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CN109196710A - 具有有着可变阻抗的电化学电池单元的电池 - Google Patents

具有有着可变阻抗的电化学电池单元的电池 Download PDF

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CN109196710A
CN109196710A CN201680078058.5A CN201680078058A CN109196710A CN 109196710 A CN109196710 A CN 109196710A CN 201680078058 A CN201680078058 A CN 201680078058A CN 109196710 A CN109196710 A CN 109196710A
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electrochemical
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塞德里克·勒布尔-萨尔泽
帕特里克·勒布朗
蒂埃里·盖纳
阿兰·瓦利
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Canadian Blue Solutions Ltd
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Abstract

一种锂电池包括：组装在一起的多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元被插入刚性壳体中，所述刚性壳体具有形成外壳的侧壁以及上壁和下壁；以及至少一个散热器路径，用于消散由电化学电池单元产生的过量的热量；电化学电池单元被组装成使得定位在散热器路径附近的电化学电池单元与电池的其他电化学电池单元相比具有更低的阻抗。

Description

具有有着可变阻抗的电化学电池单元的电池
技术领域
本发明涉及在温度下操作的锂聚合物电池，并且更具体地涉及具有适于管理这些操作温度的电化学电池单元配置的电池。
背景技术
锂聚合物电池通常被构建为20kWh或更大的大规格电池，用于在电动交通工具、在用于备份的固定应用中使用，以确保无法承受电网中断的应用例如电信站、数据中心等的连续性，或为工业或住宅建筑中的调峰的目的提供备用电源。
锂聚合物电池包括被封装在保护电化学电池单元的刚性壳体中的串联连接的多个电化学电池单元。每个电化学电池单元包括并联连接的多个基本电池单元层压件。每个层压件包括阳极或负极、阴极或正极以及固体电解质，所述固体电解质包括将正极与负极隔开并在电极之间提供离子导电性的聚合物和锂盐。负电极可以是锂或锂合金金属片或者能够嵌入和脱嵌锂离子的活性材料，例如在聚合物粘合剂中的Li4Ti5O12或碳，而正电极包括电化学活性材料颗粒例如LiFePO4、LiMnO2、LiMn2O4等、电子导电添加剂以及用作粘合剂并且在正电极的电化学活性材料颗粒与固体电解质隔板之间提供所需的离子路径的固体聚合物电解质。
与使用液体电解质的锂离子电池相反，锂聚合物电池使用固体电解质，使得该技术非常安全。但是，为了获得最佳的离子电导率并因此获得最佳性能，必须将电化学电池单元加热至60℃至80℃的温度。因此，锂聚合物电池包括加热系统以将电池保持在40℃的标称温度并且在其放电模式开始时将电化学电池单元的温度迅速升高至60℃与80℃之间以从电池获得最佳性能。一旦达到最佳温度，放电操作就会产生足够的热量以使电池保持在其最佳温度。
在操作中，由构成电池的多个电化学电池单元产生的过量的热量通过电池壳体的壁被消散。电池壳体优选地由刚性导热材料例如铝或铝的合金制成，其有效地将过量的热量传导到电池壳体外部，并且可以在电池壳体外部存在冷却系统以在需要时加速散热。
在正常的放电操作中，发现：在封装在如上所述的电池壳体中的电化学电池单元的堆叠中，位于电池壳体的壁附近的电化学电池单元首先达到其放电电压的终点，从而略微降低电池的整体放电容量。这种现象归因于以下事实：这些特定的电化学电池单元在稍低的操作温度下进行操作，因为与位于远离电池壳体的壁的其他电化学电池单元相比，它们通过电池壳体的壁更快速地失去热量。
