DE60009108T2

DE60009108T2 - Batteriedose

Info

Publication number: DE60009108T2
Application number: DE60009108T
Authority: DE
Inventors: K. James JACOBS; Sankar Dasgupta
Original assignee: Electrovaya Inc
Current assignee: Electrovaya Inc
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2020-09-23
Also published as: KR100501416B1; CN1376321A; CA2290714C; EP1218956A1; JP3892297B2; CN1181587C; DE60009108D1; CA2290714A1; EP1218956B1; US6337154B1; TW535311B; WO2001024302A1; KR20020059594A; JP2003510789A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Struktur und den Aufbau einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie aus wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wiederaufladbare Lithiumbatteriezellen werden im Allgemeinen als einzelne Zelleneinheiten entweder in zylindrische Metallröhren oder Folientaschen gepackt. Jede Zelleneinheit enthält positive und negative Elektroden, einen Elektrolyten und positive und negative Stromsammler. Die Stromsammler müssen von der Außenseite der Packung her zugänglich sein, um mit dieser eine elektrische Verbindung zu ermöglichen.
Aufgrund der in einer wiederaufladbaren Lithiumbatteriezelle verwendeten Materialien muß die Zelle gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff geschützt werden, um ungewünschte Reaktionen zu vermeiden. Des weiteren muß im Falle einer Nutzung von flüssigem Elektrolyten die Packung ebenso geeignet sein, ein Austreten des flüssigen Elektrolyten zu verhindern. Zellendichtungen sind normalerweise sperrig und schwer und bilden oftmals mehr als 10% des Zellengewichtes und -volumens.
Um verschiedene Anforderungen bezüglich der Reservekapazität und -spannung zu erfüllen, werden eine Vielzahl von Lithiumbatteriezellen normalerweise in einer Batteriedose aus Kunststoff mit geeigneten zwischenliegenden Zellverbindungen eingelegt. Die Batteriedosen bilden in erster Linie eine als Gehäuse dienende Struktur für die Batteriezellen. Da die Zellen selbst gegen ein Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit und ein Austreten von flüssigem Elektrolyten abgedichtet sind, war es in der Vergangenheit nicht notwendig oder kosteneffektiv, eine hermetisch abgedichtete Batteriedose für Lithium-Ionenzellen zu ermöglichen.
Bei in Taschen aus "Folien" gepackten Lithiumbatteriezellen entsteht aus dem Gebrauch einer polymerisch beschichteten Folie ein Bedarf, in geeigneter Weise sicherzustellen, daß Leitungen von den Stromkollektoren das Folienmaterial nicht kontaktieren und dabei "kurzschließen". Dieses Problem ist im wesentlichen entlang der äußeren Kanten der Folienabdeckung von Bedeutung, welche gewöhnlich größenmäßig zugeschnitten worden sind, wobei die elektrisch leitende Folie in eine große Nähe zu den Leitungen gebracht wird und ein Bedarf nach einer Abschirmung der Leitungen in diesem Gebiet erzeugt wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Batteriedose für wiederaufladbare Lithiumbatteriezellen zu ermöglichen, welche mechanisch stark und hermetisch abdichtbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Batteriedose ist gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff und ein Austreten von flüssigem Elektrolyten abdichtbar. Die Batteriedose beinhaltet ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende und sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckende und eine Kammer ausbildende Seitenwände zum Umschließen einer Vielzahl von wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen.
Das erste Ende und die Seitenwände sind metallisch und weisen eine im wesentlichen für Feuchtigkeit und Sauerstoff-Gas undurchlässige, zwischenliegende Verbindung auf.
