本發(fā)明涉及一種用于接納電池單元體或者用于接納至少一個(gè)電池單元的電池外殼、一種具有電池外殼的電池以及一種用于制作電池外殼的方法。

背景技術(shù)：

1、電池單元——也稱為蓄電池單元——用于提供的電能的化學(xué)儲(chǔ)存。在此，最知名的電池單元之一就是鋰離子電池單元。

2、通常，電池單元包括至少一個(gè)形式上為電極線圈或者電極堆的電池單元體，該電池單元體又由至少一個(gè)正電極、至少一個(gè)負(fù)電極和至少一個(gè)布置在正電極與負(fù)電極之間的隔離器構(gòu)成。此外，電池單元體還可以具有絕緣箔，該絕緣箔纏繞在電極線圈或者電極堆周圍。為了構(gòu)成電池單元，將電池單元體裝入殼體中。根據(jù)殼體的結(jié)構(gòu)形式，電池單元設(shè)計(jì)成圓形電池、袋狀電池或者棱柱形電池。

3、而電池通常是電池模塊，由多個(gè)單體的電池單元組成，即帶有殼體的電池單元體，這些電池單元體一起被接納在殼體中。

4、鋰離子電池單元或者電池在某些情況下，如故障或者不當(dāng)操作，會(huì)導(dǎo)致在電池單元或電池內(nèi)形成氣體和過(guò)壓。因此，眾所周知，在電池單元或者電池的電池外殼中設(shè)置過(guò)壓閥或者破裂隔膜，以便將產(chǎn)生的氣體有針對(duì)性地向一個(gè)方向排出，防止電池單元的熱擊穿。

5、如果在電池外殼中引入破裂元件，視情況需要增加引入了破裂元件的那側(cè)的壁厚，以便該側(cè)的剛性盡管引入了破裂元件依然保持不變。為此，受生產(chǎn)條件限制，通常增加整個(gè)電池外殼的壁厚，然而這導(dǎo)致電池的電池單元體的材料消耗量大、空間需求更大或者容量更低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的電池外殼、一種具有電池外殼的改進(jìn)的電池以及一種制造電池外殼的方法。

2、根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過(guò)一種用于接納電池單元體或者用于接納至少一個(gè)電池單元的電池外殼得以實(shí)現(xiàn)，其具有封閉的環(huán)繞框架狀周壁。該周壁構(gòu)造成一體的，具有重疊部段，在該重疊部段中所述周壁的起始部段與所述周壁的終端部段重疊并且相互靠緊緊固。在周壁的起始部段中或者終端部段中設(shè)有破裂元件，并且在兩個(gè)所述部段中的另一個(gè)部段中設(shè)有與破裂元件相對(duì)置的凹空部。

3、本發(fā)明的基本思想的基礎(chǔ)是，在通過(guò)彎曲法、擠壓法、焊接法或者滾壓成形法制成并且作為安全元件具有一個(gè)破裂元件的金屬電池外殼中不必增加整個(gè)電池外殼的壁厚，而是通過(guò)引入重疊部段實(shí)現(xiàn)對(duì)電池外殼的一側(cè)加固，該加固使電池外殼具有足夠的穩(wěn)定性。因此，所述重疊部段具有加固一側(cè)的效果。從而在制作電池外殼時(shí)可以節(jié)省材料，并且電池外殼盡管具有破裂元件依然足夠穩(wěn)定。若所述電池外殼設(shè)置用于包圍多個(gè)電池單元，在外部尺寸相同的情況下它總共可以容納更多的電池單元。

4、根據(jù)本發(fā)明，電池單元體構(gòu)成電池單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并由至少一對(duì)相對(duì)布置的正極和負(fù)極構(gòu)成，所述正極和負(fù)極由隔離器相互隔開(kāi)。優(yōu)選的是，電池單元體由多層正極、隔離器和負(fù)極構(gòu)成，該多層要么借助于堆疊技術(shù)、要么借助于纏繞技術(shù)制成。電池單元體可額外地含有將電極堆完全包圍的絕緣箔，以防止電極堆與電池外殼直接接觸并因此防止電極與金屬殼體之間短路。

5、電池單元包括電池單元體、將其包圍的殼體，該殼體又與封蓋和底部材料熔合地焊接在一起，然后填充電解液。在這種情況中，殼體構(gòu)成電池外殼，并利用其本身封閉的周壁將電池單元體完全以框架式包圍。

6、然而，本發(fā)明的電池外殼也可容納一個(gè)或者多個(gè)成品電池單元(連同其單個(gè)的殼體)。根據(jù)電池外殼應(yīng)該容納的內(nèi)容，電池外殼具有不同的尺寸。然而，電池外殼優(yōu)選只用于接納具有一個(gè)或者多個(gè)正極、負(fù)極和隔離器以及必要時(shí)一層絕緣箔的單個(gè)電池單元體。