因此，需要适于补偿通过电池壳体的散热器造成的热量损失的电池壳体和电化学电池单元配置。
发明内容
本发明的目的是改善现有技术中存在的至少一些不便之处。
在一个方面，本发明提供了一种锂电池，其包括：组装在一起的多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元被插入刚性壳体中，所述刚性壳体具有形成外壳的侧壁以及上壁和下壁；以及至少一个散热器路径，用于消散由电化学电池单元产生的过量的热量；电化学电池单元被组装成使得定位在散热器路径附近的电化学电池单元与电池的其他电化学电池单元相比具有更低的阻抗。
在另一方面，定位在散热器路径附近的电化学电池单元包括其中电解质和阴极比该束的其他电化学电池单元具有更多盐的层压件。
在另一方面，定位在散热器路径附近的电化学电池单元的电解质和阴极各自具有比其他电化学电池单元低约5：1的聚合物/盐比率。
本发明的实施方式各自具有上述目的和/或方面中的至少一个，但不一定具有所有这些目的和/或方面。应该理解的是，通过试图获得上述目的而产生的本发明的一些方面可能不满足这些目的和/或可能满足本文未具体列举的其他目的。
根据以下描述、附图和所附权利要求，本发明实施方式的附加的和/或替选的特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
为了更好地理解本发明以及本发明的其他方面和进一步的特征，参照以下结合附图使用的描述，在附图中：
图1是包括多个电化学电池单元的电池的示例的透视图；
图2是单个电化学电池单元层压件的示意图；
图3是具有封装在刚性壳体中的编号为1至14的一束电化学电池单元的电池的一个实施方式的示意图；
图4是图3所示的电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图；
图5是具有封装在刚性壳体中的编号为1至14的两束电化学电池单元的电池的第二实施方式的示意图；
图6是图5所示的电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图；
图7是示出具有修改配置的图3中所示的电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图；
图8是示出具有修改配置的图5中所示的电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图；
图9是具有封装在刚性壳体中的编号为1至18的三束电化学电池单元的电池的第三实施方式的示意图；
图10是图13中所示的电池放电结束时编号为1至18的每个电化学电池单元的电压的曲线图；
图11a是具有封装在刚性壳体中的多个圆柱形电化学电池单元的电池的另一个实施方式的示意性俯视平面图；
图11b是图13a中所示的具有封装在刚性壳体中的多个圆柱形电化学电池单元的电池的示意性侧视图；以及
图12是单个圆柱形电化学电池单元的示意性俯视平面图。
具体实施方式
图1示出了锂金属聚合物电池10的一个实施方式，其中切除部分示出其内部部件。在该具体示例中，电池10包括：多个电化学电池单元12，其彼此堆叠，串联连接在一起并连接至电池极14和15。电化学电池单元12的堆叠连接至电子控制板16，该电子控制板16控制电化学电池单元12的充电和放电模式并且监测电池10的各种参数，包括在任何时候每个单独的电化学电池单元12的张力或电压以及电池10的温度。
电池10包括由挤制铝材制成的刚性壳体30，刚性壳体30具有形成外壳37的侧壁32以及上壁和下壁34。电化学电池单元12的堆叠被组装在一起以形成束38，所述束38被插入到由刚性壳体30形成的外壳37中以用于保护并且用于热隔离束38，以保持电化学电池单元12的最佳温度。在图1所示的实施方式中，刚性壳体30还包括在刚性壳体30的整个长度上延伸的内壁40，内壁40为壳体30提供增加的刚性并且从而形成两个不同的外壳37和39，使得电池10包括两束38电化学电池单元12，每个外壳37和39中插入一束。每个束38通过压力系统42被保持在压力下，压力系统42由对板43施加力的一系列弹簧44组成，其中板43对束38施加均匀的压力。
