专利名称：模块化电池、这种电池用的互连器和与模块化电池有关的方法
技术领域：
本发明涉及一种模块化电池、模块化电池用的互连器和与模块化电池有关的方法。
背景技术：
模块化电池是包括两个以上的电池单元或单元模块或单元的电池。使用模块化电 池的装置的常见例子是可以使用例如两个C型单元的手持式手电筒。近来，模块化电池在包括混合电动车辆(“HEV”)、插入式混合电动车辆(“PHEV”) 和其它应用的许多应用中变得重要。模块化电池在用于HEV、PHEV和其它应用时，除了需要 耐用、安全和节省成本以外，还需要输送大量电力。像手持式手电筒这样的模块化电池的应用需要使用多个串联连接的电池单元。然 而，例如，HEV和PHEV用的模块化电池可能不同于常见的手电筒中使用的模块化C型单元。美国专利5，552，243和美国专利5，393，617公开了堆叠型晶片单元的双极性电化 学电池。晶片单元以串联方式电连接，其中，各单元的正极面接触相邻的单元的负极面。可 以利用导电糊剂或粘合剂来提高单元到单元的接触。以压缩方式保持堆叠组件。在此通过 引用包含美国专利5，552，243和美国专利5，393，617。
发明内容
本发明提供一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表 面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及可压缩互连器，其配置在所述第一 平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述第一平面电极表面和所述第二平 面电极表面电连接。本发明还提供一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表 面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及互连器，其配置在所述第一平面电 极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述第一平面电极表面和所述第二平面电极 表面电连接，所述互连器能够作为模块化单元相对于所述第一平面电池单元和所述第二平 面电池单元去除。本发明还提供一种模块化电池用的互连器，包括导电性的可压缩层。本发明还提 供一种模块化电池用的互连器，包括导电性的纤维的层。本发明还提供一种模块化电池的组装方法，包括以下步骤将第一平面电池单元 放置在外壳中；在所述第一平面电池单元上放置互连器，所述互连器是可压缩互连器、包括 导电性的纤维的互连器或模块化互连器单元之一；在所述互连器上放置第二平面电池单元；以及朝向彼此对所述第一平面电池单元和所述第二平面电池单元加压。本发明还提供一种电池的维护方法，包括以下步骤监测平面电池单元的组；从 大致为平面的电池单元的组中识别有缺陷的平面电池单元；去除所述有缺陷的平面电池单 元，从而使可压缩互连器扩展；以及以对所述可压缩互连器进行压缩的方式插入无缺陷的 平面电池单元。
将参考优选实施例来说明本发明，其中图1A、1B、1C和ID是本发明可以使用的四类电极的平面图；图2是电极和隔离体交错的单一单元模块内的电池配置的示意截面图；图3A是示出去除了前框架部分的单元模块的密封型单一单元的示意正视图，而 图3B示出前框架部分位于适当位置处的单元模块，并且图3A和3B这两者均示出根据本发 明的互连器的布置；图4是互连器位于下层的单元模块的平面图，并且示出具有馈通、爆破片和端口 的塑料框架；图5是具有用于填充、密封和感测的连通馈通的塑料框架的立体图；图6A示意性示出具有馈通的外壳内具有6个单元模块的模块化电池的截面，而图 6B示出平面图；图7示意性示出将两个模块化电池包装到一起的配置；以及图8是示出电池及其单元模块的远程监测和警告的解释图。这些附图本质上是示意性的，并且不是按比例绘制的。为了清楚和便于理解，放大 了一些元件的大小。
