/L)容量。與大型電池相比，更容易使用 用于容量和阻抗的組合化inning)技術(shù)使多個小型電池成組并且從而W-種更有效的方 式匹配生產(chǎn)運行的整體分布。運導(dǎo)致在電池組大量生產(chǎn)過程中更高的制造產(chǎn)量。此外，更 容易W限制例如由在一個電池中的內(nèi)部短路（在安全問題領(lǐng)域中最常見的問題之一）點燃 的電池組的級聯(lián)失控反應(yīng)的體積上有效的陣列來安排小型電池。此外，存在使用小型電池 的成本優(yōu)勢因為生產(chǎn)方法是由該行業(yè)W高產(chǎn)量很好地建立并且失效率較低。機械設(shè)備是容 易得到的并且成本已經(jīng)被排出制造系統(tǒng)。
[0012] 另一方面，大型電池的優(yōu)點是對于電池組OEM易于組裝，其可W經(jīng)歷一種更穩(wěn)健 的大型格式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)經(jīng)常具有用于更易于使用的常用的機電連接件的空間和能夠有效 的包裝制造的顯然更少的電池，而不必解決組裝小型電池的陣列所要求的多種問題和專有 技術(shù)。
[0013] 為了利用使用小型電池來創(chuàng)建更大尺寸和更高功率/能量能力、但具有更好的安 全性和更低的制造成本的電池的益處，與大型電池相比，已經(jīng)開發(fā)了W多忍（MC)電池結(jié)的 小型電池的組件。
[0014] 一個運樣的MC電池結(jié)構(gòu)（由比亞迪有限公司度YDCompanyLtd.)開發(fā)）采用集 成到一個由金屬（侶、銅合金或儀銘）制成的容器中的MC的陣列。該陣列在W下文獻中描 述：EP1952475AO;W02007/053990 ;US2009/0142658Al;CN1964126AeBYD結(jié)構(gòu)具有僅圍 繞MC的金屬材料并且因此具有在機械沖擊過程中具有尖銳物體穿透進入忍并引起局部短 路的缺點。由于所有的忍是在一個共同的容器中（不是在單獨的罐中）其中電解質(zhì)在運些 忍中共享，來自制造缺陷或外部損壞的任何單獨忍的失效可能傳播到其他忍和破壞MC結(jié) 構(gòu)。運種電池是不安全的。
[0015] 用于防止在多個電化學(xué)電池的組件中的熱失控的方法已經(jīng)在US2012/0003508Al 中描述。在本專利申請中所描述的MC結(jié)構(gòu)中，單獨的電池被并聯(lián)或串聯(lián)連接，每個電池具 有一個包含在它自己的罐中的極忍結(jié)構(gòu)。運些單獨的電池然后被插入到一個填充有硬質(zhì)泡 沫（包括阻燃添加劑）的容器中。運些安全措施生產(chǎn)昂貴并且限制了能量密度，部分是由 于節(jié)制的（mitigating)材料的過高成本。
[0016] 另一種MC結(jié)構(gòu)是在專利申請US2010/0190081Al和W02007/145441A1中描述，其 披露了使用兩種或更多種具有多個單個電池的堆疊類型的二次電池組，該電池組由一個單 一電池組提供兩個或更多個電壓。在運種安排中單個電池在一個外殼中串聯(lián)連接并使用一 個隔膜。與常規(guī)堆疊類型的單電壓電池相比，串聯(lián)元件僅產(chǎn)生了一個更高電壓的電池，但并 沒有解決任何安全或費用問題。
[0017] 運些MC類型的電池組提供了超過大型電池的電池組的一定的優(yōu)勢；然而，他們?nèi)?然具有在安全性和成本方面的某些缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明提供了一種新穎的類型的MC裡離子電池組結(jié)構(gòu)，具有降低的生產(chǎn)成本和 改進的安全性同時提供了更大尺寸的電池組的益處，諸如易于組裝此類電池組的陣列W及 定制功率能量比的能力。