Das zweite Ende besteht aus einem Metall-Kunststoff-Laminat und ist mit den Seitenwänden durch ein Verbindungsmedium verbindbar, um eine im wesentlichen für Feuchtigkeit und Sauerstoff undurchlässige, zwischenliegende Verbindung auszubilden. Das zweite Ende weist durch dieses hindurchragende elektrische Verbinder auf, welche eine für Feuchtigkeit und Sauerstoff im wesentlichen undurchlässige Verbindung zwischen den Stromkollektoren der wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen und dem Äußeren der Batteriedose ermöglichen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer wiederaufladbaren Lithiumbatteriezelle nach dem Stand der Technik zeigt,
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 eine Aufsicht auf ein zweites Ende einer Batteriedose gemäß der vorliegenden Erfindung von oben zeigt,
4 eine Aufsicht eines zweiten Endes einer Batteriedose gemäß der vorliegenden Erfindung von unten zeigt und
5 in einem Schnitt entlang der Linie 5-5 aus 3 nur die geschnittene Oberfläche zeigt.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine wiederaufladbare Lithiumbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist allgemein mit der Bezugsnummer 10 in 2 dargestellt. Die Batterie 10 weist drei wiederaufladbare Lithiumbatteriezellen 12 auf, welche in einer Batteriedose 14 mit einem ersten Ende 16, einem zweiten Ende 18 und Seitenwänden 20 gestapelt sind. Obwohl drei Lithium-Ionenzellen dargestellt sind, kann die aktuelle Anzahl abhängig von der Verwendung variieren.
1 zeigt eine herkömmliche, mit einer Folie umwickelte Lithiumbatteriezelle 12. Die Zelle enthält eine positive Elektrode 22, eine negative Elektrode 24, einen Elektrolyten 26 und positive und negative "Leitungen" oder "Stromkollektoren" 28 bzw. 30, welche in einer Tasche 32 eingeschlossen sind. Die Leitungen 28 und 30 ermöglichen eine elektrische Verbindung zwischen den positiven und negativen Elektroden 22 bzw. 24, 15 und dem Äußeren der Tasche 32.
Wiederaufladbare Lithiumbatterien beinhalten gewöhnlich eine Lithium-Ionen enthaltende negative Elektrode, können allerdings anstelle dessen ein Lithiummetall oder eine negative Lithiumlegierung aufweisen. Da die Lehren dieser Beschreibung entweder auf Lithiummetall oder eine Lithium-Ionen enthaltende negative Elektrode angewendet werden, werden die Ausdrücke "Lithiumbatteriezelle" und "Lithiumbatterie" so verstanden, daß sie beide Varianten abdecken.
Wie zuvor als Hintergrund erläutert ist es notwendig, einen Kontakt von Feuchtigkeit und Sauerstoff mit dem Inneren der Lithiumbatteriezelle zu verhindern. In der Vergangenheit wurde dieses durch eine Zelle-zu-Zelle-Basis erreicht, in dem jede Lithium-Ionenzelle von einer im wesentlichen feuchtigkeits- und sauerstoffundurchlässigen, das bedeutet "hermetisch abgedichteten" Hülle umhüllt wurde. Im Falle der Lithiumbatteriezelle 12 nach dem Stand der Technik in 1 kann die Tasche 32 beispielsweise aus einer geeigneten Metallfolie mit einem Plastiklaminat herstellt sein, welches wenigstens auf der inneren Oberfläche und vorzugsweise auf beiden Oberflächen aufgebracht ist. Gewöhnlich ist die ausgewählte Metallfolie aus Aluminium, allerdings kann Kupfer oder jedes andere Metall, welches in einer geeigneten Stärke ausgebildet werden kann und eine gute Feuchtigkueits- und Sauerstoffundurchlässigkeit bietet, genutzt werden.
Unglücklicherweise erfordert eine Folientasche eine verhältnismäßig dicke Folie, um in genügender Weise feuchtigkeits- und gasundurchlässig zu sein. Die sich ergebende Folienpackung kann bis zu 10% des Zellengewichtes und -volumens einnehmen. Darüber hinaus neigt die Folie dazu, an den Ecken zu brechen, wenn man versucht, die Lithiumbatteriezelle 12 in einen eng passenden Behälter einzufügen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung übernimmt die Batteriedose 14 die Funktion des Dichtens gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff, anders als bei Batteriedosen nach dem Stand der Technik, wo sie grundsätzlich als ein Halter für die einzeln abgedichteten Zellen dient. Dies ermöglicht den Gebrauch von dünneren und leichteren Taschen 32 und die Möglichkeit von nicht metallischen Taschen 32, beispielsweise aus einem Polymerfilm. Im Falle von nicht flüssigen Elektrolyten kann die Verpackung grundsätzlich eliminiert werden, wenn die einzelnen Lithiumbatteriezellen 12 nur voneinander und von der Batteriedose 14 elektrisch isoliert sind. Ein Vorteil von nicht metallischen Taschen ist das Vermeiden des Risikos eines Kurzschlusses zwischen den Stromkollektoren oder Leitungen 28 und 30 und der entlang der Kante der Tasche 32 offenliegenden Metallfolie.
