具有内部相变材料的电池制造技术

技术编号:13275173 阅读:71 留言:0更新日期:2016-05-19 00:52
一种电化学电池单元包括负电极、正电极、位于负电极和正电极之间的分离器;以及电化学电池单元内的相变材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 本申请根据35U. S .C. §119要求2013年2月21日递交的美国临时申请No .61/767, 564的优先权,通过引用在其整体上并入该临时申请的公开内容。
本公开内容涉及电池,且更具体地涉及暴露于内部或外部产生的热中的电池。
技术介绍
电池是一种有用的存储的能量的源,其可以合并入多种系统中。尽管通常是安全 的,但是电池中存储的能量的量以及用于制造电池的材料在不同的场景下可能存在安全问 题。当电池经受由于内部处理器或是由于电池所处的环境导致的增加的温度时,安全尤其 成为问题。 作为举例,当电池在充电或放电时,由于包括电阻,质量传递以及动能项的内阻, 它们典型地产生热。放热副反应也在电池内产生热。如果该热产生大且快,则该热产生可能 造成安全风险。例如,如果内电池单元温度攀升至阴极的分解温度(~180到220°C,取决于 化学成分和充电状态)以上,则商用锂离子电池单元通常进入热失控。通常,导致温度上升 到该临界温度以上的事件是在低得多的温度触发的。例如,放热阳极膜分解可能在~120°C 发生,这为电池温度上升到180°C以上提供了足够的能量。 除了安全考虑,增加的温度影响电池的操作特性。在较温暖的温度(对于锂离子电 池40到IO(TC),电池的老化通常会加速。这是由于大部分有害副反应是热激发的(但是不是 电池的所有老化机制都会在高温时加速)。因此建议在操作期间和/或在高环境温度时冷却 电池,以便增强它们的循环和/或日历寿命。对于商用电池有许多冷却概念,包括主动式空 气冷却、液体冷却以及使用具有高导热性的材料。 然而,电池的外部冷却未防止热增加的局部区域。例如,在高电流放电期间放置在 冰浴中并然后被内部加热的电池可以维持在冰的融化温度直到冰完全融化,但这只是在电 池的外表面维持。在内部,电池在局部位置的温度将明显更高,从而产生不均匀热分布图 (heat profile)。电池的内部温度因此可能攀升到远在冰的融化温度以上。 因此需要的是较不易受到增加的温度的有害影响的电池。存在对减少局部热分布 图波动的电池的进一步需要。
技术实现思路
在一个实施例中,一种电化学电池单元包括负电极、正电极、位于负电极和正电极 之间的分离器;以及电化学电池单元内的相变材料。 在另一个实施例中,一种操作电化学电池单元的方法包括:通过对电化学电池单 元充电或放电来利用电化学电池单元产生热,电化学电池单元包括负电极、正电极以及位 于负电极和正电极之间的分离器;以及使用产生的热来改变电化学电池单元内的相变材料 的相。【附图说明】通过参考以下的详细描述和附图,上述特征和优势以及其他特征和优势对于本领 域的普通技术人员应该变得容易清楚,在附图中:图1描绘了根据本公开的原理的包括在负电极和正电极具有相变材料的电池单元 的电池系统的示意图。【具体实施方式】 为了促进本公开原理的理解的目的,现在将参考附图中图示的以及下面书写的说 明书中所描述的实施例。应该理解的是,由此不意图对本公开范围有任何限制。还应理解的 是,本公开包括对于所说明实施例的任何变更和修改并进一步包括本公开原理的应用,如 本公开所属领域技术人员将通常想到的那样。 图1描绘了电化学电池单元100的示意图。电化学电池单元100包括负电极102,其 与正电极104被多孔分离器106分离。在该实施例中,负电极102包括集电器108、活性材料 11 〇、惰性材料112以及相变材料114。负电极102可以由锂金属或嵌锂化合物形成。在个实施例中,正电极104包括集电器118、活性材料120、惰性材料122以及相变材 料124。惰性材料122可形成多孔基质,其是由导电材料(例如导电碳或泡沫镍)形成的导电 基质,但是可以使用各种替代基质结构和材料。