7、為了防止電池單元或者電池在電池外殼的內(nèi)部壓力超過(guò)事先確定的極限值的破裂情況下不受控地爆炸，并將壓力有針對(duì)性地引向一個(gè)方向，電池外殼的周壁具有破裂元件，該破裂元件用作內(nèi)部壓力升高情況下的安全元件。在此，破裂元件構(gòu)成原本封閉的電池外殼中的預(yù)定破裂點(diǎn)。在此，破裂元件設(shè)計(jì)成使得它只有在達(dá)到預(yù)期的單元內(nèi)部壓力時(shí)才爆裂，而不是在單元內(nèi)部壓力過(guò)小時(shí)已經(jīng)爆裂或者在單元內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí)才爆裂。

8、重疊部段中與破裂元件對(duì)置的凹空部用于只在破裂元件區(qū)域內(nèi)削弱在重疊部段內(nèi)加固的電池外殼并消除那里的加固，以便在破裂情況下破裂元件可爆裂并可進(jìn)行壓力平衡。

9、在此，所述凹空部?jī)?yōu)選至少與破裂元件本身一樣大，使得該破裂元件始終完全布置在所述凹空部?jī)?nèi)。因此防止了在破裂情況下破裂元件周圍的電池外殼受損，并在最壞的情況下導(dǎo)致電池外殼破碎。

10、根據(jù)本發(fā)明，在重疊部段中彼此重疊的起始部段和終端部段通過(guò)材料熔合相互連接。如激光焊接或者攪拌摩擦焊接或者釬焊方法的接合方法特別適合這個(gè)目的。可以通過(guò)熔透焊接從電池外殼貼靠在所述部段上的那側(cè)開(kāi)始或者經(jīng)過(guò)角焊縫將兩個(gè)所述部段相互靠緊緊固。電池外殼通過(guò)凹空部的邊緣區(qū)域中的雙重或者多重壁在這個(gè)邊緣區(qū)域獲得加固，這改善了有針對(duì)性的開(kāi)啟過(guò)程。

11、根據(jù)本發(fā)明，所述電池外殼通過(guò)例如由鋁材或者鋼材成形的、壁厚恒定的扁平材料構(gòu)成。因此，周壁的壁厚基本上也是恒定的，除了破裂元件和凹空部的區(qū)域中可能的弱化區(qū)域之外。在那里，壁厚可以局部小于扁平材料的壁厚，因此也小于周壁的壁厚。周壁的壁厚特別是在0.2mm與3mm之間。這個(gè)范圍內(nèi)的壁厚使穩(wěn)定的電池外殼成為可能，該電池外殼承受住高的內(nèi)部壓力，而不會(huì)在制作時(shí)消耗太多的材料。

12、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，電池外殼在所述凹空部之外的重疊部段中具有一個(gè)壁厚，該壁厚大于周壁在重疊部段之外的壁厚。通過(guò)所述凹空部并且在必要時(shí)還通過(guò)破裂元件，減小重疊部段的這些區(qū)域中的壁厚。在重疊部段的其余區(qū)域中，即在既未引入破裂元件、也未引入凹空部的地方，電池外殼的壁厚大于單重周壁的壁厚，因?yàn)橹鼙谠谀抢锸请p重的。周壁在重疊部段中多次重疊當(dāng)然也是可能的。重疊在重疊部段中形成對(duì)周壁的一側(cè)加固。以此可以補(bǔ)償電池外殼由添加破裂元件和凹空部導(dǎo)致的削弱。特別是，重疊部段的既沒(méi)引入破裂元件、也沒(méi)引入凹空部的區(qū)域中的壁厚是單重周壁的壁厚的雙倍或者多倍。這是因?yàn)槠鹗疾慷魏徒K端部段中的壁厚與周壁的壁厚相對(duì)應(yīng)，通過(guò)起始部段與終端部段的重疊導(dǎo)致未安裝破裂元件和凹空部的重疊部段區(qū)域中的壁厚翻倍，或者在多次重疊的情況下導(dǎo)致未安裝破裂元件和凹空部的重疊部段區(qū)域的壁厚增加許多倍。因此，在這些區(qū)域中，壁厚在翻倍的情況下在0.4mm與6mm之間，在多次重疊的情況下它相應(yīng)地是它們的多倍。

13、根據(jù)本發(fā)明，電池外殼的周壁具有多邊形的橫截面，特別是矩形橫截面，其具有兩個(gè)短側(cè)面和兩個(gè)長(zhǎng)側(cè)面。