Wenn flüssige Elektrolyten 26 genutzt werden, muß die Tasche 32 nur im wesentlichen undurchlässig gegenüber einem Austreten des Elektrolyten sein, was eine geringere Anforderung sein kann, als gegenüber einem Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit undurchlässig zu sein. Die Tasche 32 kann daher viel dünner sein und ebenfalls weniger zu einem Undichtwerden neigen, wenn sie in eine kompakte Dose geknickt wird, als dieses bei einer herkömmlichen Folientasche der Fall sein würde. Aus Gründen der Klarheit sollte verstanden werden, daß sich "Feuchtigkeit" hier in erster Linie auf Wasser, im wesentlichen in Form von Dampf, bezieht.
Die Batteriedose 10 weist ein erstes Ende 16 und Seitenwände 20 aus einem metallischen Material wie beispielsweise Zinn auf. Das erste Ende 16 kann mit den Seitenwänden 20 einteilig sein. Allerdings kann es für die Montage gebräuchlicher sein, ein einzelnes mit den Seitenwänden 20 durch beliebige geeignete Mittel, wie beispielsweise durch Löten oder möglicherweise einen polymerischen Kleber, verbundenes einzelnes erstes Ende 16 zu haben.
Die dargestellten Seitenwände 20 sind im Allgemeinen rechtwinklig angeordnet. Dieses ist nicht erforderlich, eignet sich allerdings gut für den Gebrauch der dargestellten Lithiumbatteriezellen 12. Andere Formen können wie erfordert ausgewählt werden.
Die Lithiumbatteriezellen 12 können durch Verbindungsleitungen 34 wie erfordert in Reihe oder parallel geschaltet sein. Hauptauslaßleitungen 36 verbinden die nicht verbundenen Stromkollektoren entgegengesetzter Polarität der ersten und letzten Lithiumbatteriezellen 12 mit elektrischen Verbindern 40, welche durch das zweite Ende 18 der Batteriedose 14 hindurchragen. Weitere Auslaßleitungen 38 verbinden die Verbindungsleitungen 34 mit weiteren elektrischen Verbindern 40, welche durch das zweite Ende 18 hindurchragen. Es ist nicht notwendig sämtliche Zellenverbindungen intern auszuführen, da einzelne elektrische Verbinder 40 für Lade- oder Entladezwecke für jeden positiven und negativen Stromkollektor 28 und 30 vorgesehen sein können und Zellverbindungen dann, falls gewünscht, extern ausgeführt werden können.
Das zweite Ende 18 der Batteriedose 14 muß dichtend mit den Seitenwänden 20 verbindbar sein, während es einzelne elektrische Verbindungen hindurch mit dem Äußeren der Dose an elektrischen Verbindern 40 ermöglicht.
Vom Standpunkt der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsundurchlässigkeit aus wird ein metallisches zweites Ende 18 bevorzugt, allerdings würde dieses eine geeignete isolierende Dichtungsanordnung erfordern, um getrennte elektrische Verbinder 40 zu ermöglichen. Es hat sich herausgestellt, daß ein geeignetes Maß einer Feuchtigkeits- und Luftundurchlässigkeit durch eine Kupfer/Duroplast/Kupfer-Schalttafel mit geeigneten Modifikationen im Bereich der elektrischen Verbinder 40 wie nachfolgend beschrieben erhalten wird.
Es wird nun Bezug auf die 3, 4 und 5 genommen, welche das zweite Ende 18 im Detail darstellen. 3 zeigt eine innere Seite 42, welche eine innere Folienschicht 44 aufweist, typischerweise aus Kupfer, welches über einen nicht leitenden, im wesentlichen festen Träger 46, wie beispielsweise einen herkömmlichen duroplastischen integrierten Schaltungsträger, laminiert ist. Die innere Folienschicht 44 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte innere Fläche 42, mit Ausnahme kreisförmiger Unterbrechungen 48, welche sich um die elektrischen Verbinder 40 erstrecken, um getrennte elektrisch isolierte Verbindungsbereiche zu bilden.
