用于电化学装置的堆叠电极架构和用于制造电化学装置的方法制造方法及图纸

提出了用于电化学装置的堆叠电极设计、用于制造/使用此类电化学装置的方法、以及具有堆叠电极架构的锂类圆柱形和棱柱形电池单元。电化学装置采用多个第一(例如阳极)电极和多个第二(例如阴极)电极，每个电极包括由电极主体承载的活性(阳极/阴极)电极材料和从电极主体突出的柔性接头。多个电绝缘的分隔件在电极之间交错并沿着中心堆叠轴线与电极堆叠以限定电极堆叠。第一导电集电器完全或部分地围绕电极堆叠，并与第一电极的电极接头过盈配合以与其电连接。第二导电集电器设置在第一集电器内，与中心堆叠轴线基本平行地对准，并且与第二电极的电极接头过盈配合以与其电连接。二电极的电极接头过盈配合以与其电连接。二电极的电极接头过盈配合以与其电连接。

【技术实现步骤摘要】
用于电化学装置的堆叠电极架构和用于制造电化学装置的方法


[0001]本公开总体上涉及电化学装置。更具体地，本公开的各方面涉及用于圆柱形和棱柱形锂类电池单元的堆叠电极设计。

技术介绍

[0002]当前生产的机动车辆，诸如当代汽车，最初配备有动力系，该动力系操作以推进车辆并为车辆的车载电子器件提供动力。例如，在汽车应用中，车辆动力系通常以原动机为代表，原动机通过自动或手动换档动力变速器将驱动扭矩传递到车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴、拐角模块、车轮等)。由于往复活塞式内燃机(ICE)组件的易得性和相对便宜的成本、轻的重量和总效率，所以历史上汽车一直由往复活塞式内燃机(ICE)组件提供动力。作为一些非限制性示例，这种发动机包括压缩点火(CI)柴油发动机、火花点火(SI)汽油发动机、二冲程、四冲程和六冲程架构以及旋转发动机。另一方面，混合动力电动和全电动(统称为“电驱动”)车辆利用替代动力源来推进车辆，并因此最小化或消除对基于化石燃料的发动机对牵引动力的依赖。
[0003]全电动车辆(FEV) (俗称“电动汽车”)是一种电驱动车辆配置类型，其完全省略了动力系系统中的内燃机和附带的外围部件，依赖于可再充电能量存储系统(RESS)和用于车辆推进的牵引马达。基于ICE的车辆的发动机组件、燃料供应系统和排气系统被基于电池的FEV中的单个或多个牵引马达、牵引电池组以及电池冷却和充电硬件所替代。相反，混合动力电动车辆(HEV)动力系采用多个牵引动力源来推进车辆，最通常地是结合电池供电或燃料电池供电的牵引马达来操作内燃机组件。由于混合动力型电驱动车辆能够从发动机之外的源获得其动力，因此当车辆由(一个或多个)电动马达推进时，HEV发动机可全部或部分地关闭。
[0004]许多商业上可获得的混合动力电动和全电动车辆采用可再充电的牵引电池组来存储和供应用于操作动力系的(一个或多个)牵引马达单元的必需功率。为了产生具有足够的车辆范围和速度的牵引功率，牵引电池组比标准12伏起动、照明和点火(SLI)电池大得多、更强大且容量(安培
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小时)更高。当代牵引电池组，例如，电池单元的组堆叠(例如，8
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16个电池单元/堆叠)成为通过电池组壳体或支撑托架安装到车辆底盘上的单独的电池模块(例如，10
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40个模块/组)。堆叠的电化学电池单元可通过使用电互连板(ICB)或前端DC汇流条组件串联或并联连接。专用电子电池控制模块(EBCM)通过与动力系控制模块(PCM)和牵引功率变换器模块(TPIM)的协作操作来调节电池组接触器的打开和闭合，以管理电池组的操作。
[0005]在电驱动车辆中使用的电池有四种主要类型：锂类电池、镍金属氢化物电池、超级电容器电池和铅酸电池。按照锂
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类设计，锂
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金属(一次)电池和锂
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离子(二次)电池构成了商业锂电池(LiB)配置的主体，其中锂离子电池由于其增强的稳定性、能量密度和可再充电能力而用于汽车应用中。标准锂离子电池通常由至少两个导电电极、电解质材料和可渗透
分隔件组成，所有这些都被封装在电绝缘封装内。在电池单元放电期间，一个电极用作正(“阴极”)电极，并且另一个电极用作负(“阳极”)电极。可再充电的锂离子电池通过在这些负电极和正电极之间可逆地来回传递锂离子来操作。分隔件
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通常是微孔聚合物膜
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设置在两个电极之间以防止电短路，同时还允许离子电荷载体的传输。电解质适于传导锂(Li)离子，并且可以呈固体形式(例如，固态扩散)、液体形式(例如，液相扩散)或准固体形式(例如，夹带在液体载体内的固体电解质)。在电池在负载下放电期间，锂离子从负电极移动到正电极，并且在对电池再充电时锂离子沿相反方向移动。

