具有電池管理系統(tǒng)、多個單元子組和氣密性殼體的電池的制作方法
【專利說明】具有電池管理系統(tǒng)、多個單元子組和氣密性殼體的電池
[0001 ]該非臨時專利申請要求于2013年8月9日提交的臨時專利申請61/864，342以及于2013年9月16日提交的臨時專利申請61 /878，484的較早申請日期的權(quán)益。
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例整體涉及電池，并且更具體地涉及電池芯結(jié)構(gòu)的氣密性封裝或包封。還公開了其他實(shí)施例。
【背景技術(shù)】
[0003]電池由形成其芯結(jié)構(gòu)的一個或多個電化學(xué)單元構(gòu)成，其中每個單元可包括由電解質(zhì)分開的陽極和陰極和/或其他部件。例如，鋰離子電池單元可包括具有鋰鈷氧化物層的陰極、置于陰極上方的隔板層和置于隔板層上方的陽極。此類層中的一者或多者可能對包括水分和氧氣的環(huán)境暴露敏感。因此，一個或多個單元的組件可以氣密性密封的方式被包封或封裝，以便保護(hù)組件免受水分、氧氣和/或可能毀壞芯結(jié)構(gòu)的其他環(huán)境成分的影響。
[0004]傳統(tǒng)的電池芯包封涉及將電池芯置于下袋片和上袋片之間，然后氣密地密封這些袋片。袋片材料是金屬層或箔片層合體，即層合在電絕緣層之間的金屬箔片。為了減少袋片占用的空間，邊緣被折疊。然而，折疊部分仍然添加到成品電池的水平維度。并且，密封本身是有機(jī)擴(kuò)散區(qū)，并不作為金屬區(qū)起作用。此外，折疊部分可能在芯與袋內(nèi)部之間留出空的空間，從而進(jìn)一步增大水平維度。這對于薄膜電池尤其令人關(guān)注，薄膜電池由納米或微米厚度范圍的薄材料構(gòu)成并且允許成品電池只有幾毫米厚，而具有例如幾十毫米數(shù)量級的長度或?qū)挾?。此類電池可能需要裝配在例如該電池被結(jié)合到其中的消費(fèi)者電子設(shè)備中的非常有限的空間內(nèi)。成品電池的尺寸的任何增大，尤其是殼體內(nèi)部的未被能量存儲或活性單元材料占據(jù)的區(qū)域的任何增大將減小電池能量密度(除非芯的尺寸成比例地增大)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個實(shí)施例是具有氣密地密封的殼體的電池，電池單元芯容納在所述殼體內(nèi)部，所述芯具有多個單元子組，每個單元子組包括至少一個電池單元。所述殼體具有形成于其中的導(dǎo)電路徑，每個單元子組通過所述導(dǎo)電路徑單獨(dú)地連接到電池管理電路。
[0006]在一個實(shí)施例中，電池管理電路通過所述導(dǎo)電路徑單獨(dú)地感測所述單元子組中的每個單元子組的電壓。在另一個實(shí)施例中，電池管理電路例如響應(yīng)于感測到失效單元或從外部系統(tǒng)接收到改變電池的主輸出電壓的命令而使用所述導(dǎo)電路徑來將單元子組中的任一單元子組與單元子組中的另一單元子組串聯(lián)或并聯(lián)連接，其中電池的主輸出電壓可通過一對外部電池端子來提供。
[0007]在一個實(shí)施例中，氣密地密封的殼體包括其中保持芯的金屬盒體。非導(dǎo)電頂蓋覆蓋盒體的開口，其中頂蓋的周邊沿盒體的邊界結(jié)合到盒體以密封所述開口。在一個實(shí)施例中，盒體與安裝的頂蓋的組合用作容納在其中的電池芯所需要的唯一的氣密性殼體或封裝。非導(dǎo)電路徑中的至少一些非導(dǎo)電路徑形成于所述頂蓋中。頂蓋可主要由在其中可形成導(dǎo)電路徑的水分不可滲透的電絕緣材料諸如陶瓷，例如基于氧化鋁和鋯的陶瓷制成。所述一對外部電池端子也可暴露在頂蓋的外表面。