具体实施例方式为了足够对HEV、PHEV和其它应用供电，期望使用包含表面容积比高的单元的模 块化电池，例如对电池的各单元使用平面设计的模块化电池。例如，这些单元可以约为大书 的大小，其中，书的“封面”包含例如正极端子(还称为电极)，并且书的“封底”包含例如负 极端子。与这些单元的、在单元的一端处使用凸状凹座从而与下一圆筒型单元进行电接触 的圆筒形对应物(例如，C型单元电池)不同，大致为平面的单元不需要具有这种凸状凹座。然而，由于制造技术和制造公差，大致为平面的单元具有许多表面凹凸，从而使得 难以实现与其它的大致为平面的单元的良好的电接触。从成本的角度，调整制造技术以减 少表面凹凸，这是不实用的。没有良好的电接触，就难以从一个大致为平面的单元向下一个 大致为平面的单元传输电力，从而使得难以实现大功率应用。由于大致为平面的单元的一 个平面与其它大致为平面的单元的平面不齐平，因此这种表面接触面积的减少最终使相邻 的单元之间的阻抗增大。即使对于两个给定的大致为平面的单元、使电接触时的凹凸最小 (例如，书的“封面”和“封底”完全配合，并且进行良好接触)，一旦这些单元其中之一故障， 则不太可能替换单元将具有相同的凹凸。结果，电力由于阻抗变高而减少。第二个缺点是， 尽管可以使用导电糊剂和/或导电粘合剂来使凹凸平滑化或填充这些凹凸，但糊剂和/或 粘合剂对单元之间的连接提供了较高的阻抗。使用导电粘合剂和/或导电糊剂的另一问题是，一旦单元被粘合或糊到一起，则替换多单元型模块化电池内的单个故障单元将相当麻 烦。第三个缺点是，大致为平面的电池单元的表面上的凹凸在使用这种电池的HEV、PHEV和 /或其它装置的操作期间可能变化。这些凹凸可能由于温度、冲击、振动和/或其它条件的 变化而变化。本发明的目的是提供一种在两个单元之间提供良好的导电性的多单元型电池用 的互连器。本发明的另一替代目的或附加目的是提供一种可以抑制两个单元之间的冲击和 /或振动的互连器。本发明的又一替代目的或附加目的是提供一种可以允许容易地替换平 面型单元的互连器。本发明的又一替代目的或附加目的是提供一种允许对电池进行压缩以 提高导电性的互连器。本发明的模块化电池包括彼此堆叠的、并且经由导电性的互连器以串联方式电连 接到一起的多个单独单元模块。有利地，这些互连器可以是可压缩的，以减轻对单元模块的 振动或冲击损坏。可选地或另外，这些互连器可以包括可以允许降低电阻和/或易于制造 可压缩互连器的导电性纤维。可选地或另外，这些互连器可以是模块化的，并且可以作为单 位去除，从而允许容易地去除和替换单独单元模块，并且使得这些互连器无需如同糊剂或 粘合剂一样分别为粘性的或胶粘的。可以由轻量型外壳以机械方式限定堆叠型单元模块。以下说明本发明的电池的几 个实施例和示例。单元樽块本发明的优选实施例的单元模块可以具有正极面和负极面位于两侧的刚性或半 刚性的扁平形状，其中，正极面和负极面与相邻的单元模块电通信，以形成更高电压的单元 模块的电池组。在各单元模块内，配置有多个正电极和负电极，其中，各个正电极和负电极 以并联方式电连接至相同极性的各个其它电极。利用针对正电极和负电极的任何适当的 锂离子电池材料来制造电极。例如，正极活性材料或阴极可以包括涂布到铝上的锂锰氧化 物、锂钴氧化物或磷酸铁锂电化学活性材料。例如，负极活性材料或阳极可以包括涂布到铜 (或阳极是钛酸锂尖晶石的情况下的铝)上的人造石墨或钛酸锂尖晶石。单元模块包含在所示实施例中具有如图IA ID所示的四种图案的活性材料涂布 物的多个电极。图IA示出两侧上均涂布有阴极活性材料1、并且一侧上具有裸露的(无涂 层的)箔片2的内部正电极9 (例如，铝)，并且图IB示出两侧上均涂布有阳极活性材料3、 并且在与正性片相对的侧上具有裸露的(无涂层的)箔片4的内部负电极10(例如，铜或 铝)。图IC示出仅在一侧上涂布有阴极活性材料5、并且具有一个或两个裸露的箔片6的 正端电极14，并且图ID示出仅在一侧上涂布有阳极活性材料7、并且具有一个或两个裸露 的箔片8的负端电极15。两个端板片的优势在于允许改进随后的电极在单元模块中的密 封。在本实施例中，电极9、10、14、15采用矩形板的形式，无需说明，可以根据单元模块的期 望结构和其它设计考虑来使用其它适当形式和形状的电极。位于组装型单元模块的相对端处的端电极14和15的两侧可以是无涂层的，并且 对表面进行清洁和蚀刻以实现随后对单元模块的改进了的密封。优选本发明中的单元模块 良好地隔绝水汽和空气。在图2中，示出将图IA ID所示的正电极和负电极(电极板)9、10、14、15组装 在单个单元模块内。在附图中，为了清楚，大幅放大了活性材料涂布物1、3、5、7的厚度。正电极和负电极以并联方式电连接至相同极性的多个其它电极，以形成以单个单元模块的正 端电极14和负端电极15终止的交错型电极组件。