包括可热激活元件的断开装置和短路装置的制作方法

1.本发明涉及一种断开装置，特别涉及一种适于将两个电连接的电化学电池单元彼此断开的断开装置。
2.本发明还涉及一种用于使电化学电池单元内的两个极性相反的电极短路的装置。


背景技术：

3.电化学电池单元或电化学生成器(这两个术语在本说明书中是等效的)是一种将化学能转化为电能的发电装置。化学能是电化学活性化合物沉积在布置在电化学生成器中的电极的至少一个面上的结果。电能由电化学生成器的放电期间的电化学反应产生。设置在容器中的电极电连接至电流输出端子，该电流输出端子提供电极与电化学生成器所关联的耗电装置之间的电连续性。正电流输出端子和负电流输出端子可附接至电化学生成器容器的相对面壁或在容器的同一面的壁上。
4.电池通常包括借助于金属条彼此串联或并联电连接的多个电化学电池单元。金属条具有足以允许电化学电池单元之间的高电流流过的横截面。该电池还通常包括电子电路，该电子电路用于监测和管理这些电化学电池单元，来测量电化学电池单元的充电状态和/或电化学电池单元的健康状态，特别是借助于逐个电池单元单独进行的或在一组电池单元上进行的电压或电流测量。电池还可以包括温度控制装置。
5.为了方便电化学电池单元之间的电连接，正电流输出端子和负电流输出端子经常附接到容器的相同面的壁上，经常附接在用于封闭电池单元的容器的盖上。
6.电池运行中的异常可以由电化学电池单元之一的故障(短路、过度充电...)或由外部干扰(冲击、温度等)或由管理该电池的电池单元的充电状态或其他参数的电子系统的故障引起。
7.例如，当锂电化学电池单元过度充电时，其温度升高。温度的升高导致充电电流的增加，这进一步促进温度升高。如果电池单元不具有足以释放所发出的热量的冷却系统，则出现热失控的情况：由电池单元本身推动温度升高。电池单元温度的不受控制的升高导致生成气体，该气体可导致电池单元中内部压力的升高，这将导致气体排放安全系统打开。在释放温度可以达到650℃的热气体的情况下，这些气体与电池的其他电池单元相接触。现在存在热失控现象传播至电池的所有电池单元，导致电池的完全损坏的风险。
8.美国专利申请2016/0190657、欧洲专利ep 1,705,735和欧洲专利ep 1,126,534公开了用于在电池单元容器中的压力达到特定值时中断电流流动的断路器装置。然而，如上所述，压力的增加发生在热失控的晚期阶段，使得压力不是用于热失控的早期检测的参数。此外，这种类型的装置的可靠性不令人满意。实际上，已经发现，随着时间的推移，由于气体在该电池单元的容器中的积聚，压敏装置很可能被触发，然而这些气体是在该电池单元的正常运行期间形成的。因此，这种类型的装置的触发导致不需要的断开。
9.德国专利申请de 10 2014 200 197 a1公开了一种由压力或温度的增加而激活的电断开装置。该文件公开了一种具体实施例，其中该装置包括膨胀材料，该膨胀材料的膨胀
将间接断开与该电池单元相关联的电子电路板。
10.然而，该文件既没有公开这种膨胀材料的性质也没有公开这种材料从其膨胀的温度阈值。然而，该膨胀材料的性质是装置有效性的确定因素。
11.因此，需要提供一种用于早期检测热失控并且用于有效地抑制热失控现象的传播的更可靠的装置。


技术实现要素：

12.本发明的第一主题是一种组件，该组件包括：
13.a)连接构件，以及
14.b)断开装置，所述断开装置被配置为断开通过所述连接构件连接在一起的两个电化学电池单元，所述断开装置包括：
15.i)微粒，所述微粒在其温度达到阈值时能够膨胀，所述阈值小于150℃，
16.ii)封装所述微粒的囊，
17.所述囊被布置为使得当微粒的温度达到所述阈值时，微粒的膨胀导致所述两个电化学电池单元之间的连接断开。
18.在一个实施例中，囊由非导电材料制成。
19.在一个实施例中，微粒是微球。
20.在一个实施例中，微粒是不导电的。
21.根据一个实施例，该连接构件包括至少一个弱化区，并且微粒的膨胀导致该至少一个弱化区的断裂，从而导致这两个电化学电池单元之间的连接的断开。
22.本发明的第二主题是一种电池，该电池包括：
[0023]-至少两个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括至少两个电流输出端子，以及