电池10包括沿着刚性壳体30的侧壁32定位的加热系统(未示出)。加热系统通过刚性壳体30的侧壁32向束37和39提供热量，以将电池10在浮置模式(floating mode)下保持为40℃的标称温度并且在电化学电池单元12的放电模式开始时将电化学电池单元12的温度迅速升高到60℃与80℃之间。
一旦达到放电温度，刚性壳体30的上壁34和下壁36以及内壁40提供散热器路径以消散由电化学电池单元12的束37和39产生的过量的热量，以便防止电化学电池单元12过热。
每个电化学电池单元12由如图2中示意性示出的单个层压件20的多层组件组成。每个层压件20包括：充当锂源的阳极22；具有能够吸留和释放锂离子的电化学活性材料的阴极26；以及将阳极22与阴极26分开并充当锂离子载体的电解质24。阳极22和阴极26由能够可逆地嵌入锂离子的材料制成。阳极22可以是金属锂箔或包括例如碳基嵌入化合物和支撑于金属集电器(未示出)上的聚合物、共聚物或三元共聚物粘合剂的复合材料。阴极26通常是由集电器28支撑的包括以35:1的比率溶解于其中的锂盐的聚合物、共聚物或三元共聚物粘合剂和磷酸盐或过渡金属氧化物的复合混合物。电解质24基本上包括以30:1的比率溶解在聚合物、共聚物或三元共聚物中的锂盐。
电化学电池单元12的束通常包括具有相同数目的层压件20并因此具有相同的容量的多个相同的电化学电池单元12。图3示意性地示出具有单个束38的电池的实施方式，单个束38包括封装在刚性壳体30中的编号为1至14的14个电化学电池单元12，刚性壳体30具有侧壁32以及上壁34和下壁36。每个电化学电池单元12具有相同数目的层压件20和相同的容量。
图4是示出在电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元12的电压的曲线图。从图4的曲线图中可以看出，轮廓指示编号1、2和13、14的电化学电池单元已经比编号3至12的电化学电池单元更快速地达到其放电电压的终点。由于当束38的电化学电池单元12中的一个达到其放电终点时电池达到其放电电压的终点，因此电池停止运行，同时其多个电化学电池单元12仍处于它们的电压放电操作窗口内。在还剩余有容量的情况下，电池实际上停止运行。
图5示意性地示出了具有封装在刚性壳体30中的两个束38的电池的实施方式，该刚性壳体30具有限定两个外壳37和39的侧壁32、上壁34和下壁36以及内壁40。位于外壳37中的第一束38包括编号为1至7的7个电化学电池单元12，并且位于外壳39中的第二束38包括编号为8至14的7个电化学电池单元12。如参照图3所述的前一个实施方式中那样，两个束38中的每个电化学电池单元12具有相同数目的层压件20和相同的容量。
图6是示出在电池放电结束时编号为1至7以及8至14的每个电化学电池单元12的电压的曲线图。从图6的曲线图中可以看出，轮廓指示编号1、2、6至9以及13、14的电化学电池单元已经比编号3至5以及10至12的电化学电池单元更快速地达到其放电电压的终点。由于当束38的电化学电池单元12中的一个达到其放电电压终点时电池达到其放电电压的终点，因此电池停止运行，同时其多个电化学电池单元12仍处于它们的电压放电操作窗口内。再一次，在还剩余有容量的情况下，电池实际上停止运行。
从图4和图6的曲线图可以看出，定位成靠近由上壁34和下壁36以及内壁40提供的散热器的电化学电池单元比定位成远离这些散热器的电化学电池单元更快速地到达其放电电压的终点。由于电化学电池单元12的放电容量取决于电化学电池单元12的温度，因此有理由认为定位成靠近散热器即上壁34和下壁36和/或内壁40的电化学电池单元，由于它们靠近散热器而较难于保持在它们的操作温度，并且因此比定位成远离散热器的电化学电池单元更冷并且实际上具有较小的容量。
为了缓解该问题，发明人已经测试了新的束组件，在该束组件中，靠近由上壁34和下壁36以及/或者内壁40提供的散热器的电化学电池单元与定位成远离散热器的其它电化学电池单元相比具有较低的阻抗。