[0019] 描述了一種具有密封的外殼與布置在該密封的外殼內(nèi)的支撐構(gòu)件的多忍裡離子 電池組。該支撐構(gòu)件包括多個空腔和多個裡離子忍構(gòu)件，布置在該多個空腔的一個相應(yīng)的 空腔內(nèi)。存在多個空腔內(nèi)襯，每一個放置在運些裡離子忍構(gòu)件的一個相應(yīng)的構(gòu)件與運些空 腔的一個相應(yīng)的空腔的一個表面之間。該支撐構(gòu)件包括一種動能吸收材料并且該動能吸收 材料是由侶泡沫、陶瓷、W及塑料中的一種形成。存在由一種塑料材料形成的空腔內(nèi)襯并且 該多個空腔內(nèi)襯形成為一個整體內(nèi)襯構(gòu)件的一部分。進一步包括一種包含在運些忍中的每 一個內(nèi)的電解質(zhì)并且該電解質(zhì)包含阻燃劑、氣體發(fā)生劑、W及氧化還原梭（redoxshuttle) 中的至少一種。每一個裡離子忍構(gòu)件包括一個陽極、一個陰極W及布置在每一個陽極與陰 極之間的隔膜。進一步包括一個在所述外殼內(nèi)，將所述忍構(gòu)件電連接到該密封的外殼的外 部的電接線柱上的電連接件。該電連接件包括兩個母線，該第一母線使所述忍構(gòu)件的陽極 與該外殼外部的接線柱的正極接線柱構(gòu)件互連，該第二母線使所述忍構(gòu)件的陰極與該外殼 外部的接線柱的負(fù)極接線柱構(gòu)件互連。
[0020] 在本發(fā)明的另一個方面，忍構(gòu)件是并聯(lián)連接或者它們是串聯(lián)連接的?？商娲兀?一組忍構(gòu)件是并聯(lián)連接的和第二組忍構(gòu)件是并聯(lián)連接的，并且該第一組忍構(gòu)件與該第二組 忍構(gòu)件是串聯(lián)連接的。該支撐構(gòu)件是呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的形式。該動能吸收材料包括可壓縮 的介質(zhì)。該外殼包括一個具有可壓縮的元件的壁，該元件當(dāng)被壓縮時由于力沖擊該壁而產(chǎn) 生裡離子電池組的電短路。在該支撐構(gòu)件中的運些空腔及其相應(yīng)的忍構(gòu)件在形狀上是圓柱 形、楠圓形、W及棱柱形中的一種。運些空腔中的至少一個及其相應(yīng)的忍構(gòu)件與其他空腔及 其相應(yīng)的忍構(gòu)件相比具有不同的形狀。
[0021] 在本發(fā)明的另一個方面中，運些忍構(gòu)件中的至少一個具有高功率特性并且運些忍 構(gòu)件中的至少一個具有高能量特性。運些忍構(gòu)件的陽極是由相同的材料形成并且運些忍構(gòu) 件的陰極是由相同的材料形成。每一個隔膜構(gòu)件包括一個陶瓷涂層并且每一個陽極和每一 個陰極包括一個陶瓷涂層。運些忍構(gòu)件中的至少一個與其他忍構(gòu)件的陽極和陰極的厚度相 比包括具有不同厚度的陽極和陰極之一。至少一個陰極包含來自化合物A至M的材料組中 的至少兩種。每個陰極包含一種表面改性劑。每個陽極包含Li金屬或者碳或石墨中的一 種。每個陽極包含Si。每個忍構(gòu)件包括一個卷繞的陽極、陰極和隔膜結(jié)構(gòu)或每個忍構(gòu)件包 括一個堆疊的陽極、陰極和隔膜結(jié)構(gòu)。
[0022] 在本發(fā)明的另一個方面中，運些忍構(gòu)件具有基本上相同的電容量。運些忍構(gòu)件中 的至少一個與其他忍構(gòu)件相比具有不同的電容量。運些忍構(gòu)件中的至少一個對于功率儲存 被優(yōu)化并且運些忍構(gòu)件中的至少一個對于能量儲存被優(yōu)化。進一步包括一個用于將每個陽 極電連接到該第一母線的接片（tab)W及一個用于將每個陰極電連接到該第二母線的接 片，其中每個接片包括一個用于當(dāng)已經(jīng)超過預(yù)定的電流時切斷通過每個所述接片電流的流 動的裝置。該第一母線包括一個鄰近在運些陽極與該第一母線之間的每個互連點的烙斷 元件，并且該第二母線包括一個鄰近在運些陰極與該第二母線之間的每個互連點的烙斷元 件，用于當(dāng)已經(jīng)超過預(yù)定的電流時切斷通過所述烙斷元件電流的流動。進一步包括一個圍 繞運些忍構(gòu)件的每一個的保護套并且每個保護套被布置在含有其相應(yīng)的忍構(gòu)件的空腔的 外面。
[0023] 在本發(fā)明的又另一個方面中，包括與所述忍構(gòu)件電互相連接、配置為能夠電氣監(jiān) 控并且平衡運些忍構(gòu)件的傳感線。該密封的外殼包括一個阻燃構(gòu)件并且該阻燃構(gòu)件包含一 種固定到該外殼的外部的阻燃網(wǎng)狀材料。
[0024] 在另一個實施例中，描述了一種包含密封的外殼的多忍裡離子電池組。一個支撐 構(gòu)件布置在該密封的外殼內(nèi)，該支撐構(gòu)件包括多個空腔，其中該支撐構(gòu)件包含一種動能吸