[0024]-如上所述的至少一个组件，连接构件连接在第一电化学电池单元的电流输出端子与第二电化学电池单元的电流输出端子之间。
[0025]
本发明的第三主题是一种电化学电池单元，该电化学电池单元包括：
[0026]
a)至少两个极性相反的电流输出端子，以及
[0027]
b)用于使两个极性相反的端子短路的装置，所述装置包括：
[0028]
i)微粒，所述微粒在其温度达到阈值时能够膨胀，所述阈值小于150℃，
[0029]
ii)封装所述微粒的囊，
[0030]
所述囊被布置为使得当微粒的温度达到所述阈值时，微粒的膨胀导致所述两个极性相反的端子的连接。
[0031]
在一个实施例中，如以上定义的电化学电池单元包括连接在两个极性相反的端子之间的熔丝。
[0032]
在一个实施例中，囊由导电材料制成或由非导电材料制成，所述非导电材料覆盖有导电涂层或与导电构件接触。
[0033]
根据一个实施例，囊由导电材料制成或由非导电材料制成，所述非导电材料覆盖有导电涂层或与导电构件接触。
[0034]
在一个实施例中，所述囊的导电材料选自：铝、铜和不锈钢。
[0035]
在一个实施例中，囊的非导电材料是塑料材料。
[0036]
在一个实施例中，导电构件是金属双金属器件(metal bimetal)。
[0037]
在一个实施例中，该导电构件由形状记忆材料制成。
[0038]
在一个实施例中，如以上定义的电化学电池单元包括：
[0039]
a)容器，所述容器包括用于引入电极板组的开口，以及
[0040]
b)放置在所述开口上的盖，
[0041]
其中，至少两个极性相反的电流输出端子和用于短路的装置均被放置在盖上或穿过盖。
[0042]
在一个实施例中，该至少两个电流输出端子中的一个与该盖直接接触，并且极性相反的端子与该盖电绝缘。
[0043]
根据实施例，如以上定义的电化学电池单元是液体或固体电解质锂离子类型、液体或固体电解质锂金属类型、镍金属氢化物或镍镉类型。
[0044]
本发明还提供了一种电池，该电池包括如以上公开的并且对应于本发明的第三主题的电化学电池单元。
[0045]
本发明的第一和第三主题构成对相同技术问题的两个替代解决方案。事实上，两者都允许早期检测热失控的发生并且因此防止热失控的传播。
附图说明
[0046]
图1a是电池的图示，该电池是本发明的第二主题。电池包括由连接构件和断开装置形成的组件。
[0047]
图1b示出了根据所述组件的特定实施例的微粒的膨胀的效果，该组件是本发明的第一主题。
[0048]
图2a示出了断开装置的另一实施例，其中，囊位于在连接构件中形成的腔中。
[0049]
图2b示出了在图2a的实施例的情况下微粒的膨胀的效果。
[0050]
图3是根据本发明的电化学电池单元的图示。该电池单元包括用于短路的装置。
具体实施方式
[0051]
与现有技术装置相比，根据本发明的组件和电化学电池单元具有增加的可靠性并且实现热失控的早期检测，原因如下：
[0052]-断开装置和用于短路的装置通过温度的增加而不是通过压力的增加来直接被激活。实际上，如上所述，压力的增加发生在热失控的晚期阶段，使得压力不是能够足够早地防止热失控发生的参数。此外，如前所述，已经发现，随着时间的推移，即使电池单元具有正常运行，压敏装置也可能触发，由此导致不需要的断开。
[0053]-当温度达到阈值(所述阈值小于150℃)时，断开装置和用于短路的装置中包括的微粒能够膨胀，其中现有技术装置中使用的可膨胀材料从大于本发明的阈值膨胀。因此，微粒能够足够早地触发所述装置，以便能够防止热失控传播。
[0054]
术语“断开装置”是指用于电断开由连接构件连接在一起的至少两个电化学电池单元的装置。
[0055]
术语“连接构件”是指能够确保电流通过并且将至少两个电化学电池单元彼此连
接的任何部件。该连接构件尤其可以是金属条带的形式。
[0056]
术语“囊”是指包括两部分的构件：
[0057]-容器成型部分，用于容纳所述微粒，
[0058]-形成闭合部件的部分，诸如盖。
[0059]
囊的两部分可以通过热焊接、压接或粘结连接在一起。
[0060]
每个微粒可以具有任何形状。每个微粒可以特别地具有实心管形状或实心球形状。优选地，微粒是微球。
[0061]