[0008]在一個實(shí)施例中，形成于頂蓋中的導(dǎo)電路徑中的每個導(dǎo)電路徑提供盒體內(nèi)部的單元子組中的相應(yīng)一個單元子組與暴露于盒體外部的外部部分之間的單獨(dú)電流路徑。在這種情況下，管理電路的部分或全部可被安裝在頂蓋的外表面上，同時連接到導(dǎo)電路徑的外部部分。另選地，管理電路的部分或全部可嵌入導(dǎo)電頂蓋內(nèi)(同時管理電路也耦接到提供主輸出電壓的所述一對外部端子)。
[0009]在另一個實(shí)施例中，管理電路的部分或全部可位于氣密地密封的殼體內(nèi)部，在單元芯與頂蓋之間。在這種情況下，單元子組與管理電路之間的連接中的一些連接可不形成于頂蓋內(nèi)，而是通過例如位于殼體內(nèi)部的柔性電路來形成。
[0010]頂蓋可利用例如有機(jī)環(huán)氧樹脂或膠粘物結(jié)合到盒體，以沿頂蓋的整個邊緣封閉盒體開口中的頂蓋與盒體之間的間隙。在另一個實(shí)施例中，頂蓋具有沿其邊緣或周邊(例如整個邊緣)形成的金屬化部，并且在這種情況下，頂蓋可通過頂蓋金屬化部與盒體壁邊緣之間的金屬和金屬結(jié)合(例如焊合、銅焊、焊接)而被結(jié)合到盒體。
[0011]在一個實(shí)施例中，盒體是具有六個面的預(yù)成形的金屬矩形棱柱或多面體。盒體具有單個未成形的面，從而限定電池芯結(jié)構(gòu)可通過其插入盒體中的單個開口。盒體可具有高的縱橫比，并且開口可以是盒體的整個側(cè)面。描述了構(gòu)成盒體的其他方式。例如，盒體的單個開口可以是整個頂面(而不是側(cè)面)，使得盒體大體上類似于桶。電池芯在這種情況下從開放頂部被插入桶中。為了封閉此類盒體，四面金屬件可被形成并沿其三個面結(jié)合到盒體開口邊界。頂蓋被定位在頂部金屬件附近，并且可沿其一個邊緣結(jié)合到頂部件的自由邊緣，并且沿其他三個邊緣結(jié)合到盒體開口邊界。桶可被成形為不是矩形棱柱，諸如是橢圓形的、三角形的、五邊形的、六邊形的和不規(guī)則的。在這樣的情況下，頂蓋可以是橢圓的、三邊的、五邊的、六邊的和不規(guī)則邊的，以適合桶的頂部開口?？墒褂秒婅T方法來制備盒體的各種實(shí)施例，這可得到相對薄的盒體壁。然而，也可使用更低成本的傳統(tǒng)的金屬拉制方法，尤其是在桶狀盒體和頂部件的這種情況下。
[0012]在另一方面，盒體可以是四面的(四個接合面)，并且其開口由兩面(兩個接合面或L形)頂蓋來密封。在另一個實(shí)施例中，盒體可以只是三面的(三個接合面)，并且頂蓋也是三面的。將那兩者放在一起將又形成六面棱柱。此類技術(shù)可使得更容易將芯插入或定位在盒體中。在另一個實(shí)施例中，盒體可以是桶體(上面提到的形狀中的任一者)，其中不僅缺少頂側(cè)或面，而且還缺少側(cè)壁中的一個側(cè)壁。再次，在這種情況下，適當(dāng)成形的頂蓋接合到桶體(并沿頂蓋與桶體之間的間隙密封)，從而形成電池芯位于其中的氣密地密封的殼體。
[0013]在另一個實(shí)施例中，盒體被形成為框架，其中例如四個側(cè)面接合而保留開放的頂面和底面，使得盒體由兩個分開的頂蓋件密封，即頂部件和底部件，它們中的一者或兩者可主要由非導(dǎo)電材料制成，并且它們中的一者或兩者可具有形成于其中的導(dǎo)電路徑以便與盒體內(nèi)部的單元子組連接。
