电池、能量储存设备和运载工具的制作方法
本公开整体涉及一种电池。本公开整体也涉及一种包括多个电池的能量储存设备。此外，本公开整体还涉及一种包括上述电池的运载工具。
背景技术：
1、电池包括电化学电池单元，其可由电极组件和液态电解质形成。电极组件通常由层压或以其他方式将多个层彼此附接来生产。该多个层包括电极层；更具体地，至少一个负极层和至少一个正极层。负极层和正极层继而由多孔隔膜层彼此隔开。隔膜层被配置为包含电解质并且防止电极层之间的短路。根据电池的期望构型，电极组件可例如被卷绕、堆叠或折叠，以在给定可用空间的情况下允许电化学电池单元具有尽可能多的电极表面，并且然后被放置在电池单元壳体中，该电池单元壳体被配置为保护电化学电池单元免受周围大气环境的影响。此后，经由电解质填充孔将电解质填充到电池单元壳体中，最终将其密封。电解质是电绝缘但离子导电的电解质，使得离子能够在负极和正极之间移动通过电化学电池单元。
2、电池生产的一个重要环节是最终工序，该最终工序确立了最终电化学电池单元化学特性。该工序被称为化成和老化（f&a），并且在电池已被构造并填充电解质之后执行。在该工序期间，电池的电化学电池单元首先进行缓慢的充电和放电，然后进行重复的充电/放电循环，这通常以不同的速率进行，并且在充电和放电之间具有静置时间（反之亦然）。f&a工序与高成本相关联，例如，耗时，需对每个电池单独执行，并且需要高度受控的大气环境（至少在电池没有预先完全密封的情况下是如此）。化成和老化工序在壳体内部生成气体，在电池的最终永久密封之前必须将其排空。气体可能是由于电解质分解生成的，也可能是通过从至少一个电极的材料中释放的氧气的化学反应生成的。截留在相邻电极组件片之间的气体可导致电池的内部部件上的应力，这进而可导致更高的内阻。此外，所生成的气体使得壳体内部的内部压力升高，这进而可在使用期间导致容量衰减加速。因此，电池内部气体的生成可导致电池寿命和性能的显著降低。
3、us 2013/0130079 al提出了在制造过程中生成气体的问题的解决方案。电池壳体的开口部分设置有第一密封体，该第一密封体由于壳体内部和外部之间的压力差而发生位移或变形，其方式为：当壳体中的内部压力高于外部压力时，第一密封体被内部压力挤压以允许内部空气从开口部分流出，并且当壳体中的内部压力低于外部压力时，第一密封体被外部压力挤压以防止外部空气从开口部分进入。由壳体和第一密封体包围的空间中的压力被设定为低于空间外的压力。因此，第一密封体在电池生产的最终阶段期间基本上起到单向阀的作用。在排空之后，开口部分被完全并且气密地密封。
4、然而，在生产之后，即在电池的使用期间，也可能在壳体内部生成气体。这具有与上述关于在f&a工序期间生成的气体相同的负面影响。因此，也希望使得能够排空在电池使用时生成的气体，以及在f&a工序中生成但此前可能未被充分排空的潜在剩余气体。
5、当今的电池通常配备有安全阀，该安全阀被配置为在电池内的内部压力变得过高的情况下破裂并释放气体。这降低了爆炸的风险，并且因此提高了安全性。然而，当安全阀破裂时，电化学电池单元也被破坏，并且电池不能再使用。因此，此类解决方案不能用于增加电池寿命或保持电池性能的目的。
技术实现思路
1、本发明的目的是改善电池的寿命和性能。
2、该目的通过所附独立权利要求的主题来实现。
3、本文所描述的电池包括电化学电池单元，该电化学电池单元又包括电极组件和电解质。电池还包括封装电化学电池单元的电池单元壳体。电池还包括气体释放设备，该气体释放设备被配置为减小电池单元壳体的内部与电池单元壳体周围的大气环境之间的压力差。该气体释放设备包括一个或多个膜，所述一个或多个膜在室温下具有等于或高于3的二氧化碳渗透率与氧气渗透率的比率。