当微粒的温度小于所述阈值时，每个微粒可以具有与直径d1(范围是从10μm至50μm)的实心球的体积相等的体积，并且当微粒的温度大于或等于所述阈值时，每个微粒可以具有与直径d2的实心球的体积相等的体积，该直径d2比直径d1大3至5倍。直径d2的范围可以从30μm到250μm。
[0062]
当微粒的温度达到所述阈值时，微粒的总体积可以以范围从9至125按比例增加。
[0063]
此类微粒是从kureha公司可获得的。
[0064]
所述阈值可以是140℃、130℃、120℃、110℃、100℃、90℃或80℃。优选地，所述阈值可以在80℃与120℃之间。
[0065]
包裹微粒的囊可以由非导电材料制成。非导电材料可以是塑料材料。
[0066]
囊可以由在微粒膨胀时能够变形的材料制成，囊的变形导致连接构件断裂。一旦温度达到所述阈值，微粒的膨胀就发生，并且一旦温度超过阈值，囊的内容物将突然膨胀，直到连接构件断裂。
[0067]
囊膨胀的突然性意味着囊可以在小于10秒的一段时间(优选地小于5秒)内膨胀。
[0068]
包含在本发明的第一主题中的囊可以被布置在支撑件上。支撑件可由附接至将电化学电池单元彼此连接的连接构件的绝缘构件形成。
[0069]
在另一实施例中，该连接构件可以充当用于囊的支撑件。在这种情况下，连接构件被布置为使得连接构件包括用于容纳所述囊的腔。
[0070]
通过微粒的膨胀能够施加在连接构件上的压力的范围为0.5n/mm2至1.2n/mm2。
[0071]
连接构件可具有至少一个弱化区，并且微粒的膨胀可导致至少一个弱化区的断裂，从而导致两个电化学电池单元之间的连接破裂。该至少一个弱化区可以通过局部地减小连接构件的厚度来获得。
[0072]
微粒可以不是导电的。
[0073]
根据本发明，该阈值小于150℃。大于或等于150℃的阈值不允许该装置的足够快速的触发。因此，本发明排除了当其温度达到大于150℃的阈值时膨胀的可膨胀石墨。
[0074]
本发明还涉及一种电池，该电池包括：
[0075]-至少两个电化学电池单元，每个电化学电池单元包括至少两个电流输出端子，以及
[0076]-如以上所公开的至少一个组件，其中，该连接构件被连接在第一电化学电池单元的电流输出端子与第二电化学电池单元的电流输出端子之间。
[0077]
在一个实施例中，该至少两个电化学电池单元可以是圆柱形或棱柱形。
[0078]
根据本发明的组件适用于所有类型的电化学电池单元，更具体地适用于带有液体或固体电解质的锂离子类型、带有液体或固体电解质的锂金属类型、镍金属氢化物或镍镉
类型的电化学电池单元。
[0079]
本发明的第三主题是一种电化学电池单元，该电化学电池单元包括：
[0080]
a)至少两个极性相反的电流输出端子，以及
[0081]
b)用于使两个极性相反的端子短路的装置，所述装置包括：
[0082]
i)微粒，所述微粒在其温度达到阈值时能够膨胀，所述阈值小于150℃，
[0083]
ii)封装所述微粒的囊，所述囊被布置成使得当微粒的温度达到所述阈值时，微粒的膨胀导致所述两个极性相反的端子的连接。
[0084]
术语“用于短路的装置”是指能够电接触相同电池单元的两个极性相反的端子的装置。
[0085]
在根据本发明的第三主题的电化学电池单元中使用的微粒具有与以上在作为根据本发明的第一主题的组件的背景下公开的那些相同的技术特征。
[0086]
作为本发明的第三主题的电化学电池单元包括用于当电流超过确定值时中断该电池单元中的电流通过的装置。该装置可以是连接在极性相反的两个端子之间的熔丝。熔丝可以与电极板组串联连接。
[0087]
作为本发明的第三主题的电化学电池单元的囊可以由能够在微粒膨胀时变形的材料制成，囊的变形导致电池单元的两个极性相反的端子之间的电连续性。
[0088]
该电化学电池单元的囊可以由导电材料制成。导电材料可选自铝、铜和不锈钢。
[0089]
在另一实施例中，囊可以由覆盖有导电涂层的非导电材料制成。非导电材料可以是塑料材料。优选地，塑料材料是聚酰亚胺膜通过例如喷涂将导电材料施加到塑料囊。
[0090]
当该囊由非导电材料制成时，根据本发明的电化学电池单元可以进一步包括与所述囊接触的导电构件，该囊的变形导致该导电构件移动。该移动使得两个极性相反的端子短路。导电构件可以是金属双金属器件。导电构件可由形状记忆材料形成。