[0014]頂蓋可包含主(+)和(_)外部電池端子，和/或其可包含連接到構(gòu)成單元芯的單獨(dú)單元子組的多個導(dǎo)電路徑，從而使得能夠連接到管理電路以為了監(jiān)測目的而單獨(dú)尋址每個單元子組和/或以在單元子組之間進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)連接。除了板部分之外，頂蓋還可具有可向外延伸(例如基本上垂直于板)的一體成形的平臺或舌狀物。該平臺可包含可用于將成品電池安裝到例如消費(fèi)者電子設(shè)備中的特征，諸如機(jī)械附接機(jī)制(例如螺紋連接孔、聯(lián)鎖裝置、扣合或彈性聯(lián)鎖裝置)。
[0015]在另一方面，電池芯被處理以形成其四周的一體化或“原位形成”的殼體。芯通過被涂覆有介電層(例如派瑞林(parylene)涂層)而被電絕緣，然后水分阻擋層被直接金屬化到派瑞林覆蓋的芯上。在這種情況下，金屬化部可與端蓋材料(例如陶瓷)重疊。作為一種另選形式，頂蓋可被省略，例如如果外部電池端子或連接器能接合到芯的單元端子并且電絕緣(以避免在施加水分阻擋金屬化部時的電氣短接)的話。
[0016]在另一方面，描述了可有助于實(shí)現(xiàn)電池芯疊堆的尺寸上的緊密度容限使得芯疊堆能夠更容易地插入盒體中的用于在薄膜電磁矩形棱柱芯疊堆的陰極或陽極層之間形成電連接的各種技術(shù)。
[0017]本發(fā)明的另一方面是可用于抑制薄膜電池芯疊堆的襯底彎曲的技術(shù)，這又有助于滿足疊堆的尺寸上的緊密度容限水平。
[0018]以上概述不包括本發(fā)明的所有方面的詳盡列表?？深A(yù)期的是，本發(fā)明包括可由上文概述的各個方面以及在下文的【具體實(shí)施方式】中公開并且在隨本專利申請?zhí)峤坏臋?quán)利要求中特別指出的各種方面的所有合適的組合來實(shí)施的所有系統(tǒng)和方法。此類組合具有未在上述
【發(fā)明內(nèi)容】
中具體闡述的特定優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的實(shí)施例以舉例的方式進(jìn)行說明，而不僅限于各個附圖的圖示，在附圖中類似的附圖標(biāo)號指示類似的元件。應(yīng)當(dāng)指出，本公開中提到本發(fā)明的“一”或“一個”實(shí)施例未必是同一實(shí)施例，并且它們表示至少一個實(shí)施例。而且，某個附圖在這里可用于示出本發(fā)明不止一個實(shí)施例的特征，并且并非附圖中的所有元素對于給定實(shí)施例都是需要的。
[0020]圖1是一種示例性盒體和頂蓋以及待通過盒體開口插入盒體中的電池芯的透視圖。
[0021]圖2是其中電池芯完全插入盒體中并且頂蓋已密封盒體開口的圖1的電池的透視圖。
[0022]圖3A、3B是桶狀盒體的透視圖和剖面圖。
[0023]圖4為另一個盒體和頂蓋組合的透視圖。
[0024]圖5A、5B在透視圖中示出一種示例性電池芯可如何電連接到頂蓋中的通過一對外部端子提供電池的主輸出電壓的導(dǎo)電路徑，以及頂蓋可如何密封盒體開口。
[0025]圖5C是根據(jù)本發(fā)明的若干實(shí)施例的安裝到盒體開口中的頂蓋的剖面圖。
[0026]圖f5D是參考多射注塑方法的頂蓋的剖面圖。
[0027]圖6是安裝到盒體開口中的頂蓋的剖面圖，其中頂蓋在其中具有連接到多個電池單元子組的多個導(dǎo)電路徑，并且電池管理電路也連接到該多個導(dǎo)電路徑。
[0028]圖7A、7B示出如何能夠在電池芯疊堆的電化學(xué)活性(電極或極)層之間形成拐角連接的透視圖。
[0029]圖7C示出了利用“折角”方法在電池芯疊堆的電極層之間形成連接的另一方式。
[0030]圖7D示出了利用導(dǎo)電柱式結(jié)構(gòu)和粘附方法在電池芯疊堆的電極層之間形成連接的另一方式。