如图IC ID和图2所示，正端电极板 14具有两个片6，并且负端电极板15具有两个片8。正端电极板14的片6其中之一优选 以焊接方式连接至正电极板9的片2，以形成构成单元模块的正端子的端片12。以相同方 式，负端电极板15的片8其中之一优选以焊接方式连接至负电极板10的片4，以形成构成 单元模块的负端子的端片13。端电极板14、15之间是交错的正电极9与负电极10，并且各 电极之间是包含电解质的、诸如微孔聚烯烃等的具有充分的绝缘性的隔离体层11。在图2 中，示出仅在端电极板14和15的一侧进行涂布，而未对它们的另一侧进行涂布，并且分别 通过端片12和13，它们的另一侧呈现分别用于通过本发明的互连器、实现随后的高电压电 池组件的正负单元端接表面。在实践中，改变并且选择电极和隔离体层的数量，以实现所需的电化学能存储容 量和所需的电力。除了增大电化学能存储以外，对于相同量的能，电极数量较多将允许较高 的充放电速率。本发明中的具有多个电极的较大的表面面积降低了单元模块内每单位电极 面积的特定电化学电流密度，也就是说，对于较大数量的电极，电极的每平方厘米的安培数 较少，以使得电极可以在输送电压的损耗较少的情况下，以较低的电流密度输送更多的总 电流。在电池中，由于众所周知的电极极化或电压损耗的电化学原理，高电极电流密度使电 池电压降低。实际上，一般可以利用诸如超声波金属焊接机等的焊接机将多于30个的电极 对分别接合至正电极和负电极的焊接端片12和13。如由单元模块的正极侧的端片12和负 极侧的端片13所示，优选电极片在电极单元模块的相对侧上沿着其全长连接。单元模块的 外侧上表面呈现正端电极14的裸露的箔表面，并且外侧底表面呈现负端电极15的裸露的 金属表面。贴附至各个片或电极片的(后面所述的)电压和温度传感器由于它们极接近电 极活性材料，因而提供与安全性有关的早期信息。图3A中示出图2的交错型电极组件的密封，其中，针对各电极以截面示出正极活 性材料和负极活性材料。如上所述，端电极板14、15具有两个片，并且仅在一侧上涂布有活 性材料。如图3A所示，在单元模块23的相对边缘处，利用电绝缘的密封剂16密封正端片 12和负端片13，并且利用相反极性的片在相同侧上重叠的绝缘体17使正端片12和负端片 13彼此电绝缘。更具体地，单元模块23的左侧上的绝缘体17使负端电极15的片8与正端 片12电绝缘，并且右侧上的绝缘体17使正端电极14的片6与负端片13电绝缘。此外，图 3A中示出密封剂16与电极9、10和隔离体11的端部之间的间隙18。密封体16的材料还 可以在与密封端片12和13正交的各侧上，将塑料框架19密封到交错型电极组件。密封的 方法包括嵌件成形、注射成形、熔焊和胶粘(均为易起反应的，例如，环氧的以及热熔的)。如图4和5所示，塑料框架19是具有通常为C形的前框架部分19a和后框架部分 19b的两部分框架，其中，前框架部分19a和后框架部分19b在单元模块23的正面和背面处 插入交错型电极组件和密封剂16上方，并被密封到交错型电极组件和密封剂16。图3A示 出不具有框架19的单元模块23，并且图3B示出前框架部分19a密封到单元模块的单元模 块23。图3B示出包括以下的框架19a中包含的特征端口 20，用于利用电解质对单元模块 进行抽真空、填充和排泄，还可以由机械部件永久或暂时密封该端口 ；电馈通21，用于测量 并监测各个单元电压和温度；以及爆破片22，用于释放单元模块23内累积的任何压力。为了以串联方式电连接堆叠型单元模块23，将导电性的可压缩互连器24置于相邻的单元模块之间。图3示出用于串联连接到所示的单元模块23上方和下方的附加的单 元模块的上部互连器24和下部互连器24。图4是省略了上部互连器24、并且单元模块的 负端电极15的外表面(裸露的箔表面)与下部互连器24相接触的密封型单元模块23的 顶视平面图。如图2和3A所示，示出电极板的片2、4、6、8成角度急剧弯曲以彼此重叠，从而形 成端片12、13。当然，可以并且有时优选地使片以曲率弯曲而不是如所示地急剧弯曲。此 外，如图IC和ID所示，端电极板14、15的片6和8的宽度在端电极板的相对侧(左侧/右 侧)上可以不同，其中，宽度较宽的片连接至端片或端子12、13，并且宽度较窄的片位于绝 缘体17上。优选端口 20设置在用于随后在形成之后对单元模块进行填充和真空排气的角 落上。