14、重疊部段優(yōu)選只布置在一個(gè)短側(cè)面上或一個(gè)長(zhǎng)側(cè)面上。特別是由于電池外殼的矩形橫截面，該電池外殼特別適合于接納棱柱形電池單元體。然而，原則上可能的是，電池外殼也具有不同的多邊形橫截面，以便能夠接納不同形狀的電池單元體。然而，矩形橫截面是優(yōu)選的，因?yàn)槠渲薪蛹{的棱柱形電池單元體或者電池單元例如與圓柱體形電池單元相比具有更好的散熱性。

15、在矩形橫截面的情況下，周壁總共具有至少四個(gè)彎邊。在此，每個(gè)彎邊具有的彎曲半徑在0.2mm與10mm之間。根據(jù)彎曲半徑的不同，周壁在彎曲區(qū)域中承受或多或少的負(fù)荷。在此，與較小的彎曲半徑相比，大的彎曲半徑導(dǎo)致周壁在彎曲區(qū)域中較小的材料應(yīng)力。與此相反，電池外殼的可接納電池單元體或者電池單元的內(nèi)部容積由于大的彎曲半徑而減小。如果周壁具有多于四個(gè)的彎邊的話，電池外殼要么不再具有多邊形橫截面，要么重疊部段超出電池外殼的兩側(cè)延伸。由于多于四個(gè)的彎邊，還可以實(shí)現(xiàn)周壁在重疊部段中的多次重疊。

16、無(wú)論電池外殼的彎邊數(shù)量多少，在電池外殼的橫截面為矩形的情況下，短側(cè)面與相鄰的長(zhǎng)側(cè)面相夾成基本上為90°的彎曲角α。由于90°的彎曲角，形成電池外殼的特別適合于接納棱柱形電池單元體的矩形橫截面。

17、根據(jù)本發(fā)明，電池外殼的重疊部段構(gòu)成側(cè)面的面積的至少90％，和/或所述凹空部在所有側(cè)面都遠(yuǎn)離重疊部段的邊緣。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池外殼的充分支撐和加固，要么該電池外殼的具有重疊部段的側(cè)面幾乎完全由重疊部段構(gòu)成并且?guī)缀跬耆哂须p重或者多重壁厚，要么凹空部與重疊部段的邊緣間隔開(kāi)。兩種方案都確保了對(duì)所述側(cè)面的足夠程度的加固。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)所述側(cè)面的盡可能高的加固的話，也可以將特別大的重疊部段與不與該重疊部段的邊緣接觸的凹空部相結(jié)合。以此還額外確保了，凹空部通過(guò)重疊部段獲得充分支撐，使得所述側(cè)面具有特別高的剛性，并且所述凹空部不構(gòu)成額外的薄弱點(diǎn)，甚至不構(gòu)成預(yù)定破裂點(diǎn)。

18、根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述破裂元件是安裝在周壁上的附加部件。特別是，所述破裂元件例如通過(guò)激光焊接以材料熔合方式安裝在周壁上。通過(guò)將破裂元件材料熔合地安裝在周壁上，確保破裂元件與周壁接觸的安裝位置不構(gòu)成在破裂情況中爆裂并且電池單元體內(nèi)的氣體會(huì)不受控地逸出的額外預(yù)定破裂點(diǎn)。如果破裂元件設(shè)計(jì)成單獨(dú)的部件，它可以是例如破裂隔膜或者破裂盤。

19、作為備選方案，所述破裂元件也可構(gòu)造成周壁的一部段，并且逐漸與周壁的其余部分融為一體并具有弱化區(qū)域。在這種情況下，所述破裂元件是周壁的一部分，并直接引入到周壁的材料中，例如通過(guò)銑削。在這種情況中，所述破裂元件具有弱化區(qū)域，在該弱化區(qū)域中周壁的材料例如通過(guò)銑削被額外減薄。在破裂情況下，周壁于是準(zhǔn)確地在弱化區(qū)域中爆裂，從而氣體可有針對(duì)性地逸出。

20、所述弱化區(qū)域可毗鄰凹空部的邊緣延伸，或者它橫跨凹空部延伸。在此，弱化區(qū)域的走向取決于多種因素。首先，決定性的是，弱化區(qū)域總體上必須是多大，以便在破裂情況下提供一個(gè)開(kāi)口，該開(kāi)口大得足以將電池外殼中產(chǎn)生的壓力盡可能快地排出，而同時(shí)例如電池單元體不能穿過(guò)所述開(kāi)口。其次，弱化區(qū)域的走向還取決于電池外殼的大小和凹空部的可能的最大尺寸。

21、凹空部應(yīng)該大于破裂元件。換言之，弱化區(qū)域應(yīng)該始終完全位于所述凹空部?jī)?nèi)，以確保成功爆裂，而不損傷電池外殼的其他非預(yù)期的位置。

