具有电安全装置的电池单体的制作方法

1.本发明涉及一种具有电安全装置的电池单体、特别是用于高压电池的电池单体。


背景技术：

2.在电驱动的机动车、如电动车、混合动力车辆或插电式混合动力车辆中使用高压电池，所述高压电池通常具有一个或多个电池模块，所述电池模块分别具有多个电池单体。由于能实现的高能量密度，在机动车中特别是使用锂离子电池。在这里和在下文中，术语“锂离子电池”与所有在现有技术中常用的包含锂的原电池和电池单体的名称同义地使用，例如锂电池，锂电池单体，锂离子电池单体，锂聚合物电池单体和锂离子蓄电池。特别是包括可充电电池(二次电池)。术语“电池”和“电化学单体”也与术语“锂离子电池”同义使用。锂离子电池也可以是固体电池，例如陶瓷或基于聚合物的固体电池。
3.在电池单体受到机械冲击的情况下(所述机械冲击例如导致变形和/或尖锐物体刺入电池单体中)，可能存在电极短路的风险。由于放热电极反应(所述放热电极反应例如由于电极短路而发展)可能释放热量，所述热量可能导致电池单体的过热。在这种情况下，可能发生电池单体的热击穿(thermal runaway)。在具有多个电池单体的电池模块中，一个电池单体的热击穿可能导致过热扩散到相邻的电池单体，从而如果没有通过适当的安全措施阻止这种情况，则可能存在损坏整个电池模块甚至整个高压电池的风险。
4.在公开文本de102013204341a1中描述了用于电池单体的安全元件。所述电池单体包括熔断安全件，所述熔断安全件在电池单体壳体内设置在正极端子和与正极端子相配设的集电器之间。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种改进的具有电安全装置的电池单体，其中，所述电池单体的特征在于进一步提高安全性和降低热击穿的风险。
6.所述目的通过一种根据权利要求1的电池单体来实现。本发明的有利的实施方式和进一步改进方案在从属权利要求中给出。
7.根据本发明的一种实施方式，电池单体具有电安全装置，其中，所述电安全装置是在电池单体的壳体外侧上设置在端子上的熔断安全件。所述熔断安全件优选由金属或金属合金构成。所述熔断安全件优选包含铝或由铝制成。所述熔断安全件有利地被聚合物覆盖。
8.通过所提出的熔断安全件在壳体外侧上在端子上的布置结构有利地将电池单体的电化学活性元件与熔断安全件在空间上分开。其上设置有熔断安全件的端子特别是可以设置在壳体的盖上。在这种情况下，熔断安全件通过壳体的材料与电池单体的电化学活性元件分开。
9.通过以聚合物覆盖熔断安全件来防止在熔断安全件熔化时产生电弧。此外，以这种方式保护熔断安全件以防机械损伤和腐蚀，并且同时提高机械稳定性。所述聚合物可以例如是环氧树脂。
10.电池单体优选地是棱柱形的电池单体。所述电池单体的壳体例如可以具有矩形的底面并且基本上是长方体形的。例如，所述壳体可以具有底壁、侧壁和盖。棱柱形的电池单体可以有利地容易地堆叠和组装成电池模块。电池单体的壳体可以具有金属或金属合金、例如铝。所述壳体可以至少局部地设置有电绝缘层。
11.电池单体的端子例如设置在壳体的盖上。电池单体特别是具有正极端子和负极端子。端子形成电池单体的外部电接口并且分别与一个电极的集电器电连接。熔断安全件保护电池单体以防过高的电流、特别是在电极短路的情况下。电极的这种短路例如可以由壳体变形或尖锐物体刺入到壳体中导致、例如在发生事故的情况下。
12.本发明特别是基于以下考虑：在熔断安全件在短路的情况下熔化时，存在熔断安全件的液化的材料喷溅到熔断安全件的周围环境中的风险。在由铝制成的熔断安全件的情况下可能例如喷溅液态的铝。在传统地将熔断安全件设置在电池单体壳体的内部的情况下，存在喷溅的热的材料与在电池单体内部的电化学活性材料发生反应的风险、例如与电解质或电极材料发生反应。通过放热化学反应造成电池单体过热直至热击穿的风险。通过所提出的熔断安全件在壳体外侧上在端子上的布置结构避免熔断安全件的材料在壳体内部的喷溅，降低热击穿的风险并且从而提高安全性。
13.此外，通过熔断安全件在电池单体壳体的外侧上的布置结构减少在电池单体壳体的内部的热发展，所述热发展已经在正常运行时、例如在快速充电时由于在熔断安全件的电阻上产生的焦耳热而出现。以这种方式，可以防止电池管理系统(bms)由于检测到在电池单体壳体中的过高温度而引起对电池单体的功率限制。
14.根据一种实施方式，在其上设置有熔断安全件的端子是电池单体的正极端子。在这种情况下，所述端子与正电极(在放电过程中的阴极)连接。设置在正极端子上的优点是可以使用铝作为用于熔断安全件的材料，铝的熔点低于一般在负极端子上使用的铜材料。
15.根据一种实施方式，以其覆盖熔断安全件的聚合物包括用于改善熔断安全件的散热的填料。特别适合用于改善散热的填料是al(oh)3或al2o3。
16.附加地或备选地，所述聚合物有利地包含是氧化剂的填料。合适作为氧化剂的填料例如是高氯酸铵(nh4cio4)。氧化剂可以有利地与熔断安全件的材料反应形成氧化物，并且以这种方式引起电流的中断。在由铝和作为氧化剂的高氯酸铵制成的熔断安全件的情况下，例如产生不导电的氧化铝(al2o3)。