在本实施例中，如图2、3A和3B所示，将电压传感器30a安装到正端片12和负端片 13这两者，这允许通过外部电池管理系统(BMS)来监测单元模块的电池组内的任何单元的 电压并调整其充电状态，以平衡多单元模块电池内的单元。以与正端片12和负端片13相 接触的方式安装诸如热敏电阻等的温度传感器31a，以监测单元模块23的电极的温度。如 图5所示，电压传感器30a和温度传感器31a经由感测线(导体)30b和31b分别电连接至 前框架部分19a和后框架部分19b中设置的电馈通21。单元模块23配备有用以在灾难性 的单元故障的情况下释放过多的内部压力的爆破片22。期望完整的单元模块23作为在整个单元形成和真空排气过程中在干燥室中处理 的制造模块。除了测量各个单元模块电压以外，电压传感器还可用于测量例如在互连器24 和一个单元模块的正端电极14之间与互连器24和相邻的单元模块的负端电极15之间的 机械接触处产生的、单元模块之间的阻抗分量。如这里所论述的，尽管期望在互连器电接触 附近使用惰性气体以防止或减少在互连器和单元模块电表面接触之间产生电阻层，但连续 监测这种机械接触的电阻率的能力是本发明的附加的好处和特征。在自动化装配工艺时，或在批量制造时，可以在单一步骤中将交错型电极组件的 所有四侧均密封到塑料框架19中，并在同一步骤或后续的细化步骤中同时引入填充孔、可 爆破区域和嵌入式传感器布线。在自动化制造工艺时，例如，可以通过利用将图2的交错型 电极组件放置在彼此接触的顶部模具和底部模具之间的注射成形、并且围住注入电绝缘的 聚合密封材料的开放连续周边体积以制成包括可能预先配置的填充管、传感器和用于爆破 保护的薄区的连续的单元模块周边密封体，来完全除去塑料框架。互连器本发明提供针对图6A的例子所示的、有利地可以是可压缩的从而提供对于平面 型单元模块23之间的冲击或振动的缓冲的互连器24。例如，互连器24可以是提供多个并 行的传导路径的可压缩的挠性导电薄片。互连器24的挠性可以在通过施加确保模块之间 的良好接触和低电阻的力来维持单元平面模块之间的电接触时，容纳在对电池充电和放电 期间单元组内的周期应变。可压缩的互连器24可以与相邻的单元板模块表面之间的可压 缩挠性导电互连的需求一致的、由例如以可压缩弹性矩阵形式保持的金属丝网、金属或碳 纤维、或者交织导电垫等的、具有充分性质的任何材料制成。可以选择单元模块的接触表 面，以维持与单元模块的正负连接的表面的长期、低阻抗连接界面。例如，丝网可以是约4密尔或0. 004英寸的细丝。互连器的可压缩性可以是例如30%，以使得例如在施加充足的力以缩小织物的间距时，互连器的体积减小至施力之前的 体积的70%。因而，在压缩期间层不会扩展至垂直于压力方向的侧以外的层结构的情况下， 在平坦表面上加压时厚度为10密尔的互连层可以压缩成厚度为7密尔。优选地，互连器的 可压缩性使得体积可以压缩成小于90%。另外，与使用相邻的单元之间的直接金属到金属接触的现有技术或在相邻的单元 之间使用导电粘合剂或糊剂相对比，有利地，本发明的特定互连器可以提高单元模块连接 的导电性。表1示出根据本发明的用于制造互连器材料的可压缩织物或毡制品的各种材 料。一些纤维进行了表面抛光，以提高互连器的接触材料的稳定性。表1.本发明的互连器垫所使用的材料
权利要求
1.一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及可压缩互连器，其配置在所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且 使所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接。
2.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述可压缩互连器包括包含导电 性的纤维的层。
3.根据权利要求2所述的模块化电池，其特征在于，所述纤维包括金属丝。
4.根据权利要求3所述的模块化电池，其特征在于，所述金属丝包括内部金属芯和外 部锡涂层。
5.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述可压缩互连器包括纤维网。
6.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述可压缩互连器包括降低所述 第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间的阻抗的导电性材料。