由发明人设想的定位成靠近或邻近由上壁34和下壁36以及内壁40提供的散热器的电化学电池单元12的周期过早结束的问题的解决方案是通过增加在电解质24和阴极26中的锂盐浓度来增加那些电化学电池单元在较低温度下的放电容量并且降低那些电化学电池单元的阻抗或内部电阻。
在一个具体的实施方案中，通过在靠近散热器的那些电化学电池单元12的每个层压件20内的阴极26中和电解质24中添加锂盐来降低电化学电池单元12的阻抗。
其中每个构成的层压件20由电解质24(其具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率)和阴极26(其具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率或者聚合物/盐比率比束的其他电化学电池单元的层压件的电解质和阴极低约5：1)制成的电化学电池单元12将具有与其他电化学电池单元相同的容量，但是由于其较低的阻抗，将在较低的温度下在放电模式中表现得较好，并且该增大的放电能力应该补偿由靠近散热器的那些电化学电池单元经历的较低的温度。
因此，发明人已经测试了新的束配置，在新的束配置中，靠近上壁34和下壁36和/或内壁40的散热器的电化学电池单元包括以下层压件20，该层压件20由具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26制成。返回参照图3，新的束38被配置和组装有：具有n个层压件20的编号为1至14的电化学电池单元，但是其中编号1、2和13、14的电化学电池单元包括由具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26制成的层压件20。
图7是示出在电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图。该曲线图示出，与图4的曲线图轮廓相比，编号1至14的电化学电池单元的放电电压终点的轮廓已经趋于平坦，并且编号1、2和13、14的电化学电池单元已经几乎与编号3至12的电化学电池单元同时到达它们的放电电压的终点，这证明由于其电解质和阴极中的增加的盐浓度，在较低温度下编号1、2和13、14的电化学电池单元的增加的放电能力已经补偿了由靠近散热器的这些电化学电池单元经历的较低温度。
返回参照图5，类似地，两个新的束38被配置和组装。第一束38被配置并组装有：具有n个层压件20的编号1至7的电化学电池单元，但是其中编号1、2和6、7的电化学电池单元包括以下层压件20，该层压件20由具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26制成。第二束38被配置并组装有：具有n个层压件20的编号8至14的电化学电池单元，但是其中编号8、9和13、14的电化学电池单元包括以下层压件20，该层压件20由具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26制成。
图8是示出在电池放电结束时编号为1至14的每个电化学电池单元的电压的曲线图。该曲线图示出，与图6的曲线图的轮廓相比，编号1至7和8至14的电化学电池单元的放电电压终点的轮廓已经趋于平坦，并且各自具有由聚合物/盐比率比束的其他电化学电池单元的层压件的电解质和阴极低约5：1的电解质和阴极组成的层压件的编号1、2、6至9和13、14的电化学电池单元已经与编号3至12的电化学电池单元几乎同时达到它们的放电电压的终点，这还证明了：由于它们的电解质和阴极中的增加的盐浓度，靠近散热器的电化学电池单元在较低温度下的增加的放电能力已经补偿了由那些电化学电池单元经历的较低温度。
图9示意性地示出了具有封装在刚性壳体30中的三个束60的电池的另一个实施方式，其中该刚性壳体30具有侧壁32、上壁34和下壁36以及限定三个外壳64、65和66的两个内壁62和63。位于外壳34中的第一束60包括编号为1至6的六个电化学电池单元12，位于外壳65中的第二束60包括编号为7至12的六个电化学电池单元12，并且位于外壳66中的第三束60包括编号为13至18的六个电化学电池单元12。如参照图3和图5所述的前一个实施方式中那样，两个束60中的每个电化学电池单元12具有相同数目的层压件20和相同的容量。