17.根据一种实施方式，所述正极端子与壳体电绝缘。以这种方式可以有利地防止由于电化学过程而在单体内部产生锂沉积物和/或铜沉积物，这可能导致电池单体的内部短路。以这种方式进一步降低电池单体热击穿的风险。
18.根据一种备选的实施方式，在所述正极端子与所述壳体之间设置有密封件，所述密封件包括能导电的塑料、特别是仅具有低的导电性的塑料。在这种情况下，所述壳体与正极端子导电连接。在这种情况下，壳体具有阴极电位。这种构型方案由于制造技术的原因可以是优选的。
19.此外还提出一种具有多个在此描述的电池单体的锂离子电池以及一种具有这样的锂离子电池的机动车。由于改进的安全性，在这里描述的电池单体可以有利地在锂离子电池中使用，所述锂离子电池特别是可以在电驱动的机动车中用作牵引电池。
附图说明
20.下面参考附图描述本发明的优选实施例。由此得出本发明的其他细节、优选的实施方式和进一步改进方案。图中示意性地：
21.图1示出根据一个实施例的电池单体的壳体的透视图；
22.图2a以分解图示出正极端子区域的细节图；
23.图2b以横剖视图示出电池单体的正极端子区域的细节图。
具体实施方式
24.相同的或相同作用的部件在附图中分别配设有相同的附图标记。所示出的部件以及各部件彼此间的尺寸比例不应被视为按精确比例尺的。
25.在图1中示意性地示出的电池单体10在这里示出的实施例中是棱柱形的电池单体10。电池单体10具有壳体14，所述壳体形成电池单体10的用于设置在其壳体中的单体层的机械上牢固的外壳。在电池单体10中，单体层例如可以作为单体堆或单体卷芯存在。在本实施例中，壳体14具有矩形的底面并且基本上是长方体形的。壳体14可以由金属或金属合金构成、优选由铝构成。壳体14可以至少局部地具有电绝缘覆层。电池单体10具有正极端子11和负极端子12，其中，端子11、12例如设置在壳体14的盖6上。端子11、12设置用于电池单体10的单体堆或单体卷芯的电极的电接触。图1中还能看出设置在壳体的盖6上的覆盖件13，所述覆盖件例如设置在电端子11、12之间的区域中。在覆盖件13下可以设置有过压安全装置、例如破裂膜。
26.图2a和图2b以分解图和以横剖视图示出在正极端子11区域中的细节。正极端子11具有电连接板4，所述电连接板通过铆钉7和熔断安全件2与电池单体的正极(阴极)的集电器9导电地连接。例如，可以通过激光束焊接来建立机械连接。电绝缘板5设置在电连接板4与壳体14的盖6之间。在连接板4的留空部中设置有环形绝缘体3，环形绝缘体防止在通电的铆钉7与连接板4之间的直接接触。电流从集电器9经由铆钉7和设置在其上方的熔断安全件2流向连接板4。熔断安全件2优选地包含铝或由铝制成。
27.熔断安全件2在电池单体10中具有安全功能。如果熔断安全件熔断(例如由于在电池单体10短路的情况下过大的电流而熔断)，则在集电器9与正极端子11的连接板4之间的导电连接就被断开。
28.在电池单体10中，熔断安全件2在壳体14之外设置在正极端子11上。以这种方式防止熔断安全件2的材料、例如铝在熔化时散落在电池单体中并与电池单体中的材料反应。以这种方式降低电池单体热击穿的风险。
29.熔断安全件2有利地在背离壳体的外侧上被聚合物1、例如环氧树脂覆盖。聚合物1可以例如以注射成型工艺施加到熔断安全件2上。通过聚合物1防止在熔断安全件2熔化时产生电弧，特别是在形成非导电材料时富含氧化剂的情况下。此外，熔断安全件2由聚合物1保护以防机械损伤和腐蚀，并且增加机械稳定性。聚合物1可以掺入有至少一种填料(例如al(oh)3或al2o3)以用于改善散热。此外有利的是，填料含有氧化剂(例如高氯酸铵，nh4cio4)。在这种情况下，氧化剂可以与熔断安全件2的液化的铝反应形成不能导电的氧化铝(al2o3)。
30.在一种优选的构型方案中，壳体14的盖6与正极端子11的连接板4电绝缘。这可以
通过如下方式实现，设置在导电的铆钉7与壳体盖6之间的密封件8具有电绝缘塑料。以这种方式避免在传统的电池单体中将壳体与正极端子连接的电阻器在电流过大的情况下失效。当传统的电池单体在电池模块中与其他电池单体串联连接时，在电阻器失效的情况下可能由于在正极端子与壳体之间接触的突然断开而存在风险，使得至少一个相邻的电池单体的电压施加到该电池单体上并导致所涉及的电池单体的极性反转。在这种情况下，负电位将施加到壳体上，并且可能导致不期望的化学反应、例如锂或铜沉淀在电池单体中。这可能导致电池单体的内部短路。通过在这里提出的将正极端子11与壳体14绝缘、特别是通过密封件8来绝缘，可以降低这种风险。
31.虽然已经借助实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明并不限于所述实施例。而是本领域技术人员可以从中推导出本发明的其他变型方案而不脱离本发明的由权利要求限定的保护范围。
32.附图标记列表
[0033]1ꢀꢀ
聚合物
[0034]2ꢀꢀ
熔断安全件
[0035]3ꢀꢀ
绝缘体
[0036]4ꢀꢀ
导电的连接板
[0037]5ꢀꢀ
绝缘板
[0038]6ꢀꢀ
盖
[0039]7ꢀꢀ
导电的铆钉
[0040]8ꢀꢀ
密封件
[0041]9ꢀꢀ
集电器
[0042]
10 电池单体
[0043]
11 正极端子
[0044]
12 负极端子
[0045]
13 破裂膜的覆盖件
[0046]
14 壳体