7.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述可压缩互连器具有未压缩体 积，并且所述可压缩互连器在配置在所述第一平面电池单元和所述第二平面电池单元之间 时，被压缩成小于所述未压缩体积的90%。
8.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述第一平面电极表面限定所述 第一平面电池单元的正极端子，并且所述第二平面电极表面限定所述第二平面电池单元的 负极端子。
9.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述第一平面电极表面由铝制成， 并且所述第二平面电极表面由铝制成。
10.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述第一平面电极表面由铝制 成，并且所述第二平面电极表面由铜制成。
11.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，还包括加压器，所述加压器用于 对所述可压缩互连器进行压缩。
12.根据权利要求11所述的模块化电池，其特征在于，所述加压器是弹簧。
13.根据权利要求1所述的模块化电池，其特征在于，所述第二平面电池单元具有另 一平面电极表面，并且所述模块化电池还包括第三平面电池单元，其具有第三平面电极表 面；和第二可压缩互连器，其配置在所述另一平面电极表面和所述第三平面电极表面之间， 并且使所述另一平面电极表面和所述第三平面电极表面电连接。
14.一种电动车辆，包括根据权利要求1所述的模块化电池。
15.一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及互连器，其配置在所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述 第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接，所述互连器包括导电性的纤维。
16.一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及互连器，其配置在所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述 第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接，所述互连器能够作为模块化单元相对 于所述第一平面电池单元和所述第二平面电池单元去除。
17.一种模块化电池用的互连器，包括 导电性的可压缩层。
18.一种模块化电池用的互连器，包括 导电性的纤维的层。
19.一种模块化电池的组装方法，包括以下步骤 将第一平面电池单元放置在外壳中；在所述第一平面电池单元上放置互连器，所述互连器是可压缩互连器、包括导电性的 纤维的互连器或模块化互连器单元之一；在所述互连器上放置第二平面电池单元；以及朝向彼此对所述第一平面电池单元和所述第二平面电池单元加压。
20.一种电池的维护方法，包括以下步骤 监测平面电池单元的组；从大致为平面的电池单元的组中识别有缺陷的平面电池单元； 去除所述有缺陷的平面电池单元，从而使可压缩互连器扩展；以及 以对所述可压缩互连器进行压缩的方式插入无缺陷的平面电池单元。
全文摘要
一种模块化电池，包括第一平面电池单元，其具有第一平面电极表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及可压缩互连器，其配置在所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接。还公开了模块化电池、互连器和方法的其它实施例。
文档编号H01M2/24GK101999184SQ200980110525
公开日2011年3月30日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月24日
发明者克里斯托弗·K·戴尔, 迈克尔·L·爱普斯顿, 邓肯·科尔沃 申请人:照明能源有限公司