[0091]
该电化学电池单元的囊可以放置在支撑件上。在具体实施例中，该电化学电池单元的盖具有腔，该囊被容纳在该腔中。
[0092]
作为本发明的第三主题的如以上所公开的电化学电池单元可以包括：
[0093]
a)容器，所述容器包括用于引入电极板组的开口，以及
[0094]
b)放置在所述开口上的盖，
[0095]
其中，所述至少两个极性相反的电流输出端子与用于短路的装置放置在盖上或穿过盖。
[0096]
在一个实施例中，至少两个电流输出端子中的一个可以与盖直接接触。正端子可以与盖直接接触并且处于与盖相同的电位。负端子可与盖电绝缘。相反，正端子可与盖电绝缘，且负端子可与盖直接接触并处于与盖相同的电位。
[0097]
根据一个实施例，根据本发明的电化学电池单元可以是带有液体或固体电解质的锂离子类型、带有液体或固体电解质的锂金属类型、镍金属氢化物或镍镉类型。
[0098]
根据一个实施例，根据本发明的电化学电池单元可以是圆柱形、棱柱形或袋状形(袋式电池单元)。
[0099]
本发明还提供了作为本发明的第四主题的一种电池，该电池包括如以上定义的至
少一个电化学电池单元(本发明的第三主题)。
[0100]
参照图1a至图3，将更好地理解本发明。
[0101]
在图1a中，包括在(本发明的第一主题的)组件中的断开装置被配置为断开通过连接构件3连接在一起的两个电化学电池单元1、2。连接构件包括两个弱化区3a1、3a2。每个弱化区包括连接构件3的变薄。应当理解，本发明还可以在连接构件包括单个弱化区的情况下实施。
[0102]
每个电池单元包括正电流输出端子7和负电流输出端子8。含有微粒5的囊4被接触设置在连接构件的下表面。当微粒5的温度小于阈值(阈值本身小于150℃)时，倚靠在支撑件13上的囊4占据中间位置4a，并且微粒均具有与直径d1(范围从10μm至50μm)的实心球的体积相等的体积。支撑件借助于紧固装置(例如螺钉14)被固定到连接构件。
[0103]
在图1b中，当微粒5的温度达到所述阈值(所述阈值可以在80℃与149℃之间、优选地在80℃与120℃之间)时，则微粒膨胀至各自占据与直径d2的实心球的体积相等的体积，该直径d2比直径d1大3至5倍。
[0104]
微粒5的膨胀导致囊4的变形，然后囊4占据位置4b。因此，位置4b中的囊在连接构件3上施加压力。在图1b中公开的特定实施例中，位置4b处的囊在连接构件3的弱化区3a1和3a2附近施加压力。该压力使得连接构件3破裂，并因此使两个电化学电池单元1和2之间的连接断裂。
[0105]
图2a和图2b示出了断开装置的另一实施例，其中，囊4位于设置在连接构件3中的腔15中。腔的壁具有两个弱化区16、17。当微粒5的温度达到所述阈值时，囊在两个弱化区16、17附近施加压力，从而导致连接构件断裂，从而中断两个电化学电池单元1和2之间的电连接。
[0106]
包括在电化学电池单元中的用于短路的装置的运行(即本发明的第三主题)，通过如图3所示的具体实施例示出。如图3所示的电化学电池单元1包括：
[0107]
容器6，
[0108]
正端子7和负端子8，
[0109]
盖9，
[0110]
电极板组或板集10，
[0111]
熔丝11，
[0112]
包含微粒5的囊4，
[0113]
电绝缘层12。
[0114]
在这个具体实施例中，囊4被定位在盖9的凹部中。因此，凹部形成支撑件13。容器6和盖9与正端子7处于相同电位。盖9上的电绝缘层12使负端子8与盖绝缘。当微粒5的温度小于阈值(阈值本身小于150℃)时，囊4占据中间位置4a，并且每个微粒均具有与直径d1(范围从10μm至50μm)的实心球的体积相等的体积。当微粒5的温度达到所述阈值(该阈值可以在80℃与149℃之间、优选地在80℃与120℃之间)时，则微粒膨胀至各自占据与直径d2的实心球的体积相等的体积，该直径d2比直径d1大3至5倍。因此，微粒的膨胀导致囊4的变形，然后囊4占据位置4b。当囊占据位置4b时，其与负端子8直接接触。在该实施例中，囊4由导电材料制成，使得电流转向以穿过囊4，直到电流到达正端子7，从而产生短路并熔断熔丝11。熔丝11的熔断中断电化学电池单元中的电流流动，从而防止可能的热失控的发生。