Eine isolierende Beschichtung 52, wie beispielsweise ein Kunststofflaminat, erstreckt sich über die innere Folienschicht 44 und läßt eine äußere Kante 54, welche sich um den Umfang der inneren Fläche 42 erstreckt, und äußere Bereiche, welche als die elektrischen Verbinder 40 agieren, frei. Die äußere Kante 54 ermöglicht, eine Lötverbindung zwischen dem zweiten Ende 18 und den Seitenwänden 20 herzustellen.
Um ein Durchdringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit durch den Träger 46 an den Durchlässen 48 zu verhindern, ist ein im wesentlichen feuchtigkeits- und sauerstoffundurchlässiger Überzug 56 über den Durchlässen 48 plaziert. Der Überzug 56 kann aus einer klebenden Folie bestehen und kann eine nicht leitende polymerische Beschichtung in Richtung der Batteriedose 14 aufweisen. Jeder Überzug 56 weist eine durch ihn hindurchragende, ringförmige Öffnung 58 auf und ist von den verbundenen elektrischen Verbindern 40 beabstandet, um den Verbinder 40 freizulegen und eine elektrische Verbindung zwischen diesen zu verhindern.
Die elektrischen Verbinder 40 können durchplattierte Öffnungen sein, welche durch den Träger 46 zwischen den benachbarten Bereichen der inneren Folienschicht 44 und einer äußeren Folienschicht 64 hindurch ragen. Die elektrischen Verbinder 40 ermöglichen eine elektrische Verbindung zwischen den verbindenden Schichten im Inneren und Äußeren der Batteriedose 14. Daher können beliebige gewünschte elektrische Verbindungen direkt mit den elektrischen Verbindern 40 hergestellt werden. Allerdings ist es im Allgemeinen gebräuchlicher, elektrische Anschlüsse entlang einer Kante des Streifens, wie beispielsweise Batterieanschlüsse 60 in 3 und 5, vorzusehen, welche ebenfalls durchplattierte Öffnungen sein können. Die Batterieanschlüsse 60 sind elektrisch mit den entsprechenden elektrischen Verbindern 40 durch Verbindungsstreifen 62 verbunden. Die Verbindungsstreifen 62 können in der äußeren Folienschicht 64 an einer äußeren Fläche des zweiten Endes 18 durch Wegätzen von Bereichen der äußeren Folienschicht 64 ausgebildet sein, welche getrennte Leitungsstreifen 62 freilassen.
Eine äußere isolierende Beschichtung 66, wie beispielsweise ein Kunststofflaminat, kann über der äußeren Folienschicht 64 aufgebracht werden, um einen ungewünschten elektrischen Kontakt mit der äußeren Folienschicht 64 zu vermeiden.
Die Batteriedose 14 kann optional elektronische Schaltungen, wie beispielsweise schematisch mit der Bezugsnummer 68 in 2 dargestellt, enthalten, welche mit den Lithiumbatteriezellen 12 verbunden sind, um Lade- und Entladevorgänge der Batterie anzuzeigen. Alternativ kann die elektronische Schaltung 68 extern mit den Batterieanschlüssen 60 verbunden sein und ist nicht notwendigerweise Teil der Batterie 10.
Ein dichtbarer Anschluß 70 kann vorgesehen sein, um ein Entleeren und Dichten oder Rückfüllen (vollständig oder teilweise) mit einem geeigneten tönernen Material zu ermöglichen. Der dichtbare Anschluß 70 kann eine durchplattierte Öffnung sein, welche durch ein Lötmittel wie die elektrischen Verbinder 40 dichtbar ist.
Die vorstehende Beschreibung ist eher in einem beschreibenden als in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Änderungen spezifischer Komponenten und beschriebener Verfahren sind dem Fachmann geläufig. Insofern derartige Variationen innerhalb des Bereiches eines der nachfolgenden Ansprüche fallen, sollen sie als durch diese Ansprüche abgedeckt betrachtet werden.