分离器106阻止负电极102与正电极104电气 连接。 电化学电池单元100包括存在于正电极104中并且在某些实施例中存在于分离器 106和负电极102中的电解质溶液116。 在金属是锂的情况中,电化学电池单元100在负电极102中的锂金属离子化为Li + 离子与自由电子eT的情况下放电。Li+离子在箭头120所指示的方向朝正电极104行进通过分 离器106。 在电池单元放电(或充电)时可能产生热。热也可能在电池单元100外部产生并传 递进入电池单元100。相变材料114/124通过接受(或拒绝)热能来维持系统的温度在恒定温 度(转变温度),直到该材料由相A完全变换为相B。相变材料114/124遍及电池单元分布以便 最小化遍及电池单元的温度变化。在其他实施例中,为了将表面温度维持在相变温度,相变 材料114/124位于电池外表面。例如,在高电流放电期间放置在冰浴中并然后被内部加热的 电池可以维持在冰的融化温度直到冰完全融化,但这只是在电池的外表面维持。电池的内 部温度可能攀升到远在冰的融化温度以上。 因此,相变材料114/124防止可能导致提早老化或安全隐患的电池中的过度温度, 以及改进了遍及电池的温度的一致性。在不同的实施例中,相变材料合并于阳极、阴极、分 离器或是电池单元的其他部分中。选择相变材料(PCM)的量以使得其可以在电池单元加热期间吸收足够的热量但并 不会太大以致于损害电池的能量密度或功率密度。选择相变温度为在使电池单元提早老化 或造成安全风险所必需的温度以下的温度。它同样远高于电池单元的正常操作温度,以致 于既不限制电池单元的倍率性能(其在较高温度增强),也不允许PCM在由于电池单元加热 导致的典型热能冲击期间完全改变其相,因为一旦PCM完成相变,电池单元的温度就可能攀 升到超过相转变温度。因此,通过将足够的PCM合并到电池单元中并避免过低的转变温度来 避免完全相转变是必要的。 优选但非必然的是,PCM是在正常电池单元操作期间经历的电压、电流和温度不与 其他电池单元组分反应的惰性组分。PCM和其他组分之间发生的任何反应应当是良性的和 可逆的(或几乎完全可逆的)。相变本身也应该是可逆的(或几乎完全可逆的)。 电池的外部冷却(被动地或主动地)被采用来吸收来自电池的热能并防止PCM完全 相变。外部冷却也可在电池处于开路时采用以便逆转内部相变过程。这样做使得PCM在下次 电池内部产生这样的能量时吸收更多的热能。 在不同实施例中使用的一些相变材料在下表中阐述:其他相变材料包括: 其他PCM包括: 虽然在附图和前述描述中已经详细说明和描述了本公开,但是应将这认为是说明 性的并且在特性上不是限制性的。应该理解的是,只给出了优选实施例,并且期望保护落在 本公开精神内的所有改变、修改和另外的应用。【主权项】1. 一种电化学电池单元,包括: 负电极; 正电极; 位于负电极和正电极之间的分离器;以及 电化学电池单元内的相变材料。2. 根据权利要求1所述的电化学电池单元,其中相变材料是固-固相变材料。3. 根据权利要求2所述的电化学电池单元,其中相变材料的第一部分是位于正电极内 的。4. 根据权利要求3所述的电化学电池单元,其中相变材料的第二部分是位于负电极内 的。5. 根据权利要求4所述的电化学电池单元,其中相变材料的第三部分是位于分离器内 的。6. 根据权利要求1所述的电化学电池单元,其中负电极本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种电化学电池单元,包括:负电极;正电极;位于负电极和正电极之间的分离器;以及电化学电池单元内的相变材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员:J·克里斯滕森B·科金斯基
申请(专利权)人:罗伯特·博世有限公司
类型:发明
国别省市:德国;DE

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