技术实现思路

[0006]本文呈现了用于电化学装置的堆叠电极设计、用于制造此类电化学装置的方法和用于操作此类电化学装置的方法，以及具有堆叠电极架构的锂类圆柱形和棱柱形电池单元。作为示例，锂金属圆柱形罐式电池单元采用与环形阴极电极交错的环形阳极电极的堆叠。绝缘垫可位于堆叠的相对纵向端上，且绝缘堆叠封装在保护性外壳体(即，“电池单元外壳”)内。堆叠的电极嵌套在集电器圆筒的内部，使得阳极电极、阴极电极和集电器圆筒与集电器棒相互同轴并包围集电器棒。电绝缘和离子导电的分隔件(例如，浸入液体电解质内或包括固体电解质的聚合物分隔件)可设置在每对相邻电极之间。
[0007]一组电极(例如阴极电极)压配合到集电器棒上，从而经由从电极的中心孔径向向内突出的内径(ID)接头与集电器棒电连接。这些电极的外径(OD)周边可以覆盖有电绝缘体，或者这些电极的直径可以减小以将OD边缘与集电器筒体的内部隔开。相反，另一组电极(例如，阳极电极)压配合到集电器圆筒中，从而经由从电极径向向外突出的OD接头与集电器圆筒电连接。这些电极的ID边缘可以覆盖有电绝缘体，或者这些电极的中心孔的直径可以增大以将ID边缘与集电器棒的外部隔开。此外，偏置构件，诸如螺旋压缩弹簧，可以被压缩在堆叠的电极和壳体帽或壳体基部之间，以在电极位于壳体内时保持电极彼此压缩。
[0008]所公开的构思中的至少一些的附带益处包括堆叠电极架构，其使得圆柱形和棱柱形电池单元能够正面压缩交错电极的堆叠，例如用于锂金属阳极应用。此外，例如与常规“果冻卷”配置相比，将电极彼此平坦地放置在堆叠中使得棱柱形电池单元能够增加电极层的数量。其它附带的益处可包括增加的散热特性和减小的电极几何形状，这有助于确保均匀的电流密度、电极形态和机械特性。除了改进的热性能和均匀的操作参数之外，所公开的构思可有助于增加电驱动车辆的驱动范围、燃料经济性和电池组性能。所公开的特征还使得能够实现“无阳极”设计，其并入多个集电器或基本上由多个集电器组成，由此通过一个或多个阴极供应锂，所述一个或多个阴极作为离子转移的手段镀在阳极集电器上并从阳极集电器剥离。
[0009]本公开的方面涉及电化学装置，诸如在车辆牵引电池组的电池模块中使用的圆柱形和棱柱形电池单元。在一示例中，电化学装置包括两组电极：多个第一(阳极)电极，每个第一(阳极)电极具有由相应的电极主体承载的一层或多层活性(阳极)电极材料；以及多个第二(阴极)电极，每个第二(阴极)电极具有与第一电极的活性材料不同的、由相应的电极主体承载的一层或多层活性(阴极)电极材料。一个或多个柔性电极接头从每个电极的主体突出。电绝缘分隔件在电极之间交错并沿中心堆叠轴线与电极堆叠以限定电极堆叠。第一(负)集电器完全或部分地围绕电极堆叠。该组第一电极通过将第一电极的电极接头过盈配
合(即，压配合)到第一集电器的配合表面而电连接到第一集电器。另外，第二集电器位于第一集电器内并且基本上平行于中心堆叠轴线对准。通过将第二电极的电极接头过盈配合/压配合到第二集电器的配合表面，该组第二电极电连接至第二集电器。
[0010]本公开的另外的方面涉及具有无焊接堆叠电极架构的锂类电池单元、采用这种锂类电池单元的可再充电电池组以及配备有这种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学装置，其包括：多个第一电极，每个第一电极具有由第一主体承载的第一活性电极材料和从所述第一主体突出的柔性第一电极接头；多个第二电极，每个第二电极具有与所述第一活性电极材料不同的第二活性电极材料以及从所述第二主体突出的柔性第二电极接头，所述第二活性电极材料由第二主体承载；多个分隔件层和/或固体电解质层，所述分隔件层和/或固体电解质层在所述第一电极和所述第二电极之间交错并且与所述第一电极和所述第二电极沿中心堆叠轴线堆叠在电极堆叠中；第一集电器，其至少部分地围绕所述电极堆叠并且与所述第一电极接头过盈配合，从而电连接到所述第一电极；以及第二集电器，所述第二集电器设置在所述第一集电器内，与所述中心堆叠轴线基本上平行地对准，并且与所述第二电极接片过盈配合，从而电连接到所述第二电极。2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述第一电极和所述第二电极的所述第一主体和所述第二主体各自具有基本上平坦的环形形状。3.根据权利要求2所述的电化学装置，其中所述第一主体和所述第二主体具有在所述中心堆叠轴线上同轴对准的相应中心孔，以限定延伸穿过所述电极堆叠的中心堆叠腔，并且其中所述第二集电器包括轴向延伸穿过所述中心堆叠腔的细长导电棒。4.根据权利要求3所述的电化学装置，其中所述第二电极接头中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：