22、根據(jù)本發(fā)明，破裂元件的弱化區(qū)域是相對(duì)于電池外殼位于內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)的凹槽。特別是，該凹槽具有楔形或梯形橫截面，并可選地具有倒角。在此，弱化區(qū)域可以相對(duì)電池外殼位于內(nèi)側(cè)或者外側(cè)。也可以在兩側(cè)都設(shè)計(jì)有弱化區(qū)域。

23、在破裂情況下，所述破裂元件具有20至5,000mm2的打開(kāi)面積。打開(kāi)壓力，即電池外殼的內(nèi)部為了引起破裂元件爆裂須達(dá)到的壓力，在2與30bar之間。打開(kāi)面積的尺寸取決于破裂元件的尺寸。例如可以通過(guò)破裂元件的凹槽的尺寸或者通過(guò)設(shè)置特定的破裂元件來(lái)調(diào)節(jié)和匹配打開(kāi)壓力。

24、根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述電池外殼在端側(cè)由與周壁聯(lián)接的底部和相對(duì)置的封蓋封閉。在此，底部或封蓋與殼壁之間的連接是材料熔合連接，從而既不會(huì)有注入殼體的電解質(zhì)溶液通過(guò)焊縫泄漏，也不會(huì)有其他的物質(zhì)經(jīng)由焊縫進(jìn)入電池單元中。

25、底部和封蓋都可以具有電池所需的兩極。在此，要么封蓋可以具有兩極，要么一極布置在封蓋中，而第二極布置在底部中。

26、上述目的還通過(guò)一種電池得以實(shí)現(xiàn)，其具有上述電池外殼和一個(gè)或多個(gè)安置在其中的電池單元體或者一個(gè)或多個(gè)安置在其中的、配備有各一個(gè)本身的殼體的電池單元。電池單元優(yōu)選是棱柱形電池單元。電池除了電池外殼和電池單元體或者電池單元之外，還額外地具有上述底部、封蓋和電解質(zhì)溶液。

27、根據(jù)本發(fā)明，還規(guī)定了制造電池外殼的四步驟方法。

28、在第一步驟中，提供由扁平材料制成的平板。在此，該平板可由任何金屬材料構(gòu)成，然而，它特別是由鋁材或者鋼板制成。

29、在第二步驟中，在平板的起始部段上或者終端部段上設(shè)置破裂元件，特別是，如果破裂元件是單獨(dú)的部件則安裝破裂元件，如果所述破裂元件構(gòu)造成平板的一部分則對(duì)它進(jìn)行引入。然后在兩個(gè)所述部段中的另一個(gè)部段中構(gòu)成在組裝狀態(tài)下與所述破裂元件相對(duì)置的凹空部。

30、在第三步驟中，將所述平板成形制成封閉環(huán)繞的框架狀周壁。為此，平板在至少四個(gè)點(diǎn)成形，從而形成至少四個(gè)彎邊。在此，周壁的起始部段與終端部段至少部分地重疊并共同構(gòu)成重疊部段?？梢詫?duì)所述平板要么進(jìn)行彎曲、滾壓成形、流動(dòng)沖壓，要么進(jìn)行疊壓。然而，它特別是被彎曲或者通過(guò)管成形制成循環(huán)管，因?yàn)樵谠摲椒ㄖ?，破裂元件的后期裝入更為簡(jiǎn)單。

31、在第四步驟中，通過(guò)接合方法在重疊部段中將起始部段與終端部段至少部分相互材料熔合地連接。可能的接合方法有激光焊接或者攪拌摩擦焊接，從而形成角焊縫。如果起始部段與終端部段重疊到使得這兩個(gè)部段之一與第二側(cè)壁接觸的程度，便可將這個(gè)部段通過(guò)熔透焊接緊固在抵靠的殼體側(cè)上。也可以在整個(gè)重疊區(qū)域中全面實(shí)施連接，例如通過(guò)釬焊。

32、當(dāng)然，也可以在電池外殼成形并將起始部段與終端部段連接之后添加破裂元件和與該破裂元件對(duì)置的凹空部。

33、在此，所述破裂元件完全位于凹空部之內(nèi)是有利的。所述破裂元件可以被直接引入到材料中，或者作為單獨(dú)的破裂元件例如通過(guò)激光焊接材料熔合地安裝在周壁上。在此，所述破裂元件可以設(shè)置在周壁的內(nèi)側(cè)層上或者外側(cè)層上。根據(jù)所述破裂元件構(gòu)造在哪一層上，周壁的另一層在重疊區(qū)域中具有相對(duì)置的凹空部。

34、為了制造成品電池，在電池外殼制作完成之后，將電池單元體裝入電池外殼中。底部和封蓋例如通過(guò)激光焊接或者超聲波焊接將電池外殼封閉。然后或者之前引入電解質(zhì)溶液。然而，也可以將一個(gè)或者多個(gè)成品的電池單元裝入電池外殼中。然后將底部和封蓋安裝在周壁上，最終完成電池并將電池外殼封閉。