图10是示出在电池放电结束时编号为1至6、7至12以及13至18的每个电化学电池单元12的电压的曲线图。从图14的曲线图可以看出，轮廓指示编号1、2、5至8、11至14和17、18的电化学电池单元比编号3至4、9至10以及15至16的电化学电池单元已经更快速地达到其放电电压的终点。由于当束38的电化学电池单元12中的一个达到其放电电压终点时电池达到其放电电压的终点以防止其电化学电池单元12的过放电，因此电池停止运行，同时其多个电化学电池单元12仍处于它们的电压放电操作窗口内。再一次，在还剩余有容量的情况下，电池实际上停止运行。
从图10的曲线图可以再次看出，定位成靠近由上壁34和下壁36以及内壁62和63提供的散热器的电化学电池单元比定位成远离那些散热器的电化学电池单元更快速地达到其放电电压的终点。由于电化学电池单元12的放电容量取决于电化学电池单元12的温度，因此有理由认为：与定位成远离散热器的电化学电池单元相比，定位成靠近散热器的电化学电池单元，由于它们靠近散热器而较难于保持在它们的操作温度，并且因此较冷且实际上具有较小的容量。
先前描述的相同解决方案适用于图9的电池的实施方式(其包括封装在具有两个内壁62和63的刚性外壳30中的三个束60)以缓解该问题。本发明人已经设计了新的束组件，在该束组件中，靠近散热器的电化学电池单元由下述层压件20制成，所述层压件20通过增加在层压件20的电解质24和阴极26中的锂盐浓度而在较低的温度下具有增大的放电能力并且具有较低的阻抗或内部电阻。
具体地，靠近散热器的编号1、2、5至8、11至14和17、18的电化学电池单元被配置成通过将电解质24中的聚合物/锂盐比率从30:1降低到25:1并且将阴极26中的聚合物/锂盐比率从35:1降低到30:1而具有比定位成远离散热器的电化学电池单元较低的阻抗，从而有效地增加了编号1、2、5至8、11至14和17、18的电化学电池单元在较低温度下的放电能力并且补偿由那些电化学电池单元经历的热量损失。
对位于由电池壳体的壁提供的散热器附近的电化学电池单元的周期过早结束问题的相同解决方案也适用于具有多个圆柱形电化学电池单元或多个棱柱形电化学电池单元的电池。
参照图11a和11b，示出了包括插入刚性壳体54中的圆柱形电化学电池单元52的阵列的电池50。最靠近或邻近充当散热器的刚性壳体54的壁的电化学电池单元52也遇到在定位成远离散热器的电化学电池单元52到达放电电压终点之前达到其放电电压终点的相同问题。由于当电化学电池单元52中的一个达到其放电电压终点时电池50达到其放电电压的终点，因此电池50停止运行，同时其多个电化学电池单元52仍处于它们的电压放电操作窗口内。因此在还剩余有容量的情况下，电池50停止运行。
参照图12，圆柱形电化学电池单元52由多次卷绕成螺旋形的单个层压件20组成，单个层压件20的长度限定了螺旋卷56中的层数或匝数，其限定了圆柱形电化学电池单元52的容量。因此，为了降低靠近或邻近刚性壳体54的壁的圆柱形电化学电池单元52的阻抗或内部电阻，可以制造具有使用具有增大的锂盐浓度的电解质24和阴极26制成的层压件20的圆柱形电化学电池单元52，从而制造在较低温度下具有增大的放电能力的圆柱形电化学电池单元52。如前所述，层压件20将包括具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26，从而有效地增加邻近刚性壳体54的壁的散热器的电化学电池单元在较低温度下的放电能力，并补偿由那些电化学电池单元经历的热量损失，并解决在定位成远离散热器的电化学电池单元52达到放电电压的终点之前达到其放电电压的终点的问题。
类似地，包括插入刚性壳体中的多个棱柱形电化学电池单元的电池将遇到相同的问题，其中，最接近或邻近用作散热器的刚性壳体的壁的棱柱形电化学电池单元将在定位成远离散热器的电化学电池单元达到放电电压的终点之前达到其放电电压的终点，并且因此当电化学电池单元中的一个达到其放电电压的终点时，电池将达到其放电电压的终点。电池将停止运行，同时其多个棱柱形电化学电池单元仍处于它们的电压放电操作窗口内。因此在还剩余有容量的情况下，棱柱形电池停止运行。