4、根据本公开的电池的气体释放设备使得能够从壳体内部释放在电池制造期间未完全排空的气体和/或在电池使用期间生成的气体，同时防止空气从周围大气环境进入电池单元壳体。这由包括至少一个膜的气体释放设备来实现，比氧气相比，该至少一个膜对二氧化碳具有显著更高的渗透率。尽管电池单元壳体内部的压力通常至少略高于电池单元壳体外部的压力，但仍须设法将周围大气环境中的氧气能够渗透到电池单元壳体内部的电化学电池单元中的风险降至最低。通过使电池单元壳体内部生成的气体逸出到周围大气环境中，电池的性能可保持更长的时间段，从而寿命得以延长。
5、在室温下，一个或多个膜可适当地具有等于或高于5、或甚至等于或高于8的二氧化碳渗透率与氧气渗透率的比率。一个或多个膜从内部释放二氧化碳同时防止氧气进入电池单元壳体的能力随着二氧化碳渗透率与氧气渗透率之间的比率的增加而增加。因此，较高的二氧化碳渗透率与氧气渗透率的比率是可取的。
6、在高达至少100℃的温度下，优选在高达至少150℃的温度下，一个或更多个膜可适当地具有等于或高于3的二氧化碳渗透率与氧气渗透率的比率。电池的温度在充电-放电循环期间往往会升高，并且因此希望在较高温度下也保持上述比率。
7、气体释放设备可被布置成在电池单元壳体的电解质注入孔上方延伸。这
尤其具有如下优点：免除了在电池单元壳体中为气体释放设备形成单独的孔的需要，形成单独的孔又可增加可能的生产错误的风险，例如，可导致空气随着时间的推移泄漏到电池单元壳体内部，并且因此失去电化学电池单元环境内部的受控大气环境的风险。此外，通过减少需要在电池单元壳体中形成的通孔的数量，可降低生产成本。如上文所陈述，通过利用电解质注入孔，不需要为气体释放设备提供单独的孔。也避免了在电池单元的寿命期间具有不同专用功能的预先存在的孔需要用于双重功能，这将降低两种功能的有效性。例如，如果膜将被结合在用作安全阀并且被配置为在一定压力下打开的爆裂阀中，则设计将是复杂的并且每个功能将因优化不足而受到影响。
8、气体释放设备可被布置在密封装置中，该密封装置被配置为密封电解质注入孔。密封装置可布置成在电解质注入孔上方延伸并且/或者至少部分地延伸到电解质注入孔中。因此，密封装置可被布置在电解质注入孔之中/内部，或者延伸到电解质注入孔中。另选地，密封装置被布置成在电解质注入孔上方延伸，即，使得其覆盖电解质注入孔。另选地，密封装置既可被布置在电解质注入孔中也在电解质注入孔上方延伸，即，使得其覆盖电解质注入孔。密封装置可包括一个或多个密封构件。密封装置可例如包括两个密封构件，第一密封构件和第二密封构件。第一密封构件可例如是密封销、密封球或密封板。第二密封构件可例如是密封销、密封球或密封板。
9、这尤其具有简化生产过程的优点，因为可在将密封装置布置在电池上之前将气体释放设备布置在密封装置中，例如布置在电解质注入孔之中和/或上方。
10、密封装置可例如包括密封销装置。在这种情况下，密封销装置可包括气体释放设备。因此，电池可包括布置在电解质注入孔之中和/或上方的密封销装置。由此，以方便且有效的方式提供了气体释放设备的功能。
11、密封销装置可包括第一密封销，该第一密封销被配置为布置在电解质注入孔之中/内部，使得其密封电解质注入孔。第一密封销可包括气体释放设备。由此，气体释放设备的功能被设置在密封电解质注入孔的第一密封销中，从而以方便且实用的方式提供密封功能以及气体释放设备的气体释放功能两者。这也是有利的，因为可在第一密封销上执行气体泄漏测试，从而避免使用冗余的密封件。
12、密封销装置可附加地包括第二密封销或密封板，该第二密封销或密封板被配置为覆盖第一密封销并密封电解质注入孔。因此，第二密封销或密封板可用作电解质注入孔的冗余密封件。在这种情况下，气体释放设备可被布置在第一密封销中和第二密封销或密封板中。因此，第一密封销可包括第一气体释放设备，并且第二密封销或密封板可包括第二气体释放设备。由此提供了冗余密封，从而以方便且实用的方式提供上述气体释放功能。