Claims

Batteriedose, welche dichtbar gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff und ein Austreten von flüssigem Elektrolyten ist, welche aufweist: ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende und sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckende und eine Kammer ausbildende Seitenwände zum Umschließen einer Vielzahl von Lithiumbatteriezellen, wobei das erste Ende und die Seitenwände metallisch sind und eine im wesentlichen für Feuchtigkeit und Sauerstoff undurchlässige zwischenliegende Verbindung aufweisen, das zweite Ende an den Seitenwänden durch ein Verbindungsmedium verbindbar ist, um eine im wesentlichen für Feuchtigkeit und Sauerstoff undurchlässige zwischenliegende Verbindung auszubilden, das zweite Ende durch dieses hindurchrragende elektrische Verbinder aufweist, welche eine im wesentlichen Feuchtigkeit- und Sauerstoff undurchlässige Verbindung zwischen den Stromkollektoren der Lithiumbatteriezelle und dem Äußeren der Batteriebox ermöglichen, das zweite Ende des weiteren eine im wesentlichen Feuchtigkeit und Sauerstoff undurchlässige innere metallische Folienschicht aufweist, welche über einen nicht leitenden im wesentlichen festen Träger geschichtet ist, wobei die innere Folienschicht im wesentlichen den gesamten Träger bedeckt, allerdings eine Mehrzahl von abgesonderten Verbindungsbereichen aufweist, welche elektrisch vom Rest der inneren Folienschicht durch entsprechende Unterbrechungen in der inneren Folienschicht isoliert sind, eine isolierende Beschichtung, welche sich über die innere Folienschicht erstreckt und eine äußere Kante der Folie, welche über das zweite Ende hinausragt, zur Befestigung an den Seitenwänden frei läßt, wobei sich die elektrischen Verbinder zwischen den abgesonderten Verbindungsbereichen und dem Äußeren der Batteriebox erstrecken, und einen im wesentlichen Sauerstoff und Feuchtigkeit undurchlässigen Überzug, welcher jede der Unterbrechungen überdeckt und eine durch diesen hindurchrragende Öffnung aufweist und von den elektrischen Verbindern beabstandet ist.
Batteriedose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: das zweite Ende aus einer Folie/Kunststoff/Folie Schaltungsplatte hergestellt ist, die isolierende Beschichtung über der Folie ein Kunststofflaminat ist, die Durchbrüche aus der inneren Folienschicht vor der Anbringung der isolierenden Beschichtung ausgeätzt sind, die Verbinder durch beschichtete Öffnungen ragen, das zweite Ende eine äußere Folienschicht aufweist, welche auf der der inneren Folienschicht gegenüberliegenden Seite des Trägers ist, die äußere Folienschicht durch darin befindliche geeignete Spalte in eine Vielzahl von einzelnen elektrisch voneinander isolierten Leiterstreifen aufgeteilt ist, wobei jeder Leitungsstreifen elektrisch mit einem entsprechenden Verbinder verbunden ist und in einem entsprechenden Batterieanschluß endet und, wobei die ersten und zweiten Enden mit den Seitenwänden durch Anlöten verbindbar sind, um die im wesentlichen Feuchtigkeit und Sauerstoff undurchlässigen zwischenliegenden Verbindungen auszubilden.
Batteriedose nach Anspruch 3, welche des weiteren zur Entlüftung der Batteriedose einen durch diese hindurchrragenden abdichtbaren Anschluß aufweist.
Wiederaufladbare Lithiumbatterie, welche eine Vielzahl von wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen aufweist, welche hermetisch in einer Batteriedose nach einem der Ansprüche 1 bis 3 abgedichtet sind,
Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen aufweist: positive und negative Elektroden, einen Elektrolyten und positive und negative Stromkollektoren, wobei die wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen in der Batteriedose mit einem isolierenden Medium gestapelt sind, welches zwischen benachbarten Zelleneinheiten und zwischen den Zelleneinheiten und der Batteriedose plaziert ist, wobei die Stromkollektoren in Reihe geschaltet sind und mit den Verbindern verbunden sind.
Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine Flüssigkeit ist, jede der wiederaufladbaren Lithiumbatteriezellen in einer nicht leitenden Elektrolyt undurchlässigen Tasche abgedichtet ist, entsprechende Leitungen von jedem positiven und negativen Stromkollektor durch die Tasche in einer elektrolytundurchlässigen Art und Weise hindurchragen.
Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriedose mit einem tönernen Material gefüllt ist.
Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriedose mit einem tönernen Material gefüllt ist.
Wiederaufladbare Lithiumbatterie nach Anspruch 6, welche des weiteren im Inneren der Dose elektronische Schaltungen aufweist, welche mit der wiederaufladbaren Lithiumbatteriezelle verbunden sind, um ein Laden und Entladen anzuzeigen.