如参照圆柱形电化学电池单元52所描述的，棱柱形电化学电池单元由多次扁平地卷绕成扁平螺旋卷的单个层压件组成；单个层压件的长度限定了扁平螺旋卷中的层数或匝数，其限定了棱柱形电化学电池单元的容量。因此，为了降低靠近或邻近刚性壳体的壁的棱柱形电化学电池单元的阻抗或内部电阻，可以制造具有使用具有增大的锂盐浓度的电解质24和阴极26制成的层压件20的棱柱形电化学电池单元，从而制造在较低的温度下具有增大的放电能力的棱柱形电化学电池单元。如前所述，层压件20将包括具有25:1而不是30:1的聚合物/锂盐比率的电解质24以及具有30:1而不是35:1的聚合物/锂盐比率的阴极26，从而有效地增大邻近散热器的电化学电池单元在较低温度下的放电能力并且补偿由那些电化学电池单元经历的热量损失，并且解决在定位成远离散热器的其他电化学电池单元达到放电电压终点之前达到其放电电压终点的问题。
同样的问题适用于使用冷却系统将其电化学电池单元的温度保持低于预定温度阈值的电池。定位成最靠近用作散热器的冷却流体的路径的电化学电池单元将在定位成远离散热器的电化学电池单元之前达到其放电电压的终点。如参照本发明的前述实施方式所描述的，通过重新布置电池中的电化学电池单元使得通过增大构成电化学电池单元的层压件20的电解质24和阴极26中的盐浓度使定位在冷却系统的散热器路径附近的电化学电池单元具有较低的阻抗来解决问题。
对本领域技术人员来说，对本发明的上述实施方式的修改和改进可能变得明显。前面的描述旨在是示例性的而不是限制性的。因此，本发明的范围旨在仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (10)

1.一种锂电池，其包括：组装在一起的多个电化学电池单元，所述多个电化学电池单元被插入刚性壳体中，所述刚性壳体具有形成外壳的侧壁以及上壁和下壁；以及至少一个散热器路径，用于消散由所述电化学电池单元产生的过量的热量；所述电化学电池单元被组装成使得定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元与所述电池的其他电化学电池单元相比具有更低的阻抗。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其中，定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元，其中，电化学电池单元包括阳极、阴极和电解质；定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元包括与所述电池的其他电化学电池单元相比具有更高盐浓度的电解质和阴极。
3.根据权利要求2所述的锂电池，其中，定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元的电解质和阴极各自具有比所述其他电化学电池单元低约5：1的聚合物/盐比率。
4.根据权利要求1所述的锂电池，其中，所述刚性壳体还包括提供另外的散热器路径的内壁，并且其中，定位在所述内壁附近的电化学电池单元与所述电池的其他电化学电池单元相比具有更低的阻抗。
5.根据权利要求4所述的锂电池，其中，电化学电池单元包括阳极、阴极和电解质；定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元包括与所述电池的其他电化学电池单元相比具有更高盐浓度的电解质和阴极。
6.根据权利要求5所述的锂电池，其中，定位在所述散热器路径附近的电化学电池单元的电解质和阴极各自具有比所述其他电化学电池单元的电解质和阴极低约5：1的聚合物/盐比率。
7.根据权利要求1所述的锂电池，其中，所述电化学电池单元由单个层压件的多层组件组成，并且多个电化学电池单元相互堆叠以形成束。
8.根据权利要求1所述的锂电池，其中，所述电化学电池单元由多次卷绕成螺旋形以形成圆柱形电化学电池单元的单个层压件组成。
9.根据权利要求1所述的锂电池，其中，所述至少一个散热器路径由所述壳体的壁提供。
10.根据权利要求1所述的锂电池，还包括冷却系统，其中，所述至少一个散热器路径由所述冷却系统提供。
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