13、此外，气体释放设备可被至少部分地布置在电池单元壳体的通孔中。例如，这使得能够将一个或多个膜布置成更靠近电池单元壳体内的电解质，从而通过表面吸收更快地从电池单元壳体内部拾取气态物质，然后通过一个或多个膜进行传输。换句话说，气态物质在被一个或多个膜的表面拾取之前需要行进较短的距离。可选地，电池单元壳体的通孔可以是电池单元壳体的电解质注入孔。
14、气体释放设备还可包括盖体，该盖体被配置为保护一个或多个膜免受机械冲击。这继而例如便于电池的搬运，以及因此便于电池在预期应用中的安装，而没有损坏一个或多个膜的风险。
15、一个或多个膜中的至少一个膜可包含聚偏二氯乙烯或聚四氟乙烯。聚偏二氯乙烯和聚四氟乙烯两者具有能够用作氧气的阻隔物但对二氧化碳的渗透率较高的优点。此外，聚偏二氯乙烯和聚四氟乙烯两者在电池的工作温度范围内是热稳定的，并且对电池单元壳体内的化学环境具有耐受性。
16、另选地，一个或更多个膜中的至少一个膜可包含钙钛矿。包含钙钛矿的膜可与比包含聚偏二氯乙烯或聚四氟乙烯的膜更高的成本相关联。然而，钙钛矿具有能够对渗透率特性进行高度定制的优点，并且通常在宽泛的化学环境和温度范围内保持稳定。
17、如果需要，气体释放设备还可包括吸湿构件。这降低了湿气经由气体释放设备进入电池单元壳体和电化学电池单元环境的风险，否则这可能有损坏电化学电池单元并且/或者在充电/放电期间导致进一步生成气体的风险。
18、根据一个实施方案，气体释放设备可包括两个膜。如果这样，则上述吸湿构件（如果存在的话）可插置在两个膜之间。这
尤其具有防止湿气到达两个膜的最内部以及电池单元壳体的内部的优点。此外，如果需要，吸湿构件可用作两个膜中的一者或两者的支撑结构。
19、电池还可包括安全阀，该安全阀被配置为在电池单元壳体内部中的压力等于或高于压力阈值时破碎。这具有在气体释放设备将无法排空足够量的气体的情况下（例如在热失控期间）增加安全性的优点。
20、电池可例如是锂离子电池，但不限于此。当电池是锂离子电池时，电极组件可包含含镍电活性材料。先前已知的包含含镍电活性材料的锂离子电池具有增加的工作电压和高能量密度的优点，使得它们非常适合用于例如汽车行业。然而，与其他常规锂离子电池相比，在包含此类电活性材料的锂离子电池的充电/放电期间也存在更高的生成气体的趋势。然而，通过本文所描述的允许借助气体释放设备释放气体的电池，可使用此类电活性材料而没有降低性能和/或有效期的风险。换句话说，通过本文所描述的电池，可改善包含含镍电活性材料的锂离子电池的性能和寿命。
21、在电池是包含含镍电活性材料的锂离子电池的情况下，气体释放设备的一个或更多个膜对二氧化碳的总气体渗透率可例如为每年每升电池单元壳体内部体积1mmol至12mmol，优选每年每升电池单元壳体内部体积2mmol至8mmol。
22、本公开还涉及一种能量储存设备，该能量储存设备包括串联和/或并联连接的多个电池，其中该多个电池中的至少一个电池构成如上文所描述的电池。能量储存设备可例如是电池模块或电池组。根据又一替代方案，能量储存设备可包括串联和/或并联连接的多个电池组。在能量储存设备是电池组或包括电池组的情况下，所述电池组可以可选地包括串联和/或并联连接的多个电池模块。电池模块可例如包括至少5个电池，其中每个电池可以是本文所描述的包括气体释放设备的电池。
23、能量储存设备可例如用于为运载工具的一个或多个推进单元供电，所述一个或多个推进单元中的每个推进单元构成电机。
24、本公开还涉及一种包括上述电池的运载工具。电池可例如被包括在如上文所描述的能量储存设备中。运载工具可以是全电动运载工具、混合动力运载工具或燃料电池运载工具。此外，运载工具可以是陆基重型运载工具，诸如卡车或公共汽车，但不限于此。运载工具可例如是陆基中型运载工具或汽车。运载工具可另选地为船只或飞机。