[0031]圖7E示出了在電池芯疊堆的電極層之間形成連接的另一方式，即穿過凹口引線鍵合方法。
[0032]圖7F示出了在電池芯疊堆的電極層之間形成連接的另一方式，即使用柔性電路或其他印刷電路板和在電極層的面處接合的引線鍵合。
[0033]圖7G示出了在電池芯疊堆的電極層之間形成連接的另一方式，即使用柔性電路和在電極層的邊緣處接合的引線鍵合。
[0034]圖7H示出了將電極層連接到柔性電路的引線鍵合能夠如何被定位在電池芯疊堆的拐角處以利用盒體內(nèi)部的開放拐角空間。
[0035]圖71示出了利用電極層的折疊的突出部延伸部在電池芯疊堆的電極層和柔性電池之間形成連接的另一方式。
[0036]圖7J示出了利用通過電極層的對準(zhǔn)的突出部形成的豎直連接來在電池芯疊堆的電極層和柔性電路之間形成連接的另一方式。
[0037]圖7K示出了利用其中柔性電路纏繞每個單元子組疊堆的三個側(cè)面的“插頁”方法在電池芯疊堆的電極層和柔性電路之間形成連接(以到達(dá)頂蓋中的導(dǎo)電路徑)的另一方式。
[0038]圖7L示出了頂蓋可如何具有安裝在其內(nèi)側(cè)面上的板到板連接器以通過連接的柔性電路聚集來自電極層的連接。
[0039]圖8是其上具有一體化或原位形成的金屬殼體的電池芯的剖面圖。
[0040]圖9A示出了使用薄膜電池芯疊堆的襯底的背面上的平衡膜來有助于在襯底的相對面上形成陰極期間減輕襯底彎曲。
[0041]圖9B、9C、9D示出了用于形成具有背面應(yīng)力平衡膜的薄膜電池芯疊堆的部分的不同方法。
【具體實(shí)施方式】
[0042]現(xiàn)在將參考所附附圖來解釋本發(fā)明的若干個實(shí)施例。每當(dāng)在實(shí)施例中描述的部件的形狀、相對位置和其他方面未明確限定時，本發(fā)明的范圍并不僅局限于所示出的部件，所示出的部件僅用于例證的目的。另外，雖然闡述了許多細(xì)節(jié)，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的一些實(shí)施例可在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下被實(shí)施。在其他實(shí)例中，未詳細(xì)示出熟知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以免模糊對本【具體實(shí)施方式】的理解。
[0043]圖1和2示出了本文所述的氣密地密封的電池的一個示例性示例的透視圖。這些附圖示出了可如何利用預(yù)成形的金屬盒體為電池芯或電池芯組件提供氣密地密封的殼體，該電池芯或電池芯組件可以是薄膜電池疊堆。具體地，圖1是可包括盒體2、頂蓋4以及待通過盒體開口插入盒體2中的電池芯3的電池的一個分解透視圖。圖2為圖1所示的電池組裝起來的一個透視圖。如此處所示，電池芯可被定位在盒體2內(nèi)，并且頂蓋4可被密封到盒體以覆蓋盒體開口。盒體2和頂蓋4一起可形成其中可保持電池芯3的氣密地密封的外殼。
[0044]盒體2和頂蓋4形成的殼體可具有任何合適的幾何形狀。在一些變型形式中，殼體可以是具有基部形狀的棱柱。例如，在圖1和2中所示的變型形式中，基部形狀是矩形，使得殼體是矩形棱柱。在其他變型形式中，基部形狀可以是三角形、圓形或橢圓形、C形、其他多邊形、不規(guī)則形狀等。當(dāng)殼體具有棱柱形狀時，盒體也可具有包括一個或多個開口的棱柱形狀。例如，圖1和2中的盒體具有矩形棱柱形狀，但是其可具有其他形狀，諸如以上所列出的形狀。在所示示例中，盒體具有電池芯3(也被稱為單元芯或薄膜單元疊堆)可通過其被插入的單個開口 1。盒體的多面體